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Livre Blancde

lrsquooscilloscope numeacuteriquelaquoEn 2014 lrsquooscilloscope ne sera peut-ecirctre plus ce que vous croyez raquo

Edition Avril 2014 par Testoon

Preacuteface

Vous avez besoin dun oscilloscope numeacuterique mais vous vous perdez dans le choix presque illimiteacute qui vous est proposeacute Vous narrivez pas agrave diffeacuterencier les diffeacuterentes technologies proposeacutees

Il vous faut aussi un geacuteneacuterateur de fonction ou un analyseur de spectre en compleacutement et vous vous demandez si il y aura assez de place sur votre plan de travail pour y inteacutegrer tous ces instruments Dans ce cas un appareil multifonctions ne serait t-il pas plus interessant

Pas de panique TESTOON vous explique tout

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Table des matiegraveres

I Introduction sur les oscilloscopes X-en-1

II Glossaire illustreacute des technologies

III Tour dhorizon des fonctionnaliteacutes

1 Modes de deacuteclenchement2 Analyse logique3 Analysedeacutecodage de bus seacuterie4 Analyse de puissance5 FFT vs voie RF

IV Interface utilisateur

1 Interfaces de communication2 Interface utilisateur

V Guide des performances

1 Relation entre bande passante taux deacutechantillonnage et profondeur meacutemoire2 Nombre de voies3 Meacutemoire segmenteacutee

VI Les sondes

1 Types de sonde2 Performances3 Connectiques

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I- Introduction sur les oscilloscopes X-en-1

Depuis sa creacuteation loscilloscope numeacuterique a beaucoup eacutevolueacute et lon trouve deacutesormais de plus en plus de modegraveles proposant un grand nombre de fonctions et notamment reprenant les fonctions dautres instruments ou proposant au moins leacutequivalentPar exemple certains oscilloscopes numeacuteriques du marcheacute sont doteacutes dune analyse logiqueOn trouve eacutegalement des oscilloscopes inteacutegrant un analyseur de bus ou plus rarement un geacuteneacuterateur defonction etou arbitraire

Quelques modegraveles proposent mecircme toutes ces fonctions agrave la fois et mecircme plus on parlera alors doscilloscopesinstruments X-en-1Linteacutegration de toutes ces fonctions dans un seul appareil permet de gagner de la place sur le plan de travail et dans certains cas de faciliter les synchronisations par exemple entre un oscilloscope et un geacuteneacuterateur

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Depuis 2013 des oscilloscopes doteacutes dune veacuteritable voie de mesure deacutedieacutee RF ont vu le jour remplacant ainsi le traditionnel calcul FFT Une voie deacutedieacutee RF permet davoir une vraie analyse en freacutequence similaire agrave un analyseur de spectre et est donc bien plus preacutecise que le calcul FFT qui utilise une analyse temporelle pour ensuite calculer et reproduire le signal en freacutequentielSur certains modegraveles les domaines freacutequentiel et temporel sont parfaitement correacuteleacutes eacutevitant ainsi lopeacuteration fastidieuse de synchronisation entre un oscilloscope et un analyseur de spectre

Pour beaucoup dapplications il peut ecirctre tregraves interessant de regrouper toutes les fonctions des appareils de mesure dans un seul et mecircme appareil ne serait-ce que pour le gain de place sur le plan detravail ou pour ne plus avoir de problegraveme de correacutelation Souvent un instrument multifonctions est moinsoneacutereux que les instruments monofonctions pris seacuteparemmentsAussi les besoins en performances ou en fonctions pouvant eacutevoluer avec le temps il serait tregraves pratique davoir un appareil eacutevolutif Malheureusement ce type dappareil reste rare et les eacutevolutions proposeacutees sont tregraves limiteacutees ou tregraves oneacutereusesPire tregraves souvent il est mecircme neacutecessaire de changer doscilloscope si le besoin en performance augmente etou dacheter un second appareil si le besoin en fonction eacutevolue

Ainsi lorsquon choisissait un oscilloscope et eacutetant donneacute quil nest pas toujours possible de preacutevoir les besoins futurs un compromis eacutetait toujours agrave faire entre fonctionnaliteacutes performances et budgetCe choix se portant donc sur des besoins actuels et non futurs limpact sur le porte-feuille nen eacutetait que plus important

Et si vous aviez un appareil inteacutegrant toutes les fonctions et performances dont vous avez besoin et que vous pouviez les faires eacutevoluer sans changer dappareil tout en diminuant limpact budgeacutetaire

En 2014 cela est deacutesormais possible gracircce aux instruments X-en-1 eacutevolutifs Ce type dappareil integravegre en standard les fonctions dun oscilloscope numeacuterique classique et il est parfaitement possible dy inteacutegrer par la suite un geacuteneacuterateur de fonctions etou arbitraire un analyseur logique un analyseur de bus un voltmegravetre numeacuterique un freacutequencemegravetre Il est eacutegalement possible de faire eacutevoluer la bande passante la profondeur meacutemoire etcSur certains modegraveles est mecircme inteacutegreacutee lanalyse spectrale (voie deacutedieacutee RF et non FFT) en standard etcelle-ci est eacutegalement eacutevolutive

Afin de bien comprendre les avantagesinconveacutenients des diffeacuterentes technologies utiliseacutees et linteacuterecirct que peuvent preacutesenter les instruments X-en-1 nous vous proposons dans les pages qui suivent plusieurs deacutefinitions des termes utiliseacutes ainsi que diffeacuterentes explications et guides quant aux performances et fonctionnaliteacutes des oscilloscopesIl vous sera ainsi facile de choisir un instrument adapteacute agrave votre besoinEt puisque le choix des sondes de mesure parfaitement adapteacutees agrave votre application est tout aussi important que le choix de loscilloscope vous y trouverez un guide vous permettant de comprendre comment les choisir

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II- Glossaire illustreacute des technologies

Limportante eacutevolution de leacutelectronique ces derniegraveres anneacutees et agrave venir impose des appareils de mesure de plus en plus performants dans le but danalyser des signaux de plus en plus complexes rendant ainsi les oscilloscopes analogiques quasiment obsolegravetes

Lappareil de mesure de reacutefeacuterence est deacutesormais loscilloscope numeacuterique Les technologies employeacutees dans ceux-ci diffegraverent dun modegravele agrave un autre nous vous proposons ci-dessous un glossaire illustreacute afin de mieux comprendre agrave quoi correspond chacun des acronymes et autres termes utiliseacutes pourdeacutefinir ces technologies

DSO Digital Storage Oscilloscope (Oscilloscope agrave meacutemoire numeacuterique)Oscilloscope qui capture les signaux en utilisant un eacutechantillonneur numeacuterique (un convertisseur analogique-numeacuterique) et une meacutemoire tampon Il utilise une architecture de traitement seacuterie pour controcircler lacquisition linterface utilisateur et laffichage

Il deacutesigne en reacutealiteacute tous les oscilloscopes numeacuteriques actuels tous les autre types doscilloscopes numeacuteriques eacutetant en fait des versionsameacutelioreacutees des DSO

En pratique un oscillosocope de type DSO repreacutesente le premier niveau doscilloscope numeacuterique ils noffriront donc pas certaines fonctionnaliteacutes que possegravedent les oscilloscopes dits plus hauts de gammes et nauront surtout la possibiliteacute danalyser que des signaux analogiques (pas danalyse logique ni RF etc) Tregraves scheacutematiquement un oscilloscope numeacuterique numeacuterise le signal agrave analyser cest-agrave-dire quil prend un certain nombre deacutechantillons du signal entrant agrave ses bornes afin de pouvoir le reproduire lenregistre ensuite dans une meacutemoire tampon et laffiche

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DPO Digital Phosphor Oscilloscope (Oscilloscope numeacuterique avec eacutemulation deacutecran au phosphore) Oscilloscope numeacuterique dont les caracteacuteristiques daffichage sont tregraves proches de celles des oscilloscopes analogiques tout en gardant les avantages des oscilloscopes numeacuteriques (Meacutemoire mesures automatiques etc)Un DPO utilise une architecture de traitement parallegravele pour afficher enregistrer et analyser en temps reacuteel les 3 dimensions dun signal Amplitude Temps et Reacutepartition de lamplitude dans le tempsLaffichage agrave deacutegradeacute dintensiteacute apporte des informations sur la freacutequence dapparition des amplitudes et largeurs du signal Ceci aide agrave localiser et caracteacuteriser les anomalies (eacuteveacutenements aleacuteatoires variations fines etc) dun signal qui sontsouvent insaisissables sur les oscilloscopes agrave meacutemoire numeacuterique traditionnels (DSO)

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MSO Mixed signal Oscilloscope (Oscilloscope agrave signaux mixtes) Signifie que linstrument est capable danalyser aussi bien des signaux analogiques que logiques Une interface speacutecifique permettant dy connecter un module 8 16 voies logiques (parfois plus) est preacutesente sur loscilloscope

MDO Mixed Domain Oscilloscope (Oscilloscope agrave domaines mixtes) Speacutecifique agrave TEKTRONIX cette technologie permet de mixer les domaines cest agrave dire quun MDO est capable danalyser un mecircme signal agrave la fois dans le domaine temporel et dans le domaine freacutequentiel Une voie deacutedieacutee RF et non un calcul FFT est inteacutegreacutee agrave loscilloscope Cela preacutesente un avantage certain en terme de coucirct les analyseurs de spectre eacutetant tregraves oneacutereux et de gain de place sur les bancs de test ainsi que pour certains modegraveles un avantage en terme de correacutelation des signaux les signaux temporels et freacutequentielseacutetant parfaitement synchroniseacutes sans manipulation particuliegravere alors quavec 2 appareils seacutepareacutes la synchronisation se montre tregraves fastidieuse agrave reacutealiserLanalyseur de spectre inteacutegreacute aux MDO est de type large bande permettant ainsi un affichage du signal agrave leacutecran sur toute la bande passante RF de lappareil cela eacutetant impossible sur les analyseurs despectre classiques

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HDO High Definition Oscilloscope (Oscilloscope agrave haute reacutesolution)Sigle unique agrave Teledyne-Lecroy il deacutesigne une seacuterie doscilloscope dont le convertisseur analogique-numeacuterique a une reacutesolution de 12 bits comparativement aux autres oscilloscopes qui ont geacuteneacuteralement un convertisseur 8 bits avec eacuteventuellement un mode eacutelargi permettant daugmenter la reacutesolution de maniegravere logicielle (bien moins preacutecise que le convertisseur 12 bits)Un convertisseur 12 bits permet davoir une grande reacutesolution de conversion du signal tout le tempsLe fabricant PICO (fabricant doscilloscope USB) est alleacute un plus loin en utilisant des convertisseurs 12 bits et en les multiplexant permettant ainsi datteindre des reacutesolutions de 14 ou 16 bitsSi lon mesure reacuteguliegraverement des petits signaux (infeacuterieurs agrave 50mV) linteacuterecirct dun oscilloscope haute reacutesolution prend son sens Par exemple Un oscilloscope de 16 bits a 256 fois la reacutesolution verticale dun oscilloscope 8 bits rendant ainsi possible lagrandissement des signaux de niveaux millivolts et microvolts

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Oscilloscope USBOscilloscope se connectant directement agrave un ordinateur Deacutepourvu daffichage ce type dappareils preacutesente lavantage de profiter du grand eacutecran et des performances des ordinateurs et le facteur de forme tregraves compact le rend tregraves portatif A performance eacutequivalente un oscilloscope USB est proposeacute agrave un prix plus interessant que son homologueUn logiciel sur ordinateur permet agrave la fois de controcircler loscilloscope et danalyser les mesures Les fonctionnaliteacutes apporteacutees par ce type de logiciel sont geacuteneacuteralement supeacuterieures aux fonctions inteacutegreacutees dans les oscilloscopes numeacuteriques classiques pour un prix appareil+logiciel eacutequivalent voir mecircme souvent plus inteacuteressant

Diagramme dun oscilloscope USB PicoScope seacuterie 4000

Les oscilloscopes portatifs etou agrave voies isoleacuteesIl sagit doscilloscopes numeacuteriques speacutecifiquement conccedilus pour ecirctre utiliseacutes sur le terrain ils fonctionnent sur batterie etles voies dentreacutee sont isoleacutees Ils sont essentiellement utiliseacutes dans des applications ougrave il est neacutecessaire de mesurer des signaux agrave moyens-forts courants ou moyennes-fortes tensions et ougrave un oscilloscope de laboratoire est inutilisable Ils sont aussi plus robustes que les modegraveles de laboratoire

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III- Tour dhorizon des fonctionnaliteacutes

1- Modes de deacuteclenchement

Le deacuteclenchement deacutetermine le moment ougrave loscilloscope deacutemarre lacquisition des donneacuteeset laffichage dune forme donde

La fonction de deacuteclenchement dun oscilloscope synchronise le balayage horizontal avec un point preacutecis du signal Cela agrave pour but de stabiliser les formes dondes reacutepeacutetitives et de capturer les formes dondes en monocoup

Il existe diffeacuterents modes de deacuteclenchement les plus courants et plus classiques eacutetants les deacuteclenchements sur front montant ou descendant Il y a eacutegalement des modes de deacuteclenchement avanceacutes permettant de deacuteclencher sur des eacuteveacutenements isoleacutes plus speacutecifiques comme des largeurs dimpulsions ou encore des eacutetats logiques par exemple Ci-dessous vous trouverez une liste non-exhaustive des types de deacuteclenchement

Front Deacuteclenchement conventionnel sur niveau Pente positive ou neacutegative

Temps de transition (Slew Rate) Deacuteclenchement sur temps de monteacutee ou de descente trop court ou trop long dun signal Apporte un plus par rapport au deacuteclenchement sur front en y ajoutant la notion de temps

Videacuteo Deacuteclenchement sur une ligne ou sur toutes les lignes paires ou impaires sur trames ou formats analogiques dun signal videacuteo

Largeur dimpulsion Deacuteclenchement sur largeur dimpulsion infeacuterieure supeacuterieure eacutegale ou non eacutegale agrave une limite de temps deacutefinissable

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Glitch Deacuteclenchement sur des impulsions numeacuteriques lorsquelles sont plus courtes ou plus longues quune limite de temps deacutefinissable Cela permet dexaminer les causes de rares eacuteveacutenements que sont les glitchs (Parasites) et leurs effets sur les autres signaux

LogiquePattern Deacuteclenchement sur mot (sorties dune porte ET OU NON-ET NON-OU etcagrave un moment speacutecifieacute) ou sur Etat (tout etat logique front montant ou descendant dhorloge par exemple) logique etou sur une combinaison logique

Impulsion avorteacutee (Runt Pulse) Permet de captuer et examiner les impulsions qui croisent un seuil logique

Bus seacuterie Deacuteclenchement sur le contenu des paquets (deacutebut adresses contenu des donneacutees identificateurs etc) dun bus seacuterie comme I2C SPI CAN LIN USB Ethernet FlexRay etc

Visuel Permet de deacutefinir une ou plusieurs zones simultaneacutement ou non agrave leacutecran pour deacuteclencher lacquisition depuis ces zones Tregraves utile pour deacutefinir des deacuteclenchements complexes comme par exemple un deacuteclenchement sur une seacutequence danomalies ou un diagramme de loeil

Sur signal RF Sur les oscilloscopes agrave domaine mixte (MDO) il est possible de deacuteclencher lacquisition du signal en temporel depuis un signal en RF (deacuteclenchement lorsque le signal RF est eacutemis sur une largeur speacutecifique etc)

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2- Analyse logique

Permet de capturer et visualiser des signaux logiquesComme pour les signaux analogiques les signaux logiques seront repreacutesenteacutes en fonction du temps mais au lieu de mesurer un niveau de tension et le visualiser en tant que valeur en analyse logique le niveau de tension du signal sera interpreacuteteacute comme eacutetant une donneacutee binaireCes signaux sont donc repreacutesenteacutes sous forme deacutetat logique (bits agrave 0 ou 1)Les oscilloscopes inteacutegrant cette fonction neacutecessitent lutilisation dun module 8 ou 16 voies logiques chaque voie ayant une reacutesolution de 1 bit

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3- Analysedeacutecodage de bus seacuterie

Sur un bus seacuterie un seul signal contient souvent des informations drsquoadresse de donneacutees de controcircle et drsquohorloge Cela peut rendre difficile lrsquoisolation drsquoeacuteleacutements inteacuteressants Les fonctions danalyse de bus permettent de visualiser et de deacutecoder des bus seacuterie tels que I2C SPI USB Ethernet CAN LIN FlexRay RS-232422485UART MIL-STD-1553 et I2SLJRJTDM

Affichage de bus Permet de visualiser simultaneacutement les signaux individuels qui composentle bus Permettant ainsi didentifier le deacutebut et la fin des paquets et sous-paquets comme ladresse les donneacutees lidentificateur le controcircle de redondance cyclique etc

Deacutecodage de bus Permet de deacutecoder chaque paquet dans le bus et dafficher la valeur hexadeacutecimale binaire deacutecimale ASCII dans le signal du bus

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4- Analyse de puissance

Permet une analyse rapide et preacutecise de la qualiteacute de la puissance de la perte de commutation des harmoniques de la zone de fonctionnement sucircr de la modulation de lrsquoondulation et dela vitesse de monteacutee (didt dvdt) etc

Fonction indispensable pour toutes les applications ougrave des mesures de puissances rendements etcsont neacutecessaires secteur automobile fabrication et deacutepannage dalimentations mesures de courant de veille de gabarits etc

Les fonctions de mesure de puissance proposeacutees sur les oscilloscopes ne sont pas aussi eacutevolueacutees que celles des analyseurs de puissance mais il possible danalyser la qualiteacute de puissance les harmoniques de visualiser le signal en freacutequence afin de mesurer les eacutemissions de champs eacutelectromagneacutetiques Il est eacutegalement possible dautomatiser certaines mesures

Mesures dharmoniques Test PassFail

Mesure de la qualiteacute de puissance Mesure de pertesdeacutegradations

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5- FFT vs voie RF

Jusquagrave maintenant il existait 2 faccedilons danalyser un signal en freacutequentiel

La premiegravere consiste simplement agrave utiliser un analyseur de spectre Ce type doutils preacutesente lavantage danalyser tregraves preacutecisemment des signaux RF et offre des possibiliteacutes de reacuteglages Certains modegraveles possegravedent eacutegalement des outils de visualisations et de deacuteclenchements avanceacutesEn contrepartie ce type de systegraveme est tregraves oneacutereux

Signal RF depuis un analyseur de spectre ou une voie deacutedieacutee RF sur un MDO

La seconde consiste agrave utiliser un oscilloscope On capture donc le signal en temporel puis on effectu un calcul FFT Ce type de calcul eacutetant inteacutegreacute dans les fonctions de calculs des oscilloscopes (pour la plupart en tout cas) il est donc tregraves simple agrave reacutealiser en revanche ce type de calcul manque de preacutecision il ny a que tregraves peu de reacuteglage possible etc

Calcul FFT depuis le signal temporel

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Dans la plupart des applications RF le calcul FFT ne suffit pas et parfois lanalyseur de spectre peut savegraverer trop couteuxAussi il est souvent inteacuteressant voire neacutecessaire danalyser un mecircme signal en temps et en freacutequence simultaneacutement Le problegraveme dans ce cas lagrave est que si lon utilise un oscilloscope et un analyseur de spectre (2 appareils seacutepareacutes) il faut les synchroniser Cette synchronisation est fastidieuse agrave reacutealiser et nest malheureusement jamais parfaite

Depuis quelques temps le fabricant TEKTRONIX deacuteveloppe des oscilloscopes capables sur un seul et mecircme appareil danalyser un signal agrave la fois en temporel et en freacutequentiel il sagit des MDOCe type doscilloscope possegravede de 2 agrave 4 voies en temporel et 1 voie en freacutequentiel Il sagit dune veacuteritable voie RF avec tous les reacuteglages preacutesents sur un analyseur de spectre standard Sur certains modegraveles lors dune analyse dun mecircme signal en temporel et freacutequentiel les 2 signaux sont parfaitements correacuteleacutes ce qui facilite grandement lanalyse Il est eacutegalement possible de seacutelectionner desportions du signal en temporel et de visualiser automatiquement cette partie en freacutequentiel les 2 signaux eacutetant visualisables simultaneacutements

Au mecircme titre que sur certains analyseurs de spectre la visualisation du spectrogramme permettant de voir leacutevolution du signal freacutequentiel dans le temps est eacutegalement au menu

Visualisation dun signal RF et de son spectrogramme

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IV- Interfaces utilisateurs

1- Interfaces de communication

Linterface de communication dun oscilloscope sert agrave communiquer avec un peacuteripheacuterique externe Ce peacuteripheacuterique peut servir agrave envoyer des donneacutees agrave loscilloscope (geacuteneacuteralement une cleacute USB sur laquelle est preacutesente une courbe une configuration etc) agrave piloter loscilloscope depuis un ordinateur par exemple ou agrave recevoir les donneacutees depuis loscilloscope (Enregistrement de courbe ou connexion agrave une imprimante par exemple)

On peut trouver- 1 ou plusieurs interfaces USB (une eacutetant souvent en faccedilade de lappareil)- 1 interface GPIB (servant au pilotage de lappareil On peut aussi trouver une interface USB servant agrave ce pilotage il suffira alors dy brancher un adaptateur USB-GPIB)- 1 interface Ethernet (permettant la connexion agrave un reacuteseau) parfois compatible avec le protocole LXI- 1 sortie videacuteo pour la visualisation sur eacutecran ou videacuteo-projecteur- 1 interface PS2 pour y brancher une souris

2- Interface utilisateur

On peut classer les oscilloscopes de table selon 2 cateacutegoriesLune est baseacutee sur un chassis et un firmware proprieacutetaire lautre est baseacutee sur un chassis agrave base dordinateur et un firmware interne baseacute sur le systegraveme dexploitation Microsoft Windows Embarqueacute

Linteacuterecirct dun oscilloscope baseacute sur ordinateur sous windows est doffrir un plus grand nombre de fonctionnaliteacutes que son confregravere Aussi le chassis prenant appui sur un ordinateur il offrira plus de connexions et une meacutemoire interne (disque dur ou SSD) plus importante Tous les oscilloscopes haut de gamme (les oscilloscopes ayant des bandes passantes tregraves eacuteleveacutees) sont baseacutes sur ordinateur

Les oscilloscopes USB quant agrave eux ont un chassis proprieacutetaire mais linterface de gestion est deacuteporteacutee sur un ordinateur Ce logiciel offre geacuteneacuteralement des fonctionnaliteacutes avanceacutees et il est possible pour certains modegraveles dutiliser la meacutemoire de lordinateur comme meacutemoire tampon Le logiciel pour une mecircme marque peut ecirctre commun agrave tous les modegraveles doscilloscopes USB de la marque

Concernant laffichage on trouvera un eacutecran LCD qui peut eacutegalement ecirctre tactile sur les oscilloscopes de table tandis que les oscilloscopes USB nont pas deacutecran la visualisation se faisant directement sur leacutecran de lordinateur connecteacute agrave loscilloscope Pour ce dernier lon profite donc de la bonne qualiteacute et de la taille des eacutecrans dordinateur

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V- Guide des performances

1- Les oscilloscopes

Relation entre bande passante freacutequence deacutechantillonnage et profondeur meacutemoire

Lorsquon choisit un oscilloscope il est souvent consideacutereacute que seule la bande passante est importante Si cela eacutetait vrai pour les oscilloscopes analogiques ce nest plus le cas pour les oscilloscopes numeacuteriquesAlors que pour un oscilloscope analogique le signal agrave analyser eacutetait transmis tel quel agrave leacutecran pour un oscilloscope numeacuterique le signal passe agrave travers un convertisseur analogiquenumeacuterique pour ecirctre ensuite visualiseacute agrave leacutecranLe principe de numeacuterisation eacutetant d eacutechantillonner le signal cest agrave dire de prendre des eacutechantillons la freacutequence dacquisition de ces eacutechantillons est toute aussi importante que la bande passante

Bande passante

La bande passante deacutetermine la plage de freacutequence que loscilloscope peut accepter Elle est speacutecifieacutee comme eacutetant la freacutequence agrave laquelle un signal sinusoiumldal dentreacutee est atteacutenueacute agrave 707 (-3 dB) de son amplitude initiale Afin de mesurer correctement un signal il est neacutecessaire que la bande passante de loscilloscope soit supeacuterieure agrave celle du signal agrave analyserEn regravegle geacuteneacuterale il est recommandeacute drsquoutiliser un oscilloscope doteacute drsquoune bande passante au moins deux fois supeacuterieure agrave la composante freacutequentielle la plus eacuteleveacutee du signal Ideacutealement une bande passante de 3 agrave 5 fois supeacuterieure Choisir un oscilloscope ayant une bande passante 5 fois supeacuterieure agrave la freacutequence maximale du signal agrave analyser permet dobtenir une preacutecision de mesure de +-2 suffisante pour la plupart des applicationsCependant cette regravegle peut srsquoaveacuterer impossible agrave atteindre lorsque les vitesses des signaux agrave analyser augmentent Il convient de garder agrave lrsquoesprit que plus la bande passante de lrsquoinstrument est large plus le signal sera reproduit fidegravelementhellip

Bande passante

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Freacutequencetaux deacutechantillonnage

Cest la vitesse agrave laquelle le convertisseur analogiquenumeacuterique (C AN) preacutesent dans lrsquooscilloscope est cadenceacute pour numeacuteriser le signal entrant Plus cette freacutequence est eacuteleveacutee plus preacutecise sera la repreacutesentation du signal Le theacuteoregraveme de Nyquist affirme que la vitesse drsquoeacutechantillonnage du CANdoit ecirctre au moins deux fois supeacuterieure agrave la composante freacutequentielle la plus eacuteleveacutee du signal mesureacute pour eacuteviter le repliementCependant eacutechantillonner un signal agrave tout juste 2 fois la plus haute freacutequence le constituant nest pas suffisant pour reproduire avec exactitude les signaux dans le domaine freacutequentiel Afin de numeacuteriser le signal entrant de maniegravere preacutecise la vitesse drsquoeacutechantillonnage temps reacuteel du CAN doit ecirctre au moins 3 agrave 4 fois supeacuterieure agrave sa bande passante

La plupart des oscilloscopes possegravedent deux tauxmodes deacutechantillonnage diffeacuterents selon le signal mesureacute le temps reacuteel et lETS (souvent appeleacute eacutechantillonnage reacutepeacutetitif ou encore eacutechantillonnageen temps eacutequivalent) Toutefois lETS ne fonctionne que si le signal que lon mesure est stable et reacutepeacutetitif puisque ce mode fonctionne en construisant la forme donde agrave laide dacquisitions successives

Taux deacutechantillonnage

Profondeur meacutemoire

Les oscilloscopes numeacuteriques enregistrent des eacutechantillons saisis dans une meacutemoire-tampon Donc pour un taux deacutechantillonnage donneacute la taille de la meacutemoire-tampon deacutetermine la dureacutee maximalede la saisie avant que celle-ci ne soit pleine

Profondeur meacutemoire

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Le rapport entre le taux deacutechantillonnage et la profondeur meacutemoire est important un oscilloscope doteacute dun taux deacutechantillonnage eacuteleveacute mais dune profondeur meacutemoire de faible capaciteacute ne pourra utiliser son taux deacutechantillonnage maximum que sur les bases de temps les plus rapides

Autrement dit avec une profondeur meacutemoire inadapteacutee au taux deacutechantillonnage lorsquon souhaitera agrandir le signal agrave leacutecran la portion du signal visualiseacute sera deacuteformeacutee puisquun nombre insuffisant de points (eacutechantillons) aura eacuteteacute captureacute

Exemple concret

Pour comprendre la relation entre largeur de bande taux deacutechantillonnage et capaciteacute de meacutemoire lexemple se doit decirctre reacuteel Imaginons que nous essayons de saisir une seacutequence de donneacuteesUSB (11) Une seacutequence de donneacutees dure 1ms et transmet les donneacutees seacuterie agrave 12MBPS Pour simplifiernotre analyse nous pouvons preacutesumer que nous devons saisir une onde carreacutee de 12MHz pendant 1ms

bull Largeur de bande - pour mesurer le signal de 12MHz il faut un minimum absolu de 12MHz ce qui donnera cependant un signal deacuteformeacute Un oscilloscope dune largeur de bande dau moins 50MHz (environ 4 fois supeacuterieure) sera alors preacutefeacuterable

bull Taux deacutechantillonnage - pour reconstruire le signal de 12MHz il nous faut environ 5 points par forme donde un taux deacutechantillonage minimum de 60Meacutechs (12MHz x 5 points) sera donc neacutecessaire

bull Profondeur meacutemoire - pour saisir des donneacutees agrave 60Meacutechs pendant 1ms il faudra une capaciteacute meacutemoire de 60 000 eacutechantillons minimum (60Meacutechs x 1ms)

Nombre de voies

Cest le nombre de points dentreacutees sur lequel on peut analyser un signal Avec laugmentation de la complexiteacute de leacutelectronique le nombre et le type de signaux agrave analyser simultaneacutement a eacutegalement augmenteacute Un oscilloscope possegravede en regravegle geacuteneacuteral 2 ou 4 voies analogiques auxquelles sont ajouteacutees des voies logiques (geacuteneacuteralement 8 ou 16 voies logiques) et dansle cas particulier des modegraveles MDO de Tektronix 1 voie RF est eacutegalement ajouteacuteeCertains modegraveles doscilloscopes USB offrent mecircme jusquagrave 8 voies analogiques

Meacutemoire segmenteacutee

La segmentation de la meacutemoire est un mode dacquisition permettant doptimiser et dameacuteliorer le fonctionnement de la meacutemoire Lideacutee est de segmenter la meacutemoire afin dameacuteliorer les capaciteacutes dacquisition de loscilloscope Ce mode permet un plus grand nombre dacquisitions pour une forme donde quavec le mode de fonctionnement normal de la meacutemoireCette technique permet par exemple la capture dimpulsions tregraves rapides et successives avec un taux de deacuteclenchement tregraves eacuteleveacuteLa segmentation de la meacutemoire peut aussi ecirctre utiliseacutee pour ne capturer les donneacutees que si elles sont preacutesentes sans tenir compte des temps morts

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VI- Les Sondes

La sonde reacutealise la liaison entre le circuit agrave analyser et loscilloscopeLe choix dune sonde est donc tregraves important car cette liaison doit permettre au signal agrave mesurer decirctre transmis agrave loscilloscope le plus fidegravelement possibleLa qualiteacute et la performance dune sonde sont deacutefinies par plusieurs paramegravetres comme la bande passante ou son atteacutenuation par exempleIl existe diffeacuterents types de sondes destineacutees agrave des applications diverses

a- Types de sonde

Sonde de tension passive

Cest la sonde de mesure de tension standard Elle est dite passive car elle ne contient aucun eacuteleacutement actif Ce type de sonde peut ecirctre tregraves scheacutematiquement consideacutereacutee comme un simple cacircble caracteacuteriseacute par des eacuteleacutements passifs (capaciteacute reacutesistance) Leurs performances les limites agrave des applications pour lesquelles une bande passante jusquagrave 500 MHz (1GHz sur certains modegraveles du fabricant Tektronix) est suffisante et pour des tensions faibles agrave moyennesLa pointe de connexion au circuit agrave tester est geacuteneacuteralement pourvue dun adaptateur agrave crochet elle est dune dimension de 5 mm ou 25 mmPour des applications plus speacutecifiques il existe eacutegalement des modegraveles dont le facteur de forme est reacuteduit ou plus adapteacute

Sonde de tension passive avec connecteur proprieacutetaire marque TEKTRONIX

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Sonde de tension active

Sonde de mesure de tension comportant un ou plusieurs composants actifs (geacuteneacuteralement des transistors FET) afin de diminuer les perturbations en haute-freacutequence Une sonde active offre des capaciteacutes en bande passante plus eacuteleveacutes quun modegravele passif et est donc utiliseacutee pour des signaux au-delagrave de 500MHz 1GHz

Sonde de tension active 25 GHz marque TEKTRONIX

Sonde de tension diffeacuterentielle

Elle permet la mesure de tensions faibles agrave eacuteleveacutees flottantes cest agrave dire non reacutefeacuterenceacutees agrave la masse (Exemples sorties de transformateurs amplificateurs disolations thermocouples etc) en toute seacutecuriteacute La tension flottante mesureacutee avec ce type de sonde est convertieen une faible tension reacutefeacuterenceacutee agrave la masse afin de permettre la visualisation sur un oscilloscope

Sonde de tension diffeacuterentielle marque TEKTRONIX

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Sonde haute tension

Utiliseacutee pour la mesure de hautes agrave tregraves hautes tensions jusquagrave plusieurs dizaine de KiloVolts (Geacuteneacuteralement 20 ou 40kV maximum)Ce type de sonde se preacutesente sous la forme dune sonde passive dont la taille peut ecirctre identique ou plusimposante (style poignard)

Sonde HT 25kV marque TEKTRONIX Sonde HT 20kV marque PMK

Sonde de courant

Utiliseacutee pour les mesures de courants alternatifs ou continus Leacuteleacutement en contact au circuit agrave analyser se preacutesente sous la forme de pince rigide servant agrave enserrer le conducteur dont on souhaite connaicirctre lintensiteacutePour les mesures de courant continu il faut que la sonde soit alimenteacutee pour fonctionner dans ce cas elle sera eacutequipeacutee dune alimentation inteacutegreacutee ou externe Dautres modegraveles se preacutesentent sous la forme de systegraveme dans lequel lalimentation de la sonde est assureacutee par un amplificateur intercaleacute entre loscilloscope et la sonde Linteacuterecirct de ce type de systegraveme est quun mecircme amplificateur sert pour toutes les sondes

Le choix deacutependra principalement du type de courant agrave mesurer de la gamme de mesure en courant ainsi que de la dimension de la macircchoire

Sonde de courant systegravememarque TEKTRONIX Sonde de courant marque Teledyne-Lecroy

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2- Performances

Bande passante

Mecircme chose que pour les oscilloscopes la bande passante deacutetermine la freacutequence maximale que la sonde pourra accepter Plus elle est eacuteleveacutee par rapport au signal agrave analyser meilleure sera la preacutecision En regravegle geacuteneacuterale lors dun achat doscilloscope une sonde ayant une bandepassante correspondant ou deacutepassant celle de loscilloscope est fournie en standard

Atteacutenuation

Les oscilloscopes ont des bornes dentreacutees qui nacceptent pas de grandes valeurs de tensions Ainsi lors de mesure de signaux agrave fortes amplitudes il est neacutecessaire que le signal soit atteacutenueacute afin de ne pas endommager les voies dentreacutees

Il existe diffeacuterentes valeurs datteacutenuation selon le type de sonde allant de 1X jusque 500X Par exemple une atteacutenuation de 10X signifie que le signal mesureacute sera reacuteduit de 10x sa valeur en amplitude en entreacutee de loscilloscope Il suffira ensuite de reacutegler correctement leacutechelle verticale de loscilloscope pour obtenir la bonne mesure agrave leacutecranCertaines sondes ont une fonction Read-Out ou ont une connectique speacutecifique agrave une marque afin queles reacuteglages datteacutenuation de la sonde et de leacutechelle verticale sur loscilloscope soient reacutealiseacutes automatiquement

Impeacutedance dentreacutee et compensation

La borne dentreacutee dun oscilloscope est caracteacuteriseacutee par une impeacutedance constitueacutee dune reacutesistance et dune capaciteacuteAfin que le signal agrave mesurer soit correctement visualiseacute sur loscilloscope la sonde qui sera brancheacutee entre le point de mesure et loscilloscope doit preacutesenter en sortie ideacutealement les mecircmes valeurs de reacutesistance et de capaciteacute que la borne dentreacutee de loscilloscope

Ainsi un oscilloscope ayant une borne dentreacutee 50Ohm neacutecessitera lutilisation dune sonde 50Ohm un oscilloscope 1MOhm neacutecessitera une sonde 1MOhmIl est possible dutiliser des sondes 50Ohm sur des oscilloscopes 1MOhm en utilisant un adaptateur speacutecifiquePour la capaciteacute Afin que la valeur de celle de la sonde et celle de loscilloscope correspondent une capaciteacute de compensation reacuteglable est preacutesente sur la sonde

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Compensation

La plupart des sondes sont conccedilues pour correspondre aux entreacutees de modegraveles doscilloscopes speacutecifiques Cependant il y a de leacutegegraveres diffeacuterences dun oscilloscope agrave un autre et mecircme entre les entreacutees dun mecircme oscilloscope Afin de faire correspondre parfaitement une sonde agrave une entreacutee doscilloscope les sondes sont doteacutees dune compensation Les sondes agrave connexion BNC standard sont pourvues dune vis de reacuteglage tandis que pour les sondes agrave connecteurs proprieacutetaires la compensation est reacutegleacutee automatiquement Une sonde mal compenseacutee peut conduire agrave des erreurs de mesures varieacutees speacutecialement lors de mesures de temps de monteacuteedescente dimpulsions Chaque sonde de tension comporte une plage de compensation donneacutee et afin de faire correspondre la sonde agrave loscilloscope il faut que la capaciteacute dentreacutee de loscilloscope soit comprise dans la plage de compensation de la sonde

Effet de la compensation dune sonde sur un signal carreacute Source ABCs of Probes par TEKTRONIX

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3- Connectiques

La connectique standard des oscilloscopes est le connecteur BNC Cependant on trouve dautres types de connecteurs et notamment des interfaces proprieacutetaires Lon peut eacutegalement trouver de la connexion N sur lanalyseur de spectre inteacutegreacute aux oscilloscopes agrave domaine mixte

BNC standard Connexion standard il sagit dun connecteur rond agrave clipser (On tourne d1 quart de tour environ pour la fixer) Il preacutesente une acircme centrale et la partie externe est la masse Cette connexion existe eacutegalement en version ReadOut petite patte meacutetallique qui vient se mettre en contact sur loscilloscope lorsquon connecte la sonde agrave loscilloscope permettant la reconnaissance automatique de latteacutenuation de la sonde

BNC sans ReadOut BNC avec ReadOut

Connecteur proprieacutetaire Les interfaces proprieacutetaires sont tregraves pratiques pour une reconnaissanceet correction automatique (atteacutenuation compensation etc) de la sonde sur loscilloscope mais elles preacutesentent linconveacutenient decirctres speacutecifiques agrave un fabricant et donc seuls les oscilloscopes de la marquecorrespondante peuvent accepter de telles sondes Il existe cependant chez certains fabricants des adaptateurs permettant de transformer la connectique proprieacutetaire de la sonde en connexion BNC standard Le connecteur sur loscilloscope est quant agrave lui compatible avec des BNC standard mais perdant lavantage de la connectique proprieacutetaire il sera neacutecessaire de reacutegler manuellement la sonde

Connecteur TekVPI de Tektronix Connecteur Probus de Teledyne-Lecroy

N Connecteur speacutecifique aux mesures RF etHF car preacutesentant de meilleures performances pour ces applications Tregraves utiliseacute sur les analyseurs de spectre ce connecteur est eacutegalement utiliseacute sur la voie RF des oscilloscopes agrave domaines mixtes (MDO) du fabricant Tektronix Connecteur N

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