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L’oscilloscope est un instrument de mesure électronique très polyvalent. Comme on dit, l’électricité est invisible et insaisissable. Cependant, l’oscilloscope nous permet de « voir » les signaux électriques, ce qui facilite l’étude du déroulement des divers phénomènes électriques. Ainsi, la fonction principale de l’oscilloscope, comme son nom l’indique, est d’être un instrument qui affiche la forme d’onde des signaux électriques, afin que les ingénieurs puissent identifier les problèmes ou évaluer les performances du système, etc. De même, les formes d’onde ont plusieurs définitions, comme celles dans le domaine temporel ou dans le domaine fréquentiel. Pour un oscilloscope, on mesure le plus souvent l’évolution de la tension dans le temps, c’est-à-dire la forme d’onde dans le domaine temporel. Par conséquent, l’oscilloscope peut analyser les variations de tension au point d’essai, ce qui lui permet d’être largement utilisé dans divers secteurs et domaines de l’électronique. En général, dans notre secteur, les oscilloscopes sont classés en oscilloscopes analogiques et oscilloscopes numériques. Certains fabricants peuvent leur donner d’autres noms afin de mettre en avant une fonction particulière de leur oscilloscope, comme par exemple l’oscilloscope à fluorescence numérique. Mais ses principes fondamentaux restent confinés à ces 2 grandes catégories d’oscilloscopes. L’oscilloscope analogique fait partie des premiers oscilloscopes ; il repose principalement sur un tube à rayons cathodiques (également appelé tube d’image, largement utilisé dans les anciens téléviseurs et moniteurs). Un faisceau électronique émis par ce tube est dirigé vers la substance fluorescente de l’écran grâce à des systèmes de déviation horizontale et verticale, permettant ainsi d’afficher la forme d’onde. Cependant, à l’heure actuelle, l’avantage qui reste aux oscilloscopes analogiques semble être uniquement leur prix. Il ne dispose pas de capacité de stockage de données ni d’analyse des signaux en forme d’onde, ses fonctions de déclenchement sont limitées, il est également incapable de capturer des signaux uniques ou sporadiques. De plus, du fait de l’utilisation de nombreux composants analogiques à l’intérieur, ces composants évoluent avec les variations de température au fil du temps, ce qui rend ses performances instables. Les oscilloscopes analogiques ont presque été éliminés dans la mesure électronique moderne, c’est pourquoi nous parlerons aujourd’hui principalement des oscilloscopes numériques. Les premiers oscilloscopes numériques, en raison des limites de la technologie d’affichage, utilisaient toujours un écran CRT (Cathode Ray Tube, tube à rayons cathodiques) comme ceux des oscilloscopes analogiques. La principale différence entre l’oscilloscope numérique et l’oscilloscope analogique réside dans le fait que le signal d’entrée n’est plus affiché directement sur l’écran ; il est plutôt échantillonné et converti en format numérique par un ADC (Analog to Digital Converter, convertisseur analogique-numérique), puis stocké dans une mémoire cache. Ensuite, les données sont lues à l’aide de circuits de traitement du signal. Comme les premiers oscilloscopes numériques utilisaient un CRT pour l’affichage, il était également nécessaire d’utiliser un convertisseur numérique-analogique DAC pour transformer les données numériques en signaux analogiques à afficher sur l’écran du CRT. Les oscilloscopes numériques modernes n’utilisent plus pour la plupart d’écrans CRT, mais plutôt des écrans à cristaux liquides. Non seulement leur taille est beaucoup plus réduite, mais certains offrent également une fonction tactile qui facilite l’utilisation. De plus, il n’est plus nécessaire de convertir les points de prise de vue numériques en signaux analogiques. Comme il n’y a pas de différence fondamentale entre ces deux en termes de structure fonctionnelle, le secteur n’utilise généralement ni l’appellation d’oscilloscope CRT ni celle d’oscilloscope LCD. Les oscilloscopes numériques sont souvent appelés oscilloscopes numériques à stockage, car un élément essentiel dans ces appareils est le stockage des données collectées par l’ADC. Le processus principal de collecte des données par les oscilloscopes numériques modernes peut être compris de manière intuitive à travers la carte mère de cet oscilloscope intelligent Mackox STO1104C : ① Le signal est atténué par le capteur à un niveau approprié avant d’être envoyé à la partie avant de l’oscilloscope. La tension maximale que peut mesurer un oscilloscope dépend généralement de la sonde, qui permet, par atténuation, de transformer des signaux de tension de plusieurs dizaines de milliers de volts en quelques dizaines de volts. ②Le signal atteint l’atténuateur et l’amplificateur de tête par l’intermédiaire d’un circuit de couplage ; sur le logiciel de l’oscilloscope, cela se traduit par un réglage de la position verticale afin que la forme d’onde occupe autant que possible tout l’écran, améliorant ainsi la précision verticale et rendant les mesures plus exactes. La partie avant détermine dans une large mesure le premier indicateur de l’oscilloscope : la bande passante. ③Le processeur ARM contrôle le FPGA afin d’ajuster la fréquence d’échantillonnage du convertisseur analogique-numérique ; sur le logiciel de l’oscilloscope, cela se traduit par une modification de la base temporelle. Comme la profondeur de stockage est une valeur fixe, la fréquence d’échantillonnage = profondeur de stockage ÷ durée d’enregistrement de la forme d’onde. Généralement, la modification de la base temporelle s’effectue en changeant la fréquence d’échantillonnage. Par conséquent, le taux d’échantillonnage indiqué par le fabricant n’est souvent valable que pour une certaine base temporelle ; avec une grande base temporelle, en raison de la profondeur de stockage, le taux d’échantillonnage doit être réduit. Les convertisseurs analogique-numérique ADC et la mémoire rapide RAM influencent deux autres paramètres importants des oscilloscopes : le taux d’échantillonnage et la profondeur de stockage. ④Ensuite, l’FPGA pilote l’échantillonnage synchronisé de l’ADC, qui numérise les données collectées en format binaire et les écrit dans le cache. Le cache de mémoire, c’est-à-dire la profondeur de stockage, est généralement quatre fois plus grand que la capacité de mémoire indiquée par l’oscilloscope. Comme le FPGA ne peut pas contrôler le déclenchement de l’oscilloscope, le signal enregistré est d’abord deux fois supérieur à la profondeur de stockage indiquée, puis une partie de cette forme d’onde est sélectionnée en fonction du déclenchement ; ainsi, l’oscilloscope peut afficher la forme d’onde avant la position de déclenchement. De plus, puisque l’oscilloscope doit continuer à enregistrer les signaux avant le filtrage, sinon le taux de capture des signaux sera trop faible ; il est donc nécessaire d’enregistrer en même temps autant de points d’échantillonnage sur la même durée. En répétant ce processus, on obtient un résultat quatre fois supérieur. ⑤Après avoir reçu l’instruction de déclenchement, la mémoire transmet ensuite les données au processeur ARM pour traitement⑥. Le processeur ARM traite les données puis les affiche sur l’écran grâce à une interface d’affichage, afin de les montrer à l’utilisateur. Grâce aux calculs, l’oscilloscope peut également imiter un affichage de luminosité à plusieurs niveaux similaire à celui des oscilloscopes analogiques, ainsi que l’effet d’éclairage à température de couleur et l’effet de rémanence propre aux oscilloscopes numériques. ⑦Une fois que l’oscilloscope a traité les données, il peut enregistrer l’image de la forme d’onde actuelle ou les données dans la mémoire. Il convient de noter que cette mémoire est complètement différente du cache à grande capacité de stockage. La plupart des oscilloscopes utilisent une mémoire externe telle qu’un clé USB, une carte SD ou un ordinateur. Aujourd’hui, certains oscilloscopes modernes disposent d’une grande capacité de stockage intégrée qui permet d’enregistrer directement les données à l’intérieur de l’appareil. Dans ce processus, ②③④ sont tous traités en parallèle. En raison des limites de vitesse de traitement des oscilloscopes numériques, ils ne peuvent pas garantir que la forme d’onde du signal mesuré soit affichée en continu en temps réel sur l’écran. Il y a une perte de données concernant la forme d’onde entre deux affichages, c’est-à-dire ce qu’on appelle le temps mort, ce qui constitue le principal inconvénient des oscilloscopes numériques par rapport aux oscilloscopes analogiques. Cependant, avec l’amélioration des capacités de calcul des oscilloscopes et l’augmentation continue du taux de capture des formes d’onde, ce défaut est également progressivement comblé.