Oscilloscopes

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

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

Walter LeCroy et son équipe de conception de la LeCroy Corporation (aujourd'hui Teledyne LeCroy) ont lancé en 1985 le premier oscilloscope à mémoire numérique (DSO, ou maintenant simplement appelé oscilloscope numérique) - appelé le modèle 9400 - qui reproduisait et améliorait les fonctionnalités et les capacités des oscilloscopes analogiques utilisés jusqu'à cette époque. 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 étonnamment longue). On pourrait affirmer avec ténacité que le numériseur de formes d'ondes WD1971 de LeCroy (lancé en 20) était le premier oscilloscope à mémoire numérique, mais la longueur d'enregistrement était limitée à XNUMX points d'échantillonnage et l'architecture ne pouvait pas facilement s'adapter à des longueurs d'enregistrement plus longues. Lire l'article complet icittps://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Walter LeCroy et son équipe de conception de la LeCroy Corporation (aujourd'hui Teledyne LeCroy) ont lancé en 1985 le premier oscilloscope à mémoire numérique (DSO, ou maintenant simplement appelé oscilloscope numérique) - appelé le modèle 9400 - qui reproduisait et améliorait les fonctionnalités et les capacités des oscilloscopes analogiques utilisés jusqu'à cette époque. 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 étonnamment longue). On pourrait affirmer avec ténacité que le numériseur de formes d'ondes WD1971 de LeCroy (lancé en 20) était le premier oscilloscope à mémoire numérique, mais la longueur d'enregistrement était limitée à XNUMX points d'échantillonnage et l'architecture ne pouvait pas facilement s'adapter à des longueurs d'enregistrement plus longues. Lire l'article complet 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 non-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. Les sondes ou capteurs pour mesurer le courant sont généralement disponibles auprès des fabricants d'oscilloscopes, et les capteurs pour mesurer d'autres unités sont largement disponibles. La plupart des oscilloscopes de qualité professionnelle prennent en charge la remise à l'échelle courante (par exemple, de volts à 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 remise à l'échelle dans 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'ondesspécifie 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 DC). Bien qu'il puisse sembler déroutant d'avoir une spécification de bande passante analogique dans un oscilloscope numérique, l'oscilloscope numérique possède de nombreux composants d'amplification analogique avant la partie qui numérise et stocke le signal.

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

Consultez la définition de la bande passante de l'oscilloscope dans la FAQ (ci-dessus). La plupart des oscilloscopes approchent lentement la fréquence nominale de bande passante de -3 dB, en commençant par une légère atténuation de l'amplitude à 50 % (environ) de la fréquence nominale de 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, 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 de la sinusoïde 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 (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 une extension de la série de Fourier composée de la somme de la fréquence fondamentale et des harmoniques impaires, la N-ième harmonique contribuant à une amplitude de 1/N à cette fréquence. Cela signifie que pour représenter avec précision une onde carrée, vous avez besoin d'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 pour une mesure du temps de montée sur l'oscilloscope qui est plus lente que le signal réel, et la quantité de dépassement et de sonnerie additive présente sur le signal mesuré. Si seule la 3e harmonique est capturée, le temps de montée sera sensiblement plus lent, et le dépassement et la sonnerie seront perceptibles par rapport à si la 99e harmonique était capturée (auquel cas le signal capturé sera indiscernable du signal d'entrée d'origine).

Cela nous ramène à la réponse initiale la plus souvent donnée à la question « quelle est la bande passante 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 veut 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) – il choisira un oscilloscope avec une bande passante 3 fois supérieure (ou 1 GHz).

Webinaire de référencePartie 2 : De quelle 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), avec un ADC N bits ayant 2^N niveaux de quantification. Par exemple, un oscilloscope 8 bits a 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 le CAN 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 CAN haute résolution. Ainsi, un oscilloscope haute résolution annoncé peut ne pas fonctionner différemment d'un oscilloscope conventionnel à résolution 8 bits. RéférenceComparaison des approches de conception d'oscilloscopes à haute résolutionpour plus de détails sur les compromis auxquels 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 à haute résolution est un 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 8 bits classique. Une déclaration marketing de haute résolution ne garantit pas les performances dans le monde réel. Les déclarations de haute résolution spécifiques au CAN, ou les 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 de fonctionnement normales de l'oscilloscope. RéférenceComparaison des approches de conception d'oscilloscopes à haute résolutionpour plus de détails.

Il n'y a aucune différence - ce sont juste deux façons d'exprimer la même chose, même s'il convient de noter que Teledyne LeCroy possède une marque déposée sur le nom High Definition Oscilloscope et l'acronyme HDO, ayant été la première société d'oscilloscopes à proposer 12-bit 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 préserver 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 des signaux de basculement ou logiques simples, ou des signaux de 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 type d'entrée ou de conversion de 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 de transformée de Fourier rapide (FFT) logicielle peuvent être utilisées pour fournir des capacités similaires sans entrée RF dédiée (et coûteuse).

La précision d'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 d'amplitude peut aller de mieux que 1 % pour un 12-bit oscilloscope haute définition (HDO®) avec une entrée de signal par câble, jusqu'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 paraître faibles par rapport à un voltmètre numérique (DVM), un oscilloscope offre bien plus de capacités qu'un DVM.

RéférencesPartie 1 : Quelle est la différence entre la résolution, la précision et la sensibilité d’un oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

La sensibilité est la plus petite variation de signal qui peut être visualisée dans l'oscilloscope. Un oscilloscope à haute sensibilité peut être utilisé pour visualiser des signaux plus petits par rapport à un oscilloscope à sensibilité plus faible. 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 corrélée à une précision élevée et qu'un réglage de gain vertical analogique indiquant une sensibilité élevée (par exemple, 1 ou 2 mV/div) peut être limité en termes d'utilité par la résolution du convertisseur analogique-numérique ou le bruit dans l'oscilloscope. RéférencePartie 1 : Quelle est la différence entre la résolution, la précision et la sensibilité d’un oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2024 pour plus de détails.

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 étant le temps de montée de 10 à 90 % (tel que défini par l'IEEE). Cette formule était (en grande partie) vraie à une époque où les bandes passantes des oscilloscopes étaient très faibles (1 GHz ou moins) et les atténuations d'amplitude 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 signaux plus complexes et à faible bruit, peuvent adhérer à la formule TR(s) = 0.35/Bande passante (Hz) pour les modèles à l'extrémité inférieure (bande passante) de la gamme de produits, mais adhérer à 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 inférieur dans les modèles à bande passante inférieure est qu'ils utilisent probablement un chemin de signal analogique qui a plus de marge de manœuvre 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 sur la 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 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 d’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 d'un 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 requise, selon le théorème de Nyquist, est le double de la fréquence que vous souhaitez mesurer. Dans un oscilloscope numérique, cela est généralement interprété comme une fréquence d'échantillonnage et doit être au moins deux fois supérieure à la bande passante nominale de l'oscilloscope. Cependant, l'oscilloscope n'a généralement pas de réponse d'amplitude de type "mur de briques" au-delà de la bande passante nominale, et il transmettra un contenu haute fréquence au-delà de la bande passante nominale. Par conséquent, la plupart des oscilloscopes fournissent 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 5 ou peut-être jusqu'à 10 points d'échantillonnage sur un front montant. Si un ingénieur suit la règle empirique courante consistant à sélectionner un oscilloscope trois fois plus rapide que le signal qu'il souhaite mesurer (webinaire de référencePartie 2 : De quelle bande passante ai-je besoin dans mon oscilloscope ?dans la série de webinaires Oscilloscope Coffee Break 2023 pour d'autres détails, ou 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 d'un 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 pour les rappeler sur un écran ou pour un traitement ultérieur afin d'effectuer des mesures, d'effectuer 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 dispose de 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) offre davantage de possibilités de capture 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 quantité de temps continu 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, il pourrait alors 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, la fréquence d'échantillonnage devrait être réduite à 5 GS/s, ce qui peut (ou non) être acceptable.

Le bruit de base de l'oscilloscope est la valeur RMS CA mesurée d'un canal d'entrée d'oscilloscope sans signal connecté. Un simple test de bruit de base fournira une indication générale des performances en matière de bruit lorsqu'aucun signal n'est présent sur 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 connectés. Néanmoins, le bruit ne diminuera pas lorsque des signaux d'entrée seront ajoutés, car l'amplitude du signal ajouté ne fera qu'ajouter du bruit à la mesure ultérieurement. Ainsi, le bruit de base peut être un test utile pour évaluer approximativement les performances globales.

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

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

Le rapport signal sur bruit est le calcul du rapport entre la plage de pleine échelle divisée par le bruit de base, 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 à pleine échelle sur l'oscilloscope (égale au nombre de divisions verticales * réglage de gain V/div) et V_AC-RMSétant la valeur RMS AC 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 RMS CA de Teledyne LeCroy est appelée SDEV, alors que les autres oscilloscopes ont généralement une mesure RMS sélectionnable comme mesure CA ou CC. Assurez-vous d'utiliser la valeur RMS CA, sinon le calcul du rapport signal/bruit inclura de manière incorrecte l'effet de toute petite erreur de décalage CC dans le canal de l'oscilloscope.

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

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

Conformément à la norme IEEE 1057 pour la numérisation des enregistreurs de formes d'ondes, le SINAD est le rapport entre le signal quadratique moyen (rms) et le bruit et la distorsion rms (de base). Le 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). Le SINAD est une mesure plus complète des performances de l'oscilloscope en fonctionnement réel.

RéférencesComparaison des approches de conception d'oscilloscopes à 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 à haute résolution qui offre une résolution de 12 bits à pleine bande passante. Mais tout oscilloscope peut voir son bruit réduit à l'aide de filtres matériels analogiques ou de filtres logiciels numériques, à condition que le compromis entre une bande passante plus faible et un bruit réduit 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 du canal. Ces filtres ont tendance à avoir des atténuations très lentes, de sorte que leur capacité de réduction du bruit est 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 des canaux (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 des 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 à résolution 8 bits.

RéférencesComparaison des approches de conception d'oscilloscopes à haute résolutionpour plus de détails sur les compromis réalisés 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 du CAN. Il est important de comprendre que l'ENOB du CAN est une limite supérieure des performances du système, mais les performances du système sont les performances critiques à comprendre. De manière réaliste, l'ENOB de l'oscilloscope (système) sera toujours inférieur à l'ENOB du CAN.

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

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

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

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

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

L'ENOB de l'ADC est une limite supérieure de l'ENOB de l'oscilloscope, mais l'ENOB de l'oscilloscope est la performance critique à comprendre. De manière réaliste, l'ENOB de l'oscilloscope sera toujours inférieur à l'ENOB de l'ADC. Si un oscilloscope fait des déclarations spécifiques sur les performances ENOB de son ADC, il est probablement alarmant de constater que les performances ENOB de l'oscilloscope complet sont bien inférieures.

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

RéférencesPartie 2 : Quels sont les bits efficaces de l'ADC d'oscilloscope et 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 fois (ou plus) la fréquence de la sinusoïde. En règle générale, cela signifie que la fréquence d'échantillonnage minimale d'un oscilloscope numérique est de 2.5 fois la bande passante sur tous les canaux. Le rapport fréquence d'échantillonnage/bande passante (SR/BW) de 2.5:1 est le rapport utilisé (au lieu du minimum de 2) pour tenir compte du fait que l'oscilloscope n'aura pas un filtre à paroi de briques parfait à la bande passante nominale. Un rapport SR/BW inférieur à 2:1 créera un risque d'aliasing du signal d'entrée échantillonné numériquement.

Si les exigences de fréquence d'échantillonnage de Nyquist 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 quand même lieu, mais il s'agira d'une reconstruction incorrecte, appelée aliasing.

RéférencesPartie 3 : Qu'est-ce que l'aliasing d'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) de l'amplitude quadratique moyenne (RMS) d'un signal d'entrée fondamental d'un oscilloscope à l'amplitude RMS du prochain signal parasite le plus important dans la sortie de l'oscilloscope. La SFDR est généralement mesurée dans l'oscilloscope à l'aide d'un oscilloscope FFT ou d'un analyseur de spectre affichant l'amplitude par rapport à la fréquence. Les signaux parasites peuvent être causés par une distorsion ou d'autres composants de bruit, ou peuvent être à une fréquence cohérente avec la fréquence d'échantillonnage du convertisseur analogique-numérique (CAN) de base.

Le SFDR est l'un des contrôles de qualité les plus mal compris que les ingénieurs effectuent sur les oscilloscopes. Tout ADC va présenter des parasites aux fréquences d'échantillonnage, et ces parasites sont généralement d'une amplitude si faible (par rapport à la fondamentale d'entrée) et d'une bande de fréquence si étroite que le rapport SFDR est bien supérieur (et pas aussi mauvais que) au rapport signal/bruit de base ou au rapport signal/bruit et distorsion (SINAD) pour une fréquence d'entrée donnée. Il arrive parfois qu'un oscilloscope présente de graves composants de distorsion à des fréquences spécifiques, ce qui est facilement révélé par un test SFDR, mais ce n'est pas courant.

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

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

Appelé à juste titre 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 à très faible coût. La limitation est qu'un oscilloscope à échantillonnage ne peut pas capturer une forme d'onde continue.

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

RéférencesPartie 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 au 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'affichage d'un écran CRT à faisceau phosphore utilisé sur un oscilloscope analogique.

D'autres fabricants d'oscilloscopes ont des fonctionnalités similaires. Tous optimisent la mise à jour de l'affichage (rafraîchissement) au détriment du stockage des données, donc 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 ont donc de grandes quantités de temps mort pendant lesquels ils ne capturent pas (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 de temps plus longues (et plus utiles), et ils ne sont pas très utiles pour visualiser plus d'un signal à la fois. En substance, la fonctionnalité a été conçue à une époque où les oscilloscopes analogiques étaient en transition vers des oscilloscopes numériques, et il n'y a plus beaucoup d'utilisation pratique de cette fonctionnalité pour la plupart des clients.

RéférencesPartie 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 à taux de mise à jour rapide peut être pratique et confortable pour quelqu'un qui est habitué à un oscilloscope analogique (bien que la plupart de ces ingénieurs soient à la retraite depuis longtemps). Ils peuvent également être utiles à un ingénieur qui visualise un signal répétitif de très courte durée avec 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 sont une fonctionnalité intéressante qui est peu utilisée dans le débogage du monde réel.

Les diagrammes et les modèles de l'œil sont des outils d'affichage utilisés pour évaluer la qualité du signal numérique en superposant les niveaux numériques de chaque bit (ainsi que les transitions avant ou après chaque bit) pour fournir une évaluation visuelle rapide de la qualité du signal numérique. Idéalement, le diagramme/modèle 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 de l'œil.

Un diagramme de l’œil et un modèle de l’œil sont deux façons de décrire la même chose.

RéférencesPartie 11 : Qu'est-ce qu'un diagramme en œil 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 de l'œil à l'aide d'un oscilloscope numérique.

La première méthode est la plus basique mais comporte le plus de limitations. Un déclenchement par front est utilisé pour déclencher au niveau de 50 % d'un front montant ou descendant d'un signal numérique, 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 pour être à environ un quart du bord gauche de la grille de l'oscilloscope. La persistance de l'affichage est utilisée pour capturer de nombreuses acquisitions courtes d'une période de bit unique et les signaux déclenchés sont superposés pour une observation visuelle. Cette méthode est intuitive mais ne fournit pas de diagramme de l'œil d'un signal continu, ne permet aucun type de post-traitement pour déterminer la cause d'éventuelles anomalies du diagramme de l'œil et est affectée par la gigue de déclenchement ajoutée de l'oscilloscope. C'est un bon moyen de vérifier rapidement si un signal numérique est de bonne qualité.

La deuxième méthode est plus robuste et plus largement utilisée, en particulier avec les signaux de données série à haut débit. Une acquisition longue et continue d'un signal numérique est effectuée 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. Comme les données sont continues, un traitement mathématique supplémentaire peut également être effectué 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 toute anomalie présente.

Un oscilloscope à échantillonnage (décrit dans une FAQ précédente) crée un diagramme de l'œil grâce à l'utilisation d'un circuit de récupération d'horloge matériel qui fonctionne avec le module d'échantillonnage pour créer le diagramme de l'œil. Cette méthode est généralement considérée comme archaïque aujourd'hui 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 (pas en temps réel). Dans ce cas, cette méthode est parfaitement satisfaisante et est très peu coûteuse pour la bande passante de l'oscilloscope fournie. Cependant, elle nécessite un matériel différent chaque fois que le signal a des débits binaires ou des exigences PLL différents.