La fidélité du signal d’un oscilloscope suffit-elle pour l’usage que l’on en fait ?

Pour juger de la fidélité du signal d’un oscilloscope, il faut tenir compte de l’ensemble de ces facteurs, sans se reposer sur chaque paramètre individuel. Il serait facile de ne tenir compte que d’un seul facteur comme critère d’appréciation, mais cela ne permettrait pas de tirer un bilan d’ensemble.

 

Les mesures de bruit reproduites sur cette figure ont été réalisées sur une bande passante de 1 GHz et une sensibilité d’entrée de 100 mV/div pour la courbe jaune et de 2 mV/div pour la courbe bleue. Le bruit de fond était de 1 mVeffpour la courbe jaune et de 85 μVeffpour la courbe bleue. On a constaté que le bruit de fond est fonction de la sensibilité d’entrée.

Résolution du convertisseur AN

Le nombre de bits du convertisseur AN influe fondamentalement sur la précision de l’amplitude. Les convertisseurs AN de 8 bits souvent utilisés peuvent quantifier 256 (2⁸) valeurs discrètes d’amplitude, alors que les convertisseurs AN de 10 bits peuvent en résoudre 1024 (2¹⁰). A titre d’exemple, si la sensibilité d’entrée de l’oscilloscope est fixée à 800 mV (à pleine échelle), chaque étape de quantification comporte alors 3,125 mV pour un convertisseur AN de 8 bits et 0,781 mV pour un convertisseur AN de 10 bits. On peut donc en conclure qu’un convertisseur AN ayant davantage de bits signifie davantage de détails du signal. Cette assertion est juste du  point de vue de la théorie du signal, mais elle doit être relativisée, comme on le verra ci-après, en raison du bruit de fond propre à l’oscilloscope.

 

Facteur de multiplication

Le facteur de multiplication réglé verticalement peut avoir une influence capitale sur la fidélité du signal. Il est préférable de toujours choisir le facteur de multiplication de manière à ce que le signal soit intégralement affiché à l’écran. Dans le cas contraire, une partie de la résolution du convertisseur AN sera pour ainsi dire sacrifiée.

L’association d’un convertisseur AN, de l’étage d’entrée de l’oscilloscope et de la sonde utilisée détermine la sensibilité d’entrée maximale réglable (nombre V/div) permettant de mesurer correctement un signal. Si l’on modifie le nombre de volts par division (V/div), les tensions de référence s’adaptent normalement au convertisseur AN. Pour des réglages inférieurs à 7 mV/div, la plupart des oscilloscopes fonctionnent avec un agrandissement logiciel, c’est-à-dire que les tensions de référence ne sont plus adaptées au convertisseur AN. Dans le cas du nouveau Keysight Infiniium série S, la sensibilité est fixée jusqu’à 2 mV/div au-dessus des tensions de référence du convertisseur AN.

Par ailleurs, certains oscilloscopes limitent la bande passante lorsqu’on augmente la sensibilité (réglage de petites valeurs V/div), afin de contenir le niveau de bruit de l’étage d’entrée, faute de quoi il est très difficile de distinguer le signal du bruit de fond.

 

Comme prévu, le nombre effectif de bits diminue avec l’élargissement de la bande passante, car davantage de bande passante signifie aussi davantage de bruit de fond. Grâce à l’architecture à faible bruit de l’Infiniium série S de Keysight, l’oscilloscope DSOS104A possède le record de la branche et le modèle DSOS804A met encore à votre disposition plus de 6 bits effectifs sur une bande passante de 8 GHz.

Bruit de fond

Si l’utilisateur souhaite mesurer de petites modifications sur de grands signaux ou sur des signaux ayant de petites amplitudes, il doit avoir un oscilloscope n’émettant pas de bruit de fond. Ici aussi, la résolution  du convertisseur AN devient relative. En effet, si le bruit de fond de l’oscilloscope est plus important que l’incrément de quantification, les bits supplémentaires sont inutiles, car ils se noient tout simplement dans le bruit de fond.

Le bruit de fond de l’oscilloscope ou du dispositif de mesure provient de différentes sources. D’une part, tout instrument de mesure – y compris l’oscilloscope – émet un certain bruit de fond, dû principalement à l’étage d’entrée analogique. D’autre part, les sondes et les câbles provoquent un autre bruit de fond, qui est également numérisé. On peut déterminer le bruit de fond propre d’un oscilloscope à l’aide d’un simple test: l’utilisateur sépare tous les câbles d’entrée, sélectionne un taux d’échantillonnage élevé pour être sûr que la bande passante ne soit pas limitée, puis choisit une grande profondeur de mémoire (1 Mpts, p. ex.). Il effectue ensuite une mesure du bruit de fond à l’aide de la mesure AC-V_effpour un réglage de faibles valeurs V/div, afin d’utiliser le convertisseur AN de manière optimale. Plus la courbe de mesure est large et plus la valeur AC-V_eff  mesurée est élevée, plus le bruit de fond provient de l’oscilloscope.

 

Réponse en fréquence

Dans l’idéal, un oscilloscope devrait présenter, à l’intérieur de la bande passante spécifiée, une réponse en fréquence plane, aussi bien pour l’amplitude que pour la phase. A l’extrémité supérieure de la bande, la réponse en fréquence chute fortement et comprime les signaux, ainsi que le bruit de fond à l’extérieur de la bande passante spécifiée.

La fidélité du signal d’un oscilloscope diminue lorsqu’on s’écarte de cet idéal. Si, par exemple, un flanc de signal abrupt est mesuré et que la réponse en fréquence présente un surhaussement près de la limite supérieure de la bande passante, les harmoniques sont surreprésentées et la mesure présente un temps de montée plus rapide qu’il l’est en réalité. Dans le cas inverse, les harmoniques sont trop fortement atténuées et le temps de montée mesuré est plus long que le temps effectif.

 

Nombre effectif de bits

Le nombre effectif de bits (ENOB, Effective Number of Bits) décrit les propriétés dynamiques de l’acquisition du signal d’un oscilloscope. L’ENOB peut être spécifié aussi bien pour le convertisseur AN seul, que pour l’ensemble de l’oscilloscope. Il ne s’agit pas d’une valeur unique, mais d’un ensemble de valeurs que des signaux sinusoïdaux déterminent pour différents réglages de la sensibilité verticale (V/div). L’ENOB d’un oscilloscope, auquel il faut  faire appel pour caractériser la puissance, se situe toujours au-dessous de l’ENOB du convertisseur AN, car il inclut d’autres effets, comme le bruit de fond, la réponse en fréquence et la distorsion.

 

La qualité de la mesure effectuée à l’aide d’un oscilloscope dépend de la conception du matériel informatique.

Stabilité de la base de temps

Alors que les facteurs décrits précédemment agissent sur la fidélité du signal de l’amplitude, la stabilité de la base de temps a une influence capitale sur la fidélité du signal dans le sens horizontal. Une base de temps présentant un fort bruit de phase entraîne une forte fluctuation des écarts temporels dans les échantillonnages. Ce phénomène se traduit par une distorsion du signal balayé dans le sens horizontal.

 

Conclusion

Lors de l’évaluation d’un oscilloscope, cela vaut la peine de porter son attention à des facteurs tels que le nombre de bits du convertisseur AN, le facteur de multiplication, le bruit de fond, la réponse en fréquence de l’étage d’entrée, le nombre effectif de bits (ENOB), ainsi que la stabilité de la base de temps. L’utilisateur s’assure ainsi, dès l’achat de son instrument de mesure, de la garantie d’une fidélité optimale du signal.

Les oscilloscopes Infiniium série S de Keysight Technologies (auparavant Agilent Technologies) ont été mis au point en tenant compte de ces paramètres. Ils offrent ainsi une fidélité du signal remarquable dans le domaine de la bande passante de 500 MHz à 8 GHz.