Qu’est-ce que le temps mort ?
1 Qu’est-ce que le temps mort ?
Certaines personnes se souviennent des premiers oscilloscopes numériques introduits au début des années 90. Ils représentaient une grande avancée technologique, mais aussi un bouleversement pour les utilisateurs. L’utilisation d’une technologie numérique offrait l’avantage d’un post-traitement des formes d’onde et le stockage permanent des données, mais cela au prix d’un ralentissement de l’affichage. Au fil du temps les oscilloscopes numériques ont proposés énormément d’améliorations et ont fini par supplanter très tôt les modèles analogiques.
Mais combien même pouvez-vous véritablement faire confiance à l’affichage de votre oscilloscope sur la représentation de votre signal ? Savez-vous qu’un oscilloscope est aveugle une grande partie du temps ? Et comment cela affecte votre capacité à déboguer des signaux défectueux lors de votre conception ?
1.1 L’architecture d’un oscilloscope numérique
Il est nécessaire de connaître l’architecture d’un oscilloscope numérique pour comprendre les raisons de cette période où le scope est aveugle. Les blocs typiques d’un oscilloscope numérique sont montrés Figure 1.
Typical Architecture of a Digital Oscilloscope
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Figure 1: Schéma fonctionnel typique d’un oscilloscope numérique
Le signal de mesure entre dans l’oscilloscope via les canaux d’entrées puis est conditionné par des atténuateurs ou des amplificateurs dans le système vertical.
Le convertisseur analogique-numérique (CAN) prélève le signal à intervalles réguliers et convertit les amplitudes respectives du signal en valeurs numériques discrètes appelées « points d’échantillons ». Le bloc d’acquisition remplit les fonctions de traitement telles que le filtrage et la décimation des échantillons. Les données traitées sont stockées dans la mémoire d’acquisition comme “échantillons de la forme d’onde”.
Le nombre d’échantillons de la forme d’onde enregistré est lui défini par la “longueur d’enregistrement”.
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Qu’est-ce que le temps mort ?
Selon les besoins des utilisateurs, davantage de post-traitements peuvent être exécutés sur ces échantillons de forme d’onde. Les taches de post-traitement incluent des fonctions arithmétiques comme l’établissement d’une moyenne, des opérations mathématiques comme le filtrage FIR (Filtre à réponse impulsionnelle), des mesures automatiques comme les temps de montée et de descente et des fonctions d’analyse comme l’histogramme ou le test de masque. D’autres exemples de post-traitement incluent le décodage de protocole de bus série, des analyses de variations (jitter) et des analyses de signaux vectoriels.
Pour un oscilloscope numérique il n’y a quasiment aucune limitation dans les étapes de transformations exécutées sur les échantillons de la forme d’onde. Selon l’architecture de l’oscilloscope, ces fonctions de post-traitement sont exécutées par logiciel via le processeur de l’instrument ou par le hardware avec des FPGA (Field-
Programmable Gate Arrays) ou des ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) dédiés. Les résultats finaux sont alors présentés à l’utilisateur sur l’écran de l’oscilloscope.
Une fois que ce cycle, de l’échantillonnage du signal jusqu’à son affichage est accompli, l’oscilloscope est prêt à acquérir une nouvelle forme d’onde.
1.2 Le temps mort, une caractéristique des oscilloscopes numériques
Les utilisateurs d’oscilloscopes analogiques sont habitués à voir presque tous les détails d’un signal affiché à l’écran. L’éclat des écrans à phosphore fournit une persistance naturelle qui est utilisée pour détecter rapidement les défauts du signal.
Tandis que les oscilloscopes analogiques doivent juste remettre à zéro le système horizontal pour le prochain balayage du faisceau d’électrons, les oscilloscopes numériques dépensent la majeure partie de leur cycle d’acquisition au post-traitement des échantillons de la forme d’onde [1]. Pendant cette durée de traitement, l’oscilloscope numérique est aveugle et ne peut pas surveiller le signal de mesure. Par conséquent seulement de très brèves parties du signal sont observées avec les oscilloscopes numériques. Bien que beaucoup d’utilisateurs d’oscilloscopes numériques ne se rendent pas compte du fait que l’oscilloscope est le plus souvent aveugle, cette caractéristique a un impact significatif sur la quantité de détails détectés et finalement affichés.
Définition du cycle d’acquisition, du taux d’acquisition et du rapport de temps mort
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Qu’est-ce que le temps mort ?
La Figure 2 montre un exemple d’un cycle d’acquisition d’une forme d’onde. Le cycle d’acquisition se compose d’une période d’acquisition active et d’une période aveugle appelée temps mort. Pendant la période d’acquisition active l’oscilloscope acquiert les points d’échantillons définis de la forme d’onde et les écrit dans la mémoire d’acquisition. Le période de temps mort d’une acquisition se compose d’une période fixe et d’une période variable. La partie fixe est déterminée par l’architecture propre à l’instrument. La partie variable dépend du temps requis au traitement en fonction du nombre d’échantillons de la forme d’onde (longueur d’enregistrement et nombre de voies actives) et du nombre de fonctions de post-traitement actives (interpolation, fonctions mathématiques, mesures, analyses…). Dans une étape finale au cours de la période de temps mort un moteur graphique prépare les échantillons de la forme d’onde pour l’affichage et l’oscilloscope réarme son déclenchement (trigger) en vue d’une nouvelle acquisition.
Cycle d’Acquisition
Acquisition
Active
Temps Mort Fixe Temps Mort Variable
...
e.g. 100 ns
(1000 Sa, 10 GSa/s) e.g. 10 ms
Temps de cycle d’acquisition
...
Figure 2: Cycle d’acquisition et d’analyse d’un oscilloscope numérique.
Le rapport entre la période d’acquisition active et le temps mort est une caractéristique importante d’un oscilloscope numérique. Il peut être défini comme rapport de temps mort (blind time ratio) [Equation 1] ou taux d’acquisition de forme d’onde (acquisition rate) [Equation 2].
Equation 1:
blind
_
time
_
ratio
=
blind
_
time acquisitio n
_
cycle
_
time
Equation 2:
acquisitio n
_
rate
=
1
acquisitio n
_
cycle
_
time
Par exemple, si la période d’acquisition active est de 100 ns et le temps mort de 10 ms alors le cycle total d’acquisition est de 10.0001 ms. Ces résultats donnent un rapport de temps mort de 99.999% et un taux d’acquisition de moins que 100 formes d’onde par seconde.
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Quel est l’impact du temps mort ?
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Une grande quantité de données – le défi de la puissance de traitement
Une réaction normale serait de dire « Construisons un oscilloscope numérique plus rapide avec une puissance de traitement améliorée et une architecture à grande vitesse parallélisant les étapes ».
Cependant, une telle solution exigerait des capacités de traitement massives. Par exemple, un oscilloscope numérique avec un Convertisseur A/N de 8 bits à 10 Géch/s produit 80 Gbits de données continues qui doivent être traitées et affichées chaque seconde. De plus, le filtrage DSP, les opérations arithmétiques, les fonctions d’analyse et les mesures sont souvent appliqués aux échantillons ce qui nécessite une puissance de traitement supplémentaire. Un traitement temps réel sans temps mort n’est actuellement pas faisable pour un oscilloscope numérique dans un environnement de laboratoire. Cependant, un temps mort le plus court possible est toujours une demande des ingénieurs qui ne veulent pas manquer les détails critiques du signal. Cela exige un très grand nombre de formes d’ondes à acquérir pour obtenir des résultats d’analyses fiables.
Mesure de la période de temps mort de mon oscilloscope
Il y a diverses manières d’évaluer le taux réel d’acquisition de forme d’onde et la période de temps mort correspondante d’un oscilloscope numérique. Puisque le taux d’acquisition de forme d’onde peut varier en fonction de la configuration de l’instrument, l’évaluation doit être réalisée dans le cadre de conditions de mesures courantes.
Certains oscilloscopes offrent un compteur d’acquisition, d’autres ont un affichage direct de la vitesse d’acquisition. Une autre possibilité serait de contrôler la sortie de déclenchement de l’oscilloscope. Chaque front montant représentant une nouvelle acquisition.
Il faut juste s’assurer que la source du signal contient les événements de déclenchement disponibles et qu’ils se produisent plus fréquemment que le taux d’acquisition attendu. Autrement, les résultats de mesure ne montreront pas la véritable performance de l’oscilloscope.
2 Quel est l’impact du temps mort ?
Après la Section 1 qui couvrait les bases de l’existence du temps mort, la question alors est : Comment le temps mort affecte-t-il les mesures de l’oscilloscope ?
L’utilisateur d’un oscilloscope met toute sa confiance dans la fiabilité des signaux affichés. Cela exige donc une vraie représentation temporelle et en amplitude tout comme d’une complète surveillance du signal dans le temps.
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