Catégorie : Test & Mesure     01/07/2012

Oscilloscopes à plus haute résolution : point sur l'évolution de la technologie…

Crédit photo : TELEDYNE LECROY

Le besoin des utilisateurs en oscilloscopes dotés d’une plus haute résolution est réel et ce, depuis de nombreuses années, et continuera à progresser. La bonne nouvelle est qu’il existe différentes méthodes mises en oeuvre par les grands fabricants permettant d’atteindre cet objectif. Au fil des ans, les oscilloscopes sont devenus des appareils de mesure très pointus par opposition à de simples outils de visualisation. Actuellement, la plupart des oscilloscopes disposent d’un CAN 8 bits et utilisent de multiples techniques pour atteindre une résolution plus élevée. Teledyne Lecroy et Agilent proposent des oscilloscopes dotés d’un CAN 12 bits.

Par Jessy Cavazos, Directeur industriel Test et Mesure, Frost & Sullivan

Contexte

Entretenue par les ingénieurs se focalisant sur les tests d'intégrité du signal de leurs conceptions électroniques ainsi que sur la performance du système d'alimentation, la demande portant sur une plus haute résolution des oscilloscopes continue d’augmenter, celle-ci pemettant une meilleure observation du comportement électrique de ces dispositifs, renforçant ainsi le niveau de confiance dans les résultats de mesure. L’accent est mis aujourd'hui sur les concepts de faible puissance en matière de systèmes de mémoire ainsi que sur les dispositifs mobiles afin de préserver la batterie et maximiser leur performance plus durablement. Les développeurs qui travaillent dans les domaines des communications mobiles et des « smart-device » et qui se concentrent sur l’étude de ces dispositifs portables par définition, sont des utilisateurs clés d’oscilloscopes à haute résolution.

Crédit photo : Agilent Technology

« La diminution du bruit des oscilloscopes est un des éléments essentiels permettant d’offrir une résolution plus élevée. Les équipes de développement peuvent par exemple souhaiter caractériser la consommation électrique des périphériques mobiles qui rentrent dans le mode de sommeil ou en sortent », explique Joel Woodward, Senior Product Manager chez Agilent Technologies.

« De nombreuses équipes souhaitent également analyser les signaux faibles superposés à des signaux plus forts, comme par exemple des ondulations résiduelles sur un rail d'alimentation. Les oscilloscopes dotés d’un nombre de bits de résolution plus élevé permettent cette analyse ».

L'importance croissante de la conception de systèmes embarqués dans ces industries devrait à l'avenir stimuler la demande d’une meilleure résolution des oscilloscopes. L'utilisation de dispositifs embarqués dans un mode mobile ou portable ira bien au-delà de celle des tablettes et smart-phones et ceux-ci n’intégreront pas nécessairement une fonction de téléphone. Cette demande pour une meilleure résolution des oscilloscopes est en outre confortée par l’arrivée de nombreux types de dispositifs sur le marché.

Source : Frost & Sullivan

Outre une résolution plus élevée, les ingénieurs sont également à la recherche d’une capacité d'évaluation et de vérification des différents bus série enfouis dans des dispositifs intelligents permettant d’assurer des communications satisfaisantes entre les puces de la carte et l'interopérabilité avec d'autres fonctions. Ces ingénieurs ne peuvent en effet pas être experts dans toutes les fonctions de ces dispositifs intelligents ainsi que dans les divers bus de série conçus et optimisés pour chaque fonction. « Si le principe de bus de série n’est pas nouveau, leur évolution et leur nombre ont en revanche sensiblement augmenté », souligne Chris Loberg, Senior Marketing Manager chez Tektronix. Les ingénieurs d’étude sont aujourd’hui confrontés au défi de la maîtrise et de la connaissance du comportement de ces bus.

Bien que les industries de communications mobiles et de dispositifs intelligents fassent partie des principaux utilisateurs finaux sollicitant une meilleure résolution des oscilloscopes, cette demande émane généralement des utilisateurs souhaitant obtenir des détails très fins sur les formes d'onde à observer et mesurer. Les fabricants d’oscilloscopes constatent notamment une plus forte demande en provenance du secteur de la médecine et de l'industrie de l’Aérospatiale & Défense.

« Au fil des ans, les oscilloscopes sont devenus des appareils de mesure très pointus par opposition à de simples outils de visualisation », déclare David Graef, Chief Technology Officer de LeCroy. « Les clients attendent aujourd'hui une précision et une résolution beaucoup plus élevées que par le passé des oscilloscopes ». Cela dit, pour le marché haut de gamme, cette attente est freinée par le compromis devant être concédé entre résolution et bande passante. La demande d’une résolution plus élevée se focalise donc actuellement sur des oscilloscopes à bande passante maximum de 500 MHz - 1 GHz. D'un point de vue concurrentiel, plusieurs sociétés proposent aujourd'hui des numériseurs pouvant jouer le rôle d’oscilloscopes. Avec une résolution de 10 ou 12 bits, ces dispositifs montent de plus en plus haut en fréquence. Des numériseurs modulaires, bien que ne se chevauchant que très peu avec les oscilloscopes au niveau du concept, trouvent une plus grande utilisation en production et validation grâce à une offre abondante en matière de convertisseurs analogique-numérique haute résolution.
« National Instruments est déterminé à proposer les technologies les plus récentes pour le PXI », affirme Jordan Dolman, Product Marketing Manager de la société.
« Cela se reflète d’ailleurs dans nos lignes de produits FlexRIO et numériseurs ».

Multiples techniques pour atteindre une résolution plus élevée

Plusieurs techniques, dont certaines sont plus connues que d'autres, peuvent être utilisées pour atteindre une résolution plus élevée avec les oscilloscopes. Une des méthodes consiste à utiliser un oscilloscope doté d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) avec plus de bits, par exemple un CAN de 12 bits. Cela permet d’obtenir des niveaux de quantification plus fins, à savoir que si avec un CAN 8 bits on obtient 256 niveaux, on en obtient 4096 avec un CAN 12 bits. Actuellement, la plupart des oscilloscopes disposent d’un CAN 8 bits mais il existe aujourd’hui sur le marché des oscilloscopes dotés d’un CAN 12 bits, à savoir les modèles d’oscilloscopes haute résolution (HRO) 64Zi et 66Zi de LeCroy lancés début de l'année dernière. Cette société reste à ce jour le seul fournisseur offrant des oscilloscopes à CAN 12 bits. « La gamme de produits que nous prévoyons d'étendre a été bien accueillie sur le marché » déclare Monsieur Graef.

Source : LeCroy

Il est cependant inutile d’intégrer un CAN à résolution plus élevée sans se préoccuper du niveau de bruit inhérent (bruit produit notamment dans l’étage d’entrée de l’oscilloscope, dans le CAN et dans d’autres parties du circuit). Il est donc impératif d’abaisser le plancher de bruit des oscilloscopes dotés d’un CAN à plus haute résolution pour qu’ils puissent quantifier le signal et non pas leur bruit propre. Il est donc essentiel de s'assurer que les utilisateurs puissent recueillir les bénéfices résultant des bits supplémentaires du CAN et ce, à tous les étages de la chaîne de traitement du signal, de l'entrée de l'oscilloscope jusqu’au processus de numérisation. Il est aussi essentiel de maintenir une grande linéarité des amplificateurs sur de grandes plages (les étages d’entrée des oscilloscopes devant gérer une très large gamme dynamique) pour éviter la production de distorsions harmoniques tout en gardant le plancher de bruit le plus bas. Cela représente le plus grand défi technique à relever par les oscilloscopes 12 bits et constitue une des raisons majeures pour lesquelles les oscilloscopes 12 bits sont encore aujourd'hui en disponibilité limitée sur le marché. Les problèmes de bruit peuvent en outre être aggravés par l'utilisation de sondes connectées à l'entrée de l'oscilloscope, lesquelles peuvent également ajouter du bruit.

D'autres techniques disponibles pour atteindre une résolution plus élevée sont notamment le moyennage sur des acquisitions multiples ou le moyennage sur des points multiples en une seule acquisition. Ces techniques sont notamment disponibles sur les oscilloscopes de Tektronix, Agilent Technologies et LeCroy. Le calcul de la moyenne permet à l'utilisateur de prendre en compte des acquisitions successives et moyennées, toutes ces valeurs permettant à l'utilisateur de réduire la quantité de bruit affichée sur l'oscilloscope. Lorsque le signal est moyenné dans le temps, le bruit de l'oscilloscope est relativement aléatoire et plus le nombre d’acquisitions est grand, plus le bruit est moyenné.

Le calcul de la moyenne à travers de multiples points en une seule acquisition est une technique moins connue que celles mentionnées ci-dessus. Cependant, cela peut être une méthode efficace pour atteindre une résolution plus élevée. Les principaux fournisseurs d'oscilloscopes offrent cette possibilité. Ce mode à haute résolution est appelé HiRes mode chez Agilent, Rohde&Schwarz et Tektronix et ERES chez LeCroy. L'oscilloscope sur-échantillonne à cet effet un signal à la fréquence d'échantillonnage requise, capte un certain nombre de points dans une très petite section et produit un point de résolution en calculant la valeur moyenne de l'ensemble de ces points. Comme la méthode précédente, le moyennage réduit le bruit de l’oscilloscope en calculant la moyenne des échantillons adjacents et en éliminant le bruit aléatoire inhérent à l'oscilloscope.

Le principal compromis avec cette méthode est toutefois l’obligation pour l'utilisateur de sacrifier une partie importante de la bande passante si l'oscilloscope n’est pas doté d’un taux d'échantillonnage approprié. En utilisant le filtrage et les méthodes de moyennage de bruit, les utilisateurs sont en outre confrontés au risque d’une suppression de certains détails du signal et s'efforcent donc de conserver au mieux le signal réel. Un oscilloscope pour lequel cette méthode est notamment utilisée pour atteindre une résolution plus élevée est le Agilent 9000A. Pour reconstituer avec précision le signal, l'utilisateur a besoin de 2 fois la bande passante ; le modèle 1 GHz de Agilent fournit 10 fois cette valeur (20 Géch/s). Par conséquent, lorsque l'utilisateur active le mode haute résolution, l'impact du bruit de l'oscilloscope est considérablement réduit, ce qui fournit une compréhension claire du signal mais la bande passante de l'oscilloscope s’en trouve réduite de 1 GHz à 558 MHz. Cette réduction de bande passante peut toutefois être beaucoup plus importante avec les oscilloscopes dépourvus d’une capacité de fréquence d’échantillonnage élevée.

Source : Agilent Technologies

Rohde & Schwarz explique dans un document technique très complet intitulé :
“The Effective Number of Bits (ENOB) of my R&S Digital Oscilloscope” que des perturbations comme le bruit et les non-linéarités ont un impact direct sur le rapport signal sur bruit (SNR) du CAN dans un oscilloscope. Les non-linéarités provoquent des harmoniques et par conséquent une réduction du SNR. Ainsi par exemple, un CAN 12 bits peut être spécifié avec un nombre de bits effectifs de seulement 10,5 car ces perturbations font qu’il ne peut atteindre qu’un SNR correspondant à celui d'un CAN idéal de 10,5 bits. Le calcul du nombre de bits effectif peut être obtenu en appliquant la formule ENOB = 0,5 log (SINAD) - 0,5 log (1,5) - log (A/V).

Conclusion

En résumé, le besoin des utilisateurs en oscilloscopes dotés d’une plus haute résolution est réel et ce, depuis de nombreuses années et continuera à progresser. La bonne nouvelle est qu’il existe différentes méthodes permettant d’atteindre cette plus haute résolution recherchée. Chacune de ces méthodes doit cependant être évaluée avec soin afin d’en choisir la plus appropriée pour l'application concernée.

Pour plus de précisions, consulter les sites :