Oscilloscopes 1000 X-Series de Keysight, TBS2000 de Tektronix, R&S RTB2000 de Rohde & Schwarz et HDO4000 de Teledyne Lecroy

De l’oscillographe au numérique : principales étapes de l’évolution de l’oscilloscope



  • L’oscilloscope, à l’instar du multimètre pour un électricien, est l’instrument indispensable à tout un électronicien qui souhaite visualiser l’évolution dans le temps d’un signal électronique.
  • Le premier oscilloscope électromécanique été inventé en 1893, il se dote en 1932 d’un écran cathodique avant que Tektronix ne lance en 1946 le premier oscilloscope analogique à balayage déclenché.
  • En 1985, l’oscilloscope entre dans l’ère du numérique grâce à Walter Lecroy avec le lancement de son modèle 9400. La numérisation de l’oscilloscope n’a fait ensuite que s’accélérer.
  • Keysight, Tektronix et Teledyne Lecroy, sont les fabricants historiques du domaine qui proposent la plus large gamme d’oscilloscopes.
  • En 2010, Rohde e& Schwarz,  spécialiste dans les intruments RF et micro-ondes ainsi que les systèmes de test de radiocommunication a fait son entrée sur le marché des oscilloscopes.
  • Electro Rent, spécialiste de la location et de la vente d’occasion d’instruments de test et mesures électroniques évoque avec la collaboration d’Actutem l’évolution de cet emblématique instrument.

 
L’oscillographe est l’ancêtre de l’oscilloscope. L’oscillographe était un instrument de traçage graphique de l’évolution de courbes par des dispositifs mécanisé. Il s’est ensuite transformé en enregistreur piloté par galvanomètres et enregistreurs photographiques. L’avènement du tube cathodique a transformé l’oscillographe en oscilloscope analogique capable de prendre en compte des signaux de déclenchement.

Avec les avancées des circuits de conversion de signaux analogiques/numériques, l’oscilloscope entre peu à peu dans l’ère du numérique. Il s’est informatisé en intégrant davantage d’applications de traitement numériques embarquées et en se dotant de capacité de communication avec les PC qui peuvent les piloter. Les oscilloscopes à tubes cathodiques ont aujourd’hui quasiment disparu. Un oscilloscope est de nos jours forcément numérique. Cependant, certains enregistreurs graphiques qui tracent l’évolution de signaux sur des disques ou des rouleaux en papier par procédé thermique ou par jet d’encre sont encore employés dans certaines industries. Ce sont ces instruments qui se rapprochent le plus des oscillographes.

Le premier oscilloscope électromécanique a été inventé en 1893 par le physicien français André Blondel. Les premiers oscilloscopes mettaient en œuvre plusieurs dispositifs mécaniques qui limitaient leur bande passante. Celle ci se situait entre 10 et 19 kHz. Un grand pas dans le développement des oscilloscopes a été réalisé en 1897, lorsque le physicien allemand Karl Ferdinand Braun a inventé le tube cathodique (CRT). L’entreprise britannique A. C. Cossor, première entreprise au monde à adapter cette technologie, présenta son premier oscilloscope en 1932.

Tout comme le reste du matériel de mesure, le développement de l’oscilloscope a commencé à s’intensifier dans le monde après la Seconde Guerre mondiale. Cela a été particulièrement perceptible en Europe et aux États-Unis. En 1946, Howard Vollum et Melvin Jack Murdock fondèrent la société Tektronix, qui devint bientôt le leader mondial en oscilloscopie. La même année, ils inventèrent leur premier oscilloscope à balayage déclenché, le modèle 511, présentant une bande passante de 10 MHz. Le balayage déclenché permettait l’affichage stationnaire d’une forme d’onde répétitive.
 

Oscilloscope analogique à tube cathodique modèle 551 de Tektronix
Le modèle 511 de Tektronix : premier oscilloscope à balayage déclenché.

 
Les développements dans ce domaine se sont poursuivis dans la plupart des pays technologiquement avancés dans les années 1950. L’oscilloscope est devenu peu à peu un instrument de mesure universel. Sa précision et sa bande passante n’ont cessé de progresser, d’abord en versions analogiques, puis un nouveau pas a été franchie avec l’invention des oscilloscopes numériques en 1985. Cette année constitue un tournant essentiel dans l’histoire de l’oscilloscope. Le premier oscilloscope numérique au monde a été développé pour le centre de recherche du CERN par l’américain Walter Lecroy, fondateur de la société LeCroy (en 2012, cette entreprise américaine été rachetée par Teledyne Technologies et a pris le nom de Teledyne Lecroy).
 

Premier oscilloscope numérique de Lecroy modèle 9400
Le modèle 9400 de Lecroy :  premier oscilloscope numérique.

 
Dans les années 1980, le développement des oscilloscopes numériques s’accélère. Ces instruments intègrent des convertisseurs analogiques/numériques qui échantillonnent les signaux à une fréquence déterminée pour afficher les échantillons numériques à l’écran. Les vitesses d’échantillonnage en augmentation régulière associés aux capacités grandissante de mémorisation des signaux, de traitement numériques et de déclenchement de plus en plus sophistiqués et de communication avec les PC et leurs applications logicielles, les rendent peu à peu incontournables.

Que cela soit en R&D, en production ou en maintenance, dès qu’il est nécessaire d’observer l’évolution d’un signal électrique, l’oscilloscope est un instrument indispensable. Les premiers oscilloscopes étaient relativement simples. Ils intégraient un tube à vide et une source d’électrons. Les électrons, qui forment un faisceau dont la trajectoire est plus ou moins déviée selon l’amplitude du signal, sont projetés sur l’écran phosphorescent traçant ainsi une courbe évanescente. A la différence des oscilloscopes numériques qui peuvent enregistrer les échantillons des signaux numérisés afin de le consulter et les traiter ultérieurement. Les fonctions qu’ils proposent aujourd’hui sont aussi variés qu’il existe de modèles, de constructeurs et d’applications.

Les oscilloscopes sont dotés d’une multitude de modes de déclenchement, sont capable de prendre en charge des signaux modulés, de réaliser toutes sortes de traitement mathématique, de calculer la FFT (Transformé de Fourier rapide fournissant un aperçu des fréquences contenues dans le signal acquis), de décoder le protocole de la plupart des bus standards utilisés dans l’industrie… De nombreux modèles embarquent une plate-forme PC sur laquelle peuvent tourner diverses applications logicielles sous Windows. Les entrées analogiques (jusqu’à 8 mais 2 à 4 en général) sont associées à des étages de conversions analogiques numériques dotées de convertisseur présentant une résolution dans la plupart des cas de 8 bits mais qui peut monter pour certains modèles jusqu’à 12 ou 16 bits. Ces entrées analogique ont été complétées par des entrées numériques (8 à 16 en général) permettant l’acquisition et la visualisation simultanée de signaux mixtes (analogiques et numériques). Les oscilloscopes pourvus d’entrées analogiques et numériques, souvent qualifiés de MSO pour Mixed Signal Oscilloscope, se sont multipliés ces dernières années.
 

Oscilloscopes MSO4000B de Tektronix
Les oscilloscopes MSO4000 de Tektronix sont les premiers instruments à proposer des entrées analogiques et numériques.

 
Tektronix a lancé en 2007 sa première gamme d’oscilloscopes sous l’appellation MSO avec la commercialisation de son modèle MSO4000. Si l’entreprise a été la première à afficher clairement le sigle MSO et à revendiquer l’intégration dans un même instrument les capacités de mesures d’un oscilloscope à celle d’un analyseur logique basique, ses modèles de la gamme MSO4000 ne sont pas les premiers oscilloscopes à être dotés de voies d’analyse logique combinées à des entrées analogiques. Tektronix avait introduit en 1993, le TLS216, un « oscilloscope logique » dont l’affichage des 16 voies se faisait au choix de l’utilisateur avec une résolution de 1 à 8 bits. En 1996, Agilent Technologies (devenu Keysight en 2014 pour l’activité test et mesure électronique) propose des voies logiques sur certains de ces oscilloscopes, tandis que Yokogawa aurait offert cette fonctionnalité à partir de 1989 sur son modèle DL2100.

En juin 2017, Tektronix franchit une nouvelle étape. Ses oscilloscopes de la série MSO 5 se démarquent singulièrement des instruments existants sur le marché. Se distinguant par leur grande flexibilité au niveau du choix du nombre de voies analogiques et numériques, ils proposent 4, 6 ou 8 entrées analogiques dont chacune peut accueillir une sonde de 8 voies numériques. Ce qui offre la possibilité de réunir sur la même plate-forme jusqu’à 64 entrées digitales.
 

Oscilloscope pour signaux mixtes MSO serie 5 de Tektronix
Les oscilloscopes de la série MSO 5 de Tektronix se distinguent par leur 4 à 8 entrées analogiques qui peuvent via une sonde spécifique offrir chacune 8 entrées numériques.

 
Quel que soit le niveau de sophistication en terme de visualisation, d’IHM (via un écran tactile pour certains modèles), de numérisation, de vitesse d’échantillonnage, de traitement, de décodage, de mémorisation ou encore de déclenchement, les oscilloscopes restent avant tout employer pour visualiser l’évolution d’un signal électrique au fil du temps afin de vérifier qu’il est conforme en terme d’amplitude, de forme et de divers autres caractéristiques électriques aux spécifications attendues pour l’application.

Les oscilloscopes destinés à un usage sur table sont les plus nombreux proposés sur le marché. Cependant, à l’exception de Teledyne Lecroy, les constructeurs majeurs disposent à leur catalogue de versions portables fonctionnant sur batterie pour effectuer des mesures sur le terrain. Mais on peut noter la présence dans ce domaine du spécialiste américain de l’instrumentation électrique portable avec ses ScopeMeter et le  français Metrix avec sa gamme OX7000.

Rohde & Schwarz s’est invité sur ce marché en janvier 2016 en introduisant sa première gamme d’oscilloscopes portables R&S Scope Rider équipé d’un écran tactile. Leurs 2 à 4 voies analogiques complétées par 8 entrées numériques en font les premiers oscilloscopes pour signaux mixtes (MSO).
 

Oscilloscope portable Scope Rider de Rohde & Schwarz
R&S Scope Rider : première gamme d’oscilloscopes portables MSO de Rohde & Schwarz.