Echantillonnage : L’oscilloscope

G. Lamarque

Introduction

• Pourquoi ce cours ?

• Pourquoi maintenant ?

• Tout le monde ici a déjà utilisé un oscilloscope : – Soit à polytech’Orléans – Soit dans une vie antérieure… • Mais l’avez-vous bien utilisé ?

• En plus, vous avez tous compris l’essentiel :  Le bouton magique « autoscale » ou « autoset » • Malheureusement, lorsque l’on cherche à visualiser des signaux réels ce n’est pas toujours aussi simple!

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Introduction

• Dans ces moments là il faut avoir compris :  La différence entre les différents modes de couplage:  AC,  DC.

     L’importance de la bande passante de l’oscilloscope.

L’importance du temps de montée de l’oscilloscope.

L’importance de compenser une sonde.

L’importance de disposer d’une grande profondeur mémoire.

La différence entre une interpolation :  Linéaire,  Sin(x)/x, Pour que l’affichage soit « joli »…   La différence entre les différents modes d’acquisition:  Echantillon (sample),  Détection de pics (peak detect),    Moyenne (average).

La différence entre :  La résolution du convertisseur analogique numérique,  Haute résolution (High resolution), Enveloppe (envelope), La résolution effective du système.

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Introduction

• Et si vous ne deviez retenir qu’une seule chose de ce cours retenez que :  « Tout comme nos yeux sont parfois victimes d’une illusion d’optique, l’oscilloscope peut nous renvoyer une image erronée du signal réel que l’on cherche à observer. » 

« Sans connaissance a priori du signal que l’on cherche à observer, l’image que nous renvoie l’oscilloscope n’est pas forcément représentative de ce signal… »

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Introduction

• Qui reconnaît un signal carré à 24MHz ?

• Pourtant les paramètres d’acquisition sont les suivants :  Bande passante : 200 MHz,  Fréquence d’échantillonnage : 100 MS/S.

• Mais si je ne connais pas la nature du signal que puis je conclure?

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Oscilloscope

• Les capteurs permettent de produire un signal électrique sous l’effet d’une grandeur physique (le son, un effort mécanique, une pression, etc).

• L’évolution de ses signaux électriques au cours du temps peut être visualisée à l’aide d’un oscilloscope.

– C’est l’œil du physicien mais aussi de l’électronicien, du mécanicien, etc… – La qualité essentielle d’un oscilloscope est sa capacité à préserver l’intégrité du signal (reconstituer un signal avec précision).

 Mais c’est l’utilisateur qui fait les réglages… 6

Do (Banjo)

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Do (Orgue)

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Voyelles « A E I O U Y »

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Voyelle « A »

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Relais

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Rebonds « mécanique » d’un relais : visualisation du courant dans la charge d’un relais (fe=10MHz)

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Rebonds « mécanique » d’un relais : visualisation du courant dans la charge d’un relais (fe=100MHz)

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Oscilloscope

• Cet appareil purement analogique à l’origine (il y a plus de 50 ans) est maintenant presque exclusivement numérique.

• Cette mutation a été rendue possible grâce à l’avènement des microprocesseurs et à la performance très étendue des écrans à cristaux liquide.

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Oscilloscope analogique

Système vertical Atténuateur Amplificateur vertical Ecran tube cathodique Canon à électrons Sonde Système de déclenchement Système horizontal Générateur de balayage Base de temps Amplificateur horizontal 15

Oscilloscope analogique

• En fonction de l’échelle verticale (volt/division) un atténuateur réduit la tension ou un amplificateur augmente la tension du signal à étudier.

• Cette tension est alors appliquée directement sur l’axe vertical du mouvement d’un faisceau d’électrons.

• Le tube cathodique dévie le faisceau vers le haut ou vers le bas proportionnellement à la tension appliquée.

• La face interne de l’écran est revêtue d’une couche de phosphore qui se met à briller là où elle est frappée par le faisceau d’électrons.

• La persistance rétinienne fait le reste: – Visualisation « des variations » d’un signal périodique.

• Le signal est également transmis au système de déclenchement qui provoque le démarrage de la base de temps horizontale (assure qu’un signal périodique aura toujours le même niveau au temps t=0 de l’écran d’où la stabilité de l’image).

• La base de temps horizontale est obtenue par un signal triangulaire appliquée sur l’axe horizontal, le point lumineux parcourt ainsi l’écran de gauche à droite dans un intervalle de temps particulier.

– Aux vitesses les plus élevées, le point peut traverser l’écran jusqu’à 500000 fois par seconde.

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Oscilloscope numérique

Conditionnement du signal Atténuateur Amplificateur vertical Microprocesseur Unité de traitement Bus d’adresses Bus de données Bus de contrôle CAN Mémoire Ecran Sonde Système de déclenchement Horloge d’échantillonnage Base de temps 17

Oscilloscope numérique

• La tension mesurée est transformée en données numérique via un CAN.

• Le signal est acquis sous forme d’une suite d’échantillons qui sont enregistrés dans la mémoire.

• Le signal est ensuite reconstitué avant d’être affiché sur l’écran.

• L’oscilloscope numérique peut afficher avec une bonne luminosité une image stable et claire pour n’importe quelle fréquence de sa plage.

• Pour les signaux répétitifs, la bande passante de l’oscilloscope numérique est fonction de la bande passante analogique de ses modules d’entrée.

• Pour les événements monocoup et transitoires tel que les échelons, la bande passante peut être limitée par la fréquence d’échantillonnage de l’oscilloscope.

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Les principaux constructeurs

• Le Croy • Hewlett Packard (Agilent Technologies) • Tektronix • Yokogawa Mais aussi • Hameg • Metrix 19

Oscilloscopes 4 voies du marché

Fabricant Agilent Technologies Le Croy Tektronix Yokogawa Modèle Bande Passante DSO 6034A 300 MHz DSO 6054A 500MHz DSO 6104A 1GHz WS 434 WS 454 TDS 3034B TDS 3044B TDS 3054B TDS 3064B DL 1740 350 MHz 500 MHz 300 MHz 400 MHz 500 MHz 600 MHz 500 MHz Echantillonnage en temps réel (monovoie) 2Géch/s Capacité mémoire par voie (monovoie) 500Ko à 4Mo 2Géch/s (4Géch/s) 1Géch/s (2Géch/s) 2.5 Géch/s 5 Géch/s 500 Méch/s (1 Géch/s) 500Ko à 4Mo (1 à 8Mo) 250Ko ou 1Mo (500Ko ou 2Mo) 10Ko 1 ou 4Mo (2 ou 8Mo) Prix 6000 € 8600 € 12000 € 6990 € 9020 € 7200 € 8600 € 10600 € 12300 € 8500 € 20

Oscilloscopes Tektronix

TDS 1002 (Tektronix) TDS 3012B (Tektronix) TDS 3032B (Tektronix) TDS 3052B (Tektronix) TDS 6124C (Tektronix) TDS 6154C (Tektronix) Bande Passante 60MHz 100MHz 300MHz 500MHz 12GHz 12GHz 15GHz (2voies) Echantillonnage Longueur 1 GS/S 1.25 GS/S 2.5 GS/S 5 GS/S enregistrement 2500 points 10000 points 10000 points 10000 points Prix (HT) 1060€ 4020€ 5300€ 18690€ 20 GS/S 40 GS/S (2voies) 20 GS/S 40 GS/S (2voies) 2 à 32Mo 4 à 64Mo (2 Voies) 2 à 32Mo 4 à 64Mo (2 Voies) 90000€ 113000€ 21

Étage d’entrée d’un oscilloscope numérique

Filtre anti repliement Voie 1 Atténuateur Amplificateur vertical Voie 2 Atténuateur Amplificateur vertical Filtre anti repliement CAN F e F e Sélection de voie • Pour réduire le coût en général plusieurs entrées partagent le même CAN.

• La fréquence d’échantillonnage, en temps réel, est plus importante lorsque l’on utilise qu’une seule voie.

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Voie Atténuateur

Convertisseur rapide

CAN1 F e Filtre anti repliement Amplificateur vertical CAN2 F e CAN1 CAN2 Fréquence d’échantillonnage réelle Mémoire de type FIFO Mémoire de type FIFO 23

Sauvegarde/restitution des échantillons

CAN N bits Mémoire de type FIFO Bus de données microprocesseur F e •Le microprocesseur récupère les données dans la FIFO pendant l’acquisition.

•Si la fréquence d’échantillonnage est supérieure au temps nécessaire au microprocesseur pour extraire les données, l’acquisition s’arrête lorsque la FIFO est pleine.

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Sauvegarde/restitution des échantillons

N bits Mémoire de type FIFO Bus de données microprocesseur CAN F e N bits N bits Mémoire de type FIFO •Chaque FIFO permet de sauvegarder les échantillons d’une même voie lorsque le CAN est partagé par plusieurs voies d’entrée.

•Lorsqu‘une seule voie est utilisée on dispose alors d’une plus grande profondeur mémoire.

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Sensibilité verticale

• Indique la capacité de l’amplificateur vertical à amplifier un signal faible.

• Elle se mesure généralement en mV par division.

• La plus petite tension détectée par un oscilloscope à usage général se situe habituellement aux alentours de 1mV/division.

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Résolution verticale du CAN

• Indique avec quelle finesse le CAN peut convertir les tensions du signal d’entrée en valeurs numériques.

• La résolution verticale se mesure en bits.

• Certaines techniques de calcul permettent d’améliorer la résolution effective du CAN.

• On trouve généralement des CAN 8 bits sur les oscilloscopes.

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Couplage

• L’utilisateur a le choix de filtrer ou non le signal d’entrée. Il existe deux types de couplage d’entrée :  AC (Alternating Current : alternatif) : la composante continue du signal est bloquée par une capacité et n’est pas transmise. Ce mode est particulièrement intéressant, par exemple, pour visualiser les parasites qui se superpose à une tension continue.

 DC (Direct Current : continu) : Toutes les composantes du signal sont transmises.

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« Bruit » d’une alimentation 5V continue

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Signal carré f=1Hz (en position DC)

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Signal carré f=1Hz (en position AC)

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Pourquoi ?

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Bande passante

• La bande passante détermine la capacité fondamentale d’un oscilloscope à mesurer un signal.

• La bande passante nominale de l’oscilloscope est la fréquence à laquelle un signal d’entrée sinusoïdal est atténué à 70.7% de l’amplitude vraie du signal (fréquence de coupure à -3dB).

• Si la bande passante est insuffisante :  La courbe d’amplitude est déformée,  Les fronts disparaissent,  Les détails (hautes fréquences) sont perdus.

• Pour déterminer la bande passante nécessaire à l’oscilloscope afin de caractériser avec précision l’amplitude du signal il faut multiplier par cinq la fréquence de sa composante fréquentielle la plus élevée. Cette règle permet d’obtenir une erreur de mesure inférieure à ±2%.

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Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 5Gs/s)

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Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:20MHz, 5Gs/s)

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Pourquoi ?

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Décomposition en série de FOURIER

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Décomposition en série de FOURIER

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Décomposition en série de FOURIER

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Temps de montée

 C’est le temps que met l’impulsion pour passer de 10% à 90% de l’amplitude maximale.

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Temps de montée

• Dans l’univers du numérique, les mesures de temps de montés sont cruciales.

• Le temps de montée de l’oscilloscope doit être suffisamment bref pour saisir avec précision les détails des transitions rapides.

• Pour calculer le temps de montée de l’oscilloscope requis pour un type de signal, on utilise la relation suivante: 

Temps de montée de l’oscilloscope requis = Temps de montée le plus court du signal mesuré ÷ 5

• Un oscilloscope caractérisé par un temps de montée plus court saisira avec plus de précision les détails cruciaux des transitions rapides.

• Il existe une constante liant la bande passante et le temps de montée de l’oscilloscope : 

Bande passante = K ÷ Temps de montée

 La valeur de K dépend de la courbe de réponse en fréquence de l’oscilloscope et de sa réponse au temps de montée de l’impulsion.

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Temps de montée

• Généralement :  K = 0.35 lorsque la bande passante de l’oscilloscope est inférieure à 1GHz,  0.4 < K < 0.45 lorsque la bande passante de l’oscilloscope est supérieure à 1GHz.

• Si l’oscilloscope avec sa sonde a :  Un temps de montée 5 fois plus rapide que celui du signal testé, le taux d’erreur sera de l’ordre de 2%,  Un temps de montée du même ordre de grandeur que celui du signal testé le taux d’erreur sera de l’ordre de 41%.

• Exemple :  Un oscilloscope avec une bande passante de 100MHz a un temps de montée de : Temps de montée = 0.35 ÷ 100 x 10 6 = 3.5 nS  Il n’est donc pas « raisonnable », avec cet appareil, de mesurer des temps de montée inférieurs à 3.5 nS X 5 = 17.5 nS.

  Un amplificateur opérationnel de type TL071 a un temps de montée d’environ 2µS.

Une technologie ABT a un temps de montée d’environ 4nS.

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Sondes d’oscilloscopes

Sonde Tenma Sonde passive Sonde Tyco P3010 (Tektronix) Sonde passive Sonde passive P6139A (Tektronix) Sonde passive P6205 (Tektronix) Sonde active P6245 (Tektronix) P6249 (Tektronix) Sonde active Sonde active 18pF X10 12pF X10 10MΩ 13pF X10 10MΩ 8pF 1MΩ X10 <2pF X10 1MΩ 20KΩ ≤1pF X10 <1pF X5 60MHz 150MHz 100MHz 500MHz 750MHz 1.5GHz

4GHz 15€ 50€ 133€ 350€ 862€ 1956€ 4280€

Pour information :

•Un cordon BNC vaut environ 6 € •Un « T » BNC vaut environ 5 € 43

Sondes d’oscilloscopes

• Une sonde n’est pas seulement un simple morceau de câble qui permet d’amener le signal à l’entrée de l’oscilloscope.

   La sonde fait partie intégrante du système de mesure :  Oscilloscope + sonde • De nombreux types de sondes existent : Elles ont toutes des caractéristiques adaptées à des tâches particulières.

• On distingue en particulier : Les sondes passives (résistances, capacités). Elles permettent l’atténuation du signal d’entrée.

  Les sondes actives : elles contiennent des composants électroniques actifs pour l’amplification. Elles nécessitent une source d’alimentation propre pour leur fonctionnement.

• La sonde a pour mission de s’assurer que seul le signal désiré apparaît à l’entrée de l’oscilloscope.

Si on utilise un bout de câble, il fera instantanément office d’antenne!

  Il ne faut pas oublier que de nombreuses interférences parasites « polluent » notre environnement (stations radio, éclairage fluorescent, moteur électrique, ondulation secteur 50Hz ou 60Hz, téléphone portables,…)

Il faut donc utiliser des câbles blindés, des sondes!

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« Bruit » d’une alimentation 5V continue (sonde)

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« Bruit » d’une alimentation 5V continue (2 fils de 30cm)

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Signal Carré à 12MHz

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Signal Carré à 12MHz + grippe fil sur connexion de masse

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Signal Carré à 12MHz + grippe fil sur connexion de masse + 5 cm de fils sur connexion de masse

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Signal Carré à 12MHz + grippe fil sur connexion de masse + 10 cm de fils sur connexion de masse

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Sondes d’oscilloscopes

• Tout comme les oscilloscopes, les sondes possèdent une bande passante limitée qui doit être appropriée.

 Si on associe une sonde 100MHz à un oscilloscope 100MHz la bande passante de l’ensemble est inférieure à 100MHz.

 En effet, la capacité de la sonde s’ajoute à la capacité d’entrée de l’oscilloscope.

 La bande passante, et le temps de montée du système sont détériorés.

• Exemple • Sonde de 100MHz :  • Oscilloscope de 100MHz :  • Temps de montée du système :  T T T montée sonde montée oscilloscope montée système = 0.35 ÷ 100 MHz = 3.5 nS = (T = 0.35 ÷ 100 MHz = 3.5 nS montée sonde + T montée oscilloscope )     T montée système • Bande passante du système : BP système BP système = 4.95 nS = 0.35 ÷ T = 70.7 MHz montée système

La sonde doit avoir une bande passante supérieure à celle de l’oscilloscope.

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Sondes d’oscilloscopes

• Chaque sonde possède une impédance d’entrée constituée par des résistances, des capacités des inductances.

• Sa connexion affectera le circuit testé par la charge supplémentaire qu’elle impose.

  La mesure n’est donc pas exactement la même que s’il n’y avait pas eu « intrusion » par l’ensemble constitué par  sonde + oscilloscope • Certaines sondes ne disposent pas de résistance série. Elles sont constituées d’un câble et d’une pointe de test.

A l’intérieur de leur bande passante utile il n’y a pas d’atténuation du signal (ce sont des sondes 1:1 ou x1).

 Elles ont un effet de charge sur le circuit car elles connectent l’impédance d’entrée de l’oscilloscope et leur propre capacité (y compris la capacité du câble).

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Sondes d’oscilloscopes

Oscilloscope Sonde C p V Signal R S 1MΩ C S 15 à 25pF • T montée système = (T² montée sonde + T² montée oscilloscope ) 1/2  L’effet de charge dû à la capacité devient de plus en plus significatif au fur et à mesure que la fréquence du signal augmente.

• Remarque : • L’impédance d’un condensateur est inversement proportionnelle à la fréquence.

• A 100MHz l’impédance d’une capacité de 25pF est Z c = 1/(2 π FC) ≈ 63.7Ω.

• En DC Z c ≈ ∞.

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Sondes d’oscilloscopes

• Il est possible de réduire l’effet de charge en ajoutant à la sonde une impédance en série à celle de l’oscilloscope.

Sonde C Comp Oscilloscope V Signal R P 9MΩ R S 1MΩ C S 15 à 25pF • La capacité de compensation C Comp de la sonde est • A basse fréquence l’impédance d’entrée est de: R P + R S = 10MΩ à l’extrémité de la sonde.

• L’amplitude du signal « vu » par l’oscilloscope est divisée par un facteur 10 (pont diviseur par R P + R S ).

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Sondes d’oscilloscopes

• Une sonde 10:1 ou x10 possède généralement : • Plusieurs condensateurs réglables, • Plusieurs résistances réglables, Pour donner une réponse correcte sur une large gamme de fréquence.

 La plupart d’entre eux sont réglés en usine.

 L’utilisateur n’a plus qu’un seul condensateur à régler (le condensateur de compensation basse fréquence).

 La sonde doit toujours être adaptée à l’entrée de la voie de l’oscilloscope avec laquelle la sonde est utilisée (la capacité d’entrée des différentes voies d’un oscilloscope n’est jamais rigoureusement la même).

• Le réglage est facile à faire à l’aide du signal carré de sortie disponible sur la plupart des panneaux avant des oscilloscopes.

• Une onde carrée contient de nombreuses composantes de fréquence. Lorsque toutes ces composantes sont transmises à l’oscilloscope à la bonne amplitude, le signal carré est fidèlement reproduit à l’écran.

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Sonde sous compensée

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Sonde compensée

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Sonde sur compensée

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Types de Sondes d’oscilloscopes

• Sonde commutables  Elles sont pratiques car elles combinent les deux types de sondes (10:1 et 1:1) en un seul accessoire.

  La position 10:1 est préférable pour sa faible charge et sa bande passante élevée.

La position 1:1 est préférable pour les signaux de bas niveau à basses fréquences.

• Atténuateur de sonde  On utilise couramment la sonde 100:1 qui possède une faible capacité (typiquement 2.5pF) et une résistance d’entrée de 20MΩ.

 Cette sonde est parfaitement indiquée pour les mesures effectuées sur des convertisseurs haute tension (4KV).

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Types de Sondes d’oscilloscopes

• Sonde à FET  C’est une sonde active.

 Utilisation en haute fréquence (au-delà de 500MHz).

  Elle possède une capacité d’entrée très basse (jusqu’à 1.4pF).

Il est judicieux de se servir de ce type de sonde pour mesurer des transitoires rapides dans des circuits à impédance de source élevée ou lorsqu’un effet de charge minimum est nécessaire.

• Sonde de courant  Cette sonde permet de visualiser le courant dans un conducteur.

 Cette sonde utilise un transformateur de courant situé dans la tête de la sonde.

  Cette sonde se ferme autour d’un câble, évitant ainsi de couper le circuit.

Le signal émis à partir de la tête de la sonde est converti en tension, mis à l’échelle et dirigé vers l’entrée de l’oscilloscope.

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« sniffer » de champ magnétique

• Il est possible de créer un «sniffer» de champ magnétique très simple en connectant la sortie d’un câble BNC à une boucle en court circuit.

• Plus le diamètre de la boucle est petit plus le «capteur» est sensible en haute fréquence.

• On peut ainsi voir de façon qualitative le bruit produit par un équipement électrique sans avoir besoin de le toucher.

• Le champ est maximum lorsque la boucle est à 90° par rapport au signal qui lui a donné naissance.

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Bruit généré par un écran de type VGA

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Bruit généré par un relais (à 2 cm)

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Bruit généré par un relais (à 30 cm)

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Bruit généré par une carte microcontrôleur (à 10 cm)

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Bruit généré par le 50Hz (capté par un câble BNC )

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Bruit généré par le 50Hz (capté par un fil de 30 cm )

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Lancement et arrêt du système d’acquisition

• Les oscilloscopes numériques peuvent enregistrer des signaux en vue d’un traitement ou d’une visualisation ultérieure.

• Il peut être nécessaire de régler l’oscilloscope de façon à ce qu’il arrête d’acquérir le signal :  Lorsque l’utilisateur appuie sur un bouton,  Une fois qu’une acquisition est achevée (mémoire pleine),  Après qu’un ensemble d’enregistrements ait été transformé en signal d’enveloppe ou en signal moyenné.

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Échantillonnage

• C’est le processus de conversion d’une partie du signal d’entrée en un certain nombre de valeurs discrètes permettant de :  L’enregistrer,  Le traiter,  L’afficher.

• La valeur d’amplitude de chaque point d’échantillonnage est égale à l’amplitude du signal d’entrée à l’instant où le signal est échantillonné.

• L’oscilloscope numérique utilise reconstituer le signal sur l’écran.

cette matrice de points d’échantillonnage pour 69

Fréquence d’échantillonnage

• C’est le nombre d’échantillons du signal que l’oscilloscope numérique saisit par unité de temps (Échantillonnage /Seconde ou Sample/Second) • L’augmentation • La fréquence de événements cruciaux.

la fréquence d’échantillonnage d’échantillonnage d’un oscilloscope augmente la résolution et le niveau de détail du signal affiché et réduit le risque de manquer des informations ou des minimum peut prolongée un signal variant lentement au cours du temps.

affiché (meilleure utilisation de la profondeur mémoire).

de spectre, il faut échantillonner un signal à :

plus élevée (théorème de Shanon).

également constituer un facteur important lorsqu’il s’agit d’observer de façon • La fréquence d’échantillonnage est modifiée automatiquement en fonction de la base de temps sélectionnée afin de maintenir un nombre constant d’échantillons dans l’enregistrement de signal • Pour reconstituer un signal avec précision et prévenir le repliement

une fréquence supérieure à deux fois sa composante fréquentielle la

• Dans la pratique, suivant la nature du signal à reconstituer la fréquence d’échantillonnage de l’oscilloscope doit parfois être supérieure à 10 fois la composante fréquentielle la plus élevée du signal.

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Oscillateur à 12MHz d’une carte microcontrôleur avec f e =1Ks/s => F oscillation =24.29Hz

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Oscillateur à 12MHz d’une carte microcontrôleur avec f e =100Ms/s => F oscillation =11.098MHz

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Pourquoi ?

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Phénomène d’aliasing

74

Phénomène d’aliasing

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Échantillonnage

• Lorsque ces points sont très espacés il est difficile de reconstituer correctement le signal.

• L’interpolation permet de relier les points par des lignes ou des vecteurs. Il existe plusieurs méthodes d’interpolation d’entrée continu.

permettant de produire une représentation précise d’un signal • Les oscilloscopes offrent généralement le choix entre plusieurs modes d’interpolation :   Sin(x) / x, Linéaire.

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Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 5Gs/s)

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Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 100Ms/s)

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Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 100Ms/s)

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Pourquoi ?

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Phénomène d’aliasing

81

Phénomène d’aliasing

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Vitesse de saisie du signal

• C’est le nombre de répétitions ou de cycles du signal acquis par unité de temps.

• La vitesse de saisie du de performance de l’oscilloscope.

signal varie considérablement suivant le type et le niveau • Les oscilloscopes caractérisés par une grande vitesse de saisie du signal apportent beaucoup plus d’informations visuelles :  Sur le comportement du signal.

 Augmente largement la probabilité de saisir en peu de temps les anomalies transitoires.

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Vitesse de saisie du signal

• L’architecture de traitement en saisir de 10 à 5000 signaux par seconde.

série des oscilloscopes à mémoire numérique leur permet de • Certains oscilloscopes offrent un mode spécial qui saisit très rapidement un très grand nombre d’enregistrements successifs dans une mémoire d’acquisition de taille importante.

Chaque acquisition et alors suivie d’un temps mort important nécessaire au traitement des signaux acquis.

• Les oscilloscopes de type DPO (Digital Phosphore Oscilloscope) utilisent évènements aléatoires.

une architecture de traitement en parallèle pour fournir une vitesse de saisie du signal infiniment plus élevée (de l’ordre du million de signaux par seconde). Ce qui augmente considérablement la probabilité de saisie des 84

Fréquence d’échantillonnage versus nombre d’échantillons acquis en une seconde Fréquence d’échantillonnage

• La fréquence d’échantillonnage pendant le « temps mort » est toujours nulle.

Le nombre d’échantillons acquis en une seconde

• C’est le nombre d’échantillons acquis par seconde en prenant en compte le temps mort. C’est l’équivalent d’une fréquence d’échantillonnage moyenne qui intègre à la fois :  La fréquence d’échantillonnage maximale pendant le temps d’acquisition.

 La fréquence d’échantillonnage nulle pendant le temps mort.

• Cette grandeur permet d’estimer la probabilité de capter un événement parasite peu fréquent. Cette grandeur est rarement donnée par les constructeurs car il faut prendre en compte :  Le nombre de voies.

 La profondeur mémoire.

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Échantillonnage

Parasite non détecté signal Seuil de déclenchement Attente seuil de déclenchement 1 ère acquisition Temps mort Attente seuil de déclenchement 2 ème acquisition 86

Échantillonnage Temps d’acquisition

•C’est l’intervalle de temps pendant lequel l’oscilloscope échantillonne le signal.

Temps d’acquisition = Profondeur mémoire / Fréquence d’échantillonnage.

Temps mort

•C’est l’intervalle de temps entre deux acquisitions.

•Durant ce temps l’oscilloscope :  Traite les échantillons acquis,  Réarme le «trigger» pour procéder à une nouvelle acquisition .

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Longueur d’enregistrement

• C’est le nombre de points composants un enregistrement de signal complet.

• L’oscilloscope ne pouvant enregistrer qu’un nombre limité d’échantillons, la durée du signal enregistrée sera inversement proportionnelle à la fréquence d’échantillonnage.

 Durée d’un enregistrement = Longueur de l’enregistrement ÷ Fréquence d’échantillonnage • L’analyse d’un signal sinusoïdal extrêmement stable peut nécessiter une longueur d’enregistrement de 500 points.

• La recherche des causes des anomalies temporelles dans un flux de données numériques complexes peut nécessiter plus d’un million de points.

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Taille mémoire

• Chaque échantillon doit être sauvegardé en mémoire.

• Une plus grande profondeur mémoire permet de stocker plus d’échantillons.

• Une acquisition sur des temps très long nécessite une grande profondeur mémoire si l’on veut conserver une fréquence d’échantillonnage constante.

 Une fréquence d’échantillonnage élevée permet de capturer des détails sur des temps d’acquisition long. La fréquence d’échantillonnage doit être la plus grande possible :  Pour reproduire le signal avec une meilleure précision,  Pour avoir une meilleure résolution entre les points,  Pour avoir une grande probabilité de détecter un parasite.



Intérêt d’avoir une grande profondeur mémoire.

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Taille mémoire Inconvénients

• Lorsque la profondeur mémoire de l’oscilloscope augmente le temps nécessaire au traitement de ces échantillons est plus important.

augmente aussi et par conséquent le temps mort entre deux acquisitions • Lorsque la profondeur mémoire est importante le temps entre deux acquisitions c’est à dire le temps entre l’affichage de deux signaux augmente.

• Le temps de réponse suite à un changement de la base de temps par exemple est plus long.



C’est pourquoi il est important de pouvoir choisir la profondeur mémoire souhaitée pour l’acquisition.

90

Échantillonnage

• Certains oscilloscopes numériques offrent le choix entre deux méthodes d’échantillonnage:  Échantillonnage en temps réel,  Échantillonnage en temps équivalent.

• Ce choix ne change rien lorsque la base de temps est réglée sur une vitesse lente.

• Ce choix n’a d’effet que lorsque le CAN ne peut pas échantillonner le signal assez rapidement pour remplir l’enregistrement d’échantillons en un seul passage.

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échantillons

Échantillonnage en temps réel

signal Seuil de déclenchement Horloge d’échantillonnage 92

Échantillonnage en temps équivalent

• Lors de la mesure de signaux haute fréquence, l’oscilloscope peut être incapable de recueillir suffisamment d’échantillons en un seul passage.

• Hypothèse : Il est possible d’échantillonner un signal avec une fréquence d’échantillonnage inférieure à la fréquence de Shannon (F e >2F max ) à condition que le signal soit périodique.

• L’échantillonnage en temps équivalent reconstitue l’image d’un signal répétitif en saisissant une petite quantité de données sur chaque période.

• Il existe deux types d’échantillonnage en temps équivalent :  L’échantillonnage en temps équivalent aléatoire,  L’échantillonnage en temps équivalent séquentiel.

• Il n’est pas possible de visualiser un parasite qui se superposerait de manière aléatoire à certaine période.

93

Mesure du déphasage entre l’entrée et la sortie d’une porte HCT (après 4 acquisitions)

94

Mesure du déphasage entre l’entrée et la sortie d’une porte HCT (après 174 acquisitions)

95

Échantillonnage en temps équivalent séquentiel

Reconstruction des échantillons signal Seuil de déclenchement ∆t Horloge d’échantillonnage 2∆t 3∆t 96

Échantillonnage en temps équivalent séquentiel

• Acquisition d’un seul échantillon par déclenchement, indépendamment du réglage de la base de temps ou de la vitesse de balayage.

• Lorsque • Avantage :  le soit remplie.

système bref mais bien défini.

saisit un autre échantillon.

détecte point de déclenchement.

un évènement de déclenchement, il saisit un échantillon après un retard très • Lorsque le déclenchement suivant se produit, un petit incrément temporel (Δt) s’ajoute à ce retard et le numériseur • Ce processus se répète jusqu’à ce que la fenêtre temporelle Techniquement il est plus facile de générer un Δt très bref et très précis que de mesurer avec précision les positions verticale et horizontale d’un échantillon par rapport au 97

Échantillonnage en temps équivalent aléatoire

Reconstruction des échantillons signal Seuil de déclenchement Horloge d’échantillonnage asynchrone par rapport au seuil de déclenchement 98

Échantillonnage en temps équivalent aléatoire

• L’horloge interne est asynchrone par rapport au signal d’entrée et au déclenchement.

• Les échantillons sont saisis de façon continue, indépendamment de la position de déclenchement.

• Les échantillons sont affichés en fonction de l’intervalle de temps entre l’échantillon et le déclenchement.

• L’échantillonnage s’effectue séquentiellement mais il est aléatoire par rapport au déclenchement.

 Échantillonnage « aléatoire ».

en temps équivalent 99

Échantillonnage en temps équivalent aléatoire

• Avantages :  Possibilité d’acquérir et d’afficher des échantillons situés avant le point de déclenchement.

 Cette technique élimine le besoin :  En signaux de pré déclenchement externes.

  De lignes à retard.

 Suivant la fréquence d’échantillonnage et la fenêtre temporelle de l’affichage, l’échantillonnage aléatoire permet également l’acquisition de plus d’un échantillon par événement de déclenchement.

• Inconvénients : Aux vitesses de balayage plus élevées, la fenêtre d’acquisition se rétrécit jusqu’à ce que le numériseur ne puisse plus échantillonner le signal à chaque  déclenchement.

La bande passante de l’échantillonnage en temps équivalent aléatoire est inférieure à celle de l’échantillonnage en temps équivalent séquentiel.

100

Types de mode d’acquisition : Mode échantillon

• C’est le plus simple des modes d’acquisition.

• L’oscilloscope crée un échantillon en enregistrant un seul point d’échantillonnage au cours de chaque intervalle de signal.

101

Circuit de Reset

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Circuit de reset d’une carte microcontrôleur en mode «Échantillons »

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Types de mode d’acquisition : Mode détection de pics

• Le CAN tourne à une fréquence d’échantillonnage élevée, même avec des réglages de base de temps très lents.

• L’oscilloscope enregistre le point de valeur minimum et le point de valeur maximum saisis au cours de deux intervalles de signal et les utilisent pour créer les deux échantillons correspondants.

• Une base de temps lente donne de longs intervalles de signal.

• Ce mode est capable de saisir les variations rapides du signal qui se produiraient entres les échantillons en mode échantillon.

• Ce mode permet de visualiser des impulsions étroites très espacées dans le temps.

• Ce mode permet d’obtenir des informations uniquement si le

CAN peut échantillonner le signal plus rapidement que ce qui est requis par le réglage de la base de temps.

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Types de mode d’acquisition : Mode détection de pics

105

Types de mode d’acquisition : Mode détection de pics

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Circuit de reset d’une carte microcontrôleur en mode « Détection de pics »

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Types de mode d’acquisition : Mode haute résolution

• Ce mode permet d’obtenir des informations uniquement si le CAN peut échantillonner le signal plus rapidement que ce qui est requis par le réglage de la base de temps.

• Le système établit la moyenne de plusieurs échantillons saisis au cours d’un seul intervalle de signal pour produire un seul échantillon.

• Il en résulte :  Une diminution du bruit,  Une amélioration de la résolution pour les signaux lents.

108

Types de mode d’acquisition : Mode haute résolution

109

Types de mode d’acquisition : Mode haute résolution

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Circuit de reset d’une carte microcontrôleur en mode « Haute résolution »

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Types de mode d’acquisition : Mode enveloppe

• Ce mode est similaire au mode détection de crête mais il combine les échantillons minimum et maximum de plusieurs acquisitions pour former un signal indiquant leur accumulation respective au cours du temps.

• Le signal que l’on observe doit être répétitif. 112

Types de mode d’acquisition : Mode moyennage

• L’oscilloscope enregistre plusieurs occurrences du signal.

• Le système établit ensuite la moyenne des échantillons saisis lors des acquisitions successives pour produire le signal affiché.

• Ce mode permet de réduire le bruit sans perte de bande passante.

• Ce mode requiert un signal répétitif.

• Lorsque le bruit n’est pas corrélé au signal utile, le mode moyennage permet d’améliorer le rapport signal sur bruit (S/B ou Signal to Noise Ratio SNR) d’un facteur √N (avec N nombre de moyennes).

N S/B S/B (dB) 4 2 6 16 4 12 256 16 24 1024 32 30 4096 64 36 • La moyenne est mise à jour en temps réel après chaque nouvelle acquisition.

113

« Bruit » d’une alimentation 5V continue

114

« Bruit » d’une alimentation 5V continue après 4 acquisitions en mode « Average »

115

« Bruit » d’une alimentation 5V continue après 214 acquisitions en mode « Average »

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Facteurs de performance : Effet de la longueur d’enregistrement sur la TF • La Transformée de Fourier (TF) d’une suite de N échantillons temporels produit N/2 harmoniques dans le domaine fréquentiel • Ces points sont compris entre :  Le continu (harmonique zéro : moyenne temporelle du signal)  La fréquence de Nyquist (f e /2) • La résolution en fréquence (Δf) de la TF est :  Δf = f e (fréquence d’échantillonnage) ÷ N (nombre total de points de l’enregistrement) 118

Facteurs de performance : Impédance d’entrée

• L’impédance d’entrée des appareils dont la bande passante est inférieure à 200MHz est de l’ordre de 10MΩ en parallèle avec une capacité de 15pF • Pour les appareils de bande passante supérieure, la capacité diminue et l’impédance d’entrée est de 50 Ω 119

Signal Carré 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 100Ms/s) 120

La (Guitare) 121

La (Piano) 122

La (Orgue) 123

Sortie d’un port d’une carte microcontrôleur (chenillard) en mode « échantillons » 124

Sortie d’un port d’une carte microcontrôleur (chenillard) en mode « Détection de pics » 125

Sortie d’un port d’une carte microcontrôleur (chenillard) en mode « Haute résolution » 126

Oscillateur à 12MHz d’une carte microcontrôleur avec f e =25Gs/s => F oscillation =11.1111MHz

127

Son

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Do (Guitare)

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Do (Piano)

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Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:100MHz, 10Gs/s)

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Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 10Gs/s)

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Signal Carré à 12MHz + grippe fil sur connexion de masse + 15 cm de fils sur connexion de masse

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