Choix d'un oscilloscope et bande passante

Voici un article du site http://www.ni.com/white-paper/4333/fr/ me permet d'attirer l'attention sur une caractéristique importante :
La bande passante d'un oscilloscope est très importante.

Pour ma part, j'estime qu'un bon rapport
[Bande passante/Fréquence max du signal analysé] doit être de 10 ou plus.

Ainsi, un oscilloscope dont la bande passante 200 MHz vous donnera de bon résultat de mesure de phénomène transitoire (comme les "PIC ALC" de puissance) que pour des signaux inférieurs à 21 MHz (environ...).

Un oscilloscope dont la bande passante est de 20 MHz ne sera guère utile en HF par conséquent...

Les 10 points essentiels pour choisir un numériseur/oscilloscope

Introduction

Depuis son invention en 1897 par le scientifique allemand Karl Ferdinand Braun, l’oscilloscope (initialement appelé oscilloscope à rayons cathodiques) a évolué dans tous ses aspects pour devenir l’oscilloscope numérique à mémoire actuel, qui est de loin l’instrument de mesure le plus répandu. L’une des transformations les plus significatives de l’oscilloscope a été son adaptation au domaine numérique, qui apporte des avantages déterminants tels que le traitement de signaux numériques et l’analyse de formes d’ondes. Les oscilloscopes numériques comprennent désormais un convertisseur analogique/numérique (C A/N) haute vitesse de basse résolution (généralement de 8 bits), un processeur intégré avec des commandes définies par le vendeur, des fonctions d’analyse ainsi qu’un écran. Les numériseurs, quant à eux, s’appuient sur le PC pour fournir la meilleure puissance de traitement qui soit et un écran haute résolution, tout en proposant les autres fonctionnalités offertes par un oscilloscope. Étant donné que les numériseurs sont basés PC, votre instrument est principalement défini au niveau du logiciel sur l’ordinateur hôte. Il ne sert pas seulement d’oscilloscope mais peut également être programmé de manière logicielle pour des mesures personnalisées spécifiques. Grâce à leur architecture ouverte et à leur souplesse logicielle, les numériseurs offrent de nombreux avantages par rapport aux oscilloscopes autonomes traditionnels. Cependant, les numériseurs et les oscilloscopes présentent plusieurs similitudes et partagent un certain nombre d’éléments à prendre en considération lors de leur choix. Cet article aborde les dix points essentiels à prendre en compte lorsque que vous cherchez un nouveau numériseur/oscilloscope sur le marché.

1. Bande passante

La bande passante décrit la gamme de fréquences dans laquelle le signal d’entrée peut traverser le frontal analogique avec une perte d’amplitude minimale : de la pointe de la sonde ou du dispositif sous test jusqu’à l’entrée du C A/N. La bande passante est spécifiée comme la fréquence à laquelle un signal sinusoïdal d'entrée est atténué à 70,7% de son amplitude initiale, également appelée le point d’atténuation à -3 dB.

En règle générale, il est recommandé d’utiliser un numériseur doté d’une bande passante au moins deux fois supérieure à la composante fréquentielle la plus élevée du signal.

Les oscilloscopes/numériseurs sont très largement utilisés pour mesurer le temps de montée des signaux tels que les trains d’impulsion numériques ou d’autres signaux caractérisés par des pentes raides. Ces signaux sont constitués par un contenu fréquentiel élevé. Il faut avoir recours à un numériseur doté d'une bande passante élevée pour capturer la véritable forme du signal. Par exemple, une onde carrée de 10 MHz se compose d’une onde sinusoïdale de 10 MHz et d’un nombre infini de ses harmoniques. Afin de capturer la véritable forme de ce signal, il faut utiliser un numériseur avec une bande passante assez large pour capturer le plus grand nombre de ces harmoniques. Sinon, le signal sera déformé et les mesures inexactes.


En règle générale, la formule suivante permet de calculer la bande passante du signal à partir de son temps de montée (défini comme le temps nécessaire pour passer de 10% à 90% de l'amplitude du signal) :


Idéalement il faudrait utiliser un numériseur avec une bande passante 3 à 5 fois supérieure à celle du signal calculée à l’aide de la formule ci-dessus. En d’autres termes, le temps de montée du numériseur devrait représenter 1/5 à 1/3 du temps de montée du signal pour acquérir ce dernier avec un taux d'erreur minimal. En outre, il est toujours possible de retrouver la bande passante réelle du signal en utilisant la formule suivante :

2. Fréquence d'échantillonnage

La section précédente traitait de la bande passante, qui est l’une des spécifications les plus importantes d’un numériseur ou d’un oscilloscope. Cependant, dans le cas d’oscilloscopes numériques, une bande passante élevée est moins essentielle si la vitesse d’échantillonnage est insuffisante.
La bande passante représente l’onde sinusoïdale avec la fréquence la plus élevée pouvant être numérisée avec une atténuation minimale, tandis que la vitesse d’échantillonnage est simplement la vitesse à laquelle le convertisseur analogique/numérique (C A/N) dans le numériseur ou l’oscilloscope est cadencé pour numériser le signal entrant. Il faut garder à l’esprit que la vitesse d’échantillonnage et la bande passante ne sont pas directement liées. Toutefois, il existe une règle empirique concernant la relation souhaitable entre ces deux spécifications importantes :
Le théorème de Nyquist affirme que la vitesse d’échantillonnage du numériseur doit être au moins deux fois supérieure à la composante fréquentielle la plus élevée du signal mesuré pour éviter le repliement. Cependant, échantillonner un signal à tout juste deux fois la plus haute fréquence le constituant n'est pas suffisant pour reproduire avec exactitude les signaux dans le domaine fréquentiel. Afin de numériser le signal entrant de manière précise, la vitesse d’échantillonnage temps réel du numériseur doit être au moins 3 à 4 fois supérieure à sa bande passante. Pour comprendre la raison à cela, il vous suffit d’observer la figure ci-dessous : quel signal numérisé préféreriez-vous voir affiché sur votre oscilloscope ?


L’image de gauche est sous-échantillonnée ; il en résulte un signal numérisé déformé. L’image de droite, quant à elle, dispose de suffisamment de points d’échantillonnage pour reconstituer le signal de manière précise. À l’évidence, pour les applications dans le domaine temporel, le choix se portera en priorité sur le numériseur avec la vitesse d’échantillonnage plus élevée.

3. Modes d’échantillonnage

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

La vitesse d’échantillonnage en temps réel est la fréquence à laquelle le C A/N est cadencé ; elle est aussi une indication de la vitesse maximale à laquelle le signal entrant peut être acquis en une seule mesure finie. Quant à l’échantillonnage en temps équivalent, c’est une méthode de reconstitution du signal à partir d’un ensemble de formes d’ondes déclenchées qui sont toutes acquises en mode déclenché fini. L’avantage de l’échantillonnage en temps équivalent est qu’il offre une vitesse d’échantillonnage réelle plus élevée. L’inconvénient, cependant, est qu’il prend plus de temps et qu’il ne s’applique qu’aux signaux répétitifs. Il est à noter que l’échantillonnage en temps équivalent n’augmente pas la bande passante analogique du numériseur et sert uniquement lorsque l'utilisateur doit reconstituer le signal avec une vitesse d'échantillonnage plus élevée. L’échantillonnage aléatoire entrelacé (RIS), disponible sur la plupart des numériseurs NI (voir tableau ci-dessous), est une implémentation courante de l’échantillonnage en temps équivalent (ETS).

Modèle du numériseur	Voies	Vitesse d’échanti- llonnage en temps réel	Vitesse d’échanti- llonnage en temps équivalent	Bande passante	Résolution
NI 5152	2	2 Géch./s	20 Géch./s	300 MHz	8 bits
NI 5114	2	250 Méch./s	5 Géch./s	125 MHz	8 bits
NI 5124	2	200 Méch./s	4 Géch./s	150 MHz	12 bits
NI 5122	2	100 Méch./s	2 Géch./s	100 MHz	14 bits
NI 5105	8	60 Méch./s	–	60 MHz	12 bits
NI 5922	2	De 500 kéch./s à 15 Méch./s	–	6 MHz	16 à 24 bits définis par l’utilisateur

4. Résolution et gamme dynamique

Comme il a déjà été mentionné plus haut, les numériseurs et les oscilloscopes numériques sont tous deux équipés de C A/N qui convertissent les signaux analogiques en signaux numériques. Le nombre de bits renvoyés par le C A/N correspond à la résolution du numériseur. Pour n’importe quelle gamme d’entrée donnée, le nombre de niveaux discrets possibles utilisés pour représenter le signal de manière numérique est de 2 puissance b, où b correspond à la résolution du numériseur. La gamme d’entrée est divisée par pas de 2 puissance b et le plus petit signal possible détectable par le numériseur est représenté par entrée_gamme/2^b. Par exemple, un numériseur 8 bits divise une gamme d’entrée de 10 Vpp en 256 niveaux de 39 mV chacun, tandis qu’un numériseur 24 bits divise la même gamme d’entrée en 16 777 216 niveaux de 596 nV (environ 65 000 fois plus petits qu’avec le numériseur 8 bits).

L’une des raisons justifiant l’utilisation d’un numériseur haute résolution est le fait de mesurer de petits signaux. La question évidente qui en découle est :"pourquoi ne pas utiliser les plus petites gammes sur l'instrument ?" En effet, il serait possible d’utiliser une gamme inférieure et d’effectuer un “zoom avant” sur le signal afin de mesurer des petites tensions. Cependant que se passerait-il si le signal était composé à la fois d'un signal très faible et d'un signal de grande amplitude ? En utilisant une gamme étendue, l'utilisateur sera à même de mesurer le signal fort tandis que le très faible signal se perdra dans le bruit du signal le plus grand. En revanche, en utilisant une gamme peu importante, l’utilisateur risquerait de rogner le signal de grande amplitude et sa mesure subirait une distorsion et s’en trouverait faussée. Par conséquent, les applications mettant en œuvre des signaux dynamiques (c’est-à-dire des signaux composés à la fois de fortes et faibles tensions) nécessitent un instrument haute résolution, qui présente une gamme dynamique étendue (à savoir la capacité du numériseur de mesurer de faibles signaux en présence de forts signaux).

Les oscilloscopes traditionnels utilisent généralement des C A/N avec une résolution de 8 bits, ce qui est insuffisant dans le cadre de nombreuses applications mettant en œuvre l’analyse spectrale ou les signaux dynamiques comme la modulation de formes d'ondes. Ce type d’applications est susceptible de tirer profit de l’un des numériseurs haute résolution décrit dans le tableau ci-après. Parmi eux, citons le numériseur à résolution variable NI PXI-5922, élu produit de test de l’année 2006. Ce module utilise des techniques de linéarisation pour fournir la gamme dynamique la plus élevée de tous les numériseurs ou oscilloscopes du marché.

Modèle du numériseur	Résolution	Voies	Vitesse d’échanti- llonnage en temps réel	Bande passante
NI 5922	16 à 24 bits (définie par l’utilisateur)	2	De 500 kéch./s à 15 Méch./s	6 MHz
NI 5122	14 bits	2	100 Méch./s	100 MHz
NI 5124	12 bits	2	200 Méch./s	150 MHz
NI 5105	12 bits	8	60 Méch./s	60 MHz

5. Déclenchement

En règle générale, les oscilloscopes et les numériseurs servent à acquérir un signal à partir d’un événement particulier. La capacité de déclenchement de l’instrument permet d’isoler cet événement et de capturer le signal avant et après l’événement en question. La plupart des numériseurs et oscilloscopes présentent un déclenchement sur un front analogique, numérique et logiciel. Parmi les autres options de déclenchement proposées, citons le fenêtrage, l’hystérésis et le déclenchement vidéo (disponibles sur les modules NI PXI-5122, PXI-5124 et PXI-5114). Les numériseurs haut de gamme présentent des temps de réarmement rapides entre les déclenchements, ce qui permet le mode d’enregistrement multidéclenchement, au cours duquel le numériseur capture le nombre spécifié de points sur un déclenchement donné, réarme rapidement et attend le prochain déclenchement. Un temps de réarmement rapide garantit que le numériseur ne manque ni l’événement ni le déclenchement. Le mode multidéclenchement est extrêmement utile pour capturer et stocker uniquement les données nécessaires, optimisant de ce fait l'utilisation de la mémoire embarquée tout en limitant l'activité du bus du PC.

6. Mémoire embarquée

À maintes occasions, les données sont transférées depuis le numériseur ou l'oscilloscope vers le PC en vue de mesures et d'analyses. Bien que ces instruments soient capables d’échantillonner à la vitesse maximale (qui peut être de l’ordre de plusieurs Géch./s), les données risquent d’être transférées au PC à une vitesse limitée par la bande passante du bus de connexion (PCI, LAN, GPIB, etc.). À l’heure actuelle, la plupart de ces bus sont trop lents pour supporter des vitesses de plusieurs Géch./s, mais cela peut très bien être résolu par le PCI Express et le PXI Express qui fournissent des vitesses de transfert de données de plusieurs Go/s.

En l’absence d’un bus qui provoque un goulet d’étranglement en termes de débit, la mémoire embarquée sur l’instrument permet d’acquérir les signaux à la vitesse maximale, puis de transmettre les données au PC où elles seront traitées.



*AcquisitionTimeWindow = fenêtre temporelle d’acquisition
   OnboardAcquisitionMemory = taille mémoire d’acquisition embarquée
   SamplingRate(S/s) = vitesse d’échantillonnage (éch.s)

Une mémoire de grande capacité ne se contente pas d'accroître le temps d'acquisition ; elle s'accompagne également d’avantages propres au domaine fréquentiel. La transformée de Fourier rapide (FFT), qui montre le contenu fréquentiel du signal, est la mesure la plus fréquente dans le domaine fréquentiel. Plus la résolution fréquentielle de la FFT est élevée et plus grande est la capacité à détecter des fréquences discrètes.


*FrequencyResolution = résolution fréquentielle
   SamplingRate(S/s) = vitesse d’échantillonnage (éch.s)
   PointsInFFT = nombre de points dans la FFT
 


Selon l’équation ci-dessus, il existe deux manières d’améliorer la résolution de la fréquence : réduire la vitesse d’échantillonnage ou accroître le nombre de points dans la FFT. En général, réduire la vitesse d’échantillonnage ne constituera pas la méthode idéale car il s’ensuivra une réduction de la plage de fréquences. Dans ce cas, la seule solution consiste à acquérir davantage de points pour la FFT, ce qui nécessite une mémoire embarquée de grande capacité.

Modèle du numériseur	Voies	Vitesse d’échanti- llonnage en temps réel	Vitesse d’échanti- llonnage en temps équivalent	Bande passante	Options de mémoire
NI 5152	2	2 Géch./s	20 Géch./s	300 MHz	16 Mo, 128 Mo, 512 Mo
NI 5114	2	250 Méch./s	5 Géch./s	125 MHz	16 Mo, 128 Mo, 512 Mo
NI 5124	2	200 Méch./s	4 Géch./s	150 MHz	16 Mo, 64 Mo, 512 Mo, 1 Go
NI 5122	2	100 Méch./s	2 Géch./s	100 MHz	16 Mo, 64 Mo, 512 Mo, 1 Go
NI 5105	8	60 Méch./s	–	60 MHz	16 Mo, 128 Mo, 512 Mo
NI 5922	2	De 500 kéch./s à 15 Méch./s	–	6 MHz	16 Mo, 64 Mo, 512 Mo, 1 Go

7. Densité des voies

Le nombre de voies disponibles sur l’instrument ou la capacité d’ajouter des voies en synchronisant plusieurs instruments sont des facteurs déterminants lors du choix d’un oscilloscope ou d’un numériseur. La plupart des oscilloscopes ont deux à quatre voies à échantillonnage simultané, toutes échantillonnées au même moment à une certaine vitesse. Il faut faire attention à la méthode d’échantillonnage lorsque toutes les voies du numériseur sont utilisées. Cela est dû à la technique couramment utilisée sous le nom d’échantillonnage entrelacé, dans laquelle plusieurs voies sont entrelacées pour atteindre une vitesse d’échantillonnage plus élevée.

Le nombre de voies nécessaires dépend totalement de la spécificité de l’application concernée. Souvent, les deux ou quatre voies habituelles ne suffisent pas aux besoins d’une application donnée. Dans ce cas, deux options s’offrent à l'utilisateur : la première consiste à utiliser un produit doté d’un nombre supérieur de voies, tel que le numériseur NI PXI-5105 12 bits, 60 MHz, 60 Méch./s à 8 voies (simultanées). Si l’utilisateur ne parvient pas à trouver un instrument répondant à ses exigences en termes de résolution, vitesse et bande passante, il doit envisager de recourir à une plate-forme qui permet d’adapter le système de test en fournissant une synchronisation précise et qui autorise le partage des déclenchements et des horloges. Si il est pratiquement impossible de synchroniser plusieurs oscilloscopes traditionnels via GPIB ou LAN en raison du temps de latence élevé, de la vitesse de transfert limitée et de la nécessité de câblages externes, le PXI fournit une solution parfaite. Le PXI est un standard industriel qui apporte une technologie de synchronisation de renommée internationale à des bus haute vitesse tels que le PCI et le PCI Express.



Les numériseurs NI, tels que les PXI-5105 et PXI-5152, proposent une technologie appelée T-Clock, qui fournit une précision de synchronisation à quelque dix picosecondes près. Par exemple, grâce à cette technologie, il est possible de construire un oscilloscope 1 Géch./s avec 34 voies (simultanées) en utilisant les numériseurs NI PXI-5152 dans un seul châssis 18 emplacements. De même, plusieurs PXI-5105 peuvent être synchronisés pour fournir un système doté de 136 voies synchronisées, fonctionnant chacune à 60 Méch./s avec une résolution de 12 bits. Pour un plus grand nombre de voies, le PXI propose également des modules de cadencement permettant de synchroniser plusieurs châssis pour obtenir des systèmes gérant jusqu’à 5000 voies.

8. Synchronisation de plusieurs instruments

Presque tous les tests automatiques et bon nombre d’applications en laboratoire font intervenir plusieurs types d’instruments tels que les numériseurs, les générateurs de signaux, les analyseurs de formes d’ondes numériques, les générateurs de formes d’ondes numériques et les matrices de commutation.

Les capacités de synchronisation et de cadencement inhérentes au PXI et aux instruments modulaires NI permettent de synchroniser tous ces types d’instruments sans devoir recourir à un câblage externe. Par exemple, il est possible d’intégrer un numériseur (comme le NI PXI-5152) et un générateur de formes d’ondes arbitraires (comme le NI PXI-5421) pour des mesures par balayage de fréquence servant à caractériser la fréquence et la réponse de phase d’une unité sous test. L’ensemble du balayage de fréquence peut être automatisé, ce qui dispense du réglage manuel des paramètres sur l’oscilloscope et le générateur, suivi par l’analyse hors ligne. L’approche modulaire du PXI se traduit par une amélioration des vitesses des mesures et elle accroît l’efficacité de l’utilisateur qui peut se concentrer sur les résultats au lieu des étapes laborieuses généralement indispensables pour y parvenir.

9. Fonctionnalité de signaux mixtes

La même technologie T-Clock qui permet de construire des systèmes avec jusqu’à 136 voies synchronisées dans un seul châssis PXI ou jusqu’à 5000 voies en combinant plusieurs châssis (comme nous l’avons indiqué plus haut) permet également de synchroniser des instruments de types différents. En guise d’illustration, un numériseur NI doté de T-Clock peut être synchronisé avec des générateurs de signaux, des générateurs de formes d’ondes numériques et des analyseurs de formes d’ondes numériques pour construire des systèmes à signaux mixtes.



Au lieu de se décider pour un oscilloscope à signaux mixtes doté de fonctionnalités numériques limitées, les ingénieurs peuvent utiliser un numériseur PXI modulaire avec des générateurs de formes d’ondes arbitraires et des générateurs/analyseurs de formes d’ondes numériques pour construire une application complète de signaux mixtes alliant à la fois les avantages d’un oscilloscope et ceux d’un analyseur de logique. 

10. Logiciels, capacité d’analyse et personnalisation

Le dernier point, mais non le moindre, lors du choix d’un oscilloscope concerne les logiciels et les capacités d’analyse. Il est susceptible d’orienter l’utilisateur dans la bonne voie si celui-ci doit trancher entre un oscilloscope traditionnel et un numériseur sur PC.

Les oscilloscopes traditionnels sont définis par le vendeur tandis que les numériseurs sont définis par l’utilisateur et s’adaptent aux applications qu’ils peuvent résoudre. Un oscilloscope traditionnel propose l’essentiel des fonctions standards répondant aux besoins de bon nombre d’ingénieurs. Toutefois, comme vous pouvez l’imaginer, ces fonctions standards peuvent parfois ne pas satisfaire toutes les applications, en particulier dans le cadre du test automatique. Dans pareil cas, où l’utilisateur a besoin de définir les types de mesures relevées par l’oscilloscope, il peut être préférable de choisir un numériseur défini par l'utilisateur que l’on peut insérer dans le PC, et de personnaliser l'application à sa façon et non à la manière du vendeur de l'oscilloscope.

Nos numériseurs sont livrés avec NI-SCOPE, un logiciel driver gratuit commun à tous les numériseurs NI. Ce driver est équipé de NI-SCOPE Soft Front Panel pour une utilisation clefs en main. Le même matériel peut également être programmé pour des mesures spécifiques/personnalisées dans un large éventail d'applications à l’aide de vos langages de programmation de prédilection, y compris NI LabVIEW et LabWindows/CVI. Enfin, le driver supporte les fonctions configurables Express offertes par LabVIEW.