Echantillonnage : L’oscilloscope

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1 Echantillonnage : L’oscilloscope
G. Lamarque

2 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!

3 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.

4 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… »

5 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?

6 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…

7 Do (Banjo)

8 Do (Orgue)

9 Voyelles « A E I O U Y »

10 Voyelle « A »

11 Relais

12 Rebonds « mécanique » d’un relais : visualisation du courant dans la charge d’un relais (fe=10MHz)

13 Rebonds « mécanique » d’un relais : visualisation du courant dans la charge d’un relais (fe=100MHz)

14 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.

15 Oscilloscope analogique
Canon à électrons Système vertical Atténuateur Amplificateur vertical Système de déclenchement Ecran tube cathodique Amplificateur horizontal Générateur de balayage Base de temps Système horizontal Sonde

16 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 fois par seconde.

17 Oscilloscope numérique
Conditionnement du signal Atténuateur Amplificateur vertical Système de déclenchement Horloge d’échantillonnage Base de temps Sonde CAN Mémoire Microprocesseur Ecran Bus d’adresses Bus de données Bus de contrôle Unité de traitement

18 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.

19 Les principaux constructeurs
Le Croy Hewlett Packard (Agilent Technologies) Tektronix Yokogawa Mais aussi Hameg Metrix

20 Oscilloscopes 4 voies du marché
Fabricant Modèle Bande Passante Echantillonnage en temps réel (monovoie) Capacité mémoire par voie (monovoie) Prix Agilent Technologies DSO 6034A 300 MHz 2Géch/s 500Ko à 4Mo 6000 € DSO 6054A 500MHz (4Géch/s) (1 à 8Mo) 8600 € DSO 6104A 1GHz 12000 € Le Croy WS 434 350 MHz 1Géch/s (2Géch/s) 250Ko ou 1Mo (500Ko ou 2Mo) 6990 € WS 454 500 MHz 9020 € Tektronix TDS 3034B 2.5 Géch/s 10Ko 7200 € TDS 3044B 400 MHz 5 Géch/s TDS 3054B 10600 € TDS 3064B 600 MHz 12300 € Yokogawa DL 1740 500 Méch/s (1 Géch/s) 1 ou 4Mo (2 ou 8Mo) 8500 €

21 Oscilloscopes Tektronix
Bande Passante Echantillonnage Longueur enregistrement Prix (HT) TDS 1002 (Tektronix) 60MHz 1 GS/S 2500 points 1060€ TDS 3012B (Tektronix) 100MHz 1.25 GS/S 10000 points 4020€ TDS 3032B (Tektronix) 300MHz 2.5 GS/S 5300€ TDS 3052B (Tektronix) 500MHz 5 GS/S 18690€ TDS 6124C (Tektronix) 12GHz 20 GS/S 40 GS/S (2voies) 2 à 32Mo 4 à 64Mo (2 Voies) 90000€ TDS 6154C (Tektronix) 15GHz (2voies) 113000€

22 Étage d’entrée d’un oscilloscope numérique
Voie 1 Amplificateur vertical CAN Atténuateur Multiplexeur analogique Sélection de voie Fe Filtre anti repliement Voie 2 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.

23 Convertisseur rapide CAN1 Filtre anti repliement Voie
Mémoire de type FIFO CAN2 Fe CAN1 Fréquence d’échantillonnage réelle Atténuateur Voie Amplificateur vertical Filtre anti repliement

24 Sauvegarde/restitution des échantillons
CAN Fe Mémoire de type FIFO Bus de données microprocesseur N bits 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.

25 Sauvegarde/restitution des échantillons
CAN Fe Démultiplexeur numérique Bus de données microprocesseur N bits Mémoire de type FIFO 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.

26 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.

27 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.

28 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.

29 « Bruit » d’une alimentation 5V continue

30 Signal carré f=1Hz (en position DC)

31 Signal carré f=1Hz (en position AC)

32 Pourquoi ?

33 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%.

34 Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 5Gs/s)

35 Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:20MHz, 5Gs/s)

36 Pourquoi ?

37 Décomposition en série de FOURIER

38 Décomposition en série de FOURIER

39 Décomposition en série de FOURIER

40 Temps de montée C’est le temps que met l’impulsion pour passer de 10% à 90% de l’amplitude maximale.

41 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.

42 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.

43 Sondes d’oscilloscopes
Sonde Tenma Sonde passive 18pF X10 60MHz 15€ Sonde Tyco 12pF 150MHz 50€ P3010 (Tektronix) 10MΩ 13pF 100MHz 133€ P6139A (Tektronix) 8pF 500MHz 350€ P6205 (Tektronix) Sonde active 1MΩ <2pF 750MHz 862€ P6245 (Tektronix) ≤1pF 1.5GHz 1956€ P6249 (Tektronix) 20KΩ <1pF X5 4GHz 4280€ Pour information : Un cordon BNC vaut environ 6€ Un « T » BNC vaut environ 5€

44 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!

45 « Bruit » d’une alimentation 5V continue (sonde)

46 « Bruit » d’une alimentation 5V continue (2 fils de 30cm)

47 Signal Carré à 12MHz

48 Signal Carré à 12MHz + grippe fil sur connexion de masse

49 Signal Carré à 12MHz + grippe fil sur connexion de masse + 5 cm de fils sur connexion de masse

50 Signal Carré à 12MHz + grippe fil sur connexion de masse + 10 cm de fils sur connexion de masse

51 Sondes d’oscilloscopes
Tout comme les oscilloscopes, les sondes possèdent une bande passante limitée qui doit être appropriée. Si on associe une sonde 100MHz à un oscilloscope 100MHz la bande passante de l’ensemble est inférieure à 100MHz. En effet, la capacité de la sonde s’ajoute à la capacité d’entrée de l’oscilloscope. La bande passante, et le temps de montée du système sont détériorés. Exemple Sonde de 100MHz : Tmontée sonde = 0.35 ÷ 100 MHz = 3.5 nS Oscilloscope de 100MHz : Tmontée oscilloscope = 0.35 ÷ 100 MHz = 3.5 nS Temps de montée du système : Tmontée système = (Tmontée sonde + Tmontée oscilloscope ) Tmontée système = 4.95 nS Bande passante du système : BPsystème = ÷ Tmontée système BPsystème = 70.7 MHz La sonde doit avoir une bande passante supérieure à celle de l’oscilloscope.

52 Sondes d’oscilloscopes
Chaque sonde possède une impédance d’entrée constituée par des résistances, des capacités des inductances. Sa connexion affectera le circuit testé par la charge supplémentaire qu’elle impose. La mesure n’est donc pas exactement la même que s’il n’y avait pas eu « intrusion » par l’ensemble constitué par sonde + oscilloscope Certaines sondes ne disposent pas de résistance série. Elles sont constituées d’un câble et d’une pointe de test. A l’intérieur de leur bande passante utile il n’y a pas d’atténuation du signal (ce sont des sondes 1:1 ou x1). Elles ont un effet de charge sur le circuit car elles connectent l’impédance d’entrée de l’oscilloscope et leur propre capacité (y compris la capacité du câble).

53 Sondes d’oscilloscopes
RS 1MΩ CS 15 à 25pF Oscilloscope Cp VSignal Sonde Tmontée système = (T²montée sonde + T²montée oscilloscope )1/2 L’effet de charge dû à la capacité devient de plus en plus significatif au fur et à mesure que la fréquence du signal augmente. Remarque : L’impédance d’un condensateur est inversement proportionnelle à la fréquence. A 100MHz l’impédance d’une capacité de 25pF est Zc = 1/(2 π FC) ≈ 63.7Ω. En DC Zc ≈ ∞.

54 Sondes d’oscilloscopes
Il est possible de réduire l’effet de charge en ajoutant à la sonde une impédance en série à celle de l’oscilloscope. VSignal RS 1MΩ CS 15 à 25pF Oscilloscope Sonde RP 9MΩ CComp La capacité de compensation CComp de la sonde est réglée pour adapter la sonde à l’oscilloscope. A basse fréquence l’impédance d’entrée est de: RP + RS = 10MΩ à l’extrémité de la sonde. L’amplitude du signal « vu » par l’oscilloscope est divisée par un facteur 10 (pont diviseur par RP + RS ).

55 Sondes d’oscilloscopes
Une sonde 10:1 ou x10 possède généralement : Plusieurs condensateurs réglables, Plusieurs résistances réglables, Pour donner une réponse correcte sur une large gamme de fréquence. La plupart d’entre eux sont réglés en usine. L’utilisateur n’a plus qu’un seul condensateur à régler (le condensateur de compensation basse fréquence). La sonde doit toujours être adaptée à l’entrée de la voie de l’oscilloscope avec laquelle la sonde est utilisée (la capacité d’entrée des différentes voies d’un oscilloscope n’est jamais rigoureusement la même). Le réglage est facile à faire à l’aide du signal carré de sortie disponible sur la plupart des panneaux avant des oscilloscopes. Une onde carrée contient de nombreuses composantes de fréquence. Lorsque toutes ces composantes sont transmises à l’oscilloscope à la bonne amplitude, le signal carré est fidèlement reproduit à l’écran.

56 Sonde sous compensée

57 Sonde compensée

58 Sonde sur compensée

59 Types de Sondes d’oscilloscopes
Sonde commutables Elles sont pratiques car elles combinent les deux types de sondes (10:1 et 1:1) en un seul accessoire. La position 10:1 est préférable pour sa faible charge et sa bande passante élevée. La position 1:1 est préférable pour les signaux de bas niveau à basses fréquences. Atténuateur de sonde On utilise couramment la sonde 100:1 qui possède une faible capacité (typiquement 2.5pF) et une résistance d’entrée de 20MΩ. Cette sonde est parfaitement indiquée pour les mesures effectuées sur des convertisseurs haute tension (4KV).

60 Types de Sondes d’oscilloscopes
Sonde à FET C’est une sonde active. Utilisation en haute fréquence (au-delà de 500MHz). Elle possède une capacité d’entrée très basse (jusqu’à 1.4pF). Il est judicieux de se servir de ce type de sonde pour mesurer des transitoires rapides dans des circuits à impédance de source élevée ou lorsqu’un effet de charge minimum est nécessaire. Sonde de courant Cette sonde permet de visualiser le courant dans un conducteur. Cette sonde utilise un transformateur de courant situé dans la tête de la sonde. Cette sonde se ferme autour d’un câble, évitant ainsi de couper le circuit. Le signal émis à partir de la tête de la sonde est converti en tension, mis à l’échelle et dirigé vers l’entrée de l’oscilloscope.

61 « sniffer » de champ magnétique
Il est possible de créer un «sniffer» de champ magnétique très simple en connectant la sortie d’un câble BNC à une boucle en court circuit. Plus le diamètre de la boucle est petit plus le «capteur» est sensible en haute fréquence. On peut ainsi voir de façon qualitative le bruit produit par un équipement électrique sans avoir besoin de le toucher. Le champ est maximum lorsque la boucle est à 90° par rapport au signal qui lui a donné naissance.

62 Bruit généré par un écran de type VGA

63 Bruit généré par un relais (à 2 cm)

64 Bruit généré par un relais (à 30 cm)

65 Bruit généré par une carte microcontrôleur (à 10 cm)

66 Bruit généré par le 50Hz (capté par un câble BNC )

67 Bruit généré par le 50Hz (capté par un fil de 30 cm )

68 Lancement et arrêt du système d’acquisition
Les oscilloscopes numériques peuvent enregistrer des signaux en vue d’un traitement ou d’une visualisation ultérieure. Il peut être nécessaire de régler l’oscilloscope de façon à ce qu’il arrête d’acquérir le signal : Lorsque l’utilisateur appuie sur un bouton, Une fois qu’une acquisition est achevée (mémoire pleine), Après qu’un ensemble d’enregistrements ait été transformé en signal d’enveloppe ou en signal moyenné.

69 Échantillonnage C’est le processus de conversion d’une partie du signal d’entrée en un certain nombre de valeurs discrètes permettant de : L’enregistrer, Le traiter, L’afficher. La valeur d’amplitude de chaque point d’échantillonnage est égale à l’amplitude du signal d’entrée à l’instant où le signal est échantillonné. L’oscilloscope numérique utilise cette matrice de points d’échantillonnage pour reconstituer le signal sur l’écran.

70 Fréquence d’échantillonnage
C’est le nombre d’échantillons du signal que l’oscilloscope numérique saisit par unité de temps (Échantillonnage /Seconde ou Sample/Second) L’augmentation de la fréquence d’échantillonnage d’un oscilloscope augmente la résolution et le niveau de détail du signal affiché et réduit le risque de manquer des informations ou des événements cruciaux. La fréquence d’échantillonnage minimum peut également constituer un facteur important lorsqu’il s’agit d’observer de façon prolongée un signal variant lentement au cours du temps. La fréquence d’échantillonnage est modifiée automatiquement en fonction de la base de temps sélectionnée afin de maintenir un nombre constant d’échantillons dans l’enregistrement de signal affiché (meilleure utilisation de la profondeur mémoire). Pour reconstituer un signal avec précision et prévenir le repliement de spectre, il faut échantillonner un signal à : une fréquence supérieure à deux fois sa composante fréquentielle la plus élevée (théorème de Shanon). Dans la pratique, suivant la nature du signal à reconstituer la fréquence d’échantillonnage de l’oscilloscope doit parfois être supérieure à 10 fois la composante fréquentielle la plus élevée du signal.

71 Oscillateur à 12MHz d’une carte microcontrôleur avec fe=1Ks/s => Foscillation=24.29Hz

72 Oscillateur à 12MHz d’une carte microcontrôleur avec fe=100Ms/s => Foscillation=11.098MHz

73 Pourquoi ?

74 Phénomène d’aliasing

75 Phénomène d’aliasing

76 Échantillonnage Lorsque ces points sont très espacés il est difficile de reconstituer correctement le signal. L’interpolation permet de relier les points par des lignes ou des vecteurs. Il existe plusieurs méthodes d’interpolation permettant de produire une représentation précise d’un signal d’entrée continu. Les oscilloscopes offrent généralement le choix entre plusieurs modes d’interpolation : Sin(x) / x, Linéaire.

77 Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 5Gs/s)

78 Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 100Ms/s)

79 Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 100Ms/s)

80 Pourquoi ?

81 Phénomène d’aliasing

82 Phénomène d’aliasing

83 Vitesse de saisie du signal
C’est le nombre de répétitions ou de cycles du signal acquis par unité de temps. La vitesse de saisie du signal varie considérablement suivant le type et le niveau de performance de l’oscilloscope. Les oscilloscopes caractérisés par une grande vitesse de saisie du signal apportent beaucoup plus d’informations visuelles : Sur le comportement du signal. Augmente largement la probabilité de saisir en peu de temps les anomalies transitoires.

84 Vitesse de saisie du signal
L’architecture de traitement en série des oscilloscopes à mémoire numérique leur permet de saisir de 10 à 5000 signaux par seconde. Certains oscilloscopes offrent un mode spécial qui saisit très rapidement un très grand nombre d’enregistrements successifs dans une mémoire d’acquisition de taille importante. Chaque acquisition et alors suivie d’un temps mort important nécessaire au traitement des signaux acquis. Les oscilloscopes de type DPO (Digital Phosphore Oscilloscope) utilisent une architecture de traitement en parallèle pour fournir une vitesse de saisie du signal infiniment plus élevée (de l’ordre du million de signaux par seconde). Ce qui augmente considérablement la probabilité de saisie des évènements aléatoires.

85 Fréquence d’échantillonnage versus nombre d’échantillons acquis en une seconde
La fréquence d’échantillonnage pendant le « temps mort » est toujours nulle. Le nombre d’échantillons acquis en une seconde C’est le nombre d’échantillons acquis par seconde en prenant en compte le temps mort. C’est l’équivalent d’une fréquence d’échantillonnage moyenne qui intègre à la fois : La fréquence d’échantillonnage maximale pendant le temps d’acquisition. La fréquence d’échantillonnage nulle pendant le temps mort. Cette grandeur permet d’estimer la probabilité de capter un événement parasite peu fréquent. Cette grandeur est rarement donnée par les constructeurs car il faut prendre en compte : Le nombre de voies. La profondeur mémoire.

86 Échantillonnage Seuil de déclenchement Attente seuil de déclenchement
signal 1ère acquisition 2ème acquisition Temps mort Parasite non détecté

87 Échantillonnage Temps d’acquisition
C’est l’intervalle de temps pendant lequel l’oscilloscope échantillonne le signal. Temps d’acquisition = Profondeur mémoire / Fréquence d’échantillonnage. Temps mort C’est l’intervalle de temps entre deux acquisitions. Durant ce temps l’oscilloscope : Traite les échantillons acquis, Réarme le «trigger» pour procéder à une nouvelle acquisition.

88 Longueur d’enregistrement
C’est le nombre de points composants un enregistrement de signal complet. L’oscilloscope ne pouvant enregistrer qu’un nombre limité d’échantillons, la durée du signal enregistrée sera inversement proportionnelle à la fréquence d’échantillonnage. Durée d’un enregistrement = Longueur de l’enregistrement ÷ Fréquence d’échantillonnage L’analyse d’un signal sinusoïdal extrêmement stable peut nécessiter une longueur d’enregistrement de 500 points. La recherche des causes des anomalies temporelles dans un flux de données numériques complexes peut nécessiter plus d’un million de points.

89 Taille mémoire Chaque échantillon doit être sauvegardé en mémoire.
Une plus grande profondeur mémoire permet de stocker plus d’échantillons. Une acquisition sur des temps très long nécessite une grande profondeur mémoire si l’on veut conserver une fréquence d’échantillonnage constante. Une fréquence d’échantillonnage élevée permet de capturer des détails sur des temps d’acquisition long. La fréquence d’échantillonnage doit être la plus grande possible : Pour reproduire le signal avec une meilleure précision, Pour avoir une meilleure résolution entre les points, Pour avoir une grande probabilité de détecter un parasite. Intérêt d’avoir une grande profondeur mémoire.

90 Taille mémoire Inconvénients
Lorsque la profondeur mémoire de l’oscilloscope augmente le temps nécessaire au traitement de ces échantillons augmente aussi et par conséquent le temps mort entre deux acquisitions est plus important. Lorsque la profondeur mémoire est importante le temps entre deux acquisitions c’est à dire le temps entre l’affichage de deux signaux augmente. Le temps de réponse suite à un changement de la base de temps par exemple est plus long. C’est pourquoi il est important de pouvoir choisir la profondeur mémoire souhaitée pour l’acquisition.

91 Échantillonnage Certains oscilloscopes numériques offrent le choix entre deux méthodes d’échantillonnage: Échantillonnage en temps réel, Échantillonnage en temps équivalent. Ce choix ne change rien lorsque la base de temps est réglée sur une vitesse lente. Ce choix n’a d’effet que lorsque le CAN ne peut pas échantillonner le signal assez rapidement pour remplir l’enregistrement d’échantillons en un seul passage.

92 Échantillonnage en temps réel
Seuil de déclenchement échantillons Horloge d’échantillonnage signal

93 Échantillonnage en temps équivalent
Lors de la mesure de signaux haute fréquence, l’oscilloscope peut être incapable de recueillir suffisamment d’échantillons en un seul passage. Hypothèse : Il est possible d’échantillonner un signal avec une fréquence d’échantillonnage inférieure à la fréquence de Shannon (Fe>2Fmax) à condition que le signal soit périodique. L’échantillonnage en temps équivalent reconstitue l’image d’un signal répétitif en saisissant une petite quantité de données sur chaque période. Il existe deux types d’échantillonnage en temps équivalent : L’échantillonnage en temps équivalent aléatoire, L’échantillonnage en temps équivalent séquentiel. Il n’est pas possible de visualiser un parasite qui se superposerait de manière aléatoire à certaine période.

94 Mesure du déphasage entre l’entrée et la sortie d’une porte HCT (après 4 acquisitions)

95 Mesure du déphasage entre l’entrée et la sortie d’une porte HCT (après 174 acquisitions)

96 Échantillonnage en temps équivalent séquentiel
Seuil de déclenchement Reconstruction des échantillons Horloge d’échantillonnage signal ∆t 2∆t 3∆t

97 Échantillonnage en temps équivalent séquentiel
Acquisition d’un seul échantillon par déclenchement, indépendamment du réglage de la base de temps ou de la vitesse de balayage. Lorsque le système détecte un évènement de déclenchement, il saisit un échantillon après un retard très bref mais bien défini. Lorsque le déclenchement suivant se produit, un petit incrément temporel (Δt) s’ajoute à ce retard et le numériseur saisit un autre échantillon. Ce processus se répète jusqu’à ce que la fenêtre temporelle soit remplie. Avantage : Techniquement il est plus facile de générer un Δt très bref et très précis que de mesurer avec précision les positions verticale et horizontale d’un échantillon par rapport au point de déclenchement.

98 Échantillonnage en temps équivalent aléatoire
Seuil de déclenchement Reconstruction des échantillons Horloge d’échantillonnage asynchrone par rapport au seuil de déclenchement signal

99 Échantillonnage en temps équivalent aléatoire
L’horloge interne est asynchrone par rapport au signal d’entrée et au déclenchement. Les échantillons sont saisis de façon continue, indépendamment de la position de déclenchement. Les échantillons sont affichés en fonction de l’intervalle de temps entre l’échantillon et le déclenchement. L’échantillonnage s’effectue séquentiellement mais il est aléatoire par rapport au déclenchement. Échantillonnage en temps équivalent « aléatoire ».

100 Échantillonnage en temps équivalent aléatoire
Avantages : Possibilité d’acquérir et d’afficher des échantillons situés avant le point de déclenchement. Cette technique élimine le besoin : En signaux de pré déclenchement externes. De lignes à retard. Suivant la fréquence d’échantillonnage et la fenêtre temporelle de l’affichage, l’échantillonnage aléatoire permet également l’acquisition de plus d’un échantillon par événement de déclenchement. Inconvénients : Aux vitesses de balayage plus élevées, la fenêtre d’acquisition se rétrécit jusqu’à ce que le numériseur ne puisse plus échantillonner le signal à chaque déclenchement. La bande passante de l’échantillonnage en temps équivalent aléatoire est inférieure à celle de l’échantillonnage en temps équivalent séquentiel.

101 Types de mode d’acquisition : Mode échantillon
C’est le plus simple des modes d’acquisition. L’oscilloscope crée un échantillon en enregistrant un seul point d’échantillonnage au cours de chaque intervalle de signal.

102 Circuit de Reset

103 Circuit de reset d’une carte microcontrôleur en mode «Échantillons »

104 Types de mode d’acquisition : Mode détection de pics
Le CAN tourne à une fréquence d’échantillonnage élevée, même avec des réglages de base de temps très lents. L’oscilloscope enregistre le point de valeur minimum et le point de valeur maximum saisis au cours de deux intervalles de signal et les utilisent pour créer les deux échantillons correspondants. Une base de temps lente donne de longs intervalles de signal. Ce mode est capable de saisir les variations rapides du signal qui se produiraient entres les échantillons en mode échantillon. Ce mode permet de visualiser des impulsions étroites très espacées dans le temps. Ce mode permet d’obtenir des informations uniquement si le CAN peut échantillonner le signal plus rapidement que ce qui est requis par le réglage de la base de temps.

105 Types de mode d’acquisition : Mode détection de pics

106 Types de mode d’acquisition : Mode détection de pics

107 Circuit de reset d’une carte microcontrôleur en mode « Détection de pics »

108 Types de mode d’acquisition : Mode haute résolution
Ce mode permet d’obtenir des informations uniquement si le CAN peut échantillonner le signal plus rapidement que ce qui est requis par le réglage de la base de temps. Le système établit la moyenne de plusieurs échantillons saisis au cours d’un seul intervalle de signal pour produire un seul échantillon. Il en résulte : Une diminution du bruit, Une amélioration de la résolution pour les signaux lents.

109 Types de mode d’acquisition : Mode haute résolution

110 Types de mode d’acquisition : Mode haute résolution

111 Circuit de reset d’une carte microcontrôleur en mode « Haute résolution »

112 Types de mode d’acquisition : Mode enveloppe
Ce mode est similaire au mode détection de crête mais il combine les échantillons minimum et maximum de plusieurs acquisitions pour former un signal indiquant leur accumulation respective au cours du temps. Le signal que l’on observe doit être répétitif.

113 Types de mode d’acquisition : Mode moyennage
L’oscilloscope enregistre plusieurs occurrences du signal. Le système établit ensuite la moyenne des échantillons saisis lors des acquisitions successives pour produire le signal affiché. Ce mode permet de réduire le bruit sans perte de bande passante. Ce mode requiert un signal répétitif. Lorsque le bruit n’est pas corrélé au signal utile, le mode moyennage permet d’améliorer le rapport signal sur bruit (S/B ou Signal to Noise Ratio SNR) d’un facteur √N (avec N nombre de moyennes). N 4 16 256 1024 4096 S/B 2 32 64 S/B (dB) 6 12 24 30 36 La moyenne est mise à jour en temps réel après chaque nouvelle acquisition.

114 « Bruit » d’une alimentation 5V continue

115 « Bruit » d’une alimentation 5V continue après 4 acquisitions en mode « Average »

116 « Bruit » d’une alimentation 5V continue après 214 acquisitions en mode « Average »

117

118 Ces points sont compris entre :
Facteurs de performance : Effet de la longueur d’enregistrement sur la TF La Transformée de Fourier (TF) d’une suite de N échantillons temporels produit N/2 harmoniques dans le domaine fréquentiel Ces points sont compris entre : Le continu (harmonique zéro : moyenne temporelle du signal) La fréquence de Nyquist (fe/2) La résolution en fréquence (Δf) de la TF est : Δf = fe (fréquence d’échantillonnage) ÷ N (nombre total de points de l’enregistrement)

119 Facteurs de performance : Impédance d’entrée
L’impédance d’entrée des appareils dont la bande passante est inférieure à 200MHz est de l’ordre de 10MΩ en parallèle avec une capacité de 15pF Pour les appareils de bande passante supérieure, la capacité diminue et l’impédance d’entrée est de 50 Ω

120 Signal Carré 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 100Ms/s)

121 La (Guitare)

122 La (Piano)

123 La (Orgue)

124 Sortie d’un port d’une carte microcontrôleur (chenillard) en mode « échantillons »

125 Sortie d’un port d’une carte microcontrôleur (chenillard) en mode « Détection de pics »

126 Sortie d’un port d’une carte microcontrôleur (chenillard) en mode « Haute résolution »

127 Oscillateur à 12MHz d’une carte microcontrôleur avec fe=25Gs/s => Foscillation=11.1111MHz

128 Son

129 Do (Guitare)

130 Do (Piano)

131 Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:100MHz, 10Gs/s)

132 Signal « Carré » 24MHz Oscilloscope (BP:200MHz, 10Gs/s)

133 Signal Carré à 12MHz + grippe fil sur connexion de masse + 15 cm de fils sur connexion de masse