- Un oscilloscope est un instrument de test électronique indispensable pour visualiser la forme d’ondes de signaux électriques.
- Les oscilloscopes numériques ont depuis de nombreuses années remplacé les modèles analogiques à tube cathodique qui ne sont guère plus commercialisés.
- Un oscilloscope est dit « numérique » car il convertit un signal analogique en valeurs codées sur plusieurs bits par le biais d’un convertisseur analogique numérique (CAN). Ces valeurs numériques sont stockées dans une mémoire tampon. Elles permettent de construire la forme d’onde du signal qui est affichée sur l’écran de l’instrument qui pour certain modèle est aujourd’hui tactile.
- Les oscilloscopes appelés MSO (Mixed Signal Oscilloscope) sont équipés de 8 à 16 entrées numériques en complément de leurs 2, 4 ou 8 entrées analogiques. Ce qui leur permet d’afficher simultanément à l’écran des formes d’ondes analogiques et numériques.
- Les oscilloscopes numériques étaient initialement dotés de convertisseurs analogiques/numériques de 8 bits de résolution. Mais ces dernières années, il existe sur le marché de plus en plus d’oscilloscopes qui exploitent des convertisseurs qui numérisent les signaux sur 12 bits.
- Certains oscilloscopes intègrent également un voltmètre, un compteur de fréquence ainsi qu’un générateur de signaux d’une ou deux voies. Ce qui transforme l’oscilloscope en une boîte à outils complète pour le dépannage de cartes électroniques.
- Il existe sur le marché quelques oscilloscopes portables fonctionnant sur batterie ainsi que des modules qui se connectent par une liaison USB à un PC sur l’écran duquel sont affichées les formes d’ondes des signaux. Cependant, ils couvrent des bandes de fréquences moindre que les oscilloscopes de table traditionnels qui constituent l’essentiel de l’offre du marché. Certains oscilloscopes de table peuvent intégrer une batterie qui les transforme en instrument polyvalent utilisable en laboratoire ou sur le terrain.
- Chaque constructeur propose plusieurs gammes d’oscilloscopes qui se distinguent par la largeur de leur bande passante, le nombre d’entrées, la vitesse d’échantillonnage maximale, la profondeur mémoire maximale, la résolution des convertisseurs analogiques numériques (CAN), la taille et le type d’écran (qui peut être tactile), la performance du processeur embarqué, diverses fonctionnalités de traitement des signaux telles que la FFT ou des calculs statistiques, et des applicatifs dédiés par exemple au déclenchement et au décodage de bus numérique.
Auteur : Youssef Belgnaoui « copyright – tous droits réservés »
Les principaux formats d’oscilloscopes
Largeur de bande de fréquence ou la bande passante
La largeur de bande ou la bande passante est l’une des premières caractéristiques à prendre en considération lors du choix d’un oscilloscope. Il s’agit de la fréquence maximale d’un signal qui peut être pris en charge par les étages d’entrée de l’instrument. La bande passante de l’oscilloscope doit donc être supérieure à la fréquence maximale du signal que l’on souhaite mesurer. Cette spécification est primordiale car il n’est pas possible d’effectuer des mesures précises avec un oscilloscope qui ne dispose pas d’une bande passante supérieure à la fréquence maximale du signal à mesurer.
La réponse en fréquence de l’étage d’amplification d’un oscilloscope correspond à celle d’un filtre passe-bas. Un filtre passe-bas laisse passer les signaux dont la fréquence va du continu jusqu’à à une fréquence de coupure spécifiée à – 3 dB d’atténuation. La bande passante d’un oscilloscope correspond à la bande de fréquences allant du continu (DC) à la fréquence de coupure qui représente environ une atténuation de 30% en tension à ce point de fréquence.
Il est à noter que si le signal d’entrée n’est pas sinusoïdal, il contiendra des harmoniques de fréquences plus élevées. Par exemple, la mesure d’une onde carrée de 10 MHz avec un oscilloscope disposant d’une bande passante de 10MHz sera atténuée et déformée. Il faut donc mieux opter pour un oscilloscope dont la largeur de bande est plusieurs fois supérieure à la fréquence maximale des signaux que l’on souhaite mesurer.
La conversion analogique/numérique des signaux
La conversion d’un signal analogique en valeurs numériques est un processus indispensable à tout oscilloscope numérique. Ce processus est pris en charge par des convertisseurs analogiques/numériques (CAN) intégrés à l’instrument. Un convertisseur analogique numérise le signal d’entrée à intervalles réguliers par la fréquence d’acquisition ajustée automatiquement ou par l’utilisateur. Il fournit une suite de valeurs discrètes nommées échantillons qui sont codés sur un 8 bits en général bien que de plus en plus d’oscilloscopes soient dotés de convertisseurs de 12 bits de résolution. C’est pourquoi cette opération de conversion du signal est également appelée échantillonnage ou numérisation.
Selon le fameux théorème de Shannon, l’échantillonnage d’un signal exige un nombre d’échantillons par unité de temps supérieur au double de l’écart entre les fréquences minimale et maximale qu’il contient. Généralement la représentation discrète d’un signal exige des échantillons régulièrement espacés à une fréquence d’échantillonnage supérieure au double de la fréquence maximale présente dans ce signal. Ainsi, pour un signal dont la fréquence maximale est de 100 kHz, la fréquence d’échantillonnage doit être d’au moins 200 kHz (200 kéch./s). Plus la fréquence d’échantillonnage sera élevée, plus les mesures seront fidèles au signal d’origine. Un oscilloscope numérique n’affiche donc pas l’évolution continue d’une forme d’onde mais une succession de points qui, une fois reliés entre eux, fournissent la représentation du signal mesuré. Alors qu’un signal analogique est un signal continu en temps et en amplitude, un signal numérisé correspond à un signal échantillonné et quantifié, discret en temps et en amplitude.
Numérisation des signaux sur 8 à 16 bits
Les oscilloscopes sont dotés d’un ou plusieurs convertisseurs analogiques/numériques (CAN)qui numérisent les signaux. La résolution d’un convertisseur analogique/numérique de n bits opérant sur une plage de tension électrique est donnée par la formule mathématique suivante : q = (Umax-Umin)/2n (2 puissance n)
Avec un convertisseur de n bits, il est possible de coder 2 puissance n valeurs différentes. Un CAN de 8 bits traditionnel fournit 256 niveaux de numérisation verticale. Un CAN de 12 bits fournit quant à lui 4096 niveaux de numérisation verticale et un convertisseur de 16 bits fournit, 65536 niveaux de numérisation verticale. Avec un convertisseur de 8 bits travaillant entre 0 V et 16 V, la résolution est de 0,0625 V. Sur 10 bits, elle est de 0,015625 V et de 0,0039 V sur 12 bits.
Cependant, une résolution de 8 ou 12 bits correspond à la résolution d’un convertisseur analogique numérique (CAN) idéal. Or en pratique, le nombre effectif de bits (ENOB pour effective number of bits) dépend de la qualité du convertisseur analogique-numérique ainsi que du processus d’acquisition, de numérisation et de traitement du signal dans son ensemble. Ainsi, un CAN de 12 bits peut être spécifié avec un ENOB de 10,5. Selon la conception du CAN, l’ENOB peut également dépendre de la fréquence d’entrée. Les hautes fréquences peuvent entraîner des non-linéarités plus importantes au sein du circuit, dégradant ainsi l’ENOB. Ainsi, une spécification détaillée d’un CAN doit fournir l’évolution de l’ENOB en fonction de la fréquence d’entrée.
Initialement, la plupart des oscilloscopes étaient équipés de convertisseurs de 8 bits. Teledyne Lecroy, qui s’est longtemps démarqué sur le marché en embarquant sur ses oscilloscopes d’importantes profondeurs mémoires, a été le premier a développé à partir de 2011 une large gamme d’oscilloscopes offrant des résolutions verticales de 12 bits. Mais il a été rejoint sur ce terrain par d’autres constructeurs. Il existe donc sur le marché de plus en plus de modèles qui sont dotés de convertisseurs de 12 bits de résolution. Certains oscilloscopes proposent en outre des artifices de traitement numérique qui permettent d’accroître artificiellement la résolution. Celle des oscilloscopes 12 bits peut alors atteindre 16 bits. Mais ces techniques présentent des limitations en termes de fréquences et de cadence d’échantillonnage.
Vitesse d’acquisition et profondeur mémoire
Les modèles numériques, qui ont aujourd’hui largement supplanté leurs homologues analogiques, sont dotés de 2 ou 4 entrées analogiques (il existe cependant de plus en plus de modèles de 6 ou 8 voies) qui offrent une bande passante selon les modèles allant de quelques dizaines de MHz à plusieurs dizaines de GHz pour les appareils les plus haut de gamme. Ils permettent de visualiser sur leur écran les formes d’ondes des signaux numérisés par leur étage de conversion analogique/numérique qui échantillonne les signaux à des cadences pouvant atteindre plusieurs dizaines de Géch./s.
Les oscilloscopes numériques enregistrent les échantillons saisis dans une mémoire-tampon. Par exemple, si une entrée dispose d’une mémoire tampon de 100 Mpts, elle enregistra jusqu’à cent millions d’échantillons au cours de chaque acquisition. Ainsi pour un taux d’échantillonnage donné, la profondeur de la mémoire-tampon détermine la durée maximale de l’acquisition avant que que la mémoire ne soit pleine. Il existe une relation étroite entre la vitesse d’échantillonnage et la capacité de mémoire. Un oscilloscope offrant une d’échantillonnage élevée, mais dotée d’une faible profondeur mémoire ne pourra échantillonner les signaux à sa fréquence d’échantillonnage maximale que sur les bases de temps les plus rapides. Cependant, de nombreux oscilloscopes offrent la possibilité d’entrelacer ou de combiner plusieurs voies d’entrées pour augmenter le taux d’échantillonnage et la profondeur mémoire.
Certains oscilloscopes offrent la possibilité de disposer de vitesses d’échantillonnage accrues et de davantage de capacité mémoire par voie en utilisant qu’une partie des entrées analogiques de l’instrument.
Les oscilloscopes de la gamme MSO8000 de Rigol par exemple sont dotés de 4 entrées qui couvrent une bande de fréquences pouvant atteindre 2 GHz. La fréquence d’échantillonnage peut atteindre 10 Géch/s (lorsqu’une seule voie est utilisée), 5 Géch/s (lorsque deux voies sont utilisées), et 2,5 Géch/s (lorsque toutes les voies sont utilisées). De même leur capacité mémoire est de 500 Mpts (lorsqu’une seule voie est utilisée), 250 Mpts par voie (lorsque deux voies sont utilisées), 125 Mpts par voie (lorsque toutes les voies sont utilisées)
Plus la vitesse d’acquisition est élevée, plus la profondeur mémoire de l’oscilloscope doit être importante. Par exemple, les oscilloscopes WaveMaster 8000HD de Teledyne Lecroy, dotés de quatre voies, couvrent selon les modèles une bande passante allant de 20 à 33 GHz. Ils numérisent les signaux sur 12 bits avec une fréquence d’échantillonnage atteignant jusqu’à 160 Géch./s. Ils embarquent en standard une mémoire d’acquisition de 200 Mpts qui peut évoluer en option jusqu’à 8 Gpts.
Les oscilloscopes de la série MXO 4 de Rohde & Schwarz, dotés de 4 entrées analogiques, couvrent des bandes passantes allant de 200 MHz à 1,5 GHz. Les signaux sont numérisés à une cadence maximale de 2,5 Géch./s sur chaque voie. Ces oscilloscopes sont dotés en standard d’une mémoire d’acquisition de 400 Mpts sur chacun des quatre canaux.
Selon les modèles, les oscilloscopes MSO Série 2 de Tektronix sont dotés de 2 ou 4 entrées analogiques et couvrent des gammes de fréquences de 70MHz à 500MHz. Côté numérisation des signaux, ils offrent une fréquence d’échantillonnage maximale de 1,25 Géch/s (sur toutes les voies) et de 2,5 Géch/s (lorsque deux voies sur quatre sont utilisées), et une profondeur mémoire de 10 Mpts pour toutes les voies. Intégré dans un boîtier compact (210 mm H x 344 mm L x 40.4 mm P), cet oscilloscope se transforme en un instrument portable grâce à pack de batterie qui se fixe à l’arrière.
MSO : les oscilloscopes taillés pour les signaux mixtes
Les oscilloscopes peuvent également être équipés d’entrées numériques en complément de leurs entrées analogiques. Ces oscilloscopes, appelés MSO (Mixed Signal Oscilloscope), sont dotés en général de 8 ou 16 entrées numériques. Ils permettent de visualiser sur le même écran à la fois des formes d’ondes analogiques et numériques. Les signaux numériques sont échantillonnés, déclenchés et enregistrés de la même façon que les signaux analogiques, garantissant ainsi la corrélation et la synchronisation des entrées analogiques et numériques. Les signaux analogiques sont affichés sous forme de niveaux de tension qui varient en continu au fil du temps. Les voies numériques, quant à elles, mesurent les valeurs logiques (0 ou 1). Une valeur de seuil est définie par l’utilisateur pour déterminer si un signal représente 0 ou 1. Les oscilloscopes pour signaux mixtes (MSO) proposent des fonctionnalités propres à un analyseur logique telles que l’analyse de la synchronisation numérique.
En général, l’acquisition des signaux numériques s’effectue grâce à la connection à une entrée dédiée de l’instrument d’une sonde dotée de 8 ou 16 broches. Les oscilloscopes pour signaux mixtes MSO des série 4 à 6 de Tektronix ont la particularité d’être équipés d’entrées FlexChannel. Ces entrées analogiques peuvent chacune accueillir une sonde logique de 8 voies numériques. Ainsi sur un modèle pourvu de 8 entrées analogiques, 4 voies peuvent par exemple être utilisées pour acquérir 4 signaux analogiques alors que les 4 autres offrent 32 canaux numériques.
Fonctions de déclenchement, de décodage, de traitement…
Les formes d’onde sont enregistrées en mémoire de l’appareil. Si bien qu’outre la possibilité d’observer leur évolution en quasi temps réel, elles peuvent être rejouées ultérieurement à l’écran pour une analyse plus approfondie grâce à des fonctions de zoom, de recherche d’échantillons particuliers, de marqueurs, de calcul mathématique, de statistiques, de test Bon/Mauvais… Les données peuvent également être sauvegardées sur une mémoire externe telle qu’une clé USB et peuvent être transférées vers un PC.
Le système de déclenchement d’un oscilloscope numérique observe le signal sous test afin de détecter des événements spécifiques et lancer le processus d’acquisition et de numérisation du signal. Le type de déclenchement le plus classique est le déclenchement sur niveau de front. Les oscilloscopes numériques permettent de sélectionner divers modes de déclenchement : sur niveau de front, sur des largeurs d’impulsions, sur des niveaux logiques qui ne sont pas atteints (Runt), des perturbations de signal (Glitch), des temps de montée (Rise time »), de paquets de données de protocole de bus série… Le type de déclenchement le plus classique est le déclenchement sur front. Dans ce mode, le déclenchement se produit lorsque le seuil de tension défini est atteint, soit sur le front montant soit sur front descendant d’une forme d’onde. Un mode de déclenchement définit donc les conditions qui doivent être rencontrées avant que l’oscilloscope ne lance une acquisition des signaux ou une capture des échantillons numériques. Il permet de stabiliser un signal périodique ou répétitif, en s’assurant que chaque balayage débute à un point donné sur le signal. Il peut également être utile pour capturer des événements uniques non-périodiques tels qu’une simple impulsion simple, un burst etc. Les fonctions de pré-déclenchement permettent en outre d’attendre un événement particulier tel qu’un pic de tension et, grâce à la fonction d’enregistrement, observer l’évolution du signal avant cet événement.
Les oscilloscopes numériques proposent également en standard ou en option une grande variété de fonctions de décodage, de déclenchement et d’analyse de protocole pour des bus standards employés dans le secteur automobile et aérospatial : RS232/UART, I2C, SPI, CAN, LIN, FlexRay, Automotive Ethernet, MILSTD-1553…
Les fonctions de déclenchement sur protocole série permettent d’effectuer le déclenchement de l’acquisition des signaux sur la base d’un contenu de paquet spécifique, par exemple le début du paquet, des adresses spécifiques, un contenu de données spécifique, des identifiants uniques et des erreurs. Le signal de bus est aligné temporellement sur tous les autres signaux affichés à l’écran de l’oscilloscope. Ce qui permet d’évaluer la synchronisation entre les différentes parties du système testé. Les paquets décodés d’une acquisition peuvent être affichés dans un tableau de de données horodatées et formatées.
Analyse de puissance triphasée et de commande moteur
L’analyse de puissance des systèmes d’alimentation et de contrôle des moteurs nécessitent l’utilisation de plusieurs sondes et la réalisation de divers calculs spécifiques. Certains fournisseurs d’oscilloscopes proposent des applications logicielles pour l’analyse des signaux des convertisseurs de puissance, des variateurs et des systèmes de commande moteur. Comme les systèmes triphasés, nécessitent l’utilisation de trois voies pour les mesures de tension et trois voies pour les mesures de courants, les oscilloscopes de dernière génération dotés de 6 à 8 entrées analogiques sont bien adaptés à ce type d’application.
Les progiciels de mesure et d’analyse de puissance proposés par les oscilloscopes de dernière génération accompagnent les concepteurs dans le processus d’analyse des mesures. Ils facilitent les mesures sur les convertisseurs AC/DC et DC/DC, depuis les étages d’entrée jusqu’aux étages de commutation, en passant par les boucles de contrôle et les étages de sortie. Ils permettent d’automatiser le processus de configuration des principales mesures de puissance : fréquences en entrées des ligne AC, tensions et courants efficaces, facteur de crête (tension et courant), puissance réelle, réactive et apparente, facteur de puissance et phase. Des mesures telles que la perte de commutation et la perte magnétique permettent d’améliorer les conceptions de puissance. Des diagrammes de Bode peuvent être utilisés pour évaluer la stabilité des boucles de contrôle de l’alimentation.
FFT et analyse spectrale des signaux
De nombreux oscilloscopes numériques effectuent également la transformée de Fourier rapide des signaux (FFT) permettant ainsi de les analyser dans le domaine fréquentiel. La transformée de Fourier rapide est un algorithme mathématique qui transforme les données acquises dans le domaine temporel en leur représentation dans le domaine fréquentiel. Ce qui permet de visualiser les composantes de fréquence d’un signal. La FFT est une opération portant sur un nombre fini d’échantillons. Elle prend un ensemble de points de données discrets dans le domaine temporel, tels qu’un signal numérique échantillonné dans le temps, et le décompose en une somme d’ondes sinusoïdales de fréquences et d’amplitudes variables. Cette transformation permet d’analyser le contenu spectral du signal, en identifiant les fréquences qui le composent et leur intensité. La FFT permet donc de déterminer la réponse en fréquence d’un signal. L’oscilloscope est ainsi doté d’une fonction d’analyse spectrale qui lui permet d’afficher à l’écran l’évolution du signal au cours du temps ainsi que son spectrogramme.
Capture des interférences électromagnétiques
Lors des phases de conception et de prototypage, il est préférable de réaliser des mesures d’interférences électromagnétiques (EMI pour Electromagnetic Interference) avant de soumettre le produit au test de conformité aux exigences de la directive CEM afin de s’assurer que le produit ne perturbe électromagnétiquement pas son environnement et ne soit pas lui même perturbé. Cette approche proactive réduit significativement le risque de non-conformité. Elle vise à localiser les sources d’émissions électromagnétiques qui pourraient entraîner une non conformité CEM. Un oscilloscope numérique peut notamment être utilisé pour analyser les interférences électromagnétiques (EMI) dans les conceptions électroniques. Avec l’aide de sondes de mesure de champ proche, il permet d’identifier les sources d’émissions indésirables et à élaborer une solution pour y remédier. La fonction de transformation de Fourier rapide (FFT) de l’oscilloscope permet de déterminer le spectre des signaux et de l’afficher à l’écran. Ce qui permet de connaître l’amplitude et la fréquence des émissions indésirables. Le concepteur peut ainsi détecter la source des émissions indésirables et y remédier avant de procéder aux essais de conformité CEM.
La FFT permet de déterminer le spectre fréquentiel d’un signal par le biais d’un algorithme de calcul de la transformation de Fourier discrète. Les oscilloscopes de la gamme MDO (Mixed Domain Oscilloscope) présentent la particularité d’être dotés d’un véritable analyseur de spectre. Ils combinent des entrées analogiques pour l’analyse de signaux dans le domaine temporel à une entrée RF pour leur analyse dans le domaine fréquentiel. En complément de leurs entrées analogiques, ils sont équipés d’une entrée RF qui permet de réaliser des analyses spectrales jusqu’à 3 GHz ou 6 GHz selon les modèles.
Les sondes de mesure
Pour mesurer un signal avec un oscilloscope, il est nécessaire de connecter une sonde appropriée à l’entrée de l’instrument. ll est évidemment préférable d’employer une sonde conçue pour l’oscilloscope sur laquelle elle doit se connecter. Une sonde et son câble de liaison sont des éléments primordiaux puisqu’ils transmettent le signal à mesurer à l’oscilloscope. Le choix de la sonde impacte directement la précision de la mesure et l’intégrité du signal mesuré. Il existe donc sur le marché une grande variété de sondes afin de répondre aux besoins spécifiques des applications. La sélection de la sonde la plus adaptée aux caractéristiques du signal à mesurer permet de s’assurer d’une transmission du signal optimale en limitant au maximum les distorsions et les perturbations. Il faut en outre toujours s’assurer que la réponse en fréquence de la sonde et du système de câblage soit en adéquation avec la bande de fréquence de l’oscilloscope.
Les plus classiques sont les sondes passives de tension. Ces sondes sont adaptées à la plupart des applications. Elles sont généralement fournies avec l’oscilloscope. Elles sont généralement adaptées ou légèrement supérieures à la bande passante de l’oscilloscope. Les sondes de tension actives doivent être alimentées pour fonctionner. Elles utilisent un circuit amplificateur qui propose une bande passante plus large et une charge de circuit inférieure aux sondes passives. Les sondes de courant à effet hall mesurent le courant à travers un câble de manière non-intrusive. Les sondes de champ proche mesurent des champs électromagnétiques émis depuis des composants, des câbles et des PCB. Il existe donc une grande variété de sondes selon le type de mesure à réaliser et les caractéristiques du signal à mesurer en termes de fréquence et de niveau. Les fournisseurs proposent une large panoplie de sondes : actives, isolées, optiques à large/faible bande, Power Rail, de courant, différentielles haute/basse tension, asymétriques haute/basse tension, etc.
Contrôle à distance d’un oscilloscope
Le contrôle à distance d’un oscilloscope peut être réalisé via un serveur web intégré à l’instrument. Les signaux s’affichent en temps réel sur une interface logicielle accessible via un navigateur web. Dans ce mode d’utilisation, il suffit de cliquer sur des boutons ou des boutons rotatifs depuis une face avant virtuelle via un navigateur web qui reproduit le panneau avant de l’instrument. Ce qui permet à l’utilisateur de piloter l’appareil comme s’il était devant l’instrument alors qu’il se trouve hors du laboratoire de test dans son bureau, à son domicile ou n’importe où ailleurs. Toute personne disposant d’une adresse IP et d’un accès au réseau local peut simultanément accéder à l’oscilloscope et le contrôler. L’accès et le contrôle à distance de l’oscilloscope peuvent être réalisés via un navigateur Internet depuis un ordinateur, un smartphone ou un autre appareil.
