Oscilloscopes Keysight Infiniium V Series

Comment bien choisir un oscilloscope ?






 

  • Comment choisir l’oscilloscope qui répond le mieux à votre besoin ?
  • Quels sont les criètres de choix ?
  • Résolution, bruit, mise à l’échelle verticale, planéité de la réponse en fréquence, précision de l’échelle de temps, gigue intrinsèque, nombre de bits effectifs (ENOB) sont les septs paramètres ou caractéristiques les plus importants lors du choix d’un oscilloscope.
  • Keysight Technologies rappelle dans cet article l’importance de chacun de  ces sept paramètres.
  • L’oscilloscope dont ces sept caractéristiques correspondent le mieux  aux exigences de l’application de test et mesure sera à coup sûr l’oscilloscope approprié. 

 
Auteur : Erik Babbé de Keysight Technologies
 
Pouvez-vous faire confiance à ce que vous voyez sur l’écran de votre oscilloscope et aux mesures que vous réalisez ? L’intégrité du signal de l’oscilloscope affecte la forme du signal et les valeurs des mesures. Évaluez l’intégrité du signal de votre oscilloscope et réalisez des mesures fiables.

L’intégrité du signal est le principal indicateur de la qualité du signal. Il devient encore plus important avec les plus grandes vitesses de signal, la bande passante de l’oscilloscope, le besoin d’observer de petits signaux ou le besoin d’observer de petits changements sur des signaux plus amples. L’intégrité du signal affecte toutes les mesures réalisées avec l’oscilloscope. Les oscilloscopes sont soumis aux difficultés d’intégrité de signal telles que la distorsion, le bruit et les pertes.

Les oscilloscopes aux attributs d’intégrité de signal supérieurs offrent une meilleure représentation de vos signaux sous test, alors que ceux aux attributs d’intégrité de signal faibles offrent une représentation moins bonne. La différence affecte la capacité des ingénieurs à mieux comprendre, déboguer et caractériser les conceptions. Il est important de sélectionner un oscilloscope aux attributs d’intégrité de signal supérieurs, car les oscilloscopes aux attributs d’intégrité de signal faibles peuvent augmenter le risque en matière de durée de cycle de développement, de qualité de production et de choix des composants. Pour évaluer l’intégrité de signal d’un oscilloscope, nous observerons les bits ADC, la mise à l’échelle verticale, le bruit, la réponse en fréquence et en phase, l’ENOB et la gigue intrinsèque.

Bits ADC

La résolution est le niveau de quantification (Q) le plus petit déterminé par le convertisseur analogique/numérique (ADC) dans l’oscilloscope. Plus il y a de bits ADC, plus la résolution de l’oscilloscope est élevée. Par exemple, un ADC de 8 bits peut encoder une entrée analogique sur un des 256 différents niveaux (comme 28 = 256), alors qu’un ADC de 10 bits fournit idéalement 4 fois cette résolution avec 210 = 1024 niveaux Q.

ADC et résolution verticale d'un oscilloscope.
Figure 1. La résolution est une caractéristique importante pour l’intégrité du signal. Le fait de disposer d’un oscilloscope avec un convertisseur Analogique/Numérique (ADC) offrant un plus grand nombre de bits et une mise à l’échelle verticale satisfaisante augmente la résolution.

Mise à l’échelle verticale

Comme l’ADC fonctionne sur la valeur verticale à pleine échelle, la mise à l’échelle verticale correcte aide également à augmenter la résolution de l’oscilloscope. La Figure 1 montre un écran entier de 800 mV (8 divisions * 100 mV/div).

Un oscilloscope avec un ADC de 8 bits a une résolution de 3,125 mV (800 mV/256 niveaux Q), alors qu’un ADC de 10 bits a une résolution de 0,781 mV. Le plus petit signal qu’un oscilloscope peut afficher correspond au plus petit niveau Q.

Pour obtenir la meilleure résolution, utilisez le réglage de mise à l’échelle verticale le plus sensible tout en gardant la forme d’onde entière sur l’affichage. Mettez la forme d’onde à l’échelle de façon à ce qu’elle consomme quasiment tout l’affichage vertical et que vous utilisiez pleinement l’ADC de votre oscilloscope. Si un signal est mis à l’échelle de façon à remplir uniquement la moitié (ou moins) de l’affichage vertical, vous perdrez 1 ou plusieurs bits ADC.

La combinaison de l’ADC, de l’architecture frontale de l’oscilloscope et de la sonde utilisée détermine la limite de mise à l’échelle verticale que l’oscilloscope peut gérer. À un certain point, chaque gamme d’oscilloscopes ne peut pas descendre au-delà d’une certaine échelle verticale. Les équipementiers font généralement référence à ce point comme celui où l’oscilloscope commence à agir comme un logiciel d’agrandissement. Le fait de régler l’échelle verticale de l’oscilloscope sur un numéro inférieur ne fait qu’agrandir le signal affiché mais ne fournit pas une résolution supérieure.

La Figure 2 montre un exemple de deux oscilloscopes qui évaluent un petit signal dont la magnitude fait que la mise à l’échelle d’un plein écran de 16 mV permet au signal de consommer presque toute la hauteur de l’affichage vertical. L’oscilloscope traditionnel de 8 bits applique un logiciel d’agrandissement à 7 mV/div, entraînant une résolution minimum de 218 μV (7 mV/div * 8 div/256 niveaux Q). Un oscilloscope de 10 bits tel que le Infiniium S-Series de Keysight reste en mode matériel jusqu’à 2 mV/div, entraînant une résolution minimum de 16,6 uV (2 mV/div * 8 div)/1024 niveaux Q), soit 13 fois la résolution de l’oscilloscope de 8 bits.

 

La résolution verticale est un paramètre essentiel pour choisir un oscilloscope.
Figure 2. Le réglage vertical minimum pris en charge par un oscilloscope en mode matériel est important lorsqu’il s’agit d’observer les détails d’un petit signal.

Bruit

Le bruit affecte tant les mesures horizontales que les mesures verticales. Plus le bruit est faible, meilleure sera l’intégrité du signal. Si les niveaux de bruit sont supérieurs aux niveaux de quantification de l’ADC, vous ne pourrez pas profiter des bits ADC additionnels. Il est critique d’avoir un oscilloscope à bruit faible (plage dynamique élevée) si vous souhaitez voir de faibles courants et tensions, ou de petits changements sur des signaux plus amples.

Le bruit peut provenir de diverses sources, dont la partie avant de l’oscilloscope, son ADC et la sonde ou le câble utilisé pour connecter le dispositif. L’ADC lui-même émet du bruit de quantification, mais ceci contribue moins au bruit global que la partie avant.

La plupart des fabricants d’oscilloscopes caractériseront le bruit et incluront ces valeurs sur la fiche technique du produit. Sinon, vous pouvez leur demander ces données ou vous renseigner vous-même. La mesure est facile à réaliser et prend quelques minutes seulement. Chaque canal d’oscilloscope aura des qualités de bruit uniques pour chaque réglage vertical. Déconnectez toutes les entrées de l’avant de l’oscilloscope et définissez-le sur un chemin d’entrée de 50 Ω (vous pouvez également exécuter le test pour le chemin de 1 MΩ). Activez une quantité raisonnable de mémoire d’acquisition telle que 1 Mpt, avec un taux d’échantillonnage fixé sur un taux élevé pour assurer que vous bénéficiez de la bande passante entière de l’oscilloscope. Vous pouvez observer le bruit visuellement en regardant l’épaisseur de la forme de l’onde, ou le quantifier en mesurant la tension efficace (Vrms). Ces méthodes vous permettront de découvrir le niveau de bruit présent sur chaque canal de l’oscilloscope pour chaque réglage vertical.

Réponse en fréquence

Pour un oscilloscope, une réponse en fréquence uniforme et plate est fortement souhaitée pour l’intégrité du signal. Chaque modèle d’oscilloscope présente une réponse en fréquence unique qui correspond à une mesure quantitative de la capacité de l’oscilloscope à obtenir des signaux précis jusqu’à la bande passante nominale. Voici trois exigences incontournables sur l’oscilloscope pour qu’il obtienne des formes d’ondes avec précision :

  1. Une réponse en fréquence plate.
  2. Une réponse en phase plate.
  3. Les signaux mesurés doivent être compris dans la bande passante de l’oscilloscope.

 
Une réponse en fréquence plate indique que l’oscilloscope traite toutes les fréquences de façon égale, et une réponse en phase plate indique que le signal est retardé du même exact délai sur toutes les fréquences. La déviation d’un ou plusieurs de ces critères entraînera de l’imprécision dans l’acquisition et la représentation d’une forme d’onde par l’oscilloscope.

Certains oscilloscopes sont dotés de filtres de correction qui sont normalement mis en œuvre dans des processeurs de signal numérique (DSP) et optimisés pour une gamme d’oscilloscopes. La Figure 3 montre la façon dont les filtres de correction peuvent améliorer l’intégrité du signal de la mesure en créant une réponse en magnitude et en phase plate. L’oscilloscope de droite présente une forme d’onde qui correspond avec précision au contenu spectral du signal, contrairement à celui de gauche.

 

Filtrage via un circuit DSP avec un oscilloscope.
Figure 3. Deux oscilloscopes dont la valeur nominale de la bande passante, le taux d’échantillonnage et d’autres réglages sont identiques étaient connectés à un signal identique. Pourquoi cette différence ? Celui de droite utilise des filtres de correction DSP pour produire une réponse en magnitude et en phase plate, contrairement à celui de gauche.

La réponse en fréquence globale de votre oscilloscope sera une combinaison de la réponse en fréquence de l’oscilloscope combinée à la réponse de fréquence de n’importe quel câble ou sonde connecté entre le dispositif sous test et l’instrument. Si vous placez un câble BNC avec une bande passante de 1,5 GHz sur l’avant d’un oscilloscope de 4 GHz, la bande passante globale du système est limitée par le câble BNC et non l’oscilloscope. Assurez-vous que vos sondes, accessoires et câbles ne limitent pas la précision d’une mesure.

Nombre effectif de bits (ENOB)

ENOB est une mesure des performances dynamiques de l’oscilloscope exprimée par une série de courbes de bits par rapport à la fréquence. Chaque courbe est créée à un réglage vertical spécifique alors que la fréquence est variable. Les mesures de tension résultantes sont réalisées et évaluées. En général, il est préférable d’avoir un ENOB (exprimé en bits) le plus élevé possible.

Bien que certains équipementiers puissent simplement communiquer la valeur ENOB de l’ADC de l’oscilloscope, cette donnée n’a aucune valeur. C’est l’ENOB du système entier qui compte. En effet l’ADC pourrait avoir un excellent ENOB, mais le bruit de la partie avant de l’oscilloscope pourrait réduire considérablement l’ENOB du système entier. Les ingénieurs qui regardent exclusivement l’ENOB pour juger de l’intégrité du signal doivent être prévenus. L’ENOB ne prend pas en compte les erreurs de décalage ou la distorsion de phase que l’oscilloscope peut injecter.

Un oscilloscope ne présente pas une unique valeur ENOB, il a différentes valeurs ENOB pour chaque réglage vertical et fréquentiel.

Gigue intrinsèque

La gigue décrit la déviation de la position horizontale idéale et se mesure en ps rms ou en ps crête-à-crête. Les sources de gigue comprennent le bruit thermique et mécanique aléatoire dû à la vibration des cristaux. Les traces, câbles et connecteurs peuvent ajouter davantage de gigue à un système à travers l’interférence entre les symboles.

Les oscilloscopes ont eux-mêmes une gigue. Le terme « gigue intrinsèque » désigne la valeur de gigue introduite par l’oscilloscope lorsqu’il mesure un signal parfait sans gigue. La valeur de gigue intrinsèque comprend non seulement la gigue d’horloge d’échantillonnage mais également les sources d’erreurs verticales, telles que le bruit vertical et les harmoniques des signaux qui se superposent. Ces sources d’erreurs verticales affectent les mesures de temps horizontales car elles influent sur les franchissements de seuil.

La gigue excessive est mauvaise car elle peut entraîner des violations de synchronisation entraînant le mauvais comportement du système ou des taux d’erreur bits (BER) dégradés sur les systèmes de communication, entraînant de mauvaises transmissions. Il est nécessaire de mesurer la gigue pour assurer la fiabilité du système à haute vitesse. Il est essentiel de comprendre le niveau de précision des mesures de votre oscilloscope afin d’interpréter vos résultats de mesure de gigue.

 

Circuits électroniques embarqués sur les oscilloscopes de la série Infiniium de Keysight.
Figure 4. Les oscilloscopes série Infiniium de Keysight incluent un nouveau bloc à technologie basée sur le temps. La précision de son horloge est de 75 parties par milliard. La gigue intrinsèque pour des longueurs d’enregistrement courtes est de moins de 130 fs.

Les sept attributs clés favorisant l’intégrité du signal mesuré avec un oscilloscope :

Indicateur d’intégrité du signal

Bloc de technologie de l’oscilloscope

Où trouver la réponse ?

Résolution Bits ADC Fiche produit
Bruit Front-end La plupart des équipementiers l’incluent dans la fiche produit.
Mise à l’échelle verticale prise en charge par l’instrument ADC/ Front-end Les fiches produit ne précisent pas toujours le début de l’agrandissement par logiciel. Certains équipementiers limitent la bande passante pour une meilleure sensibilité.
Planéité de la réponse en fréquence Filtres analogiques et filtre de correction Ces informations ne sont généralement pas incluses dans les fiches produit. Il vous faudra vous renseigner auprès de l’équipementier pour obtenir une réponse en magnitude et en phase pour le modèle que vous considérez.
Précision de l’échelle de temps Base de temps Fiche produit
Quantité de gigue intrinsèque Base de temps Certains équipementiers incluent ces informations, d’autres non. Si elles ne figurent pas dans la fiche produit, renseignez-vous auprès de l’équipementier.
ENOB Combinaison du système vertical et horizontal de l’oscilloscope Certains équipementiers incluent ces informations, d’autres non. Si elles ne figurent pas dans la fiche produit, renseignez-vous auprès de l’équipementier.