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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 :
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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!
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), • Haute résolution (High resolution), • Enveloppe (envelope), • Moyenne (average). • La différence entre : • La résolution du convertisseur analogique numérique, • La résolution effective du système.
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… »
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?
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…
Rebonds « mécanique » d’un relais :visualisation du courant dans la charge d’un relais (fe=10MHz)
Rebonds « mécanique » d’un relais :visualisation du courant dans la charge d’un relais (fe=100MHz)
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.
Système vertical Amplificateur vertical Atténuateur Ecran tube cathodique Canon à électrons Système de déclenchement Système horizontal Sonde Générateur de balayage Amplificateur horizontal Base de temps Oscilloscope analogique
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.
Unité de traitement Microprocesseur Bus d’adresses Ecran Bus de données Bus de contrôle Conditionnement du signal Mémoire Amplificateur vertical Atténuateur CAN Système de déclenchement Horloge d’échantillonnage Sonde Base de temps Oscilloscope numérique
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.
Les principaux constructeurs • Le Croy • Hewlett Packard (Agilent Technologies) • Tektronix • Yokogawa Mais aussi • Hameg • Metrix
Filtre anti repliement Voie 1 Amplificateur vertical Atténuateur Multiplexeur analogique Filtre anti repliement CAN Fe Voie 2 Amplificateur vertical Atténuateur Fe Sélection de voie Étage d’entrée d’un oscilloscope numérique • 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.
CAN2 CAN1 Filtre anti repliement Fe Voie Amplificateur vertical Atténuateur Fe CAN1 CAN2 Mémoire de type FIFO Mémoire de type FIFO Fréquence d’échantillonnage réelle Convertisseur rapide
Bus de données microprocesseur N bits CAN Fe Mémoire de type FIFO Sauvegarde/restitution des échantillons • 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.
N bits Bus de données microprocesseur N bits CAN Fe N bits Démultiplexeur numérique Mémoire de type FIFO Mémoire de type FIFO Sauvegarde/restitution des échantillons • 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.
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.
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.
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.
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%.
Temps de montée • C’est le temps que met l’impulsion pour passer de 10% à 90% de l’amplitude maximale.
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.
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 106 = 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.
Sondes d’oscilloscopes • Pour information : • Un cordon BNC vaut environ 6€ • Un « T » BNC vaut environ 5€
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!
Signal Carré à 12MHz+ grippe fil sur connexion de masse+ 5 cm de fils sur connexion de masse
Signal Carré à 12MHz+ grippe fil sur connexion de masse+ 10 cm de fils sur connexion de masse
