Les 10 facteurs à prendre en compte lors du choix d’un oscilloscope

La bande passante de l'oscilloscope fait référence à la gamme de fréquences qui peut être mesurée par l'oscilloscope. Plus précisément, la bande passante décrit la gamme de fréquences d’un signal en entrée qui peut traverser le frontal analogique avec une perte d’amplitude minimale, de la pointe de la sonde ou du dispositif de test à l’entrée du convertisseur analogique-numérique. Elle est définie par la fréquence à laquelle un signal d’entrée sinusoïdal est atténué à 70,7 % de son amplitude d’origine, également connue sous le nom de point -3 dB.

En général, il est recommandé d'utiliser un oscilloscope avec une bande passante au moins deux fois supérieure à la composante de fréquence la plus élevée de votre signal.

Les oscilloscopes sont couramment utilisés pour mesurer le temps de montée de signaux tels que des impulsions numériques ou d’autres signaux avec des fronts pointus. Ces signaux sont composés de haute fréquence. Pour capturer la forme réelle du signal, vous avez besoin d'une large bande passante. Par exemple, un signal carré de 10 MHz est composé d'un signal sinusoïdal de 10 MHz et d'un nombre infini d'harmoniques. Pour capturer la forme réelle de ce signal, vous devez utiliser un oscilloscope avec une bande passante suffisamment large pour capturer plusieurs de ces harmoniques. Sinon, le signal est déformé et vos mesures incorrectes.

En règle générale, utilisez la formule suivante pour déterminer la bande passante de votre signal en fonction de son temps de montée (défini comme le temps nécessaire pour passer de 10 à 90 % de l’amplitude du signal).

Idéalement, vous devriez utiliser un numériseur avec trois à cinq fois la bande passante de votre signal comme calculé dans l'équation ci-dessus. Autrement dit, le temps de montée de votre oscilloscope doit être de 1/5 à 1/3 du temps de montée de votre signal pour acquérir votre signal avec un minimum d’erreur. Vous pouvez toujours faire marche arrière pour déterminer la bande passante réelle de votre signal en utilisant la formule suivante :

Dans la section précédente, vous avez découvert la bande passante, qui est l’une des spécifications les plus importantes d’un oscilloscope. Cependant, une bande passante élevée peut être beaucoup moins utile si la fréquence d'échantillonnage est insuffisante.

Alors que la bande passante décrit le signal sinusoïdal de plus haute fréquence qui peut être numérisé avec une atténuation minimale, la fréquence d'échantillonnage est simplement la fréquence à laquelle le convertisseur analogique-numérique (CAN) de l'oscilloscope est cadencé pour numériser le signal entrant. Gardez à l'esprit que la fréquence d'échantillonnage et la bande passante ne sont pas directement liées. Cependant, il existe une règle empirique pour la relation souhaitée entre ces deux spécifications importantes :

Fréquence d'échantillonnage temps réel de l'oscilloscope = 3 à 4 fois la bande passante de l'oscilloscope

Le théorème de Nyquist stipule que pour éviter le repliement, la fréquence d'échantillonnage d'une portée doit être au moins deux fois plus rapide que la composante de fréquence la plus élevée du signal mesuré. Cependant, l'échantillonnage à seulement deux fois la composante de fréquence la plus élevée ne suffit pas pour reproduire avec précision les signaux temporels. Pour numériser avec précision le signal entrant, la fréquence d’échantillonnage en temps réel de l’oscilloscope doit être au moins trois à quatre fois sa bande passante. Pour comprendre pourquoi, regardez la figure ci-dessous et réfléchissez au signal numérisé que vous préférez voir sur votre oscilloscope.

Il existe deux modes d’échantillonnage principaux : l’échantillonnage en temps réel et l’échantillonnage en temps équivalent (ETS).

La fréquence d'échantillonnage en temps réel est celle discutée ci-dessus, qui décrit la fréquence d'horloge du C A/N et indique la fréquence maximale qu'un signal entrant peut être acquis dans une acquisition mono-déclenchement. D'autre part, l'échantillonnage en temps équivalent est une méthode de reconstruction d'un signal basée sur une série de signaux déclenchés qui sont chacun acquis en mode mono-déclenchement. L'avantage d'ETS est qu'il offre une fréquence d'échantillonnage effective plus élevée. L'inconvénient, cependant, est qu'il prend plus de temps et ne s'applique qu'aux signaux répétitifs. Notez que l’ETS n’augmente pas la bande passante analogique de l’oscilloscope et n’est utile que lorsque vous devez reconstruire le signal à une fréquence d’échantillonnage plus élevée. Une implémentation courante de l’ETS est l’échantillonnage aléatoire entrelacé (RIS), disponible sur la plupart des oscilloscopes NI comme indiqué dans le tableau ci-dessous.

Comme décrit ci-dessus, les oscilloscopes numériques ont des C A/N qui convertissent le signal analogique en numérique. Le nombre de bits renvoyés par le C A/N est la résolution de l’oscilloscope. Pour une gamme d'entrée donnée, le nombre de niveaux discrets possibles utilisés pour représenter numériquement le signal est 2^b, b étant la résolution. La gamme d'entrée est divisée en 2 ^b étapes et la plus petite tension possible qui est détectable par l'oscilloscope est indiquée par (Gamme d'entrée/2^b). Par exemple, un scope 8 bits divise une gamme d'entrée de 10 Vpp en 2⁸ = 256 niveaux de 39 mV chacun, tandis qu'un scope 24 bits divise la même gamme d'entrée de 10 Vpp en 2²⁴ = 16 777 216 niveaux de 596 nV (environ 65 000 fois plus petit que dans le cas 8 bits).

L’une des raisons d’utiliser un oscilloscope haute résolution est de mesurer de petits signaux. La question est parfois posée, pourquoi ne pas simplement utiliser un instrument à plus basse résolution et une gamme plus petite pour « zoomer » sur le signal pour mesurer de petites tensions ? Cependant, de nombreux signaux ont à la fois un petit signal et une grande composante de signal. En utilisant une grande gamme, vous pourriez mesurer le grand signal, mais le petit signal serait dans le bruit du grand signal. D’un autre côté, si vous utilisez une petite gamme, vous couperiez le grand signal et votre mesure serait déformée et non valide. Ainsi, pour les applications qui impliquent des signaux dynamiques (signaux avec de grandes et petites composantes de tension), vous avez besoin d’un instrument haute résolution, qui a une grande gamme dynamique (la capacité de l’oscilloscope à mesurer de petits signaux en présence de grands)

Typiquement, les oscilloscopes sont utilisés pour acquérir un signal basé sur un certain événement. La capacité de déclenchement de l’instrument vous permet d’isoler cet événement et de capturer le signal avant et après l’événement. La plupart des oscilloscopes incluent un déclenchement analogique, numérique et logiciel. Les autres options de déclenchement incluent le déclenchement par fenêtre, hystérésis et vidéo.

Les oscilloscopes haut de gamme offrent des temps de réarmement rapides entre les déclenchements, ce qui permet un mode de capture multi-enregistrement, où l'oscilloscope capture le nombre de points spécifié sur un déclenchement donné, se réarme rapidement et attend le déclenchement suivant. Un temps de réarmement rapide garantit que l'oscilloscope ne manque pas l'événement ou le déclenchement. Le mode multi-enregistrement est très utile pour capturer et stocker uniquement les données dont vous avez besoin, ce qui optimise l'utilisation de la mémoire embarquée et limite l'activité du bus PC.

Souvent, les données sont transférées de l'oscilloscope au PC pour des mesures et des analyses. Bien que ces instruments puissent échantillonner à leur fréquence maximale, qui peut se trouver dans la gamme de plusieurs Géch./s, la fréquence à laquelle les données peuvent être transférées au PC est limitée par la bande passante du bus de connexion tel que PCI, LAN, GPIB, etc. Bien qu’aujourd’hui, aucun de ces bus ne puisse supporter des débits de plusieurs Géch./s, cela pourrait devenir un problème car PCI Express et PXI Express évoluent pour permettre des débits de données de plusieurs Go/s.

Si le bus d'interface ne peut pas supporter un transfert de données continu à la fréquence d'échantillonnage de l'acquisition, la mémoire embarquée sur l'instrument permet d'acquérir les signaux à la fréquence maximale et de récupérer les données vers le PC pour traitement.

La mémoire profonde augmente non seulement le temps d’acquisition, mais offre également des avantages dans le domaine fréquentiel. La mesure du domaine fréquentiel la plus courante est la transformée de Fourier rapide (FFT), qui montre le contenu fréquentiel d’un signal. Si une FFT a une résolution de fréquence plus fine, les fréquences discrètes sont plus facilement détectées.

Dans l’équation ci-dessus, il existe deux façons d’améliorer la résolution de fréquence : réduire la fréquence d’échantillonnage ou augmenter le nombre de points dans la FFT. Réduire la fréquence d’échantillonnage n’est souvent pas la solution idéale car cela réduira également votre gamme de fréquence. Dans ce cas, la seule solution consiste à acquérir plus de points pour la FFT, ce qui nécessite une mémoire embarquée plus profonde.

Un facteur important dans une décision d’achat d’oscilloscope est le nombre de voies sur l’instrument ou la possibilité d’ajouter des voies en synchronisant plusieurs instruments. La plupart des oscilloscopes ont deux à quatre voies, chacune échantillonnée simultanément à une certaine fréquence. Il est important de se méfier de la façon dont la fréquence d'échantillonnage est affectée lors de l'utilisation de toutes les voies. Cela est dû à une technique couramment utilisée appelée échantillonnage temporel entrelacé, qui entrelace plusieurs voies pour atteindre une fréquence d’échantillonnage plus élevée. Si l'oscilloscope utilise cette méthode et que vous utilisez toutes les voies, il se peut que vous ne puissiez pas acquérir à la fréquence d'acquisition maximale.

Le nombre de voies requises dépend entièrement de votre application. Souvent, les deux à quatre voies traditionnelles peuvent ne pas être suffisantes pour une application donnée, auquel cas il existe deux options. La première consiste à utiliser un produit à plus forte densité de voies tel que l’oscilloscope NI PXIe-5105 12 bits, 60 Méch./s, 60 MHz, à huit voies (simultanées). Si vous ne parvenez pas à trouver un instrument qui correspond à vos exigences en matière de résolution, de vitesse et de bande passante, vous devriez envisager d’utiliser une plate-forme qui vous permet de faire évoluer votre système de test en fournissant une synchronisation étroite et permet de partager les déclenchements et les horloges. Bien qu’il soit pratiquement impossible de synchroniser plusieurs oscilloscopes en boîtier via GPIB ou LAN en raison d’une latence élevée, d’un débit limité et d’un besoin de câblage externe, le PXI fournit une solution supérieure. Le PXI est une norme industrielle qui ajoute une technologie de synchronisation de classe mondiale aux bus plus rapides existants tels que PCI et PCI Express.

La synchronisation de plusieurs périphériques est une exigence clé de nombreuses applications, ce qui peut souvent augmenter le temps de développement logiciel. Les oscilloscopes NI qui sont construits sur l'architecture SMC (Synchronization and Memory Core) peuvent toutefois utiliser NI-TClk pour obtenir une synchronisation précise avec un effort de développement minimal. NI-TClk fournit une interface de haut niveau pour programmer la synchronisation de plusieurs oscilloscopes NI, générateurs de signaux arbitraires et périphériques d'E/S numériques haute vitesse. De plus, il existe une variété d’exemples pré-écrits pour effectuer ce type de synchronisation, ce qui rend la mise en service encore plus facile. Voici les trois fonctions (niTClk Configure for Homogeneous Triggers, niTClk Synchronize, niTClk Initiate) nécessaires pour effectuer une synchronisation homogène sur plusieurs oscilloscopes PXI comme programmé dans l'environnement LabVIEW :

Presque tous les tests automatisés et de nombreuses applications sur table impliquent plusieurs types d’instruments tels que des oscilloscopes, des générateurs de signaux, des analyseurs de signaux numériques, des générateurs de signaux numériques et des commutateurs.

La capacité inhérente de cadencement et de synchronisation des instruments modulaires PXI et NI vous permet de synchroniser tous ces types d’instruments sans avoir besoin de câblage externe. Par exemple, vous pouvez intégrer un Oscilloscope PXI et un Générateur de signaux PXI pour effectuer des balayages de paramètres, ce qui est utile pour caractériser la réponse en fréquence et en phase du récepteur du matériel sous test. L’ensemble du balayage peut être automatisé, ce qui évite d’avoir à définir manuellement les paramètres sur l’oscilloscope et le générateur puis à effectuer une analyse hors ligne. Une approche modulaire avec PXI entraîne une amélioration considérable de la vitesse et améliore votre efficacité en vous permettant de vous concentrer sur les résultats plutôt que sur les étapes fastidieuses nécessaires pour obtenir ces résultats.

La même technologie T-Clk qui permet de créer des systèmes avec jusqu’à 136 voies synchronisées dans un seul châssis PXI ou jusqu’à 5 000 voies utilisant plusieurs châssis (comme décrit dans la section ci-dessus) permet également la synchronisation d’instruments de différents types. Par exemple, un oscilloscope NI peut être synchronisé T-Clk avec des générateurs de signaux, des générateurs de signaux numériques et des analyseurs de signaux numériques pour construire des systèmes de signaux mixtes.

Plutôt que de vous contenter d’un oscilloscope à signaux mixtes avec des fonctionnalités numériques limitées, vous pouvez utiliser un oscilloscope PXI modulaire avec des générateurs de signaux arbitraires et des générateurs/analyseurs de signaux numériques pour construire une application complète à signaux mixtes avec les avantages d’un oscilloscope et d’un analyseur logique.

La détermination des capacités logicielles et d’analyse est très importante lors du choix d’un oscilloscope modulaire ou autonome pour votre application, et ce facteur peut vous aider à choisir entre les deux instruments.

Les oscilloscopes autonomes sont définis par le fournisseur tandis que les portées modulaires sont définies par l’utilisateur et flexibles dans les applications qu’ils peuvent résoudre. Un oscilloscope en boîtier fournit de nombreuses fonctions standard qui sont communes aux besoins de nombreux ingénieurs. Comme vous pouvez l’imaginer, ces fonctions standard ne résoudront pas toutes les applications, en particulier pour les applications de test automatique. Si vous devez définir les mesures effectuées par votre oscilloscope, vous pouvez choisir un oscilloscope modulaire, qui tire parti de l’architecture du PC tout en vous permettant de personnaliser une application selon vos besoins, au lieu de la fonctionnalité fixe d’un oscilloscope autonome.

Les oscilloscopes NI sont tous programmés à l'aide du driver gratuit NI-SCOPE . Ce driver est livré avec plus de 50 exemples de programmes préécrits qui mettent en évidence toutes les fonctionnalités de n'importe quelle lunette NI, et la face-avant logicielle NI-SCOPE incluse fournit une interface familière similaire à un oscilloscope. Le même matériel peut également être programmé pour des mesures courantes et personnalisées dans un large éventail d’applications utilisant des langages de programmation tels que NI LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Basic et .NET. Le driver prend également en charge dans LabVIEW les fonctions de configuration Express.

Si vous avez besoin de plus de personnalisation qu’un oscilloscope, comme un traitement FPGA en ligne, un numériseur peut être mieux adapté à votre application qu’un oscilloscope. Par exemple, les numériseurs FlexRIO disposent également de convertisseurs analogiques/numériques hautes performances, mais permettent une plus grande personnalisation. Alors que les oscilloscopes sont utilisés comme équipement de test polyvalent, avec un frontal flexible et des gammes et des paramètres d’entrée sélectionnables, les numériseurs sont généralement utilisés comme solution plus ciblée pour une application spécifique, par exemple lors de la conception ou du prototypage d’instruments scientifiques ou médicaux.

Contrairement aux oscilloscopes modulaires, les numériseurs FlexRIO ont des frontaux analogiques fixes, une fonctionnalité logicielle prête à l’emploi minimale et des spécifications typiques/mesurées (par opposition à la certification NIST). Cependant, ils sont généralement disponibles avec des vitesses d’acquisition et permettent plus de personnalisation ou de traitement du signal en ligne via le FPGA.

Bien que les oscilloscopes modulaires et autonomes soient tous deux utilisés pour acquérir des tensions, les instruments offrent différents avantages. Cependant, les considérations évoquées ci-dessus sont importantes lors de l’achat de l’un ou l’autre instrument.  Penser à l’avance aux exigences de l’application, aux contraintes de coûts, aux performances et à l’extensibilité future peut vous aider à choisir l’instrument qui répond le mieux à tous vos besoins.

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