Oscilloscopes

Un oscilloscope est un appareil qui capture un signal de tension d'entrée et le convertit en une forme d'onde tension/temps correctement mise à l'échelle, affichée sur une grille mise à l'échelle. L'oscilloscope est doté d'un circuit de déclenchement qui définit le moment où le signal d'entrée doit être capturé et affiché, ainsi que d'un frontal à gain variable qui permet un ajustement du signal (tension verticale) pour accepter une large gamme d'amplitudes de signal d'entrée. Un ajustement horizontal (base de temps ou balayage) définit la période de temps pour acquérir le signal.

Beaucoup prétendront avoir inventé l'oscilloscope analogique, mais Tektronix peut à juste titre prétendre avoir inventé le premier oscilloscope (analogique) à balayage déclenché, qui a considérablement amélioré l'utilité et la polyvalence de l'instrument.

Walter LeCroy et son équipe de conception chez LeCroy Corporation (maintenant Teledyne LeCroy) ont lancé en 1985 le premier oscilloscope à stockage numérique (DSO, ou maintenant simplement appelé oscilloscope numérique) – nommé 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 2000 points d'échantillonnage (à l'époque, une longueur d'enregistrement d'acquisition incroyablement longue ). On pourrait affirmer, de manière ténue, que le numériseur de forme d'onde WD1971 de LeCroy (lancé en 20) était le premier oscilloscope à stockage numérique, mais la longueur d'enregistrement était limitée à points d'échantillonnage et l'architecture ne pouvait pas facilement s'adapter à des longueurs d'enregistrement plus longues. Lisez l'histoire complète ici https://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Walter LeCroy et son équipe de conception chez LeCroy Corporation (maintenant Teledyne LeCroy) ont lancé en 1985 le premier oscilloscope à stockage numérique (DSO, ou maintenant simplement appelé oscilloscope numérique) – nommé 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 2000 points d'échantillonnage (à l'époque, une longueur d'enregistrement d'acquisition incroyablement longue ). On pourrait affirmer de manière ténue que le numériseur de forme d'onde WD1971 de LeCroy (lancé en 20) était le premier oscilloscope à stockage numérique, mais la longueur d'enregistrement était limitée à 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 les signaux de tension comme entrées. Une sonde ou un capteur doit être utilisé pour convertir un signal sans tension (par exemple, un signal de courant, un signal de champ magnétique) en un signal de tension, correctement mis à l'échelle dans les unités appropriées. Des sondes ou des capteurs pour mesurer le courant sont généralement disponibles auprès des fabricants d'oscilloscopes, et des capteurs pour mesurer d'autres unités sont largement disponibles. La plupart des oscilloscopes de qualité professionnelle prennent en charge la mise à l'échelle courante (par exemple, des volts aux ampères) et de nombreuses autres unités, mais s'il s'agit d'une fonctionnalité importante pour vos besoins, il est préférable de vérifier la prise en charge de la mise à l'échelle au sein de l'oscilloscope avant l'achat, en particulier si le capteur a un rapport entrée/sortie non linéaire.

Webinaires de référencePartie 7 : Comment effectuer une mesure de courant avec un oscilloscope ?et Partie 8 : Comment mesurer le courant sur un oscilloscope à l'aide d'une résistance shunt ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2023 pour d’autres détails.

LeNorme IEEE 1057 pour la numérisation des enregistreurs de formes d'ondespécifie la bande passante analogique d'un oscilloscope numérique comme la fréquence à laquelle la réponse en amplitude est de -3 dB (ce qui équivaut à 70.7 %) de la réponse à la fréquence de référence (qui pour un oscilloscope est CC). Bien qu'il puisse sembler déroutant d'avoir une spécification de bande passante analogique dans un oscilloscope numérique, l'oscilloscope numérique comporte de nombreux composants amplificateurs analogiques avant la partie qui numérise et stocke le signal.

La bande passante requise pour la capture et la mesure des signaux dépend grandement des signaux à mesurer, des types de mesures à effectuer et de la précision souhaitée des mesures. Une règle générale utilisée par la plupart des ingénieurs est d'avoir un oscilloscope avec une bande passante trois fois supérieure au signal de fréquence la plus élevée qu'ils souhaitent mesurer, bien que cela devienne peu pratique pour les signaux à très haute fréquence.

Référencez la définition de la bande passante de l'oscilloscope dans la FAQ (ci-dessus). La plupart des oscilloscopes s'approchent lentement de la fréquence nominale de bande passante de -3 dB, en commençant par une légère diminution de l'amplitude à 50 % (environ) de la fréquence nominale de la bande passante. Cela signifie que 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 la bande passante nominale, alors l'amplitude de la sinusoïde pure capturée sera d'environ 90 % (-1 dB) ou 80 %. (-2 dB) et 70 % (-3 dB) par rapport au moment où la fréquence sinusoïdale d'entrée s'approche de la bande passante nominale de l'oscilloscope. Cependant, la plupart des ingénieurs ne mesurent pas les sinusoïdes pures avec leur oscilloscope. Notez que les oscilloscopes à bande passante la plus élevée peuvent avoir une réponse en amplitude plus plate (moins d'atténuation) 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 à une amplitude 1/N à cette fréquence. Cela signifie que pour représenter avec précision une onde carrée, vous avez besoin de suffisamment de bande passante pour capturer la fréquence fondamentale et suffisamment d'harmoniques impaires. Le nombre d'harmoniques impaires « suffisant » (et la quantité de bande passante nécessaire) est déterminé par la tolérance de l'ingénieur pour une mesure du temps de montée sur l'oscilloscope qui est plus lente que le signal réel, et par la quantité de dépassement additif et de sonnerie présente sur le signal mesuré. signal. Si seule la 3ème harmonique est capturée, le temps de montée sera sensiblement plus lent, et le dépassement et la sonnerie seront perceptibles par rapport à si la 99ème harmonique est capturée (auquel cas le signal capturé sera impossible à distinguer du signal d'entrée d'origine).

Cela nous ramène à la réponse originale qui est donnée le plus souvent en réponse à la question « quelle quantité de bande passante est nécessaire ? – environ 3 fois la bande passante du signal de fréquence la plus élevée. Mais que signifie « 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 aura généralement une bande passante de 350 MHz) – il choisira un oscilloscope avec une bande passante 3x. cela (ou 1 GHz).

Webinaire de référencePartie 2 : De quelle quantité de bande passante ai-je besoin dans mon oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2023 pour d’autres détails.

La résolution est le nombre de niveaux de quantification du convertisseur analogique-numérique (ADC), un ADC à N bits ayant 2N niveaux de quantification. Par exemple, un oscilloscope 8 bits possède 28 = 256 niveaux de quantification alors qu'un 12-bit l'oscilloscope a 212 = 4096 niveaux de quantification. Notez que le nombre de bits (niveaux de quantification) dans l'ADC ne garantit pas que le reste du chemin du signal de l'oscilloscope (notamment les composants analogiques) aura des performances de bruit dignes d'un ADC haute résolution. Ainsi, un oscilloscope haute résolution annoncé peut fonctionner de la même manière qu'un oscilloscope conventionnel à résolution 8 bits. RéférenceComparaison des approches de conception d'oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur les compromis que font de nombreux fabricants d'oscilloscopes lors de la conception d'oscilloscopes haute résolution. Webinaire de référencePartie 1 : Qu'est-ce que la résolution de l'oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2023 pour d’autres détails.

Un oscilloscope haute résolution est tout oscilloscope annoncé comme tel et qui utilise soit un matériel amélioré, soit un filtrage logiciel (qui réduit la bande passante et la fréquence d'échantillonnage), soit une combinaison des deux pour offrir une résolution et un rapport signal/bruit améliorés par rapport à un oscilloscope conventionnel. Oscilloscope 8 bits. Une allégation marketing de haute résolution ne garantit pas les performances réelles. Les allégations de haute résolution spécifique à l'ADC, ou d'améliorations du bruit de base ou du rapport signal/bruit qui ne sont possibles qu'à des bandes passantes réduites, sont des signaux d'alarme indiquant que la soi-disant haute résolution ne sera pas atteinte de manière réaliste dans toutes les conditions normales de fonctionnement de l'oscilloscope. . RéférenceComparaison des approches de conception d'oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails.

Il n'y a pas de différence – ce ne sont que deux façons d'exprimer la même chose, même s'il convient de noter que Teledyne LeCroy possède une marque déposée sous le nom High Definition Oscilloscope et l'acronyme HDO, ayant été la première société d'oscilloscope à proposer 12-bit des oscilloscopes haute résolution qui fournissent 12 bits en permanence sans réduction de la fréquence d'échantillonnage ou de la bande passante.

Un oscilloscope à signaux mixtes (MSO) fait généralement référence à un oscilloscope doté de canaux d'entrée analogiques et numériques (logiques). Une configuration courante est constituée de 4 canaux d'entrée analogiques plus 16 canaux d'entrée logiques numériques. Les canaux d'entrée logiques numériques peuvent conserver les canaux d'entrée analogiques plus rares (et plus coûteux) pour les signaux qui nécessitent leurs capacités, et les canaux d'entrée logiques numériques peuvent être utilisés pour de simples signaux à bascule ou logiques, ou pour des données série à faible vitesse (par exemple, I2C , SPI, UART, etc.).

L'oscilloscope à domaine mixte (MDO) est un terme marketing désignant un oscilloscope qui fournit un certain type d'entrée ou de conversion radiofréquence (RF) pour capturer des signaux dans les domaines temporel et fréquentiel. Si une entrée RF dédiée est fournie, les capacités peuvent être similaires à celles d'un analyseur de spectre. Les techniques logicielles de transformation de Fourier rapide (FFT) peuvent être utilisées pour fournir des capacités similaires sans entrée RF dédiée (et coûteuse).

La précision de l'amplitude d'un oscilloscope est composée de nombreux composants différents et varie en fonction de la résolution de l'oscilloscope, du chemin d'entrée, du contenu de la fréquence d'entrée, de l'utilisation ou non d'une sonde, etc. La précision de l'amplitude peut aller de mieux que 1 % pour un oscilloscope. 12-bit oscilloscope haute définition (HDO®) avec une entrée de signal par câble, à 5 % (ou plus) pour un oscilloscope 8 bits fonctionnant avec une sonde active couplée à l'oscilloscope via la terminaison 50 Ω. Bien que ces précisions puissent sembler faibles par rapport à un voltmètre numérique (DVM), un oscilloscope offre bien plus de fonctionnalités qu'un DVM.

RéférencePartie 1 : Quelle est la différence entre la résolution, la précision et la sensibilité de l'oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

La sensibilité est le plus petit changement de signal visible sur l'oscilloscope. Un oscilloscope à haute sensibilité peut être utilisé pour visualiser des signaux plus petits par rapport à un oscilloscope à faible sensibilité. Le réglage de la sensibilité sur l'oscilloscope s'effectue à l'aide du réglage du gain vertical (volts/division). Notez qu'une sensibilité élevée n'est pas nécessairement liée à une précision élevée, et qu'un réglage de gain vertical analogique indicatif d'une sensibilité élevée (par exemple, 1 ou 2 mV/div) peut être limité en utilité par la résolution ADC ou le bruit dans l'oscilloscope. RéférencePartie 1 : Quelle est la différence entre la résolution, la précision et la sensibilité de l'oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

Historiquement, un ingénieur considérerait le temps de montée comme étant lié à la bande passante selon la formule TR(s) = 0.35/Bande passante (Hz), TR étant le temps de montée de 10 à 90 % (tel que défini par l'IEEE). Cette formule était (pour l’essentiel) vraie à une époque où les bandes passantes des oscilloscopes étaient très faibles (1 GHz ou moins) et où les diminutions d’amplitude étaient très progressives. Cette formule peut toujours être vraie pour les oscilloscopes à bande passante inférieure.

Les oscilloscopes à bande passante plus élevée d'aujourd'hui, ou les oscilloscopes avec des chemins de signal plus complexes et à faible bruit, pourraient adhérer à 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 adhérer à TR. (s) = 0.4/bande passante (Hz) ou peut-être approchant TR(s) = 0.45/bande passante (Hz) (ou plus, dans certains cas) pour les modèles à bande passante maximale. La raison pour laquelle le numérateur est inférieur dans les modèles à bande passante inférieure est qu'ils utilisent probablement un chemin de signal analogique qui a plus de marge 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 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 à la réponse haute fréquence hautement atténuée au-delà de la bande passante nominale de l'oscilloscope.

Webinaire de référencePartie 3 : Quel est le rapport entre le temps de montée et la bande passante dans un oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2023 pour d’autres détails.

Un oscilloscope numérique numérise les signaux via des convertisseurs analogique-numérique (CAN) qui échantillonnent et conservent les valeurs de tension pour créer des points d'échantillonnage discrets. Les points d'échantillonnage sont enregistrés à une fréquence donnée (intervalle de temps) et la fréquence d'échantillonnage est appelée échantillons/seconde.

Webinaire de référencePartie 4 : Qu'est-ce que la fréquence d'échantillonnage de l'oscilloscope et de combien ai-je besoin ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2023 pour d’autres détails.

La fréquence d'échantillonnage minimale nécessaire, selon le théorème de Nyquist, est le double de celle de la fréquence que vous souhaitez mesurer. Dans un oscilloscope numérique, cela est généralement interprété comme une fréquence d'échantillonnage et doit être au minimum deux fois supérieur à la bande passante nominale de l'oscilloscope. Cependant, l'oscilloscope n'a généralement pas une réponse d'amplitude de mur de briques au-delà de la bande passante nominale, et il transmettra certains contenus haute fréquence au-delà de la bande passante nominale. Par conséquent, la plupart des oscilloscopes offrent un rapport fréquence d'échantillonnage/bande passante minimum de 2.5. Cela peut être considéré comme le minimum pour reconstruire une onde sinusoïdale à partir de points d'échantillonnage numériques.

Pour reconstruire avec précision des formes de signaux plus complexes à partir de points d'échantillonnage numériques, les ingénieurs souhaitent généralement avoir 5, voire jusqu'à 10 points d'échantillonnage sur un front montant. Si un ingénieur suit la règle générale consistant à sélectionner un oscilloscope trois fois plus rapide que le signal qu'il souhaite mesurer (webinaire de référencePartie 2 : De quelle quantité de bande passante ai-je besoin dans mon oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2023 pour d'autres détails, ou dans la FAQ du même titre), 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 de l'oscilloscope et de combien ai-je besoin ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2023 pour d’autres détails.

La mémoire d'acquisition est ce qui est utilisé pour stocker les points d'échantillonnage de l'oscilloscope numérique afin de les rappeler sur un écran ou pour un traitement ultérieur 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 (CPU) qui alimente les fonctions de l'oscilloscope possède sa propre mémoire vive (RAM) pour répondre aux besoins du CPU.

La profondeur de la mémoire n'est qu'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 en échantillons (par exemple, mégaéchantillons (MS)).

Un plus grand nombre d'échantillons (ou de points) offrent une plus grande capacité à capturer de très longs intervalles de temps continus avant de devoir réduire la fréquence d'échantillonnage. Le nombre d'échantillons dont un ingénieur a besoin dépend de la bande passante des signaux qu'il souhaite capturer, de la résolution temporelle avec laquelle il souhaite capturer ces signaux et de la durée continue qu'il souhaite acquérir.

Si un oscilloscope avait une fréquence d'échantillonnage de 10 GS/s et 1 GS (ou Gpts) de mémoire d'acquisition, alors il pourrait acquérir 100 ms de temps (1 GS / 10 GS/s = 0.1 s, ou 100 ms). Si l'on souhaitait capturer 200 ms avec 1 GS de mémoire d'acquisition, il faudrait réduire la fréquence d'échantillonnage à 5 GS/s, ce qui peut (ou non) être acceptable.

Le bruit de base de l'oscilloscope est la valeur AC RMS mesurée d'un canal d'entrée de l'oscilloscope auquel aucun signal n'est connecté. Un simple test de bruit de base fournira une indication générale des performances en matière de bruit lorsqu'aucun signal n'est présent à l'entrée de l'oscilloscope. Bien que ce test soit simple et facile à réaliser, il ne s'agit pas du test le plus réaliste des performances de l'oscilloscope, car la plupart des oscilloscopes sont utilisés avec des signaux d'entrée qui leur sont connectés. Néanmoins, le bruit ne diminuera pas lorsque les signaux d’entrée sont ajoutés, car l’amplitude du signal ajoutée ne fera qu’ajouter du bruit à la mesure ultérieurement. Ainsi, le bruit de base peut être un test utile pour évaluer grossièrement les performances globales.

Notez que dans un oscilloscope Teledyne LeCroy, la mesure SDEV équivaut à AC RMS.

RéférenceComparaison des approches de conception d'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 plage pleine échelle divisée par le bruit de base, exprimé en volts selon la formule suivante :

SNR (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 AC RMS pour le 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 AC RMS de Teledyne LeCroy est nommée SDEV, alors que d'autres oscilloscopes ont généralement une mesure RMS sélectionnable en lecture AC ou DC. Assurez-vous d'utiliser la valeur AC RMS, sinon le calcul du SNR inclura de manière incorrecte l'effet de toute petite erreur de décalage DC dans le canal de l'oscilloscope.

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

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

Selon la norme IEEE. 1057 IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders, SINAD est le rapport entre le signal efficace (rms) et le bruit et la distorsion efficaces (ligne de base). SINAD est mesuré à une fréquence et une amplitude spécifiques à l'aide d'une entrée sinusoïdale, et l'amplitude à laquelle les mesures sont effectuées a un impact sur la distorsion et doit être spécifiée (90 % de l'amplitude à pleine échelle est typique). SINAD est une mesure plus complète des performances de l'oscilloscope en fonctionnement réel.

RéférenceComparaison des approches de conception d'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 haute résolution à faible bruit offrant une résolution de 12 bits sur toute la bande passante. Mais n'importe quel oscilloscope peut voir son bruit réduit à l'aide de filtres matériels analogiques ou logiciels numériques, à condition que le compromis entre une bande passante inférieure et une réduction du bruit soit acceptable.

Les filtres matériels sont généralement affichés sous la forme d'une limite de bande passante de 20 MHz ou 200 MHz (ou similaire) dans le menu des canaux. Ces filtres ont tendance à avoir une atténuation 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 sélections de filtres logiciels dans le menu de canal (par exemple, la sélection Enhanced Resolution (ERes) de Teledyne LeCroy). Mathématiquement, chaque réduction de moitié de la fréquence d'échantillonnage (et de la bande passante) réduit le bruit de 3 dB (~ 30 %, ou 0.5 bits effectifs). Parfois, les filtres logiciels numériques interpolent les points d'échantillonnage après l'opération de filtrage mathématique, mais la fréquence d'échantillonnage matérielle a quand même été réduite.

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

RéférenceComparaison des approches de conception d'oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur les compromis effectués pour réduire le bruit dans les oscilloscopes. Webinaire de référencePartie 6 : Comment puis-je réduire le bruit sur les signaux mesurés avec un oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2023 pour d’autres détails.

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

Oscilloscope ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

Si l'amplificateur frontal n'est pas la source dominante de bruit dans le système d'oscilloscope, l'ENOB du système se rapprochera de l'ENOB de l'ADC. Il est important de comprendre que l'ADC ENOB constitue une limite supérieure des performances du système, mais les performances du système sont les performances critiques à comprendre. En réalité, l'oscilloscope (système) ENOB sera toujours inférieur à l'ADC ENOB.

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

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

Une « règle empirique » de 6 dB SINAD par bit effectif peut être déduite de cette équation. Ainsi, une amélioration d'un demi-bit effectif équivaut à une réduction de 3 dB (30 %) du bruit, et une amélioration d'un bit effectif complet équivaut à une réduction de 6 dB (50 %) du bruit. De petites différences dans ENOB signifient beaucoup en termes de bruit vertical (amplitude de tension).

RéférenceComparaison des approches de conception d'oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur les différents types de bruit et pourquoi le nombre de bits nominal de l'ADC n'est pas entièrement atteint lorsqu'il est déployé dans des numériseurs ou des oscilloscopes.

RéférencePartie 2 : Que sont les bits efficaces de l'ADC de l'oscilloscope et l'ENOB ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

L'ADC ENOB est une limite supérieure sur l'oscilloscope ENOB, mais l'oscilloscope ENOB est la performance critique à comprendre. En réalité, l'oscilloscope ENOB sera toujours inférieur à l'ADC ENOB. Si un oscilloscope fait des déclarations spécifiques sur les performances ENOB de son CAN, c'est probablement un signal d'alarme indiquant que les performances ENOB de l'oscilloscope complet sont bien inférieures.

RéférenceComparaison des approches de conception d'oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur les différents types de bruit et pourquoi le nombre de bits nominal de l'ADC n'est pas entièrement atteint lorsqu'il est déployé dans des numériseurs ou des oscilloscopes.

RéférencePartie 2 : Que sont les bits efficaces de l'ADC de l'oscilloscope et l'ENOB ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

Le théorème de Nyquist stipule qu'une sinusoïde peut être reconstruite sans perte d'informations à condition qu'elle soit échantillonnée numériquement à deux (ou plus) de la fréquence de la sinusoïde. En règle générale, cela signifie que la fréquence d'échantillonnage minimale dans un oscilloscope numérique est 2.5 fois supérieure à la bande passante sur tous les canaux. Le taux d'échantillonnage/bande passante de 2.5:1 (SR/BW) est le rapport utilisé (au lieu du minimum de 2) pour tenir compte du fait que l'oscilloscope ne disposera pas d'un filtre mural parfait à la bande passante nominale. Un rapport SR/BW inférieur à 2:1 créera un risque de crénelage du signal d'entrée échantillonné numériquement.

Si les exigences de Nyquist en matière de taux d'échantillonnage ne sont pas respectées, le signal est considéré comme sous-échantillonné et ne peut pas être reconstruit sans perte d'informations. Au lieu de cela, la reconstruction du signal aura toujours lieu, mais il s'agira d'une reconstruction incorrecte, appelée alias.

RéférencePartie 3 : Qu'est-ce que l'alias de l'oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

La plage dynamique libre parasite (SFDR) est le rapport (généralement exprimé en dB) entre l'amplitude efficace (RMS) d'un signal d'entrée fondamental de l'oscilloscope et l'amplitude efficace du signal parasite suivant le plus grand dans la sortie de l'oscilloscope. Le SFDR est généralement mesuré dans l'oscilloscope à l'aide d'un affichage d'oscilloscope d'amplitude et de fréquence de type FFT ou analyseur de spectre. Les signaux parasites peuvent être provoqués par une distorsion ou d'autres composants de bruit, ou peuvent être à une fréquence cohérente avec la fréquence d'échantillonnage principale du convertisseur analogique-numérique (CAN).

Le SFDR est l’un des contrôles de qualité les plus mal compris que les ingénieurs effectuent sur les oscilloscopes. Tout CAN présentera des parasites aux fréquences d'échantillonnage, et ces parasites sont généralement d'une amplitude si faible (par rapport au fondamental d'entrée) et d'une bande de fréquences si étroite que le rapport SFDR est bien supérieur (pas aussi pire que) le bruit de base. rapport signal sur bruit ou rapport signal sur bruit et distorsion (SINAD) pour une fréquence d'entrée donnée. Parfois, un oscilloscope peut présenter de graves composantes de distorsion à des fréquences spécifiques, qui sont facilement révélées par un test SFDR, mais cela n'est pas courant.

RéférenceComparaison des approches de conception d'oscilloscopes haute résolutionpour plus de détails sur le SFDR dans les oscilloscopes.

RéférencePartie 4 : Qu'est-ce que la plage dynamique libre parasite (SFDR) de l'oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

Correctement appelé oscilloscope à échantillonnage en temps équivalent, un oscilloscope à échantillonnage fournit un échantillon par déclenchement, avec un petit délai ajouté après chaque déclenchement afin de reconstruire une forme d'onde répétitive à partir de plusieurs événements déclenchés. La bande passante de mesure n'est limitée que par la réponse en fréquence de l'échantillonneur, qui peut être très élevée pour un coût très faible. La limitation est qu'un oscilloscope à échantillonnage ne peut pas capturer une forme d'onde continue.

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 dans un enregistrement d'échantillon continu.

RéférencePartie 6 : Quelle est la différence entre un oscilloscope en temps réel et un oscilloscope à échantillonnage ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

L'oscilloscope numérique à phosphore (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'un écran CRT à faisceau de phosphore utilisé sur un oscilloscope analogique.

Certains autres fabricants d’oscilloscopes proposent des fonctionnalités similaires. Tous optimisent la mise à jour de l'affichage (actualisation) au détriment du stockage des données. Ainsi, si une anomalie est visualisée pendant l'affichage de mise à jour rapide, elle ne peut pas être enregistrée ou récupérée pour une inspection plus approfondie. De plus, ils sont toujours basés sur des techniques de capture numérique et présentent donc de grands temps morts pendant lesquels ils 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. Essentiellement, cette fonctionnalité a été conçue à une époque où les oscilloscopes analogiques étaient en transition vers les oscilloscopes numériques, et cette fonctionnalité n'est plus vraiment utilisée en pratique pour la plupart des clients.

RéférencePartie 9 : Qu'est-ce qu'un oscilloscope numérique à phosphore ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

Un affichage rapide du taux de mise à jour peut offrir facilité d'utilisation et confort à quelqu'un qui est habitué à un oscilloscope analogique (bien que la plupart de ces ingénieurs aient pris leur retraite depuis longtemps). Ils pourraient également être utiles à un ingénieur qui visualise un signal répétitif de très courte durée comportant de nombreuses anomalies évidentes. Les ingénieurs qui capturent des intervalles de temps plus longs et non répétitifs trouveront probablement que les taux de mise à jour rapides constituent une fonctionnalité intéressante et peu utile dans le débogage réel.

Les diagrammes oculaires et les modèles oculaires sont des outils d'affichage utilisés pour évaluer la qualité du signal numérique en superposant les niveaux numériques pour chaque bit (ainsi que les transitions avant ou après chaque bit) afin de fournir une évaluation visuelle rapide de la qualité du signal. signal numérique. Idéalement, le diagramme/motif de l'œil est très ouvert au milieu avec un sommet clair (niveau numérique 1), une base (niveau numérique 0) et des transitions (fronts montants et descendants des transitions de niveau numérique). Les signaux multi-niveaux, tels que PAM-3 ou PAM-4, peuvent également être affichés sous forme de diagrammes oculaires.

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

RéférencePartie 11 : Qu'est-ce qu'un diagramme oculaire d'oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

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

La première méthode est la plus basique mais présente le plus de limites. Un déclenchement sur front est utilisé pour déclencher au niveau 50 % d'un front de signal numérique montant ou descendant, avec la base de temps de l'oscilloscope réglée pour être un peu plus longue qu'une période de bit unique et le point de déclenchement de l'oscilloscope réglé sur environ un quart. à partir du bord gauche de la grille de l'oscilloscope. La persistance de l'affichage est utilisée pour capturer de nombreuses acquisitions courtes d'une seule période de bit, et les signaux déclenchés sont superposés pour l'observation visuelle. Cette méthode est intuitive mais ne fournit pas de diagramme oculaire d'un signal continu, ne permet aucun type de post-traitement pour déterminer la cause des anomalies du diagramme oculaire et est affectée par la gigue de déclenchement supplémentaire de l'oscilloscope. Il s'agit d'une vérification efficace et rapide de la bonne qualité d'un signal numérique.

La deuxième méthode est plus robuste et plus largement utilisée, notamment avec les signaux de données série à haut débit. Une acquisition longue et continue est réalisée à partir d'un signal numérique et l'horloge est extraite mathématiquement, la période de temps extraite de l'horloge étant utilisée pour « découper » mathématiquement l'acquisition continue en périodes de bits qui sont superposées pour former le diagramme de l'œil. Les données étant continues, des traitements mathématiques supplémentaires peuvent également être effectués pour simuler l'utilisation d'une boucle à verrouillage de phase (PLL) dans le circuit d'horloge, calculer la gigue, mesurer divers aspects de l'ouverture de l'œil (amplitude, largeur, etc.), et déboguer toutes les anomalies présentes.

Un oscilloscope à échantillonnage (décrit dans une FAQ précédente) crée un diagramme oculaire grâce à l'utilisation d'un circuit de récupération d'horloge matérielle qui fonctionne avec le module d'échantillonnage pour créer le diagramme oculaire. Cette méthode est généralement considérée aujourd'hui comme archaïque et n'est pas largement utilisée à moins que le signal de données série à grande vitesse puisse être complètement analysé et évalué avec des acquisitions de données non continues (et non en temps réel). Dans ce cas, cette méthode est parfaitement satisfaisante et très peu coûteuse pour la bande passante de l'oscilloscope disponible. Cependant, cela nécessite un matériel différent chaque fois que le signal a des débits binaires ou des exigences PLL différents.