Comprendre le bruit et son effet sur les mesures d oscilloscope 2 ème partie : Mesurer en présence de bruit

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1 Comprendre le bruit et son effet sur les mesures d oscilloscope 2 ème partie : Mesurer en présence de bruit Par : Johnnie Hancock, Agilent Technologies Introduction Aucun oscilloscope n échappe à cette caractéristique indésirable, le bruit vertical lié au frontal analogique et au processus de numérisation. Le premier volet de cet article a montré les bonnes techniques à utiliser pour mesurer et comparer les caractéristiques de bruit vertical efficace et crête à crête des oscilloscopes. Le deuxième volet offre quelques conseils utiles pour améliorer la précision de la mesure sur des signaux de faible niveau, en présence de niveaux relativement élevés de bruit généré par l oscilloscope. Mesurer en présence de bruit Lorsque l on utilise un oscilloscope réglé sur la sensibilité V/div maximale, le bruit aléatoire inhérent à l instrument peut masquer les mesures du signal vrai. Certaines techniques de mesure permettent cependant d optimiser les effets de ce bruit. Par exemple, pour mesurer le bruit et l ondulation résiduelle d une alimentation, il faudra sans doute régler l oscilloscope sur la sensibilité V/div maximale ou la plus proche. Essayez d abord avec une sonde 1:1 plutôt qu avec la sonde passive standard 10:1 livrée avec l instrument. Avec cette dernière, non seulement le plancher de bruit de référence de l oscilloscope est multiplié par un facteur de 10, mais le réglage V/div minimum est également dix fois supérieur à celui d une sonde 1:1. En ce qui concerne le niveau de bruit efficace d une alimentation, n oubliez pas que vos mesures engloberont le bruit, éventuellement significatif, généré par le système oscilloscope/sonde, mais si vous caractérisez soigneusement le signal (alimentation) et le système de mesure, vous pourrez éliminer la composante de bruit du système de mesure pour obtenir une estimation plus précise du bruit efficace de l alimentation. Utilisant à peu près 4,7 V du décalage du niveau continu d un oscilloscope de la série Agilent 6000, la Figure 1 montre une mesure de bruit d alimentation à 10 mv/div, avec une sonde passive 1:1. Notez que tous les oscilloscopes n ont pas de capacité suffisante de décalage du niveau continu pour décaler les signaux, notamment cette alimentation 5 V, avec les sondes 1:1. Avec une sonde passive 1:1, nous avons mesuré un bruit de 1,5 mv eff. environ sur cette alimentation 5 V bruitée. La Figure 2 montre une mesure de caractérisation de bruit du système seul, avec la même sonde passive 1:1. En reliant le fil de masse de la sonde à la pointe, nous avons mesuré un bruit du système de mesure égal à environ 480 V efficace, à 10 mv/div. (Dans le premier volet de cet article, nous montrons comment procéder pour obtenir une caractérisation correcte du bruit du système de mesure.) Maintenant, avec une formule de type racine carrée de la somme des carrés, nous pouvons éliminer cette composante de bruit du système de mesure, qui représente sur l alimentation un bruit de l ordre de 1,4 mv efficace. 1

2 Figure 1 : Mesure du bruit de l alimentation et du système de mesure oscilloscope/sonde Figure 2 : Mesure du bruit du système de mesure seul (oscilloscope + sonde passive 1:1) Bien que la mesure effectuée sur cette alimentation puisse ajouter à la composante aléatoire des composantes déterministes/systématiques d interférences/bruit, si ces composantes déterministes ne sont pas corrélées au déclenchement automatique de l oscilloscope, cette technique qui permet d éliminer la composante d erreur liée au système de mesure fournira une très bonne approximation du bruit efficace total de l alimentation. 2

3 Les composantes déterministes/systématiques individuelles des interférences, telles que la commutation des alimentations ou les interférences de l horloge du système numérique, se mesurent aussi avec précision, même en présence d un bruit aléatoire assez important du système de mesure. En déclenchant sur des sources suspectes d interférences, depuis une voie oscilloscope séparée, vous pouvez réaliser une acquisition répétitive des signaux d entrée, puis éliminer par moyennage toutes les composantes de bruit aléatoire et non corrélé ainsi que les interférences générées à la fois par le système oscilloscope/sonde et par le signal d entrée. Il en résultera une mesure de haute résolution d une composante particulière des interférences de l alimentation, même si vous réglez l oscilloscope sur une sensibilité V/div très élevée, de l ordre de 2 mv/div (Figure 3). Figure 3 : Bruit/interférences crête à crête générées par une horloge système embarquée Cette technique de mesure moyenne, sur un signal d alimentation bruité, nous a permis de mesurer des interférences de l ordre de 4,9 mv crête à crête, induites par l horloge 10 MHz du système (signal inférieur, de couleur verte). Pour détecter toutes les sources d interférences/ondulations déterministes (non aléatoires), vous devez réaliser plusieurs mesures moyennées à partir de différentes sources suspectes d interférences qui serviront de sources de déclenchement pour l oscilloscope. Affichage d un signal «empâté» Certains utilisateurs estiment que les oscilloscopes à mémoire numérique (DSO), par rapport aux oscilloscopes analogiques plus classiques, induisent un niveau plus élevé de bruit vertical aléatoire. Cette conclusion s explique par le fait que la trace affichée sur un DSO apparaît plus large que celle d un modèle analogique antérieur. Cependant, le niveau de bruit réel du DSO n est pas supérieur à celui des anciens oscilloscopes de même bande passante. Les oscilloscopes analogiques reposent sur une technologie qui affiche les extrêmes aléatoires du bruit vertical soit en sous-brillance, soit pas du tout, car ces extrêmes apparaissent de façon intermittente. Même si les ingénieurs ont tendance à croire qu un oscilloscope est un simple instrument bidimensionnel qui affiche la tension en fonction du temps, les anciens modèles analogiques affichent une troisième dimension liée à la technologie de balayage par faisceau électronique. Cette dimension montre la fréquence d apparition des signaux, en faisant appel à une modulation d intensité de trace, ce qui fait que les anciens oscilloscopes analogiques masquent effectivement ou suppriment visuellement les extrêmes du bruit vertical aléatoire. 3

4 Les oscilloscopes numériques classiques ne peuvent pas afficher la troisième dimension (modulation d intensité), mais certains nouveaux modèles numériques ont une capacité de dégradé d intensité qui émule de très près la qualité d affichage des oscilloscopes analogiques plus anciens. Les nouveaux oscilloscopes de la série Agilent 6000 équipés de la technologie MegaZoom III offrent le meilleur niveau de dégradé du secteur, avec 256 niveaux d intensité mappés pour un écran couleur XGA. Figure 4 : Affichage d intensité 100 % sans dégradé Figure 5 : Affichage d intensité 20 % avec 256 niveaux d intensité 4

5 La Figure 4 représente un signal 10 MHz de faible niveau, capturé à 10 mv/div, pour une intensité d affichage ajustée sur 100 %. Cet écran est représentatif de l affichage des anciens oscilloscopes numériques dépourvus de fonction de dégradé. S il n a pas cette fonction, l oscilloscope affiche un signal «empâté» qui fait apparaître les extrêmes du bruit crête à crête. Toutefois, «l épaisseur» de ce signal d entrée de niveau relativement bas (environ 50 mv crête à crête), mesuré à 10 mv/div, est principalement due au bruit inhérent à l oscilloscope et non au bruit du signal d entrée. La Figure 5 représente le même signal 10 MHz dont l intensité d affichage a été ajustée à 20 % pour émuler plus précisément l écran d un oscilloscope analogique qui supprime naturellement les extrêmes de bruit. Le signal est maintenant plus «net» sans les effets du bruit inhérent à l oscilloscope, pour un réglage V/div relativement sensible. En outre, vous pouvez maintenant visualiser les détails du signal, par exemple les «oscillations» au niveau de la crête positive de l onde sinusoïdale, qui étaient précédemment masquées lorsque le signal était visualisé à un niveau constant d intensité (100 %), en raison du niveau relativement élevé du bruit de l oscilloscope. Pour une description plus détaillée des avantages que présente la qualité d affichage des oscilloscopes, téléchargez la note d application Agilent 1552 intitulée Oscilloscope Display Quality Impacts Ability to Uncover Signal Anomalies. Vous pouvez aussi éliminer le bruit du système de mesure et le bruit aléatoire du signal en optant pour le moyennage des signaux, si vous acquérez un signal d entrée répétitif (voir l exemple de la Figure 3). Pour les applications en temps réel/monocoup (où le moyennage répétitif est exclu), certains oscilloscopes comportent aussi un mode d acquisition haute résolution. Cette technique peut s utiliser pour les acquisitions monocoup afin de filtrer et d éliminer les composantes à haute fréquence du bruit et des interférences. Le filtrage numérique/dsp permet d obtenir une résolution verticale accrue, jusqu à 12 bits, mais cela se fait au détriment de la bande passante du système de mesure. Résumé Lorsque vous devez utiliser votre oscilloscope réglé sur une sensibilité V/div maximale, le niveau relatif du bruit de l oscilloscope peut être assez élevé, dégradant la précision de mesure sur les signaux d entrée de faible niveau. Dans le deuxième volet de cette série en deux parties consacrée au bruit de l oscilloscope, nous vous avons montré comment éliminer la composante de bruit du système de mesure, pour mesurer le bruit efficace d une alimentation. Nous avons aussi présenté l utilisation du moyennage des signaux qui permet d éliminer les composantes aléatoires du bruit et de parvenir à une mesure précise des composantes déterministes du bruit. Pour des informations plus détaillées sur les mesures de bruit à l oscilloscope, téléchargez la note d application Agilent 1558 intitulée Evaluating Oscilloscope Vertical Noise Characteristics. ### Biographie de l auteur : Johnnie Hancock a obtenu une licence de génie électrique de l Université de South Florida et il a débuté sa carrière chez Hewlett-Packard en 1979 en qualité d Ingénieur Matériels embarqués. Il est détenteur d un brevet sur l étalonnage des amplificateurs d oscilloscopes numériques. Il est actuellement Ingénieur d applications d intégrité du signal pour le groupe Electronic Products and Solutions d Agilent Technologies, responsable des activités de support des applications pour le monde entier, assurant la promotion des oscilloscopes numériques hautes performances d Agilent. Dans ses moments de détente, il pratique le cross-country et restaure sa maison victorienne vieille de 110 ans. 5