Comment choisir l’oscilloscope idéal?

Analogique contre Numérique

Cet article se concentre sur les Oscilloscopes Numériques (DSO), car ils représentent la majorité des achats d'oscilloscopes. Avant d'analyser les oscilloscopes numériques, un bref survol des oscilloscopes analogiques s'impose.

La majorité des ingénieurs-électroniciens auront eu l'occasion d'utiliser un oscilloscope analogique et connaîtront son aspect et son fonctionnement. En fait, de nombreux acheteurs d'oscilloscopes replacent aujourd'hui l'analogique par le numérique.

Bien qu'il existe encore des ingénieurs qui adorent l'aspect extérieur (et la chaleur) des oscilloscopes analogiques, il n'existe guère de fonctions analogiques qui ne puissent être surpassées par le numérique.

Si l'on est encore tenté d'acheter un oscilloscope analogique, le choix sera très limité. Seuls quelques fabricants les proposent encore, et les modèles en vente sont souvent d'une ancienne conception et d'une performance limitée.

L'achat d'un oscilloscope d'occasion peut sembler être une bonne affaire; cependant, avant de s'engager, il faudra vérifier la disponibilité des pièces, les réparations pouvant rendre l'achat très couteux.

Plusieurs autres critères ont fait pencher la balance du côté numérique: les DSO offrent ces atouts:

• compact et portable
• largeur de bande élevée
• signal unique
• affichage couleur
• mesures sur écran
• facile à utiliser
• stockage
• impression

Les DSO, normalement dotés d'interface PC, peuvent être intégrés à des systèmes de test automatique (ATE). De plus, le DSO peut être utilisé pour l'acquisition de données à grande vitesse.

Largeur de bande

La première caractéristique à considérer est la largeur de bande. C'est en fait la fréquence maximale d'un signal pouvant passer par les amplis d'entrée. Par conséquent, la largeur de bande analogique de l'oscilloscope doit être supérieure à la fréquence maximale que l'on souhaite mesurer (temps réel)

La largeur de bande ne suffit cependant pas pour que le DSO puisse capter un signal à haute fréquence avec précision. Le but des fabricants d'oscilloscopes est de réaliser un type spécifique de réponse de fréquence de leurs conceptions. Cette réponse, connue sous le nom de Maximally Flat Envelope Delay (MFED), offre une excellente réponse d'impulsion sans dépassement, sous-dépassement ou oscillation. Le DSO étant composé d'amplis, d'atténuateurs, de convertisseurs, etc, la réponse MFED est plutôt cible que réalité.

Il est à noter que la plupart des fabricants d'oscilloscopes définissent la largeur de bande comme la fréquence à laquelle le signal d'entrée est réduit à 71% de sa réelle amplitude (le point -3dB). En d'autre termes, l'erreur autorisée est de 29%!

Ne pas oublier que, si le signal d'entrée n'est pas sinusoidal, il contiendra des harmoniques de fréquences plus élevées. Par exemple, une onde carrée de 20MHz sur un oscilloscope à largeur de bande de 20MHz sera attenuée et déformée. En règle générale, sélectionner un oscilloscope ayant une largeur de bande cinq fois supérieure à la fréquence maximale que l'on souhaite mesurer.

Sur certains oscilloscopes, la largeur de bande indiquée n'étant pas disponible sur toutes les gammes de tension, il convient de vérifier soigneusement les spécifications.

Taux d'échantillonnage

Avec les oscilloscopes analogiques, tout était simple: il suffisait de sélectionner la largeur de bande souhaitée. Dans le cas des oscilloscopes numériques, le taux d'échantillonnage et la capacité de mémoire sont d'importance égale. Pour les DSO, le taux d'échantillonnage est en général indiqué en méga échantillons par seconde (Méch/s) ou en giga échantillons par seconde (Géch/s). Selon la thèse de Nyquist, le taux d'échantillonnage doit être équivalent à au moins deux fois la fréquence maximale que l'on souhaite mesurer: pour un analyseur de spectre, ceci peut être juste, mais pour un oscilloscope, il faut au minimum 5 échantillons pour reconstituer la forme d'onde avec précision.

La plupart des oscilloscopes possèdent deux taux d'échantillonnage différents (modes) selon le signal mesuré: le temps réel et l'ETS - souvent appelé échantillonnage répétitif. Toutefois, l'ETS ne fonctionne que si le signal que l'on mesure est stable et répétitif, puisque ce mode fonctionne en construisant la forme d'onde à l'aide d'acquisitions successives.

Figure 1a: Onde carrée de 20MHz saisie à un taux d'échantillonnage de 50Méch/s.

Par exemple, le convertisseur ADC-212/100 à 12 bits de Pico Technology échantillonnera à 100Méch/s en temps réel ou, pour les formes d'onde répétitives, à 5Géch/s. La Figure 1a montre une onde carrée de 20MHz saisie à un taux d'échantillonnage de 50Méch/s - pratiquement méconnaissable comparée à la Figure 1b, même onde saisie à 5Géch/s. Certes, 5Géch/s paraît extraordinaire; or, si le signal est transitoire ou variable (telle une forme d'onde vidéo) l'ETS ne fonctionnera pas et il faudra se fier à la largeur de bande en temps réel (signal unique), typiquement bien inférieure.

Figure 1b: onde carrée de 20MHZ saisie à 5Géch/s.

Un conseil: les fabricants d'oscilloscopes ayant tendance à mettre l'accent sur la caractéristique la plus attrayante, il faudra souvent étudier soigneusement les spécifications pour voir si le taux d'échantillonnage indiqué s'applique à tous les signaux ou seulement aux signaux répétitifs. Ceci pourra éviter de faire un achat mal approprié.

Certains oscilloscopes possèdent des taux d'échantillonnage différents selon le nombre de voies utilisées. En principe, le taux d'échantillonnage en mode voie unique est deux fois le taux en mode voie double: encore une fois, bien vérifier les spécifications.

Capacité de mémoire

La capacité de mémoire est peut-être l'aspect le plus méconnu d'un DSO. Dommage, car c'est aussi l'un des plus importants.

Les DSO enregistrent des échantillons saisis dans une mémoire-tampon, donc, pour un taux d'échantillonnage donné, la taille de la mémoire-tampon détermine la durée maximale de la saisie avant que celle-ci soit pleine.

Le rapport entre le taux d'échantillonnage et la capacité de mémoire est important: un oscilloscope doté d'un taux d'échantillonnage élevé, mais d'une mémoire de faible capacité ne pourra utiliser son taux d'échantillonnage maximum que sur les quelques bases de temps les plus rapides. La Figure 2a montre une forme d'onde vidéo de 200µs saisie à l'aide d'une mémoire-tampon de 1K. La mémoire-tampon de 1K limite le taux d'échantillonnage à 5Méch/s (1K / 200µs) bien que l'oscilloscope soit capable d'échantillonner à 100Méch/s.

Figure 2a: forme d'onde vidéo de 200µs saisie à l'aide d'une mémoire-tampon de 1K.

A première vue, la forme d'onde semble avoir été saisie convenablement. Cependant, la limitation de la faible mémoire-tampon apparaît lorsque la forme d'onde est agrandie pour faire un zoom sur le signal par rafales des couleurs (Figure 2b). Le signal par rafales des couleurs (oscillations à la base des 'escaliers') dure environ 5µs et est donc seulement représenté par 25 points dans la mémoire, ce qui convient pour une vue normale, mais quand on fait un zoom, ces quelques points s'étirent pour couvrir l'écran entier.

La Figure 2c montre la même section par rafales des couleurs de la forme d'onde vidéo, mais cette fois saisie sur un oscilloscope doté d'une mémoire-tampon de 128K. On dispose alors de plus de 3 000 points pour représenter la section de l'éclatement des couleurs et la différence est très sensible.

Figure 2b: La limitation de la faible mémoire-tampon apparaît lorsque la forme d'onde est agrandie pour faire un zoom sur le signal par rafales des couleurs.

 

Figure 2c: montre la même forme d'onde, mais cette fois à l'aide d'une mémoire-tampon de 128K.

Exemple dans la réalité

Pour comprendre la relation entre largeur de bande, taux d'échantillonnage et capacité de mémoire, l'exemple se doit d'être réel. Imaginons que nous essayions de saisir une séquence de données USB (1.1). Une séquence de données dure 1ms et transmet les données série à 12MBPS. Pour simplifier notre analyse, nous pouvons présumer que nous devons saisir une onde carrée de 12MHz pendant 1ms.

• Largeur de bande - pour mesurer le signal de 12MHz, il nous faut un minimum absolu de 12MHz, ce qui donnera cependant un signal très déformé. Un oscilloscope d'une largeur de bande d'au moins 50MHz sera alors préférable.
• Taux d'échantillonnage - pour reconstruire le signal de 12MHz , il nous faut environ 5 points par forme d'onde; un taux d'échantillonage minimum de 60Méch/s sera donc nécessaire.
• Capacité de mémoire - pour saisir des données à 60Méch/s pendant 1ms, il nous faudra une capacité de mémoire de 60 000 échantillons minimum.

Résolution et précision

Dans l'électronique numérique, un changement de signal de 1% ne pose généralement pas de problème, mais dans l'électronique audio, une déformation ou un bruit de 0,1% peut être la cause d'un désastre. La plupart des DSO modernes sont optimisés de façon à fonctionner avec des signaux numériques rapides et n'offrent qu'une résolution de 8 bits (convertisseur analogique numérique de 8 bits) et peuvent ainsi détecter au mieux un changement de signal de 0,4% (voir tableau)

Avec 8 bits, la gamme de tension est divisée jusqu'en 256 niveaux verticaux (2^8 = 256). Avec une gamme sélectionnée de +/-1V, ceci correspond à environ 8mV par niveau. Cela suffit peut-être pour les signaux numériques mais non pour les signaux analogiques, particulièrement si l'on utilise la fonction analyseur de spectre (si disponible).

Pour les applications telles que l'audio, le bruit et la vibration, un oscilloscope de 8 bits est peu adapté et il faudra considérer un produit offrant 12 à 16 bits.

La précision d'un DSO n'est pas considérée comme importante. Une précision de 3% à 5% permet d'effectuer des mesures grossières. Pour plus de précision, il faudra utiliser un multimètre.

Les oscilloscopes de plus haute résolution offrent également une plus grande précision (1% ou mieux), donc pas besoin de multimètre!

On appelle parfois oscilloscopes de précision les oscilloscopes dotés à la fois d'une haute résolution (12 bits ou plus) et d'une haute précision DC - voir notice d'utilisation des oscilloscopes de haute résolution et des analyseurs de spectre FFT.

Fonctions de lancement

La fonction de lancement d'un oscilloscope synchronise le balayage horizontal au point fixe de son signal, ce qui est essentiel pour un affichage clair. Les réglages de lancement permettent de stabiliser les ondes répétitives et de capter les ondes uniques aléatoires ou peu fréquentes.Selon le type de signaux analysés, il est recommandé de se référer aux options de lancement proposées par le fabricant. Tous les oscilloscopes numériques offrent les mêmes options de lancement de base (source, niveau, direction, pré/post lancement), mais sont différentes pour les fonctions de lancement plus avancées. L'usage des fonctions avancées sera dicté par le type de signal mesuré. Les modes de lancement d'impulsion sont pratiques pour les signaux numériques ainsi qu'une sauvegarde automatique sur disque ou mémoire pour détecter les erreurs intermittentes.

Certains modes de lancement pour application spécifique (test de l'unité de disque dur, par exemple) entraînent parfois un supplément de prix. Ils s'installent de la même manière qu'un logiciel de mise à niveau. Ne pas hésiter à négocier avec le revendeur lors de l'achat d'un oscilloscope. Il n'est pas rare que ce type de fonction soit incluse dans le prix afin de conclure l'affaire.

Gammes d'entrée et sondes

Un oscilloscope type offre plusieurs gammes d'entrées sélectionnables de +-50mV à +-50V. Des tensions plus élevées pouvant être mesurées à l'aide de sondes d'atténuation de 10:1 et de 100:1, il est important de vérifier que l'oscilloscope est doté d'une gamme de tension suffisamment petite pour les signaux que l'on souhaite mesurer. Si l'on mesure régulièrement des petits signaux (inférieurs à 50mV), il faudra considérer l'achat d'un oscilloscope d'une résolution de 12 à 16 bits. Un oscilloscope de 16 bits a 256 fois la résolution verticale d'un oscilloscope à 8 bits, ce qui rend possible l'agrandissement des signaux de niveaux millivolts et microvolts.

Vérifier que les sondes d'oscilloscope que l'on projette d'utiliser sont de niveau équivalent, ou supérieur, à la largeur de bande de l'oscilloscope. Certains fabricants proposent des prix plus bas en offrant des sondes de moindre qualité avec l'oscilloscope et ne fournissent que les largeur de bande de haute qualité, dont on a besoin pour pour tirer le meilleur profit de l'oscilloscope, en supplément. La plupart des sondes d'oscilloscope peuvent être réglées pour une atténuation entre 1:1 et 10:1. Autant que faire se peut, utiliser le réglage 10:1, car il minimise le chargement sur le circuit pendant les tests et augmente la protection contre la surcharge dans l'éventualité d'un branchement accidentel sur une tension élevée.

Pour les signaux très rapides (>200MHz), les sondes passives commencent à rencontrer des problèmes causés par la capacitance du câble qui retourne à l'oscilloscope. Pour y remédier, il est possible d'investir dans une sonde active FET qui place un amplificateur de tampon à l'extrêmité de la sonde. Pour mesurer de hautes tension, par exemple >100V , secteur et tension à 3 phases, la solution la plus sûre est d'utiliser une sonde isolante différentielle d'oscilloscope

Types d'oscilloscope

En gros, les DSO sont répartis en trois catégories: de labo traditionnel, portatifs, et basés sur PC.

Un oscilloscope numérique spécifiquement conçu pour le labo donnera les meilleures performances, et de ce fait sera plus onéreux. Les fonctions telles qu' analyseur de spectre FFT, interfaces PC, unités de disque et imprimantes sont le plus souvent en supplément et chères.

Les oscilloscopes portatifs sont bien évidemment très pratiques pour les ingénieurs qui bougent, mais attention aux affichages médiocres (difficiles à lire à la lumière du soleil) et aux batteries de courte durée. Pour un niveau de performance donné, ils ont également tendance à être le choix le plus coûteux.

Les oscilloscopes basés sur PC deviennent de plus en plus populaires car ils représentent une économie considérable par rapport aux oscilloscopes de labo équivalents. La raison de cette économie est évidente: si l'on utilise un PC produit en masse que l'on a déjà sur son bureau, on bénéficie gratuitement d'un grand affichage couleur, d'un microprocesseur rapide, d'unités de disque dur et d'un clavier. La possibilité d'exporter des données vers des traitements de textes et des tableurs en deux clics de souris est aussi un gros avantage.

Les oscilloscopes basés sur PC sont de deux types : externes et internes. Les oscilloscopes internes basés sur PC sont généralement sous forme de cartes à fiche de format PCI. En principe, ceci devrait être l'option la plus économique, mais cela ne se vérifie pas toujours. Le plus gros inconvénient des cartes PC est le bruit - l'intérieur d'un PC peut constituer un environnement électrique très bruyant et certaines cartes en souffrent. En outre, les oscilloscopes basés sur cartes PC sont peu maniables du fait qu'on ne peut les utiliser qu'en conjonction avec un seul oscilloscope de labo.

Les oscilloscopes externes basés sur PC ont la forme d'une petite boîte se connectant sur le PC soit par l'USB, soit par le port parallèle. En gardant tous les outils électroniques analogiques hors du PC, cela évite le problème de bruit. Le deuxième avantage des oscilloscopes externes basés sur PC est leur portabilité - on peut les utiliser soit avec les PC de labo, soit avec les PC portables.

Conclusion

Tel le dinosaure, l'oscilloscope analogique est d'un autre temps. Les DSO voient leur pérennité assurée par les critères de coût et de performance. Il ne reste plus qu'à décider quel type acheter.

Lorsque l'on choisit entre plusieurs oscilloscopes, bien tenir compte de ce qui suit:

• Essayer avant d'acheter - et ne pas hésiter à comparer différents oscilloscopes de différentes marques. Si le revendeur ne propose pas la garantie « satisfait ou remboursé », il est préférable de ne pas s'engager.
• Pour les oscilloscopes d'un coût plus élevé, demander des démos et s'assurer que les démos sont réalisées avec les signaux que l'on souhaite mesurer, et non seulement des signaux mettant en valeur la performance de l'oscilloscope.
• Lors de l'achat d'un oscilloscope, quelqu'il soit, se renseigner sur les mises à niveau et vérifier ce qui est inclus dans le prix. Pour les oscilloscopes basés sur PC, s'assurer que les logiciels sont inclus et demander si les mises à jour de ces derniers seront en supplément. Pour les oscilloscopes de labo, vérifier le prix des câbles et des logiciels nécessaires à effectuer la connexion aux PC et imprimantes - cela peut ajouter 50% au prix total.
• Vérifier la durée de la garantie. Si le dispositif tombe en panne lors de son utilisation, le revendeur propose-t-il d'en prêter un autre le temps de la réparation ?
• Finalement, consulter les guides d'achat indépendants pour les oscilloscopes sur l'Internet en procédant par exemple à une recherche sur Yahoo!.

En conclusion, et par ordre de priorité, c'est largeur de bande, taux d'échantillonnage (temps réel et/ou temps équivalent) et ensuite capacité de mémoire. Remarque : la largeur de bande et le taux d'échantillonnage n'ont, sur la plupart des DSO, pas de possiblilité de mise à niveau, donc une fois que l'on a dépensé une certaine somme pouvant aller jusqu'à $60,000 (€70 000) le choix est définitif.