Echantillonnage Loscilloscope G Lamarque Introduction Pourquoi ce cours

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 : Ø Le bouton magique « autoscale » ou « autoset » • Malheureusement, lorsque l’on cherche à visualiser des signaux réels ce n’est pas toujours aussi simple! 2

Introduction • Dans ces moments là il faut avoir compris : Ø La différence entre les différents modes de couplage: § AC, § DC. Ø L’importance de la bande passante de l’oscilloscope. Ø L’importance du temps de montée de l’oscilloscope. Ø L’importance de compenser une sonde. Ø L’importance de disposer d’une grande profondeur mémoire. Ø La différence entre une interpolation : § Linéaire, § Sin(x)/x, Pour que l’affichage soit « joli » … Ø La différence entre les différents modes d’acquisition: § Echantillon (sample), § Détection de pics (peak detect), § Haute résolution (High resolution), § Enveloppe (envelope), § Moyenne (average). Ø La différence entre : § La résolution du convertisseur analogique numérique, § La résolution effective du système. 3

Introduction • Et si vous ne deviez retenir qu’une seule chose de ce cours retenez que : Ø « 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. » Ø « Sans connaissance a priori du signal que l’on cherche à observer, l’image que nous renvoie l’oscilloscope n’est pas 4 forcément représentative de ce signal… »

Introduction • Qui reconnaît un signal carré à 24 MHz ? • • Pourtant les paramètres d’acquisition sont les suivants : Ø Bande passante : 200 MHz, Ø Fréquence d’échantillonnage : 100 MS/S. Mais si je ne connais pas la nature du signal que puis je conclure? 5

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). Ø Mais c’est l’utilisateur qui fait les réglages… 6

Do (Banjo) 7

Do (Orgue) 8

Voyelles « A E I O U Y » 9

Voyelle « A » 10

Relais 11

Rebonds « mécanique » d’un relais : visualisation du courant dans la charge d’un relais (fe=10 MHz) 12

Rebonds « mécanique » d’un relais : visualisation du courant dans la charge d’un relais (fe=100 MHz) 13

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. 14

Oscilloscope analogique Système vertical Amplificateur vertical Atténuateur Ecran tube cathodique Canon à électrons Système de déclenchement Sonde Système horizontal Générateur de balayage Amplificateur horizontal Base de temps 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. 16

Oscilloscope numérique Unité de traitement Microprocesseur Bus d’adresses Bus de données Bus de contrôle Conditionnement du signal Amplificateur vertical Atténuateur Ecran CAN Mémoire Système de déclenchement Horloge d’échantillonnage Sonde 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. 18

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

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

Oscilloscopes Tektronix Bande Passante Echantillonnage Longueur enregistrement Prix (HT) TDS 1002 (Tektronix) 60 MHz 1 GS/S 2500 points 1060€ TDS 3012 B (Tektronix) 100 MHz 1. 25 GS/S 10000 points 4020€ TDS 3032 B (Tektronix) 300 MHz 2. 5 GS/S 10000 points 5300€ TDS 3052 B (Tektronix) 500 MHz 5 GS/S 10000 points 18690€ TDS 6124 C (Tektronix) 12 GHz 20 GS/S 40 GS/S (2 voies) 2 à 32 Mo 4 à 64 Mo (2 Voies) 90000€ TDS 6154 C (Tektronix) 12 GHz 15 GHz (2 voies) 20 GS/S 40 GS/S (2 voies) 2 à 32 Mo 4 à 64 Mo (2 Voies) 113000€ 21

Étage d’entrée d’un oscilloscope numérique Atténuateur Voie 2 Atténuateur Amplificateur vertical Filtre anti repliement Multiplexeur analogique Voie 1 Filtre anti repliement CAN Fe Fe 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. 22

Convertisseur rapide CAN 1 Voie Atténuateur Amplificateur vertical Mémoire de type FIFO Fe Filtre anti repliement CAN 2 Mémoire de type FIFO Fe CAN 1 CAN 2 Fréquence d’échantillonnage réelle 23

Sauvegarde/restitution des échantillons CAN N bits Mémoire de type FIFO Bus de données microprocesseur Fe • 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. 24

Sauvegarde/restitution des échantillons N bits Fe N bits Bus de données microprocesseur Démultiplexeur numérique CAN Mémoire de type FIFO 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. 25

Sensibilité verticale • Indique la capacité de l’amplificateur vertical à amplifier un signal faible. • Elle se mesure généralement en m. V par division. • La plus petite tension détectée par un oscilloscope à usage général se situe habituellement aux alentours de 1 m. V/division. 26

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. 27

Couplage • L’utilisateur a le choix de filtrer ou non le signal d’entrée. Il existe deux types de couplage d’entrée : Ø 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. Ø DC (Direct Current : continu) : Toutes les composantes du signal sont transmises. 28

« Bruit » d’une alimentation 5 V continue 29

Signal carré f=1 Hz (en position DC) 30

Signal carré f=1 Hz (en position AC) 31

Pourquoi ? 32

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 -3 d. B). • Si la bande passante est insuffisante : Ø La courbe d’amplitude est déformée, Ø Les fronts disparaissent, Ø 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%. 33

Signal « Carré » 24 MHz Oscilloscope (BP: 200 MHz, 5 Gs/s) 34

Signal « Carré » 24 MHz Oscilloscope (BP: 20 MHz, 5 Gs/s) 35

Pourquoi ? 36

Décomposition en série de FOURIER 37

Décomposition en série de FOURIER 38

Décomposition en série de FOURIER 39

Temps de montée Ø C’est le temps que met l’impulsion pour passer de 10% à 90% de l’amplitude maximale. 40

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: Ø 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 : Ø Bande passante = K ÷ Temps de montée Ø 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. 41

Temps de montée • Généralement : Ø K = 0. 35 lorsque la bande passante de l’oscilloscope est inférieure à 1 GHz, Ø 0. 4 < K < 0. 45 lorsque la bande passante de l’oscilloscope est supérieure à 1 GHz. • Si l’oscilloscope avec sa sonde a : Ø Un temps de montée 5 fois plus rapide que celui du signal testé, le taux d’erreur sera de l’ordre de 2%, Ø 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 100 MHz a un temps de montée de : Temps de montée = 0. 35 ÷ 100 x 106 = 3. 5 n. S Ø Il n’est donc pas « raisonnable » , avec cet appareil, de mesurer des temps de montée inférieurs à 3. 5 n. S X 5 = 17. 5 n. S. Ø Un amplificateur opérationnel de type TL 071 a un temps de montée d’environ 2µS. Ø Une technologie ABT a un temps de montée d’environ 4 n. S. 42

Sondes d’oscilloscopes Sonde Tenma Sonde passive 18 p. F X 10 60 MHz 15€ Sonde Tyco Sonde passive 12 p. F X 10 150 MHz 50€ P 3010 (Tektronix) Sonde passive 10 MΩ 13 p. F X 10 100 MHz 133€ P 6139 A (Tektronix) Sonde passive 10 MΩ 8 p. F X 10 500 MHz 350€ P 6205 (Tektronix) Sonde active 1 MΩ <2 p. F X 10 750 MHz 862€ P 6245 (Tektronix) Sonde active 1 MΩ ≤ 1 p. F X 10 1. 5 GHz 1956€ P 6249 (Tektronix) Sonde active 20 KΩ <1 p. F X 5 4 GHz 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. Ø La sonde fait partie intégrante du système de mesure : Ø Oscilloscope + sonde • De nombreux types de sondes existent : Ø Elles ont toutes des caractéristiques adaptées à des tâches particulières. • On distingue en particulier : Ø Les sondes passives (résistances, capacités). Elles permettent l’atténuation du signal d’entrée. Ø 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. Ø Si on utilise un bout de câble, il fera instantanément office d’antenne! Ø Il ne faut pas oublier que de nombreuses interférences parasites « polluent » notre environnement (stations radio, éclairage fluorescent, moteur électrique, ondulation secteur 50 Hz ou 60 Hz, téléphone portables, …) 44 Ø Il faut donc utiliser des câbles blindés, des sondes!

« Bruit » d’une alimentation 5 V continue (sonde) 45

« Bruit » d’une alimentation 5 V continue (2 fils de 30 cm) 46

Signal Carré à 12 MHz 47

Signal Carré à 12 MHz + grippe fil sur connexion de masse 48

Signal Carré à 12 MHz + grippe fil sur connexion de masse + 5 cm de fils sur connexion de masse 49

Signal Carré à 12 MHz + grippe fil sur connexion de masse + 10 cm de fils sur connexion de masse 50

Sondes d’oscilloscopes • • Tout comme les oscilloscopes, les sondes possèdent une bande passante limitée qui doit être appropriée. Ø Si on associe une sonde 100 MHz à un oscilloscope 100 MHz la bande passante de l’ensemble est inférieure à 100 MHz. Ø En effet, la capacité de la sonde s’ajoute à la capacité d’entrée de l’oscilloscope. Ø La bande passante, et le temps de montée du système sont détériorés. Exemple • Sonde de 100 MHz : Ø Tmontée sonde = 0. 35 ÷ 100 MHz = 3. 5 n. S • Oscilloscope de 100 MHz : Ø Tmontée oscilloscope = 0. 35 ÷ 100 MHz = 3. 5 n. S • Temps de montée du système : Ø Tmontée système = (Tmontée sonde + Tmontée oscilloscope ) Ø Tmontée système = 4. 95 n. S • Bande passante du système : Ø BPsystème = 0. 35 ÷ Tmontée système Ø BPsystème = 70. 7 MHz Ø La sonde doit avoir une bande passante supérieure à celle de 51 l’oscilloscope.

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. Ø La mesure n’est donc pas exactement la même que s’il n’y avait pas eu « intrusion » par l’ensemble constitué par Ø sonde + oscilloscope Certaines sondes ne disposent pas de résistance série. Elles sont constituées d’un câble et d’une pointe de test. Ø A l’intérieur de leur bande passante utile il n’y a pas d’atténuation du signal (ce sont des sondes 1: 1 ou x 1). Ø 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). 52

Sondes d’oscilloscopes Sonde Oscilloscope Cp VSignal RS 1 MΩ CS 15 à 25 p. F • Tmontée système = (T²montée sonde + T²montée oscilloscope )1/2 Ø 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 100 MHz l’impédance d’une capacité de 25 p. F est Zc = 1/(2 π FC) ≈ 63. 7Ω. 53 • En DC Zc ≈ ∞.

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 CComp VSignal Oscilloscope RP 9 MΩ RS 1 MΩ CS 15 à 25 p. F • La capacité de compensation CComp de la sonde est réglée pour adapter la sonde à l’oscilloscope. • A basse fréquence l’impédance d’entrée est de: RP + RS = 10 MΩ à l’extrémité de la sonde. • L’amplitude du signal « vu » par l’oscilloscope est divisée par un facteur 10 (pont diviseur par RP + RS ). 54

Sondes d’oscilloscopes • Une sonde 10: 1 ou x 10 possède généralement : • Plusieurs condensateurs réglables, • Plusieurs résistances réglables, Pour donner une réponse correcte sur une large gamme de fréquence. Ø La plupart d’entre eux sont réglés en usine. Ø L’utilisateur n’a plus qu’un seul condensateur à régler (le condensateur de compensation basse fréquence). Ø 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 composantes sont transmises à l’oscilloscope à la bonne amplitude, le signal carré est fidèlement reproduit à l’écran. 55

Sonde sous compensée 56

Sonde compensée 57

Sonde sur compensée 58

Types de Sondes d’oscilloscopes • Sonde commutables Ø Elles sont pratiques car elles combinent les deux types de sondes (10: 1 et 1: 1) en un seul accessoire. Ø La position 10: 1 est préférable pour sa faible charge et sa bande passante élevée. Ø La position 1: 1 est préférable pour les signaux de bas niveau à basses fréquences. • Atténuateur de sonde Ø On utilise couramment la sonde 100: 1 qui possède une faible capacité (typiquement 2. 5 p. F) et une résistance d’entrée de 20 MΩ. Ø Cette sonde est parfaitement indiquée pour les mesures effectuées sur des convertisseurs haute tension (4 KV). 59

Types de Sondes d’oscilloscopes • Sonde à FET Ø C’est une sonde active. Ø Utilisation en haute fréquence (au-delà de 500 MHz). Ø Elle possède une capacité d’entrée très basse (jusqu’à 1. 4 p. F). Ø 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 Ø Cette sonde permet de visualiser le courant dans un conducteur. Ø Cette sonde utilise un transformateur de courant situé dans la tête de la sonde. Ø Cette sonde se ferme autour d’un câble, évitant ainsi de couper le circuit. Ø 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. 60

« 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. 61

Bruit généré par un écran de type VGA 62

Bruit généré par un relais (à 2 cm) 63

Bruit généré par un relais (à 30 cm) 64

Bruit généré par une carte microcontrôleur (à 10 cm) 65

Bruit généré par le 50 Hz (capté par un câble BNC ) 66

Bruit généré par le 50 Hz (capté par un fil de 30 cm ) 67

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 : Ø Lorsque l’utilisateur appuie sur un bouton, Ø Une fois qu’une acquisition est achevée (mémoire pleine), Ø Après qu’un ensemble d’enregistrements ait été transformé en signal d’enveloppe ou en signal moyenné. 68

Échantillonnage • C’est le processus de conversion d’une partie du signal d’entrée en un certain nombre de valeurs discrètes permettant de : Ø L’enregistrer, Ø Le traiter, Ø 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 cette matrice de points d’échantillonnage pour reconstituer le signal sur l’écran. 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 de la fréquence 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 événements cruciaux. • La fréquence d’échantillonnage minimum peut également constituer un facteur important lorsqu’il s’agit d’observer de façon prolongée un signal variant lentement au cours du temps. • 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 affiché (meilleure utilisation de la profondeur mémoire). • Pour reconstituer un signal avec précision et prévenir le repliement de spectre, il faut échantillonner un signal à : une fréquence supérieure à deux fois sa composante fréquentielle la plus élevée (théorème de Shanon). • 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. 70

Oscillateur à 12 MHz d’une carte microcontrôleur avec fe=1 Ks/s => Foscillation=24. 29 Hz 71

Oscillateur à 12 MHz d’une carte microcontrôleur avec fe=100 Ms/s => Foscillation=11. 098 MHz 72

Pourquoi ? 73

Phénomène d’aliasing 74

Phénomène d’aliasing 75

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 permettant de produire une représentation précise d’un signal d’entrée continu. • Les oscilloscopes offrent généralement le choix entre plusieurs modes d’interpolation : Ø Sin(x) / x, Ø Linéaire. 76

Signal « Carré » 24 MHz Oscilloscope (BP: 200 MHz, 5 Gs/s) 77

Signal « Carré » 24 MHz Oscilloscope (BP: 200 MHz, 100 Ms/s) 78

Signal « Carré » 24 MHz Oscilloscope (BP: 200 MHz, 100 Ms/s) 79

Pourquoi ? 80

Phénomène d’aliasing 81

Phénomène d’aliasing 82

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 signal varie considérablement suivant le type et le niveau de performance de l’oscilloscope. • Les oscilloscopes caractérisés par une grande vitesse de saisie du signal apportent beaucoup plus d’informations visuelles : Ø Sur le comportement du signal. Ø Augmente largement la probabilité de saisir en peu de temps les anomalies transitoires. 83

Vitesse de saisie du signal • L’architecture de traitement en série des oscilloscopes à mémoire numérique leur permet de saisir de 10 à 5000 signaux par seconde. • 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 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 évènements aléatoires. 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 : Ø La fréquence d’échantillonnage maximale pendant le temps d’acquisition. Ø 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 : Ø Le nombre de voies. Ø La profondeur mémoire. 85

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

Échantillonnage Temps d’acquisition • C’est l’intervalle de temps pendant lequel l’oscilloscope échantillonne le signal. Temps d’acquisition d’échantillonnage. = Profondeur mémoire / Fréquence Temps mort • C’est l’intervalle de temps entre deux acquisitions. • Durant ce temps l’oscilloscope : ØTraite les échantillons acquis, ØRéarme le «trigger» pour procéder à une nouvelle acquisition. 87

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. Ø 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. 88

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 : Ø Pour reproduire le signal avec une meilleure précision, Ø Pour avoir une meilleure résolution entre les points, Ø Pour avoir une grande probabilité de détecter un parasite. Ø Intérêt d’avoir une grande profondeur mémoire. 89

Taille mémoire Inconvénients • Lorsque la profondeur mémoire de l’oscilloscope augmente le temps nécessaire au traitement de ces échantillons augmente aussi et par conséquent le temps mort entre deux acquisitions est plus important. • 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. Ø 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: Ø Échantillonnage en temps réel, Ø 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. 91

Échantillonnage en temps réel échantillons 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 (Fe>2 Fmax) 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 : Ø L’échantillonnage en temps équivalent aléatoire, Ø 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 ∆t 2∆t Seuil de déclenchement 3∆t Horloge d’échantillonnage 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 le système détecte un évènement de déclenchement, il saisit un échantillon après un retard très bref mais bien défini. • Lorsque le déclenchement suivant se produit, un petit incrément temporel (Δt) s’ajoute à ce retard et le numériseur saisit un autre échantillon. • Ce processus se répète jusqu’à ce que la fenêtre temporelle soit remplie. • Avantage : Ø 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 point de déclenchement. 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. Ø Échantillonnage en temps équivalent « aléatoire » . 99

Échantillonnage en temps équivalent aléatoire • Avantages : Ø Possibilité d’acquérir et d’afficher des échantillons situés avant le point de déclenchement. Ø Cette technique élimine le besoin : q. En signaux de pré déclenchement externes. q. De lignes à retard. Ø 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 : Ø 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. Ø 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 102

Circuit de reset d’une carte microcontrôleur en mode «Échantillons » 103

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. 104

Types de mode d’acquisition : Mode détection de pics 105

Types de mode d’acquisition : Mode détection de pics 106

Circuit de reset d’une carte microcontrôleur en mode « Détection de pics » 107

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 : Ø Une diminution du bruit, Ø 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 110

Circuit de reset d’une carte microcontrôleur en mode « Haute résolution » 111

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 4 16 256 1024 4096 S/B 2 4 16 32 64 S/B (d. B) 6 12 24 30 36 • La moyenne est mise à jour en temps réel après chaque nouvelle acquisition. 113

« Bruit » d’une alimentation 5 V continue 114

« Bruit » d’une alimentation 5 V continue après 4 acquisitions en mode « Average » 115

« Bruit » d’une alimentation 5 V continue après 214 acquisitions en mode « Average » 116

117

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 : Ø Le continu (harmonique zéro : moyenne temporelle du signal) Ø La fréquence de Nyquist (fe/2) • La résolution en fréquence (Δf) de la TF est : Ø Δf = fe (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 200 MHz est de l’ordre de 10 MΩ en parallèle avec une capacité de 15 p. F • Pour les appareils de bande passante supérieure, la capacité diminue et l’impédance d’entrée est de 50 Ω 119

Signal Carré 24 MHz Oscilloscope (BP: 200 MHz, 100 Ms/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 12 MHz d’une carte microcontrôleur avec fe=25 Gs/s => Foscillation=11. 1111 MHz 127

Son 128

Do (Guitare) 129

Do (Piano) 130

Signal « Carré » 24 MHz Oscilloscope (BP: 100 MHz, 10 Gs/s) 131

Signal « Carré » 24 MHz Oscilloscope (BP: 200 MHz, 10 Gs/s) 132

Signal Carré à 12 MHz + grippe fil sur connexion de masse + 15 cm de fils sur connexion de masse 133