Sa première question fut : « Pourquoi utilisez-vous un oscilloscope à échantillonnage pour cette expérience ? » Cette question me prit complètement au dépourvu. Je me demandai quelle était la différence entre un oscilloscope à échantillonnage et un oscilloscope en temps réel, à quelles applications chacun était utilisé et où ils se recoupaient.
Les oscilloscopes temps réel sont souvent appelés DSO ou MSO (oscilloscopes à mémoire numérique ou oscilloscopes à signaux mixtes). La plupart des oscilloscopes actuellement disponibles sur le marché sont des oscilloscopes temps réel. Ces oscilloscopes offrent généralement des bandes passantes allant de quelques MHz à plusieurs dizaines de GHz, et leurs prix varient de quelques centaines d'euros à plusieurs milliers d'euros. Les oscilloscopes à échantillonnage, généralement appelés DCA (analyseurs de communication numérique), offrent généralement des bandes passantes de l'ordre de plusieurs dizaines de GHz et sont principalement utilisés pour l'analyse des bus série haut débit, des dispositifs optiques et des signaux d'horloge. Cependant, avec l'augmentation des bandes passantes, les oscilloscopes à échantillonnage et les oscilloscopes temps réel commencent à se chevaucher dans plusieurs domaines d'application.
Le processus de numérisation des oscilloscopes temps réel et à échantillonnage est fondamentalement le même. Le signal d'entrée traverse le circuit de conditionnement de signal de l'oscilloscope, est numérisé, stocké en mémoire, puis affiché à l'écran. Cependant, la technologie employée est totalement différente.
Oscilloscopes temps réel
: Comment fonctionnent-ils ? Les oscilloscopes temps réel intègrent des circuits intégrés spécifiques (ASIC) de déclenchement permettant à l’utilisateur de spécifier des événements particuliers, tels qu’une montée de seuil de tension, l’établissement et la rupture d’un seuil de maintien, ou un déclenchement par motif. En mode d’acquisition normal, lorsque le circuit de déclenchement détecte un tel événement, l’oscilloscope capture et enregistre des points d’échantillonnage contigus autour de ce point de déclenchement, puis met à jour l’affichage avec les données capturées. Les oscilloscopes temps réel peuvent fonctionner en mode mono-acquisition ou en mode répétitif. En mode mono-acquisition, l’oscilloscope acquiert et affiche une seule acquisition d’échantillons consécutifs, déterminée par la profondeur de mémoire et la fréquence d’échantillonnage définies sur l’oscilloscope. L’utilisateur peut faire défiler et zoomer sur tout événement intéressant observé lors de l’acquisition après la capture d’une trace. En mode continu, l’oscilloscope acquiert et affiche en continu chaque condition correspondant à sa spécification de déclenchement. La persistance variable ou infinie permet de superposer des acquisitions successives au signal d’origine. Le mode répétitif est fréquemment utilisé car il permet une visualisation en direct du dispositif testé. Des mesures telles que le temps de montée ou la largeur d'impulsion, ainsi que des analyses comme les calculs mathématiques ou la transformée de Fourier rapide (FFT), peuvent être effectuées en mode unique ou sur une série d'acquisitions répétitives. La plupart des oscilloscopes temps réel fonctionnant dans une bande passante inférieure à 6 GHz disposent d'entrées 1 MΩ et 50 Ω, ce qui permet leur utilisation avec une grande variété de sondes et de câbles.
Les oscilloscopes temps réel sont définis par trois spécifications principales : la bande passante, la fréquence d’échantillonnage et la profondeur de mémoire. Cependant, il est clair que de nombreuses autres spécifications importantes sont à prendre en compte lors du choix d’un oscilloscope temps réel.
Les oscilloscopes à grande mémoire offrent les trois avantages distincts suivants :
1. La mémoire profonde permet de capturer une fenêtre temporelle plus longue à une fréquence d'échantillonnage spécifique. La capacité de mémoire détermine le nombre d'échantillons pouvant être stockés par acquisition et, par conséquent, la durée de la fenêtre temporelle de capture. Plus le nombre d'échantillons pouvant être acquis en une seule acquisition est élevé, plus le risque qu'un événement parasite survienne pendant cette acquisition est important.
2. La mémoire profonde permet aux utilisateurs de maintenir une fréquence d'échantillonnage plus rapide avec des bases de temps plus lentes, ce qui améliore la précision des mesures. Par exemple, avec 10 Mpts de mémoire et une fréquence d'échantillonnage de 10 Géch./s, un réglage horizontal de 1 µs/div utilisera 1 Gpt de données (il s'agit de la limite absolue de nombreux oscilloscopes actuels). Si l'utilisateur passe à un réglage de base de temps de 10 µs/div, l'oscilloscope échantillonnera à un dixième de la fréquence initiale pour capturer la même fenêtre temporelle. Cependant, un oscilloscope doté d'une mémoire de 100 Mpts permettrait à l'utilisateur de maintenir une fréquence d'échantillonnage élevée de 10 Géch./s tout en capturant simultanément l'intégralité de la fenêtre temporelle de 20 µs.
3. La mémoire profonde permet des mesures et des calculs statistiques plus précis. En analysant l'écart du temps de montée, la FFT et les mesures de gigue sur une large gamme de fronts, nous avons constaté que toutes les mesures bénéficiaient de l'acquisition en mémoire profonde.
Oscilloscopes à échantillonnage
: Comment fonctionnent-ils ? Les oscilloscopes à échantillonnage sont conçus spécifiquement pour la capture, l’affichage et l’analyse de signaux répétitifs. Leurs capacités de déclenchement sont également optimisées pour ce type de signaux. Un oscilloscope à échantillonnage capture une série d’échantillons non contigus, séparés dans le temps, dès la détection du premier déclenchement. L’oscilloscope retarde le déclenchement, capture la série de points suivante et l’affiche sur son écran, simultanément à la première série. Ce processus se répète, créant ainsi le signal de manière continue et persistante. L’un des éléments clés de cette technologie est l’interpolation du déclenchement, qui contrôle la résolution temporelle entre les déclenchements afin d’améliorer la précision des mesures. La profondeur de mémoire n’est ni critique ni nécessaire, car seuls quelques points sont capturés et traités à chaque déclenchement. La fréquence d’échantillonnage est également moins critique. L’élément le plus important est la précision du délai entre deux déclenchements successifs, ce dernier étant légèrement retardé par rapport au premier.
Oscilloscopes à échantillonnage vs. oscilloscopes temps réel :
comme mentionné précédemment, la bande passante des oscilloscopes temps réel actuels dépasse 60 GHz, tandis que celle des oscilloscopes à échantillonnage excède 90 GHz. Par conséquent, pour la plupart des applications numériques, la bande passante n’est plus le critère le plus simple pour choisir un oscilloscope. Cela dit, il ne faut pas oublier que le prix est également un facteur déterminant. Un oscilloscope à échantillonnage 50 GHz complet coûte moins de 115 000 €, tandis que le prix d’un oscilloscope temps réel avoisine les 300 000 €. Le concepteur doit donc analyser si la plus grande flexibilité offerte par un oscilloscope temps réel justifie son prix plus élevé.
Bruit et rapport signal/bruit :
Outre les différences mentionnées précédemment, de nombreuses autres existent entre un oscilloscope à échantillonnage et un oscilloscope temps réel. Les oscilloscopes à échantillonnage intègrent un convertisseur analogique-numérique (CAN) 14 bits et offrent donc une très large plage dynamique, leur permettant d’analyser des signaux de quelques millivolts à 1 volt sans atténuation. C’est pourquoi ils présentent un très faible bruit, quelle que soit la tension par division. Un oscilloscope temps réel, quant à lui, est limité à une plage dynamique de 8 bits, mais affiche généralement environ 6 bits effectifs. Du fait de son rapport signal/bruit limité, l’utilisation d’atténuateurs est nécessaire pour visualiser correctement les signaux de quelques millivolts à plusieurs volts. Concrètement, cela signifie que les oscilloscopes temps réel présentent un bruit plus élevé que les oscilloscopes à échantillonnage. Le faible niveau de bruit de ces derniers leur a valu d’être considérés comme la référence en matière de métrologie. Cependant, les oscilloscopes temps réel progressent constamment et commencent à réduire l’écart en termes d’intégrité du signal.
Réponse en fréquence.
Un autre aspect à prendre en compte lors du choix entre un oscilloscope temps réel et un oscilloscope à échantillonnage est leur réponse en fréquence. Les oscilloscopes à échantillonnage n'utilisent généralement pas de correction par traitement numérique du signal (DSP) et présentent donc une réponse en fréquence à atténuation lente (réponse matérielle) avec une allure plus gaussienne. Les oscilloscopes temps réel peuvent implémenter un DSP et, par conséquent, corriger leur réponse en fréquence. Par exemple, le modèle Agilent DSOX93304Q utilise une réponse en fréquence plate sur toute sa bande passante, ce qui signifie que son gain ne varie pas de plus de 1 dB sur la plage de fréquences de l'oscilloscope.
Les réponses en fréquence des oscilloscopes temps réel peuvent varier. Certains fabricants proposent jusqu'à cinq réponses différentes, chacune avec ses propres caractéristiques. Une analyse comparative entre une réponse plate et une réponse gaussienne donne deux mesures totalement différentes. L'atténuation gaussienne, par exemple, peut influencer une mesure et introduire des interférences entre les symboles. Une réponse plate à atténuation rapide peut présenter des oscillations transitoires si un signal est suffisamment rapide pour dépasser la bande passante de l'oscilloscope. Dans tous les cas, il est important de comprendre comment le matériel peut affecter les mesures.
Différences liées à la capture d'horloge :
La capture d'horloge est un élément essentiel des mesures à l'oscilloscope. Elle permet la surveillance en temps réel, le test de masques et la séparation des variations de gigue. Une horloge capturée sert de référence pour la comparaison des mesures. Jusqu'à récemment, les oscilloscopes à échantillonnage s'appuyaient exclusivement sur le matériel pour la capture d'horloge. Par conséquent, que l'horloge soit explicite ou qu'il s'agisse de l'horloge interne de 10 MHz fournie par l'oscilloscope, le système de capture était sujet aux erreurs. Ce problème a évolué : les oscilloscopes à échantillonnage Agilent proposent désormais un système de capture d'horloge logiciel, idéal pour une capture précise. Les oscilloscopes temps réel utilisent presque toujours la capture d'horloge logicielle, mais offrent également l'option de la capture d'horloge explicite. L'avantage de la capture d'horloge logicielle réside, une fois encore, dans son insensibilité aux erreurs matérielles et dans sa capacité à positionner les fronts correctement, quel que soit le débit de données.
Outre les différences entre l'acquisition d'horloge matérielle et logicielle, l'algorithme d'acquisition utilisé doit également être pris en compte. Les oscilloscopes à échantillonnage utilisent généralement une fonction de transfert de gigue (JTF), tandis que les oscilloscopes temps réel utilisent une fonction de transfert de gigue optique (OJTF). L'OJTF écrête davantage la gigue basse fréquence qu'une JTF. Par conséquent, les mesures de gigue sont nettement inférieures sur les oscilloscopes temps réel que sur les oscilloscopes à échantillonnage. Ces mesures peuvent être rétablies simplement en configurant les deux oscilloscopes sur la même fonction de transfert. Grâce aux récents progrès technologiques des oscilloscopes à échantillonnage, cette opération est désormais possible et simplifie considérablement les comparaisons de gigue.
Quand utiliser un oscilloscope à échantillonnage et quand utiliser un oscilloscope temps réel :
Historiquement, les oscilloscopes à échantillonnage offraient de nombreux avantages par rapport aux oscilloscopes temps réel en termes de bande passante maximale et de gigue intrinsèque. Cependant, au cours de la dernière décennie, les oscilloscopes temps réel ont considérablement réduit cet écart, au point que les utilisateurs effectuant des tests d'émetteurs-récepteurs peuvent désormais choisir entre un oscilloscope temps réel et un oscilloscope à échantillonnage. L'oscilloscope à échantillonnage présente toujours une gigue plus faible et une plage dynamique bien plus étendue, ce qui le rend idéal pour la caractérisation en environnement contrôlé. Si le signal est reproductible ou peut être capturé visuellement en temps réel, l'oscilloscope à échantillonnage fournira une représentation fidèle de votre signal.
Dans le cas d'un oscilloscope temps réel, sa flexibilité est un atout majeur. Si l'utilisateur effectue des tâches de débogage et souhaite un déclenchement basé sur des événements difficiles à identifier, un oscilloscope temps réel est idéal. Les utilisateurs d'oscilloscopes temps réel peuvent choisir parmi une grande variété d'applications pour la conformité, le décodage et le déclenchement de protocoles, ainsi que l'analyse. L'oscilloscope temps réel peut également mesurer la gigue sur des acquisitions uniques, ce qui en fait une excellente option pour l'analyse des causes profondes des défaillances. La plupart des méthodes de mise en œuvre des normes utilisent également des oscilloscopes temps réel pour les tests d'émetteurs ; un utilisateur peut donc avoir besoin d'un oscilloscope temps réel pour garantir la conformité de ses appareils.
En conclusion
, les oscilloscopes temps réel constituent un excellent choix pour la plupart des applications. Disponibles dans une large gamme de bandes passantes, ils peuvent capturer des événements ponctuels et des signaux répétitifs, et leurs performances en matière de mesures haute fréquence, telles que la gigue et la caractérisation des émetteurs, ont été améliorées. Si votre application implique une forme d'onde répétitive exigeant une faible gigue et une plage dynamique élevée, un oscilloscope à échantillonnage est la solution optimale. Ces oscilloscopes présentent également l'avantage d'un coût initial plus bas et d'une modularité permettant des mises à niveau, ce qui en fait une option adaptée aux applications de test en production électrique et optique. Si vous travaillez avec des fréquences supérieures à 20 GHz et que vous hésitez sur le type d'oscilloscope à choisir, nous vous recommandons de contacter un fournisseur proposant à la fois des oscilloscopes à échantillonnage et des oscilloscopes temps réel. Contrairement à un fournisseur ne proposant que des oscilloscopes temps réel ou disposant d'une sélection limitée d'oscilloscopes à échantillonnage, il aura à cœur de vous fournir l'appareil le mieux adapté à vos besoins.
Auteurs :
Joel Woodward et Brig Asay. Division des produits oscilloscopes, Agilent Technologies
