Oscilloscopes

Un oscilloscope est un appareil qui acquiert un signal de tension d'entrée et le convertit en une forme d'onde de tension en fonction du temps, correctement mise à l'échelle et affichée sur une grille. L'oscilloscope possède un circuit de déclenchement qui détermine le moment où le signal d'entrée doit être acquis et affiché, et un étage d'entrée à gain variable qui permet d'ajuster la tension verticale afin d'accepter une large gamme d'amplitudes de signal d'entrée. Un réglage horizontal (base de temps ou balayage) définit la période d'acquisition du signal.

Beaucoup prétendent avoir inventé l'oscilloscope analogique, mais Tektronix peut à juste titre revendiquer l'invention du premier oscilloscope à balayage déclenché (analogique), ce qui a considérablement amélioré l'utilité et la polyvalence de l'instrument.

En 1985, Walter LeCroy et son équipe de conception chez LeCroy Corporation (aujourd'hui Teledyne LeCroy) ont lancé le premier oscilloscope numérique à mémoire (DSO, ou simplement oscilloscope numérique) – baptisé modèle 9400 – qui reproduisait et améliorait les caractéristiques et les capacités des oscilloscopes analogiques utilisés jusqu'alors. Le modèle 9400 avait une bande passante (125 MHz) équivalente à celle disponible dans un oscilloscope analogique (à l'époque) et pouvait capturer en continu un signal pendant une longue période en utilisant 32 000 points d'échantillonnage (à l'époque, une longueur d'enregistrement d'acquisition incroyablement longue). On pourrait avancer, de manière fragile, que le numériseur de formes d'onde WD2000 de LeCroy (lancé en 1971) était le premier oscilloscope numérique à mémoire, mais la longueur d'enregistrement était limitée à 20 points d'échantillonnage et l'architecture ne pouvait pas facilement s'adapter à des longueurs d'enregistrement plus longues. Lisez l'article complet ici https://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

En 1985, Walter LeCroy et son équipe de conception chez LeCroy Corporation (aujourd'hui Teledyne LeCroy) ont lancé le premier oscilloscope numérique à mémoire (DSO, ou simplement oscilloscope numérique) – baptisé modèle 9400 – qui reproduisait et améliorait les caractéristiques et les capacités des oscilloscopes analogiques utilisés jusqu'alors. Le modèle 9400 avait une bande passante (125 MHz) équivalente à celle disponible dans un oscilloscope analogique (à l'époque) et pouvait capturer en continu un signal pendant une longue période en utilisant 32 000 points d'échantillonnage (à l'époque, une longueur d'enregistrement d'acquisition incroyablement longue). On pourrait avancer, de manière fragile, que le numériseur de formes d'onde WD2000 de LeCroy (lancé en 1971) était le premier oscilloscope numérique à mémoire, mais la longueur d'enregistrement était limitée à 20 points d'échantillonnage et l'architecture ne pouvait pas facilement s'adapter à des longueurs d'enregistrement plus longues. Lire l'histoire complète icihttps://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Les oscilloscopes acceptent des signaux de tension en entrée. Une sonde ou un capteur est nécessaire pour convertir un signal non voltaïque (par exemple, un signal de courant ou de champ magnétique) en un signal de tension, correctement calibré dans l'unité appropriée. Les sondes ou capteurs de courant sont couramment disponibles auprès des fabricants d'oscilloscopes, et les capteurs permettant de mesurer d'autres unités sont largement répandus. La plupart des oscilloscopes professionnels prennent en charge les conversions d'unités courantes (par exemple, de volts en ampères) et de nombreuses autres unités. Toutefois, si cette fonctionnalité est essentielle pour vos besoins, il est préférable de vérifier la compatibilité de l'oscilloscope avec la conversion d'unités avant l'achat, notamment si le capteur présente une relation entrée/sortie non linéaire.

Webinaires de référencePartie 7 : Comment effectuer une mesure de courant avec un oscilloscope ?etPartie 8 : Comment mesurer le courant sur un oscilloscope à l'aide d'une résistance shunt ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2023 ».

LeNorme IEEE 1057 pour la numérisation des enregistreurs de formes d'ondeLa bande passante analogique d'un oscilloscope numérique est définie comme la fréquence à laquelle la réponse en amplitude est à -3 dB (soit 70.7 %) de la réponse à la fréquence de référence (qui est le courant continu pour un oscilloscope). Bien que la présence d'une spécification de bande passante analogique pour un oscilloscope numérique puisse paraître surprenante, ce dernier comporte de nombreux composants d'amplification analogique avant la partie qui numérise et enregistre le signal.

La bande passante requise pour l'acquisition et la mesure des signaux dépend fortement des signaux à mesurer, des types de mesures à effectuer et de la précision souhaitée. En règle générale, la plupart des ingénieurs utilisent un oscilloscope dont la bande passante est trois fois supérieure à la fréquence la plus élevée du signal à mesurer, bien que cette approche devienne impraticable pour les signaux à très haute fréquence.

Reportez-vous à la définition de la bande passante d'un oscilloscope dans la FAQ (ci-dessus). La plupart des oscilloscopes atteignent progressivement la fréquence de bande passante nominale à -3 dB, en commençant par une atténuation douce de l'amplitude à environ 50 % de cette bande passante. Ainsi, si la réponse en amplitude de l'oscilloscope est de -1 dB à 70 % de la bande passante nominale et de -2 dB à 85 % de cette bande passante, l'amplitude du signal sinusoïdal pur capturé sera d'environ 90 % (-1 dB), 80 % (-2 dB) et 70 % (-3 dB) par rapport à celle obtenue lorsque la fréquence du signal sinusoïdal d'entrée approche la bande passante nominale de l'oscilloscope. Cependant, la plupart des ingénieurs ne mesurent pas de signaux sinusoïdaux purs avec leur oscilloscope. Notez que les oscilloscopes à très large bande passante peuvent présenter une réponse en amplitude plus plate (atténuation d'amplitude moindre) ou réglable, pour diverses raisons.

Il est plus probable qu'un ingénieur mesure un signal qui ressemble à une onde carrée. Dans ce cas, on sait qu'une onde carrée peut être représentée comme un développement en série de Fourier composé de la somme de la fréquence fondamentale et des harmoniques impaires, la Nième harmonique contribuant une amplitude de 1/N à cette fréquence. Cela signifie que pour représenter fidèlement une onde carrée, il faut une bande passante suffisante pour capturer la fréquence fondamentale et suffisamment d'harmoniques impaires. Le nombre d'harmoniques impaires « suffisant » (et la bande passante nécessaire) est déterminé par la tolérance de l'ingénieur à l'égard d'une mesure du temps de montée sur l'oscilloscope plus lente que le signal réel, et par la quantité de dépassement additif et d'oscillation présente sur le signal mesuré. Si seule la 3ème harmonique est capturée, le temps de montée sera sensiblement plus long, et le dépassement et l'oscillation seront perceptibles par rapport à la capture de la 99ème harmonique (auquel cas le signal capturé sera indiscernable du signal d'entrée original).

On en revient donc à la réponse initiale, la plus souvent donnée à la question « Quelle bande passante est nécessaire ? » : environ trois fois la bande passante du signal de fréquence la plus élevée. Mais qu’entend-on par « fréquence la plus élevée » ? Dans ce contexte, la plupart des ingénieurs pensent à la capacité de mesure du temps de montée de l’oscilloscope (qui est liée à la bande passante). Si un ingénieur souhaite mesurer un signal avec un temps de montée de 1 ns, il ne choisira pas un oscilloscope avec un temps de montée de 1 ns (un tel oscilloscope aurait généralement une bande passante de 350 MHz), mais un oscilloscope avec une bande passante trois fois supérieure (soit 1 GHz).

Webinaire de référencePartie 2 : De quelle bande passante ai-je besoin pour mon oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2023 ».

La résolution correspond au nombre de niveaux de quantification du convertisseur analogique-numérique (CAN), un CAN N bits possédant 2^N niveaux.^N niveaux de quantification. Par exemple, un oscilloscope 8 bits possède 2⁸ = 256 niveaux de quantification alors que a 12-bit l'oscilloscope a 2¹² = 4096 niveaux de quantification. Notez que le nombre de bits (niveaux de quantification) du CAN ne garantit pas que le reste du trajet du signal de l'oscilloscope (notamment les composants analogiques) présentera des performances en matière de bruit dignes d'un CAN haute résolution. Ainsi, un oscilloscope annoncé comme haute résolution peut ne pas offrir de performances différentes de celles d'un oscilloscope conventionnel à résolution 8 bits. RéférenceComparaison des approches de conception des oscilloscopes haute résolutionPour plus de détails sur les compromis que font de nombreux fabricants d'oscilloscopes lors de la conception d'oscilloscopes haute résolution, consultez le webinaire de référence.Partie 1 : Qu'est-ce que la résolution d'un oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2023 ».

Un oscilloscope haute résolution est un oscilloscope présenté comme tel et qui utilise soit du matériel amélioré, soit un filtrage logiciel (réduisant la bande passante et la fréquence d'échantillonnage), soit une combinaison des deux, pour offrir une résolution et un rapport signal/bruit supérieurs à ceux d'un oscilloscope 8 bits classique. Cependant, une affirmation marketing concernant la haute résolution ne garantit en rien ses performances réelles. Les allégations de haute résolution spécifiques au CAN, ou les améliorations du bruit de fond ou du rapport signal/bruit uniquement possibles à bande passante réduite, sont des signaux d'alarme indiquant que la prétendue haute résolution ne sera pas atteinte dans toutes les conditions normales d'utilisation de l'oscilloscope.Comparaison des approches de conception des oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails.

Il n'y a aucune différence : ce sont simplement deux façons d'exprimer la même chose. Il convient toutefois de noter que Teledyne LeCroy possède une marque déposée pour le nom « High Definition Oscilloscope » et l'acronyme HDO, ayant été la première entreprise d'oscilloscopes à proposer ce terme. 12-bit Oscilloscopes haute résolution fournissant 12 bits en permanence sans réduction de la fréquence d'échantillonnage ni de la bande passante.

Un oscilloscope mixte (MSO) est un oscilloscope doté de voies d'entrée analogiques et numériques (logiques). Une configuration courante comprend 4 voies d'entrée analogiques et 16 voies d'entrée numériques logiques. Ces dernières permettent de réserver les voies d'entrée analogiques, plus rares et plus coûteuses, aux signaux nécessitant leurs fonctionnalités. Elles peuvent également être utilisées pour des signaux logiques simples (bascules, etc.) ou des données série à faible débit (par exemple, I2C, SPI, UART, etc.).

L'oscilloscope à domaine mixte (MDO) est un terme marketing désignant un oscilloscope doté d'une entrée ou d'une conversion radiofréquence (RF) permettant l'acquisition de signaux dans les domaines temporel et fréquentiel. Avec une entrée RF dédiée, ses fonctionnalités peuvent être similaires à celles d'un analyseur de spectre. Des techniques de transformée de Fourier rapide (FFT) logicielles permettent d'obtenir des résultats comparables sans entrée RF dédiée (et coûteuse).

La précision d'amplitude d'un oscilloscope dépend de nombreux facteurs et varie selon sa résolution, le chemin d'entrée, le contenu fréquentiel du signal d'entrée, l'utilisation ou non d'une sonde, etc. Elle peut être supérieure à 1 % pour un oscilloscope de haute précision. 12-bit Un oscilloscope haute définition (HDO®) avec entrée de signal par câble offre une précision de 5 % (ou plus) pour un oscilloscope 8 bits fonctionnant avec une sonde active connectée via une terminaison de 50 Ω. Bien que ces précisions puissent paraître faibles comparées à celles d'un voltmètre numérique (DVM), un oscilloscope offre des fonctionnalités bien plus étendues.

RéférencesPartie 1 : Quelle est la différence entre la résolution, la précision et la sensibilité d'un oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2024 ».

La sensibilité correspond à la plus petite variation de signal observable sur un oscilloscope. Un oscilloscope à haute sensibilité permet de visualiser des signaux plus faibles qu'un oscilloscope à faible sensibilité. Le réglage de la sensibilité s'effectue à l'aide du gain vertical (volts/division). Il est important de noter qu'une sensibilité élevée n'est pas nécessairement synonyme de haute précision et qu'un réglage de gain vertical analogique indiquant une sensibilité élevée (par exemple, 1 ou 2 mV/div) peut être limité par la résolution du convertisseur analogique-numérique ou par le bruit de l'oscilloscope.Partie 1 : Quelle est la différence entre la résolution, la précision et la sensibilité d'un oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2024 ».

Historiquement, un ingénieur considérait que le temps de montée était lié à la bande passante selon la formule TR(s) = 0.35/Bande passante (Hz), TR représentant le temps de montée entre 10 et 90 % (tel que défini par l'IEEE). Cette formule était (globalement) valable à une époque où la bande passante des oscilloscopes était très faible (1 GHz ou moins) et où l'atténuation de l'amplitude était très progressive. Elle reste néanmoins valable pour les oscilloscopes à bande passante encore plus réduite.

Les oscilloscopes à bande passante plus élevée d'aujourd'hui, ou les oscilloscopes avec des chemins de signal plus complexes et moins bruyants, peuvent respecter la formule TR(s) = 0.35/Bande passante (Hz) pour les modèles situés à l'extrémité inférieure (bande passante) de la gamme de produits, mais respecter TR(s) = 0.4/Bande passante (Hz) ou peut-être approcher TR(s) = 0.45/Bande passante (Hz) (ou plus, dans certains cas) pour les modèles à bande passante maximale. La raison du numérateur plus faible dans les modèles à bande passante inférieure est qu'ils utilisent probablement un chemin de signal analogique qui dispose d'une plus grande marge de manœuvre en haute fréquence pour une atténuation d'amplitude plus lente par rapport aux modèles à bande passante la plus élevée. Sur le modèle d'oscilloscope à bande passante la plus élevée d'une série de produits, le chemin du signal analogique a probablement atteint une limite supérieure stricte en termes de réponse en amplitude, et la réponse en amplitude diminue rapidement au-delà de cette limite, ce qui entraîne un temps de montée plus lent (et un numérateur plus élevé) en raison de la réponse en haute fréquence fortement atténuée au-delà de la bande passante nominale de l'oscilloscope.

Webinaire de référencePartie 3 : Quel est le lien entre le temps de montée et la bande passante dans un oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2023 ».

Un oscilloscope numérique numérise les signaux grâce à des convertisseurs analogique-numérique (CAN) qui échantillonnent et maintiennent les valeurs de tension pour créer des points d'échantillonnage discrets. Ces points sont enregistrés à une fréquence donnée (intervalle de temps), et la fréquence d'échantillonnage est exprimée en échantillons par seconde (échantillons/seconde).

Webinaire de référencePartie 4 : Qu’est-ce que la fréquence d’échantillonnage d’un oscilloscope et de quelle valeur ai-je besoin ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2023 ».

D'après le théorème de Nyquist, la fréquence d'échantillonnage minimale requise est le double de la fréquence à mesurer. Sur un oscilloscope numérique, cette valeur correspond généralement à la fréquence d'échantillonnage et doit être au minimum le double de la bande passante de l'oscilloscope. Cependant, la réponse en amplitude de l'oscilloscope n'est généralement pas abrupte au-delà de sa bande passante nominale ; il laisse passer une partie des hautes fréquences. C'est pourquoi la plupart des oscilloscopes offrent un rapport fréquence d'échantillonnage/bande passante minimal de 2.5. Cette valeur est considérée comme le minimum nécessaire pour reconstruire une sinusoïde à partir de points d'échantillonnage numériques.

Pour reconstruire avec précision des signaux plus complexes à partir de points d'échantillonnage numériques, les ingénieurs souhaitent généralement 5, voire jusqu'à 10 points d'échantillonnage sur un front montant. Si un ingénieur suit la règle empirique courante consistant à choisir un oscilloscope trois fois plus rapide que le signal qu'il souhaite mesurer (voir webinaire de référence),Partie 2 : De quelle bande passante ai-je besoin pour mon oscilloscope ?(voir la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2023 pour plus de détails, ou la FAQ au titre similaire), alors 5 à 10 points d'échantillonnage sur un front montant sont facilement pris en charge.

Webinaire de référencePartie 4 : Qu’est-ce que la fréquence d’échantillonnage d’un oscilloscope et de quelle valeur ai-je besoin ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2023 ».

La mémoire d'acquisition sert à stocker les points d'échantillonnage de l'oscilloscope numérique pour les afficher ou les traiter ultérieurement afin d'effectuer des mesures, des calculs mathématiques, etc.

La mémoire d'acquisition de l'oscilloscope stocke les points d'échantillonnage de l'oscilloscope du signal numérisé, tandis que l'unité centrale de traitement (CPU) qui alimente les fonctions de l'oscilloscope possède sa propre mémoire vive (RAM) pour répondre aux besoins de la CPU.

La profondeur de mémoire est simplement une autre façon de décrire la longueur totale de la mémoire d'acquisition, que ce soit en points (par exemple, kilopoints (kpts), mégapoints (Mpts), Gigapoints (Gpts)) ou dans des échantillons (par exemple, des mégaéchantillons (MS)).

Un plus grand nombre d'échantillons (ou de points) permet de capturer de très longs intervalles de temps continus avant de devoir réduire la fréquence d'échantillonnage. Le nombre d'échantillons nécessaires dépend de la bande passante des signaux à capturer, de la résolution temporelle souhaitée et de la durée d'enregistrement continu souhaitée.

Si un oscilloscope possède une fréquence d'échantillonnage de 10 GS/s et une mémoire d'acquisition de 1 GS (ou Gpts), il peut acquérir 100 ms (1 GS / 10 GS/s = 0.1 s, soit 100 ms). Pour capturer 200 ms avec 1 GS de mémoire d'acquisition, la fréquence d'échantillonnage doit être réduite à 5 GS/s, ce qui peut être acceptable ou non.

Le bruit de fond d'un oscilloscope correspond à la valeur efficace (RMS) mesurée du courant alternatif d'une voie d'entrée de l'oscilloscope en l'absence de signal. Un test simple de bruit de fond fournit une indication générale des performances de l'oscilloscope en l'absence de signal à l'entrée. Bien que ce test soit simple et facile à réaliser, il n'est pas le plus représentatif des performances de l'oscilloscope, car la plupart des oscilloscopes sont utilisés avec des signaux d'entrée. Néanmoins, le bruit ne diminue pas lorsque des signaux d'entrée sont ajoutés, car l'amplitude du signal ajouté ne fait qu'accroître le bruit de la mesure ultérieure. Ainsi, le bruit de fond peut constituer un test utile pour évaluer approximativement les performances globales.

Notez que sur un oscilloscope Teledyne LeCroy, la mesure SDEV équivaut à la valeur efficace alternative (AC RMS).

RéférencesComparaison des approches de conception des oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur les différents types de bruit dans les oscilloscopes.

Le rapport signal/bruit est le calcul du rapport entre la pleine échelle et le bruit de fond, exprimé en volts selon la formule suivante :

Rapport signal/bruit (dB) = 20*log10((V_{Grandeur nature}/(2*√2))/V_AC-RMS))

Avec V_{Grandeur nature}étant la tension pleine échelle sur l'oscilloscope (égale au nombre de divisions verticales * réglage du gain V/div) et V_AC-RMSétant la valeur RMS AC du signal de base à un réglage de gain V/div donné.

Notez que certains oscilloscopes (par exemple, Keysight, Teledyne LeCroy) ont 8 divisions verticales pour la pleine échelle tandis que d'autres (par exemple, Tektronix) ont 10 divisions verticales pour la pleine échelle.

Notez que la mesure RMS AC de Teledyne LeCroy est nommée SDEV, tandis que sur la plupart des oscilloscopes, la mesure RMS peut être sélectionnée en mode AC ou DC. Veillez à utiliser la valeur RMS AC, sans quoi le calcul du rapport signal/bruit (SNR) prendra en compte, à tort, les petites erreurs de décalage DC présentes sur le canal de l'oscilloscope.

SNR (dB) = 20*log10( (V/div*8/(2*sqrt(2)))/bruit_en_rms)

RéférencesComparaison des approches de conception des oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur les différents types de bruit dans les oscilloscopes.

Conformément à la norme IEEE 1057 relative aux enregistreurs de formes d'onde numériques, le SINAD (taux de distorsion et de bruit efficaces) est le rapport entre le signal efficace (RMS) et le bruit et la distorsion efficaces (ligne de base). Le SINAD est mesuré à une fréquence et une amplitude spécifiques à l'aide d'un signal sinusoïdal d'entrée. L'amplitude de mesure influe sur la distorsion et doit être spécifiée (90 % de la pleine échelle est une valeur typique). Le SINAD constitue une mesure plus complète des performances de l'oscilloscope en conditions réelles d'utilisation.

RéférencesComparaison des approches de conception des oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur les différents types de bruit dans les oscilloscopes.

La meilleure méthode pour réduire le bruit sur les signaux mesurés avec votre oscilloscope consiste à utiliser un oscilloscope à faible bruit et haute résolution offrant une résolution de 12 bits à pleine bande passante. Cependant, il est possible de réduire le bruit de n'importe quel oscilloscope grâce à des filtres matériels analogiques ou logiciels numériques, à condition d'accepter une réduction de la bande passante au profit du bruit.

Les filtres matériels sont généralement affichés dans le menu des canaux avec une limite de bande passante de 20 MHz ou 200 MHz (ou similaire). Ces filtres ont généralement une pente de coupure très lente ; leur capacité de réduction du bruit est donc probablement inférieure à celle d'un filtre logiciel numérique.

Les filtres logiciels numériques peuvent être des fonctions mathématiques, des modes haute résolution ou des options de filtrage disponibles dans le menu du canal (par exemple, l'option Résolution améliorée (ERes) de Teledyne LeCroy). Mathématiquement, chaque division par deux de la fréquence d'échantillonnage (et de la bande passante) réduit le bruit de 3 dB (environ 30 %, soit 0.5 bit effectif). Il arrive que les filtres logiciels numériques interpolent les points d'échantillonnage après l'application du filtre mathématique, mais la fréquence d'échantillonnage matérielle reste néanmoins réduite.

Méfiez-vous des modes haute résolution qui promettent des performances supérieures à ce qui est mathématiquement possible, ou qui sont le seul moyen d'obtenir une haute résolution (et un bruit plus faible) dans ce qui serait autrement un oscilloscope à résolution 8 bits.

RéférencesComparaison des approches de conception des oscilloscopes haute résolutionPour plus de détails sur les compromis réalisés pour réduire le bruit dans les oscilloscopes, consultez le webinaire de référence.Partie 6 : Comment puis-je réduire le bruit sur les signaux mesurés avec un oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2023 ».

L'ENOB de l'oscilloscope est dérivé de la mesure du SINAD de l'oscilloscope comme suit :

Oscilloscope ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

Si l'amplificateur d'entrée n'est pas la principale source de bruit dans le système de l'oscilloscope, l'ENOB du système se rapprochera de l'ENOB du CAN. Il est important de comprendre que l'ENOB du CAN représente une limite supérieure des performances du système, mais ce sont les performances globales du système qu'il convient de comprendre. En pratique, l'ENOB de l'oscilloscope (système) sera toujours inférieur à l'ENOB du CAN.

Si le signal d'entrée appliqué n'est pas 100% de l'amplitude pleine échelle, alors l'ENOB est dérivé comme suit :

ENOB de l'oscilloscope = (SINAD - 1.76 + 20 log((Amplitude pleine échelle) / (Amplitude d'entrée))) / 6.02

On peut déduire de cette équation une règle empirique de 6 dB SINAD par bit effectif. Ainsi, une amélioration d'un demi-bit effectif correspond à une réduction du bruit de 3 dB (30 %), et une amélioration d'un bit effectif complet à une réduction de 6 dB (50 %). De faibles variations de l'ENOB ont un impact significatif sur le bruit vertical (amplitude de tension).

RéférencesComparaison des approches de conception des oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur les différents types de bruit et pourquoi le nombre de bits nominal du CAN n'est pas entièrement atteint lorsqu'il est utilisé dans des numériseurs ou des oscilloscopes.

RéférencesPartie 2 : Que sont les bits effectifs (ENOB) et les ADC d’un oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2024 ».

L'ENOB du CAN représente une limite supérieure de l'ENOB de l'oscilloscope, mais c'est l'ENOB de l'oscilloscope lui-même qui constitue la performance critique à comprendre. En pratique, l'ENOB de l'oscilloscope sera toujours inférieur à celui du CAN. Si un oscilloscope revendique des performances ENOB spécifiques pour son CAN, il est fort probable que les performances ENOB globales de l'oscilloscope soient bien moindres.

RéférencesComparaison des approches de conception des oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur les différents types de bruit et pourquoi le nombre de bits nominal du CAN n'est pas entièrement atteint lorsqu'il est utilisé dans des numériseurs ou des oscilloscopes.

RéférencesPartie 2 : Que sont les bits effectifs (ENOB) et les ADC d’un oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2024 ».

Le théorème de Nyquist stipule qu'une sinusoïde peut être reconstruite sans perte d'information à condition d'être échantillonnée numériquement à une fréquence au moins deux fois supérieure à sa fréquence nominale. En pratique, cela signifie que la fréquence d'échantillonnage minimale d'un oscilloscope numérique est de 2.5 fois la bande passante sur toutes les voies. Le rapport fréquence d'échantillonnage/bande passante (FR/B) de 2.5:1 est utilisé (au lieu du minimum de 2) afin de compenser le fait que l'oscilloscope ne dispose pas d'un filtre coupe-bande parfait à la bande passante nominale. Un rapport FR/B inférieur à 2:1 risque d'entraîner un repliement de spectre du signal d'entrée échantillonné numériquement.

Si les conditions de fréquence d'échantillonnage de Nyquist ne sont pas respectées, le signal est considéré comme sous-échantillonné et ne peut être reconstruit sans perte d'information. La reconstruction du signal aura néanmoins lieu, mais elle sera incorrecte : on parle alors de repliement de spectre.

RéférencesPartie 3 : Qu'est-ce que le repliement de spectre à l'oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2024 ».

La plage dynamique sans parasites (SFDR) est le rapport (généralement exprimé en dB) entre l'amplitude efficace (RMS) d'un signal d'entrée fondamental d'un oscilloscope et l'amplitude efficace du signal parasite le plus important en sortie. La SFDR est généralement mesurée sur l'oscilloscope à l'aide d'un analyseur de transformée de Fourier rapide (FFT) ou d'un analyseur de spectre affichant l'amplitude en fonction de la fréquence. Les signaux parasites peuvent être dus à des distorsions ou à d'autres composantes de bruit, ou encore avoir une fréquence compatible avec la fréquence d'échantillonnage du convertisseur analogique-numérique (CAN).

Le SFDR est l'un des contrôles qualité les plus mal compris des oscilloscopes. Tout convertisseur analogique-numérique (CAN) génère des signaux parasites aux fréquences d'échantillonnage. Ces signaux sont généralement d'amplitude si faible (comparée à la fréquence fondamentale d'entrée) et de bande passante si étroite que le SFDR est largement supérieur (et non inférieur) au rapport signal sur bruit de base ou au rapport signal sur bruit et distorsion (SINAD) pour une fréquence d'entrée donnée. Il arrive parfois qu'un oscilloscope présente des distorsions importantes à certaines fréquences, facilement détectables par un test SFDR, mais cela reste rare.

RéférencesComparaison des approches de conception des oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur la SFDR dans les oscilloscopes.

RéférencesPartie 4 : Qu'est-ce que la plage dynamique sans parasites (SFDR) d'un oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2024 ».

Un oscilloscope à échantillonnage temporel équivalent, plus précisément appelé oscilloscope à échantillonnage temporel équivalent, fournit un échantillon par déclenchement, un léger délai étant ajouté après chaque déclenchement afin de reconstruire un signal répétitif à partir de plusieurs événements déclenchés. La bande passante de mesure est uniquement limitée par la réponse en fréquence de l'échantillonneur, qui peut être très élevée à faible coût. En revanche, un oscilloscope à échantillonnage ne peut pas capturer un signal continu.

Un oscilloscope à échantillonnage ne peut acquérir qu'un signal répétitif, tandis qu'un oscilloscope en temps réel peut acquérir une forme d'onde temporelle continue en un seul enregistrement d'échantillon continu.

RéférencesPartie 6 : Quelle est la différence entre un oscilloscope en temps réel et un oscilloscope à échantillonnage ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2024 ».

L'oscilloscope à phosphore numérique (DPO) est un terme marketing utilisé par Tektronix pour décrire ses oscilloscopes qui utilisent une architecture d'affichage de forme d'onde rapide (plus récemment commercialisée sous le nom de technologie DPX) pour imiter l'apparence d'affichage d'un écran CRT à faisceau de phosphore utilisé sur un oscilloscope analogique.

D'autres fabricants d'oscilloscopes proposent des fonctionnalités similaires. Tous ces systèmes optimisent la mise à jour de l'affichage (rafraîchissement) au détriment du stockage des données ; par conséquent, si une anomalie est détectée pendant l'affichage à mise à jour rapide, elle ne peut être ni enregistrée ni récupérée pour une inspection ultérieure. De plus, elles sont encore basées sur des techniques de capture numérique et présentent donc de grandes quantités de temps mort pendant lesquelles elles ne capturent (ou n'affichent) pas de formes d'onde (ou d'anomalies). Les oscilloscopes à mise à jour rapide ne sont généralement utilisables que sur des acquisitions très courtes de signaux répétitifs, et le taux de mise à jour se dégrade sur des périodes plus longues (et plus utiles), et ils ne sont pas très utiles pour visualiser plus d'un signal à la fois. En substance, cette fonctionnalité a été conçue à une époque où les oscilloscopes analogiques passaient aux oscilloscopes numériques, et elle n'a plus vraiment d'utilité pratique pour la plupart des clients.

RéférencesPartie 9 : Qu'est-ce qu'un oscilloscope à phosphore numérique ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2024 ».

Un affichage à fréquence de rafraîchissement rapide peut offrir confort et facilité d'utilisation à un utilisateur habitué à l'oscilloscope analogique (même si la plupart de ces ingénieurs sont aujourd'hui à la retraite). Il peut également s'avérer utile pour un ingénieur analysant un signal répétitif de très courte durée présentant de nombreuses anomalies évidentes. Quant aux ingénieurs qui enregistrent des intervalles de temps plus longs et non répétitifs, ils trouveront probablement les fréquences de rafraîchissement rapides intéressantes, mais peu utiles en pratique.

Les diagrammes de l'œil sont des outils d'affichage permettant d'évaluer la qualité d'un signal numérique en superposant les niveaux numériques de chaque bit (ainsi que les transitions qui les précèdent ou les suivent) afin d'obtenir une évaluation visuelle rapide de la qualité du signal. Idéalement, le diagramme de l'œil est très ouvert au centre, avec un sommet (niveau 1), une base (niveau 0) et des transitions (fronts montants et descendants des changements de niveau) bien visibles. Les signaux multiniveaux, tels que PAM-3 ou PAM-4, peuvent également être représentés sous forme de diagrammes de l'œil.

Un diagramme oculaire et un motif oculaire sont deux façons de décrire la même chose.

RéférencesPartie 11 : Qu'est-ce qu'un diagramme de l'œil d'un oscilloscope ?Pour plus de détails, consultez la série de webinaires « Pause-café Oscilloscope 2024 ».

Il existe deux méthodes de base pour afficher un diagramme de l'œil à l'aide d'un oscilloscope numérique.

La première méthode, la plus simple, présente aussi le plus de limitations. Elle utilise un déclenchement sur front montant ou descendant, la base de temps de l'oscilloscope étant réglée légèrement au-delà de la période d'un bit et le point de déclenchement à environ un quart de la distance entre le bord gauche de la grille et le signal. La persistance d'affichage permet de capturer plusieurs acquisitions brèves d'une période de bit, les signaux déclenchés étant superposés pour observation visuelle. Cette méthode est intuitive, mais ne fournit pas de diagramme de l'œil d'un signal continu, ni de post-traitement pour identifier l'origine d'éventuelles anomalies, et est sensible à la gigue de déclenchement de l'oscilloscope. Elle constitue néanmoins un moyen rapide et efficace de vérifier la qualité d'un signal numérique.

La seconde méthode est plus robuste et plus répandue, notamment pour les signaux de données série à haut débit. Elle consiste à effectuer une acquisition continue et prolongée d'un signal numérique, puis à extraire mathématiquement la période d'horloge. Cette période est ensuite utilisée pour « découper » mathématiquement l'acquisition continue en périodes binaires qui sont superposées pour former le diagramme de l'œil. La continuité des données permet également d'effectuer des traitements mathématiques supplémentaires afin de simuler l'utilisation d'une boucle à verrouillage de phase (PLL) dans le circuit d'horloge, de calculer la gigue, de mesurer différents paramètres de l'ouverture de l'œil (amplitude, largeur, etc.) et de corriger les anomalies éventuelles.

Un oscilloscope à échantillonnage (décrit dans une FAQ précédente) génère un diagramme de l'œil grâce à un circuit de récupération d'horloge matériel qui, associé au module d'échantillonnage, produit ce diagramme. Cette méthode est aujourd'hui considérée comme obsolète et n'est plus utilisée, sauf si le signal de données série haut débit peut être analysé et évalué intégralement par des acquisitions de données non continues (non temps réel). Dans ce cas, cette méthode est parfaitement satisfaisante et très économique compte tenu de la bande passante de l'oscilloscope. Cependant, elle requiert un matériel différent dès que le signal présente des débits binaires ou des exigences en matière de PLL différents.