Chaque mesure commence par un déclenchement

Une exigence importante pour les instruments comme les oscilloscopes est la capacité de détecter et de déclencher rapidement et de manière fiable un événement intéressant dans un flux de signaux non suspects. Plus un événement spécifique peut être détecté rapidement, plus un problème dans une conception électronique peut être mis au point rapidement, réduisant ainsi les temps de test de développement et de fabrication.

Cette importance n'échappe pas aux fournisseurs d'oscilloscopes. De nombreux fournisseurs proposent jusqu’à 100 déclenchements prédéfinis pour aider les utilisateurs à isoler rapidement des conditions de signal très courantes et moins souvent visibles. Cela ajoute de la flexibilité, mais choisir le déclenchement correct peut être plus difficile que de capturer réellement le signal étant donné la grande variation des déclenchements par type, vitesse, bande passante, maintien, logiciel, etc., mais chacun comporte des compromis entre flexibilité et temps mort. Comprendre les types de déclenchements et leurs compromis respectifs peut aider à identifier l’approche de déclenchement idéale pour optimiser les chances de succès d’un événement déclenché.

Deux aspects déterminent les performances de déclenchement d’un oscilloscope :

1. La flexibilité du déclenchement décrit la facilité avec laquelle un seuil ou une condition de déclenchement peut être défini pour améliorer l’efficacité en s’adaptant aux conditions du signal testé. La plupart des oscilloscopes fournissent une variété de fonctions de déclenchement définies par le fournisseur avec des paramètres minimaux, tels que le niveau ou la largeur, mais ne fournissent pas un moyen de les personnaliser.
   
2. Temps mort de déclenchement indique combien de temps l'oscilloscope ne peut pas détecter les déclenchements entre les acquisitions. Cela conduit à manquer des conditions de déclenchement si un événement intéressant tombe dans ce temps mort. Le temps mort de déclenchement est une qualité inhérente à toutes les architectures de déclenchement, mais il existe des méthodes et des techniques pour minimiser le temps mort. De nombreux fournisseurs d’oscilloscopes proposent des déclenchements logiciels pour ajouter plus de flexibilité, mais cela nécessite un temps mort important en raison du besoin de post-traitement et n’est pas idéal pour des événements très rares et peu fréquents.

Le déclenchement sur front (démarrage d’une acquisition sur une transition de signal montant ou descendant) est l’un des modes de déclenchement les plus courants sur les oscilloscopes aujourd’hui. La plupart des fonctions de mise au point et de test simples sont gérées avec un déclenchement sur front, mais souvent un scénario de déclenchement plus complexe est nécessaire pour isoler une forme de signal particulière ou plusieurs formes successives. Des options de déclenchement plus avancées sont également courantes sur les oscilloscopes et offrent une flexibilité supplémentaire pour capturer des protocoles série tels que I²C ou SPI, ainsi que des événements avancés et des caractéristiques de signal telles que des impulsions transitoires, un échelon, une largeur, une vitesse de variation et un timeout pour n’en nommer que quelques-uns.

Figure 1. Ce diagramme d'un oscilloscope est basé sur le traitement du signal numérique. La mémoire d’acquisition et l’unité de traitement du signal déterminent la fréquence de mise à jour de l’acquisition et le temps mort de l’oscilloscope.

De nombreuses conditions de déclenchement sont implémentées dans le matériel, mais des options de déclenchement et des qualifications de signaux plus sophistiquées sont souvent effectuées dans le logiciel comme le montre la figure 1. Les déclenchements logiciels offrent la plus grande flexibilité mais augmentent le temps nécessaire au transfert et au traitement des données pendant lequel les oscilloscopes ne peuvent pas détecter de nouveaux déclenchements, comme le montre la figure 2. Cette période où le système de déclenchement est aveugle est appelée temps mort, qui peut facilement être une amplitude plus longue que l’enregistrement réel des données acquises. Autrement dit, les systèmes de déclenchement d’oscilloscope peuvent être aveugles plus de 95 % du temps. Il est donc plus difficile de détecter des événements rares ou peu fréquents, ce qui allonge la durée des tests. Et pire encore, les utilisateurs pourraient avoir l'hypothèse fausse qu'il n'y a aucun des événements attendus, car ils sont si rares qu'ils n'ont pas été détectés pendant la mesure.

Figure 2. Cela montre l’acquisition et l’analyse de waveforms dans les oscilloscopes traditionnels avec des temps morts entre les instantanés de waveforms (ci-dessus) et le traitement continu (ci-dessous).

Si la capacité de déclenchement ou d’analyse de signal disponible d’un oscilloscope n’est pas suffisante pour une tâche, la seule option restante pour les utilisateurs est d’acquérir de longs segments de waveforms et de télécharger ces données brutes acquises sur un PC pour un post-traitement afin de trouver un événement spécifique. Mais cela ajoute une couche supplémentaire de complexité à la conception globale du système et entraîne également des temps de test plus longs en raison de la latence du transfert de données et du temps de traitement nécessaire.

Bien que la plupart des options de déclenchement logiciel ou intelligent puissent répondre aux besoins dans la conception et le test des Circuits électriques, il existe souvent de rares événements qui peuvent ralentir considérablement le développement du produit s'ils ne sont pas isolés et corrigés rapidement. En raison des limites de la plupart des fonctions de déclenchement de l’oscilloscope, l’utilisateur ne peut accéder qu’à ce qui est disponible auprès du fournisseur.

Avec la possibilité d’implémenter leurs propres algorithmes dans un oscilloscope, les utilisateurs peuvent personnaliser l’instrument pour des tâches spécifiques et ne pas se limiter aux fonctionnalités définies par le fournisseur d’instruments. Par exemple, les utilisateurs peuvent définir leurs propres conditions de déclenchement spécifiques à l’application pour capturer spécifiquement une condition de signal, ce qui peut aider à réduire considérablement le temps de test en éliminant le besoin de post-traitement des données sur le PC, comme le montre la figure 3.

La technologie habilitante clé qui fournit à la fois le traitement des données en ligne dans les oscilloscopes ainsi que la flexibilité de reprogrammer les algorithmes sont les FPGA, qui sont essentiellement des puces programmables capables d’effectuer des algorithmes de traitement du signal et de contrôle personnalisés à des débits élevés en véritable parallèle. La flexibilité des FPGA permet de modifier ou d’ajouter des algorithmes de déclenchement spécifiques à l’utilisateur tandis que le traitement à haut débit permet d’analyser les échantillons de données en temps réel pendant l’acquisition, au lieu du post-traitement. Cela élimine les temps morts, évite les déclenchements manquants et aide à détecter les événements rares beaucoup plus rapidement.

Un exemple de déclenchement défini par l’utilisateur est celui qui détecte des formes ou des transitions de signal qui ne correspondent pas aux définitions de déclenchement standard, comme le signal illustré à la figure 3. Ce signal numérique montre un front non monotone comme il peut être causé par des réflexions de signal ou une alimentation défectueuse du circuit testé. Un déclenchement standard sur front ou largeur ne détecterait pas ce signal indésirable, et la détection dans les moyennes normales est presque impossible. Pour capturer cet événement de manière précise et cohérente, un nouveau déclenchement doit être créé. Pour faire face à de tels scénarios, un déclenchement logiciel peut être développé ; cependant, en raison du temps mort de déclenchement important associé à cette méthode, un événement rare n’est pas rapidement détecté. Alternativement, un FPGA programmable par l'utilisateur peut être utilisé pour fournir un certain nombre de déclenchements de fenêtre qui comparent les points d'échantillonnage acquis avec un masque de sorte que chaque fois que tous les déclenchements de fenêtre détectent simultanément une condition de déclenchement valide, un déclenchement combiné est émis et le signal est acquis.

Comme le FPGA évalue le signal en continu et en temps réel, l’oscilloscope peut capturer des événements uniques ainsi que des événements successifs sans temps mort entre les acquisitions.

Figure 3. Une transition de signal spécifique est capturée à l’aide d’un déclenchement défini par l’utilisateur ; la fonction est implémentée dans le FPGA d’un oscilloscope reconfigurable.

Depuis de nombreuses années, les ingénieurs de test utilisent des outils logiciels tels que LabVIEW, au lieu des logiciels fixes des instruments traditionnels en boîtier, pour automatiser les systèmes de test, analyser et présenter les mesures, et réduire le coût des tests. Cette approche offre de la flexibilité et tire parti des dernières technologies de PC et de processeur. Très souvent, cependant, les utilisateurs exigent d’aller plus loin et de modifier la façon dont les instruments prennent des mesures pour mieux répondre aux besoins d’une application.

Les instruments prêts à l’emploi sont traditionnellement définis par le fournisseur et ne fournissent qu’une capacité fixe ; cependant, NI ouvre la voie à des instruments plus ouverts et flexibles basés sur la technologie FPGA. On obtient ainsi du matériel prêt à l’emploi qui fait d’une pierre deux coups en intégrant une technologie de mesure fixe et de haute qualité, la toute dernière intégration de bus numérique et une logique personnalisable par l’utilisateur hautement parallèle, qui offre une faible latence et est directement liée aux E/S pour un traitement en ligne et des boucles de contrôle étroites.

Figure 4. Voici le diagramme de l'oscilloscope reconfigurable NI PXIe-5171R.

Dans le passé, la technologie FPGA n’était disponible que pour les ingénieurs ayant une compréhension approfondie de la conception de matériel numérique à l’aide d’outils tels que Verilog ou VHDL. L'essor des outils de conception de systèmes de haut niveau, tels que LabVIEW, modifie les règles de la programmation FPGA, fournissant de nouvelles technologies qui convertissent les diagrammes graphiques en circuits matériels numériques. Tous les produits matériels NI FPGA (y compris le NI PXIe-5171R) sont construits sur l'architecture LabVIEW RIO (Reconfigurable I/O), qui comprend de puissants processeurs à virgule flottante, des FPGA reconfigurables et des E/S modulaires. L'architecture LabVIEW RIO simplifie le développement et réduit les délais de mise sur le marché lors de la conception d'applications avancées de contrôle, de surveillance et de test. Avec LabVIEW, les utilisateurs peuvent étendre les capacités de l'instrument, par exemple, avec des déclenchements personnalisés ou des signaux de cadencement ou de contrôle supplémentaires. Les utilisateurs peuvent également implémenter leurs propres algorithmes dans le FPGA des instruments conçus par logiciel pour réutiliser le matériel pour une tâche complètement différente. Un oscilloscope, par exemple, peut être transformé en analyseur de spectre temps réel, enregistreur de transitoires, analyseur de protocole, récepteur RF, et bien plus encore.

Cela permet de réduire le coût des équipements car moins d’instruments doivent être achetés et entretenus, ce qui représente un aspect de coût important dans les systèmes de test. Cela peut être particulièrement utile lorsqu’il est nécessaire de fournir des capacités de test et d’instruments sur une très longue période (supérieure à 10 ans), par exemple dans les systèmes de test militaires ou aérospatiaux. Ces applications nécessitent souvent de recréer le comportement d'anciens instruments qui ne sont plus disponibles (fin de vie).

Les instruments reconfigurables sont utiles pour cette application car ils peuvent être reprogrammés pour imiter le comportement d'un ancien instrument. Cela permet de réduire les coûts, car le logiciel du système de test nécessite beaucoup moins de retouches et de recertifications pour fonctionner avec ce nouvel instrument.

Un exemple de ce type d’instrument est l’oscilloscope reconfigurable NI PXIe-5171R, qui utilise un FPGA Xilinx Kintex-7 pour traiter les échantillons acquis des huit entrées en temps réel. La figure 4 illustre comment le FPGA programmable par l’utilisateur est intégré au chemin de données et donne également accès aux signaux de contrôle et de cadencement de l’instrument.

Les méthodes de déclenchement classiques dans les oscilloscopes sont difficiles à capturer des événements très rares ou complexes en raison du manque de flexibilité et d’analyse en temps réel. De nouvelles approches peuvent tirer parti de la technologie FPGA pour définir des fonctions de déclenchement personnalisées afin de répondre aux conditions de déclenchement les plus complexes ainsi que pour traiter et analyser le signal en temps réel.

Voyez comment vous pouvez éliminer le temps mort en personnalisant votre déclenchement en visionnant la démo.