Effectuer des mesures de réponse en fréquence simples et rapides avec un oscilloscope

Vous voulez vérifier la réponse en fréquence d'un filtre ou mesurer la largeur de bande d'un amplificateur ? Pas besoin de vous équiper d'un analyseur de réseau ou de réponse en fréquence. Vous pouvez réaliser ces mesures avec un oscilloscope et une onde carrée à front rapide.

Les mesures de réponse en fréquence nécessitent une entrée à amplitude constante sur la gamme de fréquences concernée par la mesure. Il existe trois types de signaux avec un spectre de fréquences plat : sinusoïdal de balayage, impulsion et bruit large bande. Parmi ces trois signaux, la réponse impulsionnelle génère le résultat le plus rapide. La question est donc la suivante : comment obtenir une forme d'onde impulsionnelle ?

Rappelez-vous les bases de l'analyse d'un circuit : l'impulsion est la dérivée de la fonction échelon. Si vous avez la réponse à un échelon du dispositif que vous testez, vous pouvez la convertir en réponse impulsionnelle en la différentiant. La plupart des oscilloscopes de table incluent l'intégration et la différentiation dans leurs ensembles de fonctions mathématiques. Dans cet exemple, l'oscilloscope 500 mégahertz (MHz) HDO4054A de Teledyne LeCroy est utilisé. La largeur de bande de l'oscilloscope doit être au moins cinq fois supérieure à celle du dispositif testé afin que les erreurs d'amplitude systématiques restent inférieures à un demi-décibel (dB). L'oscilloscope WAVESURFER-3054Z de Teledyne LeCroy est une autre alternative.

Comment obtenir une fonction échelon ? C'est facile. Le front de montée ou de descente isolé d'une onde carrée ou d'une impulsion est une fonction échelon : la différentiation de la fonction échelon permet de générer une impulsion. La Figure 1 illustre ce principe pour le front de montée d'une onde carrée de 10 kilohertz (kHz) (tracé du haut).

Figure 1 : Le front de montée d'une onde carrée de 10 kHz devient une impulsion lorsqu'il est différentié. Le spectre de l'impulsion est plat, avec une largeur de bande inversement proportionnelle au temps de montée de l'onde carrée. (Source de l'image : Art Pini)

L'oscilloscope ne capture que 5 microsecondes (ms) du front. Le reste de l'onde carrée de 100 ms est hors écran. La fonction échelon est différentiée à l'aide de la capacité mathématique de l'oscilloscope et représentée par le tracé du milieu. La transformation de Fourier rapide (FFT) de l'impulsion est illustrée dans le tracé du bas. La largeur de bande de l'impulsion est déterminée par le temps de montée de l'onde carrée. Dans le cas présent, le temps de montée est mesuré à 4 nanosecondes (ns), comme indiqué dans le paramètre de mesure P1 sous les tracés. La largeur de bande de l'impulsion peut être calculée en divisant 0,35 par le temps de montée pour un oscilloscope avec réponse en amplitude unipolaire.

Le résultat pour cet exemple s'élève à 87,5 MHz, indiqué par le curseur à droite sur le tracé FFT, avec une mesure numérique dans la zone d'annotation M3 du tracé mathématique. L'amplitude de la FFT à 87,5 MHz est de 116,48 dB par rapport à l'amplitude FFT maximum de 119,43 dB, soit environ -3 dB par rapport au maximum, ce qui confirme la largeur de bande du signal.

La source du signal pour la mesure de la réponse en fréquence devrait entraîner des ondes carrées ou des formes d'ondes impulsionnelles suffisamment rapides pour fournir une largeur de bande de mesure adéquate. Le front de 4 ns utilisé dans la Figure a été généré par un générateur de formes d'ondes arbitraires 150 MHz T3AWG2152-D de Teledyne LeCroy. Le T3AFG200 de Teledyne LeCroy, un générateur de fonctions arbitraires de 200 MHz et 2,4 giga-échantillons par seconde (Géch./s), constitue une source de signal avec un temps de montée encore plus rapide de 2 ns. Le temps de montée de 2 ns offre une largeur de bande de signal de 175 MHz.

Réponse en fréquence d'un filtre passe-bas numérique

L'exemple suivant mesure la réponse en fréquence d'un filtre passe-bas numérique à l'aide de l'oscilloscope HDO4054A de Teledyne LeCroy et du générateur T3AWG2152-D (Figure 2). Ces mesures de filtre apparaissent dans la colonne de gauche des tracés.

Le signal échelon est appliqué à l'entrée du filtre. La sortie du filtre est différentiée et affichée. Notez que le filtre a élargi la réponse impulsionnelle en raison de sa largeur de bande limitée. La sortie du filtre est appliquée à la FFT et sa moyenne est utilisée pour produire la réponse en fréquence du filtre.

Figure 2 : Le signal échelon (tracé en haut à gauche) est appliqué à l'entrée du filtre. La sortie du filtre est différentiée et affichée sur le tracé du milieu à gauche. La FFT du signal filtré (tracé en bas à gauche) montre la réponse en fréquence du filtre. (Source de l'image : Art Pini)

Les curseurs sur la FFT de la sortie du filtre mesurent la largeur de bande de -3 dB dans la zone d'annotation F2 à une fréquence de 18,6 MHz : il s'agit de la largeur de bande du filtre. Dans le même temps, le curseur sur la FFT de la fonction impulsionnelle (tracé en bas à droite) montre une atténuation de seulement 0,12 dB dans la zone d'annotation M3 à 18,6 MHz, ce qui indique que la source du signal est essentiellement plate.

Conclusion

Comme illustré, la réponse des composants qui dépendent de la fréquence peut être mesurée rapidement et facilement — sans avoir besoin d'analyseurs de réseau ou de réponse en fréquence — à l'aide des fonctions basiques d'un oscilloscope sur une onde carrée avec un front rapide.