ABC des oscilloscopes portables : Partie 2, Entrée de signal et traitement

07-10-2013 | Oscilloscopes

La préparation du couplage d'entrée de votre oscilloscope et la façon dont l'affichage de la taille du signal est contrôlé sont traitées dans la deuxième partie de cette série qui en compte cinq, ainsi qu'une discussion sur la façon dont le signal est numérisé, stocké, et vérifié pour les pointes de tension.

Vous pouvez voir la première partie de cette série à ABC des oscilloscopes portables : Partie 1, Multimètres et oscilloscopes.

Architecture

Figure 1. Architecture d'un oscilloscope numérique

Commençons par une présentation rapide de l'architecture d'un oscilloscope numérique. Cela vous permettra de vous familiariser avec les fonctions clés qui contrôlent l'acquisition et l'affichage du tracé de la forme d'onde (la ligne que l'oscilloscope dessine sur son écran.)

Le schéma fonctionnel de la figure 1 montre comment le signal traverse d'abord deux circuits de conditionnement du signal : la section couplage d'entrée et la section contrôle d'amplitude.

(Pour des mesures différentielles – un système de mesure dans lequel deux signaux sont introduits dans l'oscilloscope avec affichage de la différence entre les deux – certains oscilloscopes disposent également d'une isolation voie à voie.)

La section couplage d'entrée détermine si le signal est couplé (c'est-à-dire connecté) directement dans l'oscilloscope ou s'il traverse un condensateur de couplage, ce qui bloque tout DC dans le signal.

La section contrôle d'amplitude contrôle la taille du signal d'entrée. Elle peut atténuer de grands signaux (c'est-à-dire les réduire) ou amplifier de petits signaux selon la configuration que vous avez paramétrée sur le panneau de contrôle.

Ensemble, les sections couplage d'entrée et contrôle d'amplitude conditionnent l'entrée de sorte que le signal appliqué au convertisseur analogique-numérique (CAN) de l'oscilloscope possède les caractéristiques souhaitées et puisse être traité et affiché correctement.

Couplage d'entrée

Figure 2. Couplage d'entrée

Lorsque vous choisissez le couplage d'entrée AC, le signal est connecté à l'oscilloscope à travers un condensateur de couplage (voir Figure 2), de sorte que toute composante en DC du signal est bloquée. Seule la partie en AC du signal est traitée et affichée par l'oscilloscope, centrée autour du point zéro volts sur l'écran.

Lorsque vous choisissez le couplage d'entrée DC, le signal est couplé directement dans l'outil, sans passer par le condensateur de couplage d'entrée, de sorte que les deux composantes en AC et DC du signal sont traitées et affichées.

Si vous n'êtes pas certain que le signal observé possède une composante en DC, vous pouvez changer les paramètres du couplage d'entrée entre AC et DC pour voir si le signal a un décalage significatif en DC. (Si c'est le cas, la trace du signal va « sauter » sur une nouvelle position verticale lorsque vous basculerez sur le couplage d'entrée. La grandeur d'un saut dépend de la quantité de décalage en DC.)

Dans certains cas (par exemple, lorsque vous observez la sortie DC à partir d'un régulateur de tension), vous voudrez peut-être commencer par le couplage DC et ensuite changer pour le couplage AC. Dans cet exemple, après avoir vérifié le niveau DC du signal en utilisant le couplage DC, vous changez pour le couplage AC et augmentez la sensibilité verticale pour rechercher un bruit AC sur le signal DC.

Affichage du contrôle d'amplitude

Une fois le signal « conditionné », il est échantillonné et converti en une représentation numérique qui est enregistrée dans la mémoire de l'oscilloscope. Une fois que le signal est numérisé, il peut encore être manipulé (en étalonnant les points de données, en faisant des mathématiques, et ainsi de suite) et finalement affiché comme trace à l'écran.

Figure 3. Contrôle de l'amplitude du signal d'entrée et sa taille à l'écran

La gamme d'amplitude contrôle l'augmentation ou l'atténuation des amplificateurs d'entrée. C'est-à-dire qu'il contrôle si le signal d'entrée gagne en taille (amplifié) ou s'il est réduit (atténué), comme montré sur la Figure 3. De cette façon, le signal est « échelonné » et peut donc être affiché à la taille que vous souhaitez.

Parfois vous voudrez augmenter la sensibilité (amplification) en « zoomant » sur un signal, par exemple, lorsque vous recherchez une imperfection sur la pente ascendante d'une forme d'onde d'impulsion. (Attention à ne pas augmenter la sensibilité à tel point que la trace s'étende au-delà de la partie supérieure de l'écran ou les bords inférieurs. Vous pourriez par inadvertance provoquer la saturation des amplificateurs d'entrée, ce qui fait paraître la forme d'onde déformée.)

Conversion analogique-numérique

Figure 4. Conversion d'un signal d'entrée analogique en une représentation numérique en mémoire

Comme nous l'avons décrit dans la Partie 1 de cette série, un oscilloscope utilise des techniques de conversion analogique-numérique à haute vitesse pour échantillonner un signal d'entrée, l'objectif étant de numériser la forme d'onde d'entrée aussi rapidement que possible, parce que plus vite le signal est échantillonné, meilleure est sa résolution sur l'axe horizontal (axe de temps). (Voir Figure 4.)

Des problèmes peuvent survenir si un signal est sous-échantillonné (c'est-à-dire, pas échantillonné assez vite). Ces problèmes incluent :

  • Un repliement : si vous n'échantillonnez qu'une onde sinusoïdale une ou deux fois par période, la forme d'onde affichée qui en résulte paraîtra très différente de la forme d'onde sinusoïdale d'origine et ressemblera davantage à une onde triangulaire.
  • Des transitoires ou des pointes de tension, qui peuvent passer inaperçus.
  • Une réduction de la bande passante ou de la fréquence affichées, affectant potentiellement le niveau de bruit affiché (comme lorsqu'un peu plus tôt nous recherchions un bruit à haute fréquence AC dans la sortie DC d'une alimentation)

Pour minimiser ces problèmes et reproduire la forme d'onde aussi précisément que possible sur un écran, l'oscilloscope doit échantillonner l'entrée aussi rapidement que possible – à un coût raisonnable, bien sûr !

Fréquence d'échantillonnage et mémoire

Figure 5. Le coût et la résolution augmentent avec la taille de la mémoire d'un oscilloscope

Un aspect clé des oscilloscopes à mémoire numérique devant être pris en considération n'est autre que la fréquence d'échantillonnage par rapport à la profondeur de mémoire et son impact sur le processus d'acquisition. (Voir Figure 5.) Prenons, par exemple, un oscilloscope avec une fréquence d'échantillonnage d'1 gigaéchantillon par seconde (1GéchS/s, ou 1 milliard d'échantillons par seconde). Avec la base de temps de l'oscilloscope réglée sur 100 millisecondes par division, 10 divisions sur l'affichage, un temps d'affichage total d'1 seconde et l'échantillonnage à 1 milliard de fois par seconde, l'oscilloscope aurait besoin d'1 milliard de points de mémoire !

En raison du coût et de la vitesse d'écriture de la mémoire, ce n'est pas pratique ! Avec une mémoire plus pratique (et abordable !) de 1 000 points, l'intervalle d'échantillonnage serait réduit à 1 000 échantillons par seconde (1kéch/s).

A/N : Détection de pointes de tension

Figure 6. Détection de pointes de tension

La détection des pointes de tension est une technique utilisée pour surmonter les deux erreurs critiques rencontrées par les convertisseurs analogiques-numériques : le repliement et les transitoires manqués (voir Figure 6).

Dans certains oscilloscopes, le détecteur des pointes de tension est essentiellement un second CAN qui fonctionne en permanence, mettant en mémoire tampon des points d'échantillons afin que le microprocesseur capture toutes les valeurs minimales et maximales d'échantillonnage au fil du temps.

Étant donné que l'oscilloscope n'enregistre et n'utilise que les points minimum et maximum, nous limitons la quantité de mémoire nécessaire tout en continuant à capturer des transitoires et en sur-échantillonnant le signal, ce qui empêche l'affichage d'une forme d'onde repliée.

Bande passante de l'oscilloscope

Figure 7. Diminution du volume de signal perçu avec limitation de bande passante

L'une des caractéristiques les plus importantes d'un oscilloscope est sa bande passante. Comme l'oreille humaine, un équipement électronique tel qu'un oscilloscope présente des limites au-delà desquelles il ne peut plus « entendre » un signal. (Voir Figure 7.)

Imaginez par exemple que vous fassiez un test auditif. Vous mettez un casque auditif et le technicien ajuste le volume du signal de test afin que vous puissiez l'entendre clairement. Ensuite, le technicien augmentera lentement la fréquence (le ton) du signal sans changer le volume. Vos oreilles vous informeront alors que le volume a baissé même si ce n'est pas le cas. Comme la fréquence est encore plus élevée (dépassant votre « bande passante auditive ») vous finirez par être totalement incapable d'entendre le signal.

La fréquence à laquelle l'oscilloscope indique que l'amplitude (volume) d'entrée a diminué de 3 dB (environ 30 %) est appelée sa bande passante. Fondamentalement, une bande passante est un moyen d'indiquer la performance du circuit électronique à l'intérieur de l'oscilloscope (c'est-à-dire, ses amplificateurs, ses atténuateurs, et ainsi de suite).

Les oscilloscopes Fluke

Vous pourrez retrouver les concepts et techniques présentés ici dans la gamme d'oscilloscopes portables Fluke. Les ScopeMeters Fluke sont disponibles en bandes passantes de 20 MHz à 200 MHz, avec suffisamment de performance et de capacités pour s'attaquer à une large variété de mesures de routine ou même à des tâches extrêmes telles que la recherche d'événements aléatoires.

Les oscilloscopes Fluke sont spécialement conçus pour fonctionner dans des environnements difficiles à l'extérieur d'un laboratoire, loin d'un banc.