Principes fondamentaux des oscilloscopes 8 bits par rapport aux oscilloscopes 12 bits, et comment utiliser les oscilloscopes 12 bits modernes

Il existe de nombreuses applications dans lesquelles les concepteurs et les ingénieurs de test et de mesure doivent effectuer des mesures à plage dynamique élevée pour examiner de très petits signaux en présence de grandes amplitudes de signaux. La garantie de l'intégrité de l'alimentation, les systèmes de télémétrie et de localisation par écho comme les radars et sonars, les systèmes d'imagerie médicale comme la résonance magnétique nucléaire (RMN) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM), ainsi que les tests non destructifs utilisant les ultrasons, font partie de ces types d'applications.

Les oscilloscopes sont bien sûr l'outil de référence pour effectuer ces mesures lors des étapes de développement et de prototypage du système, mais ils sont principalement limités par la résolution verticale du circuit d'entrée de l'oscilloscope. Par exemple, un oscilloscope 8 bits a une plage dynamique de 256:1, donc sur une plage de 1 volt (V), le signal minimum théorique est de 3,9 millivolts (mV). Lorsque l'on essaie de visualiser des signaux d'ondulation de niveau millivolt sur un bus de 3,3 V, une sensibilité et une plage de décalage plus élevées sont nécessaires. De plus, lorsque l'on utilise des sondes à haute atténuation pour éviter de charger les circuits, les niveaux de signal seront atténués à l'entrée de l'oscilloscope et seront donc difficiles à mesurer à moins que l'instrument n'ait une haute résolution.

Le problème est qu'une sensibilité plus élevée en présence d'un signal ou d'un décalage plus important nécessite des oscilloscopes à plus haute résolution, et ceux-ci sont généralement coûteux, en particulier pour un oscilloscope de qualité avec des entrées à faible bruit. Une résolution plus élevée sans un bruit de fond plus faible ne sert à rien.

Ce dont les concepteurs et les développeurs ont besoin, c'est d'un oscilloscope 12 bits à prix raisonnable avec un faible niveau de bruit frontal. Une solution économique à cette exigence de haute résolution avec un faible bruit frontal est la série d'oscilloscopes haute définition WaveSurfer 4000HD de Teledyne LeCroy. Cet article traite de la difficulté des mesures à plage dynamique élevée, du rôle des oscilloscopes haute définition et de la manière dont ils peuvent être utilisés efficacement pour les mesures à plage dynamique élevée.

Résolution verticale de l'oscilloscope

La résolution verticale d'un oscilloscope fait référence au rapport entre le signal d'entrée le plus élevé que l'oscilloscope peut traiter et la plus petite amplitude de signal qu'il peut détecter. La résolution est généralement quantifiée par le nombre de bits dans le convertisseur analogique-numérique (CAN). La résolution est égale à 2 élevée à la puissance du nombre de bits. Ainsi, un convertisseur 8 bits a une résolution de 2⁸ ou 256:1. Un convertisseur 12 bits a une résolution de 4096:1, soit 16 fois plus qu'un convertisseur 8 bits.

Pendant des années, les oscilloscopes numériques ont offert une résolution 8 bits dans les oscilloscopes à bande passante plus élevée, en raison d'un compromis technique dans les CAN qui rend la résolution, mesurée par le nombre de bits, inversement proportionnelle au taux d'échantillonnage maximum du CAN. Il y a environ huit ans, Teledyne LeCroy a lancé des oscilloscopes 12 bits appelés oscilloscopes haute définition ou HD. Ils ont récemment ajouté la série WaveSurfer 4000HD à la ligne de produits HD. La série inclut quatre oscilloscopes avec des largeurs de bande de 200, 350, 500 et 1000 mégahertz (MHz). Ils échantillonnent tous à 5 giga-échantillons par seconde (Géch./s), ce qui est très respectable pour un oscilloscope 12 bits. Des entrées numériques à signaux mixtes internes, un DVM, un générateur de fonctions et un compteur de fréquence sont disponibles pour compléter cette offre multi-instruments, et ce avec une résolution de 12 bits à un prix raisonnable.

Bien entendu, l'augmentation de la résolution d'un oscilloscope ne se limite pas à changer le CAN. Il faut également améliorer le rapport signal/bruit (SNR) du circuit d'entrée de l'oscilloscope afin que le CAN sensible ne soit pas affecté par le bruit. Un oscilloscope 12 bits avec un circuit d'entrée 8 bits reste un oscilloscope 8 bits. La gamme d'oscilloscopes WaveSurfer 4000HD implémente cependant le concept de haute définition. Sa résolution verticale de 12 bits, associée à un circuit d'entrée à faible bruit, fournit des performances 12 bits qui, dans le monde réel, est en fait 16 fois plus sensible sur une plage d'amplitude donnée qu'un oscilloscope 8 bits.

Mesures 12 bits contre 8 bits

Les oscilloscopes HD sont destinés aux applications de mesure dont les formes d'onde présentent une plage dynamique élevée. Il s'agit de mesures qui incluent simultanément un élément de signal de grande amplitude et des niveaux de signal faibles. Prenez l'exemple d'une application telle qu'un télémètre à ultrasons. Il émet une impulsion de grande amplitude, puis attend un écho de faible amplitude de la cible. Le signal de grande amplitude détermine la plage de tensions de l'amplificateur vertical de l'oscilloscope qui est nécessaire. La résolution et le bruit système déterminent le plus petit signal d'écho pouvant être mesuré (Figure 1).

Figure 1 : Le même signal ultrasonore rendu avec une résolution verticale de 12 bits et 8 bits. La trace supérieure comprend les deux versions du signal complet superposées. Les traces inférieures montrent une partie zoomée de la forme d'onde. Il y a peu de différence si l'on considère les éléments du signal de grande amplitude, mais les signaux de plus faible niveau présentent un net avantage pour le rendu 12 bits. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La grille du haut montre les signaux acquis en résolutions 12 bits et 8 bits superposées. Il y a peu de différences observables entre les formes d'ondes superposées. La grille du milieu montre que la forme d'onde de 12 bits s'est développée à la fois horizontalement et verticalement. La grille du bas est la même partie de la forme d'onde 8 bits. La perte de détails pour les signaux de bas niveau dans la version 8 bits est assez évidente. Notez également que les crêtes de signaux dans le rendu 12 bits présentent des différences évidentes qui sont perdues dans la version 8 bits.

Applications de mesure à plage dynamique élevée

Les mesures à plage dynamique élevée comprennent toutes les applications de télémétrie et de localisation par écho comme radar, sonar et LiDAR. De nombreuses technologies d'imagerie médicale comme RMN et IRM reposent sur des techniques similaires : faire rebondir une impulsion transmise de haut niveau sur le corps et acquérir et analyser les échos ou les émissions stimulées par le signal transmis. De même, les technologies basées sur les ultrasons, comme le test non destructif (NDT), utilisent les impulsions ultrasonores réfléchies pour découvrir les fissures et les défauts dans les matériaux solides.

Les mesures d'intégrité de l'alimentation, où les petits signaux, en millivolts, comme le bruit et l'ondulation, sont mesurés sur des tensions de bus comprises entre 1 V et 48 V, ou plus, nécessitent également des oscilloscopes à plage dynamique élevée.

Envisagez de mesurer les signaux provenant même d'un simple télémètre à ultrasons ou d'un distancemètre électronique (Figure 2). Le télémètre à ultrasons émet cinq impulsions pour chaque mesure, espacées d'environ 16,8 ms dans le temps. Plutôt que de capturer le temps mort entre ces impulsions, l'oscilloscope 12 bits WaveSurfer 4104HD de Teledyne LeCroy utilise une acquisition en mode séquence qui décompose la mémoire de l'oscilloscope en un nombre de segments choisis par l'utilisateur, cinq dans cet exemple.

Figure 2 : Oscilloscope WaveSurfer 4104HD de Teledyne LeCroy utilisé pour l'acquisition d'un signal de télémètre à ultrasons de 40 kilohertz (kHz). En haut, il montre cinq impulsions pour chaque mesure, espacées d'environ 16,8 millisecondes (ms). (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Chaque segment acquiert une impulsion transmise et horodate le point de déclenchement. La trace du haut est la forme d'onde acquise avec chaque segment marqué. Une trace de zoom (grille du bas) montre un segment sélectionné, en l'occurrence le premier. Le tableau en bas de l'écran montre les horodatages marquant l'heure de chaque déclenchement, le temps écoulé depuis le segment 1 et le temps entre les segments. L'impulsion émise a une amplitude crête-à-crête de 362 mV, tandis que l'écho réfléchi a une amplitude crête-à-crête de seulement 21,8 mV. C'est cette différence d'amplitude qui en fait une mesure à plage dynamique élevée. La Figure utilise une amplitude d'écho qui peut être vue à l'écran, mais la résolution de 12 bits capture ce signal à des amplitudes inférieures au rendu en pixels de l'oscilloscope, comme illustré à la Figure 1.

Les mesures d'intégrité de l'alimentation nécessitent également des oscilloscopes à plage dynamique élevée. Les mesures de tension d'ondulation exigent de pouvoir mesurer les signaux en millivolts circulant dans les bus d'alimentation. Dans l'exemple de la Figure 3, la trace supérieure mesure l'ondulation sur un bus de 5 V. La tension d'ondulation est de 45 mV_peak-to-peak sur une tension de bus de 4,98 V, telle que directement lue en utilisant les paramètres de mesure P2 et P1 du WaveSurfer 4104HD, respectivement. La trace inférieure est la transformation de Fourier rapide (FFT) de la tension d'ondulation montrant un spectre riche en harmoniques avec une composante fondamentale de 982 Hz.

Figure 3 : Une mesure d'intégrité de l'alimentation sur un bus de 5 V pour une carte fille montre la tension d'ondulation et la transformation de Fourier rapide de l'ondulation. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

En plus d'une haute résolution, cette application requiert un oscilloscope avec une plage de décalage correcte. Dans cet exemple, l'oscilloscope a une plage de décalage de ±8 V sur l'échelle de 10 mV. La plage de décalage évolue avec la plage verticale de l'oscilloscope. Si une plus grande plage de décalage est requise, Teledyne LeCroy propose la sonde de rail RP4030 avec une plage de décalage de 30 V. Les sondes de rail sont spécialement conçues pour sonder les rails d'alimentation à faible impédance. Elles se caractérisent par un grand décalage intégré, une haute impédance d'entrée, une faible atténuation et un faible bruit. Cette sonde particulière présente une largeur de bande de 4 gigahertz (GHz), une atténuation de 1,2 et une impédance d'entrée de 50 kilohms (kΩ).

Les oscilloscopes HD peuvent également gérer des mesures de tensions plus élevées comme celles rencontrées dans les convertisseurs de puissance à découpage (SMPC). Les convertisseurs de puissance à découpage incluent les alimentations, les onduleurs et les contrôleurs industriels. Ils contrôlent la puissance en ajustant le rapport cyclique ou la fréquence d'une forme d'onde commutée. Les principales mesures concernent la tension et le courant traversant le ou les dispositifs de commutation de puissance, généralement un transistor à effet de champ (FET). Pour aider les développeurs avec les mesures de convertisseurs de puissance à découpage, Teledyne LeCroy fournit un logiciel spécifique à l'application et des sondes de tension et de courant. Une mesure typique est illustrée à la Figure 4.

Figure 4 : La caractérisation des pertes d'un convertisseur de puissance à découpage consiste à mesurer la tension et le courant des dispositifs de commutation de puissance, puis à calculer la perte de puissance dans chaque phase du cycle de commutation de puissance. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le courant (la trace rose) est mesuré avec une sonde de courant modèle CP030A de Teledyne LeCroy. Cette sonde à pince a une entrée de courant maximum de 30 ampères (A) et une largeur de bande de 50 MHz. La forme d'onde de tension, représentée par une trace beige, est mesurée à l'aide d'une sonde différentielle haute tension HVP1306 de Teledyne LeCroy. Cette sonde est conçue pour une tension CATIII maximum de 1000 V à une largeur de bande de 120 MHz. Les deux sondes sont reconnues par l'oscilloscope WaveSurfer, qui met automatiquement à l'échelle les formes d'ondes mesurées pour tenir compte des gains et des unités de mesure de la sonde.

Le logiciel de mesure de puissance automatise les mesures de convertisseurs de puissance à découpage les plus courantes. La Figure 4 montre le calcul de la dissipation de puissance du dispositif (trace jaune). Elle est calculée à partir des formes d'ondes de courant et de tension pour le cycle de commutation complet. Les paramètres de mesure permettent d'isoler et d'afficher les pertes à la mise sous tension, par conduction, à la mise hors tension et à l'état bloqué en fonction des formes d'ondes acquises, chaque zone étant clairement délimitée par une superposition de couleurs. La perte totale de toutes les zones ainsi que la fréquence de commutation sont également illustrées. D'autres mesures disponibles, en plus des mesures des dispositifs illustrés dans la Figure, aident à caractériser la dynamique de la boucle de commande, la puissance de la ligne et les caractéristiques de performances telles que le rendement.

La résolution 12 bits est également utile pour les mesures de puissance lors du calcul de la résistance drain-source (Rds) du FET de puissance. Cela nécessite de mesurer une tension de l'ordre d'un ou deux volts sur une forme d'onde avec une oscillation crête-à-crête de l'ordre de 400 V. La série WaveSurfer 4000HD est compatible avec toutes les sondes de Teledyne LeCroy, compatibles avec les largeurs de bande de l'oscilloscope (Figure 5).

Figure 5 : Les oscilloscopes WaveSurfer 4000HD de Teledyne LeCroy sont compatibles avec la vaste ligne de sondes de la société, y compris les sondes de mesure de puissance présentées ici. (Source de l'image : Teledyne LeCroy)

Un large éventail d'applications définit des normes plus élevées pour les oscilloscopes à toute épreuve

La série WaveSurfer 4000HD n'est pas limitée aux applications à plage dynamique élevée. Elle offre d'excellents oscilloscopes à part entière et peut établir une norme plus élevée pour les oscilloscopes « à toute épreuve ». C'est un bon choix pour le dépannage de données série à faible vitesse, offrant des sondes et des packs d'analyse pour prendre en charge les bus série tels que SPI, I²C, les liaisons basées sur UART, ainsi que les bus automobiles comme LIN, CAN et FLEXRAY.

L'analyse de bus série exige la capacité d'acquérir et de décoder le protocole de bus et de lire le contenu des données (Figure 6). La superposition à codage couleur montre chaque paquet. La superposition rouge indique les données d'adresse tandis que les superpositions bleues marquent les paquets de données. L'adresse et le contenu des données apparaissent dans la superposition. Les informations de décodage sont disponibles en format binaire, hex ou ASCII. Le tableau au bas de l'écran résume les transactions acquises, indiquant le temps par rapport au point de déclenchement, la longueur de l'adresse, l'adresse, la direction (lecture ou écriture), le nombre de paquets et le contenu des données. Le déclenchement peut être basé sur l'activité, l'adresse, le contenu des données ou une combinaison d'adresse et de données.

La sonde différentielle active ZD200 de Teledyne LeCroy constitue un bon choix pour mesurer les données série. Cette sonde 10:1 présente une impédance d'entrée de 1 MΩ et une largeur de bande de 200 MHz, et elle peut gérer des tensions différentielles jusqu'à 20 V et des tensions de mode commun jusqu'à 50 V. Elle est particulièrement bien adaptée aux bus différentiels tels que CAN.

Figure 6 : Le déclenchement série basse vitesse et le décodage du bus I²C permettent de lire le contenu des données du bus. L'illustration montre l'acquisition et le décodage d'un signal de bus I²C pour des opérations de lecture et d'écriture. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Conclusion

Les oscilloscopes 8 bits auront toujours leur place, mais il existe de nombreuses applications qui pourraient bénéficier de la plage dynamique élevée et de la haute définition des oscilloscopes 12 bits. Toutefois, leur coût relativement élevé les a maintenus hors de portée de nombreux concepteurs et ingénieurs de test. Les oscilloscopes WaveSurfer 4000HD de Teledyne LeCroy contribuent largement à résoudre ce problème grâce à un prix d'entrée très inférieur.

Ils fournissent des mesures HD basées sur une résolution verticale 12 bits, un taux d'échantillonnage maximum de 5 Géch./s et un faible bruit de fond. Ils sont également compatibles avec les sondes et les packs de logiciels d'analyse de Teledyne LeCroy. En tant que tel, les oscilloscopes ouvrent la voie à des mesures à plage dynamique élevée rentables et déplacent leur disponibilité du laboratoire de recherche à l'usine ou à la table de travail de l'ingénieur.