Oscilloscopes Du débogage aux tests de conformité aux normes

Un oscilloscope est un instrument de mesure électronique utilisé pour mesurer et visualiser des signaux électriques sous forme de courbes de tension en fonction du temps. Les ingénieurs utilisent les oscilloscopes pour observer la forme d'onde, l'amplitude, la fréquence, la synchronisation et l'intégrité du signal lors de la conception, des essais et du débogage de systèmes électroniques.

Les oscilloscopes numériques modernes, tels que ceux conçus par Keysight, convertissent les signaux analogiques en données numériques, ce qui permet d'effectuer des mesures précises, d'utiliser des fonctions de déclenchement avancées et de réaliser une analyse approfondie des signaux.

Les ingénieurs de test et les développeurs utilisent des oscilloscopes pour afficher, représenter graphiquement et analyser les signaux électriques lors de la recherche et du développement, de la validation, de l'assurance qualité et du dépannage ou du débogage de systèmes électroniques, de cartes de circuits imprimés et de circuits intégrés. Les oscilloscopes jouent un rôle clé dans tous les secteurs industriels pour une grande variété d'applications et de technologies, notamment l'électronique numérique à haute vitesse, les communications optiques, les radiofréquences, l'électronique de puissance, l'automobile, l'aérospatiale et la défense. 

Un oscilloscope est un instrument de test essentiel pour observer, analyser ou enregistrer le comportement d'un signal électrique. Parmi les utilisations spécifiques des oscilloscopes dans un laboratoire d'électronique, on peut citer la mesure des formes d'onde de tension, l'analyse des signaux électroniques, la détection des bruits indésirables et de la diaphonie, ainsi que l'évaluation des transitoires nuisibles dans les systèmes d'alimentation électrique.

Dans l'analyse des signaux à haute vitesse, les oscilloscopes peuvent mesurer l'intégrité des signaux en affichant et en mesurant les diagrammes en œil, y compris la hauteur et la largeur de l'œil. Les oscilloscopes à signaux mixtes peuvent aider à déboguer les circuits numériques en affichant l'état logique et la synchronisation des signaux numériques mesurés. Les oscilloscopes haute performance peuvent même aider à émuler des récepteurs de référence idéaux pour les tests d'émetteurs, utiliser des émetteurs-récepteurs optiques-électriques pour mesurer les signaux de fibre optique et analyser les signaux RF. ​

En raison de leur polyvalence, les oscilloscopes offrent différents niveaux de performances et fonctionnalités logicielles en fonction de l'application. Ils constituent des outils indispensables pour le développement, le dépannage et l'analyse électroniques.

Il existe plusieurs caractéristiques à prendre en compte lors du choix d'un oscilloscope, telles que la bande passante, le nombre de canaux, la fréquence d'échantillonnage, la capacité de mémoire, la taille de l'écran, etc. Ces paramètres déterminent la précision avec laquelle l'oscilloscope capture et reproduit le comportement réel du signal. Vous trouverez ci-dessous les critères les plus importants à évaluer pour choisir un oscilloscope adapté à vos besoins :

Quelle est la bande passante de l'oscilloscope ?

La bande passante détermine la gamme de fréquences qu'un oscilloscope peut reproduire avec précision. Plus la bande passante est élevée, plus les fréquences qu'il peut afficher sont élevées. Il est important de tenir compte des exigences de bande passante de votre application. Par exemple, si vous travaillez avec des signaux numériques à haute vitesse, vous aurez besoin d'un oscilloscope à bande passante élevée pour capturer avec précision tous les détails transitoires. Une bande passante plus faible peut être suffisante si vous utilisez votre oscilloscope pour un dépannage de base ou une analyse dans le domaine temporel.

Quel est le nombre de chaînes ?

Le nombre de canaux d'un oscilloscope correspond au nombre de signaux d'entrée qu'il peut mesurer simultanément, chaque canal étant dédié à une entrée analogique ou numérique. Les canaux analogiques capturent et affichent des signaux continus en temps réel, montrant les fluctuations de tension sous forme d'ondes, généralement pour les signaux analogiques tels que les ondes sinusoïdales. Les canaux numériques, quant à eux, observent les signaux binaires discrets (0 ou 1) dans les circuits numériques, ce qui permet d'analyser les signaux logiques, les impulsions et les modèles de données en les traitant et en les affichant par étapes pour une analyse précise du timing et de la logique. Les oscilloscopes courants peuvent avoir 2, 4 ou plus de canaux analogiques et offrent généralement jusqu'à 16 canaux numériques ou plus, en particulier dans les oscilloscopes à signaux mixtes. Le fait d'avoir plus de canaux permet d'observer simultanément plusieurs signaux, ce qui améliore la capacité à analyser des systèmes complexes et à détecter les interactions entre différents types de signaux.

Qu'est-ce que le taux d'échantillonnage ?

La fréquence d'échantillonnage d'un oscilloscope correspond au nombre d'échantillons prélevés par seconde. Plus le taux d'échantillonnage est élevé, plus la résolution du signal est élevée. Selon le théorème de Nyquist, le taux d'échantillonnage de l'oscilloscope doit être au moins deux fois supérieur à la fréquence la plus élevée du signal que vous essayez de mesurer pour échantillonner sans aliasing. En pratique, un taux d'échantillonnage plus élevé, au moins trois à cinq fois supérieur à la bande passante, est recommandé pour capturer les signaux à grande vitesse. C'est pourquoi il est idéal de trouver un équilibre entre la résolution et la vitesse lors du réglage du taux d'échantillonnage. Certains détails du signal peuvent être capturés avec précision avec un taux d'échantillonnage plus faible, tandis que d'autres peuvent nécessiter un taux plus élevé pour être représentés correctement. Par exemple, si vous testez un circuit numérique avec un taux de bord rapide, vous devrez utiliser un oscilloscope avec un taux d'échantillonnage élevé pour capturer tous les détails avec précision. En revanche, si vous observez un signal à mouvement lent, vous pouvez vous contenter d'un taux d'échantillonnage plus faible.

Quelle est la profondeur de mémoire ?

La profondeur de mémoire correspond à la quantité de données qu'un oscilloscope peut stocker et afficher. Plus la mémoire est profonde, plus les intervalles de temps des données de signal pouvant être capturés avec une haute résolution sont longs. Ceci est important car un oscilloscope avec une mémoire peu profonde peut ne stocker que quelques secondes de données, ce qui peut s'avérer insuffisant pour vraiment voir ce qui se passe. En revanche, un oscilloscope doté d'une mémoire profonde peut capturer plusieurs heures, voire plusieurs jours, de données, ce qui vous permet de zoomer pour obtenir une vue haute résolution de la partie spécifique du signal qui vous intéresse. Une mémoire plus profonde peut être utile lorsque vous essayez de traquer un problème intermittent qui ne se produit que de temps en temps. Une mémoire peu profonde pourrait ne pas capturer l'événement du tout, mais une mémoire profonde vous permettra de revenir en arrière et d'examiner de près ce qui s'est passé avant et après l'événement.

Quelle est la taille de l'écran ?

La taille de l'écran est un facteur important à prendre en compte, car elle influe sur l'expérience utilisateur, la précision des mesures et facilite l'analyse en temps réel. Un écran plus grand est particulièrement important pour les signaux à haute fréquence, l'analyse de signaux multicanaux et l'interprétation détaillée des formes d'onde. Par exemple, un écran plus grand améliore la clarté des détails des formes d'onde, ce qui vous permet de détecter plus facilement les problèmes intermittents et de localiser le moment exact où une défaillance ou une anomalie se produit.

Les oscilloscopes mesurent un signal électrique, le convertissent en une forme d'onde visible et l'affichent sur un écran, avec la tension sur l'axe vertical et le temps sur l'axe horizontal. Cela permet aux ingénieurs d'observer l'évolution d'un signal dans le temps et d'évaluer le comportement des formes d'onde dans les circuits électroniques.

Le signal d'entrée passe d'abord par des circuits d'atténuation, d'amplification et de conditionnement. Dans les oscilloscopes numériques, le signal est ensuite converti en échantillons numériques par un convertisseur analogique-numérique (CAN) et stocké en mémoire. L'appareil utilise ces échantillons pour reconstituer et afficher la forme d'onde à l'écran. Les systèmes de déclenchement permettent de stabiliser les signaux répétitifs ou de capturer des événements spécifiques, ce qui permet aux ingénieurs d'analyser les perturbations, le bruit ou les anomalies de synchronisation dans les circuits.

Un oscilloscope permet d'effectuer un large éventail de mesures électriques à partir des formes d'onde acquises. Parmi les mesures courantes, on peut citer l'amplitude de tension, la fréquence, la période, le temps de montée, le temps de descente, la largeur d'impulsion, le rapport cyclique, la différence de phase entre les signaux et les variations de synchronisation telles que la gigue.

Les oscilloscopes numériques modernes prennent également en charge les mesures automatisées et l'analyse avancée du comportement des formes d'onde, de l'intégrité des signaux et des relations de synchronisation. Les ingénieurs utilisent ces fonctionnalités pour évaluer les performances des circuits, comparer les signaux entre les canaux et analyser les problèmes liés à la conception haute vitesse. Les oscilloscopes Keysight offrent des outils de mesure et d'analyse adaptés aussi bien au débogage général qu'aux applications de test électronique plus avancées.

Pour choisir le bon oscilloscope, il faut avant tout adapter l'instrument aux signaux, aux interfaces et aux mesures requis par votre application. Les ingénieurs évaluent généralement la bande passante, la fréquence d'échantillonnage, le nombre de canaux, la capacité de mémoire, le déclenchement et les fonctions d'analyse logicielle en fonction du comportement des formes d'onde qu'ils doivent observer.

Dans le domaine de la conception embarquée, les ingénieurs peuvent privilégier les canaux à signaux mixtes, le décodage des protocoles série et les options de déclenchement. En électronique de puissance, ils peuvent se concentrer sur la mesure haute tension, les mesures isolées et l'analyse de puissance. Pour la conception numérique à haute vitesse, l'intégrité du signal, le niveau de bruit, la précision de synchronisation et la mémoire profonde sont souvent les critères les plus importants. Les oscilloscopes Keysight sont utilisés dans tous ces cas d'utilisation, du débogage général aux tests avancés de validation et de conformité.

La bande passante et la fréquence d'échantillonnage déterminent la précision avec laquelle un oscilloscope capture le contenu d'un signal. La bande passante d'un oscilloscope désigne la gamme de fréquences que l'instrument est capable de mesurer avec une fidélité acceptable ; elle est généralement indiquée au point de -3 dB. La fréquence d'échantillonnage correspond au nombre d'échantillons capturés par seconde lors de la conversion d'un signal analogique en données numériques.

Pour obtenir des mesures précises, les ingénieurs choisissent la bande passante de l'oscilloscope en fonction de la fréquence la plus élevée et des détails du signal qu'ils doivent observer. Les oscilloscopes à large bande passante sont généralement nécessaires pour les vitesses de front élevées, les détails transitoires et les signaux numériques à haute vitesse, tandis qu'une bande passante plus faible peut suffire pour un dépannage de base ou une analyse dans le domaine temporel à plus faible vitesse. La fréquence d'échantillonnage doit être suffisamment élevée pour éviter l'aliasing ; bien que le double de la fréquence maximale du signal constitue le minimum théorique, dans la pratique, les ingénieurs utilisent souvent une fréquence d'échantillonnage au moins trois à cinq fois supérieure à la bande passante de l'oscilloscope afin de préserver les détails de la forme d'onde, les transitions de front et la précision de synchronisation.

Les oscilloscopes numériques, analogiques et à signaux mixtes se distinguent par leur manière d'acquérir, d'afficher et d'analyser les signaux. Les oscilloscopes analogiques affichent les signaux directement grâce à une amplification continue de la tension et utilisent généralement un écran à tube cathodique, tandis que les oscilloscopes numériques convertissent les signaux en données numériques pour les afficher, les stocker et les analyser. Les oscilloscopes à signaux mixtes combinent des canaux de mesure analogiques avec des entrées numériques afin d'analyser à la fois les formes d'onde et l'activité logique. 

Les oscilloscopes analogiques permettent de visualiser les formes d'onde en temps réel, mais leurs capacités de stockage et d'analyse sont limitées. Les oscilloscopes numériques prennent en charge le stockage des formes d'onde, les mesures automatisées, le décodage de protocoles et une analyse plus avancée des signaux, ce qui explique leur large utilisation dans les tests et la conception électroniques modernes. Les oscilloscopes à signaux mixtes étendent les capacités des oscilloscopes numériques en permettant aux ingénieurs de corréler des formes d'onde analogiques avec des signaux logiques numériques dans les systèmes embarqués et à domaines mixtes. Keysight propose des oscilloscopes à mémoire numérique, des oscilloscopes à signaux mixtes, des oscilloscopes modulaires et des oscilloscopes à échantillonnage pour répondre à différents besoins de mesure.

Pour mesurer et dépanner des signaux à l'aide d'un oscilloscope, il faut commencer par choisir la sonde appropriée, régler les paramètres de tension et de temps, définir un déclenchement stable, puis examiner les caractéristiques de la forme d'onde telles que l'amplitude, la fréquence, le temps de montée, la synchronisation, le bruit, la distorsion ou le comportement du protocole.

Les ingénieurs s'appuient sur les oscilloscopes pour analyser des problèmes tels que le dépassement, l'oscillation résiduelle, la gigue, les violations de synchronisation, les défauts intermittents, l'instabilité des rails d'alimentation et les erreurs de communication. Une approche classique consiste à connecter et à compenser la sonde, à régler l'affichage pour obtenir une capture claire des formes d'onde, à choisir la condition de déclenchement appropriée, puis à utiliser des mesures, des curseurs, des fonctions mathématiques ou le décodage de protocole pour isoler la source du problème. Les oscilloscopes Keysight prennent en charge ce flux de travail grâce à des fonctions de mesure d'ingénierie standard et à des outils d'analyse avancés utilisés pour la validation de conception, le débogage et les tests.