Comment étalonner votre oscilloscope pour une précision verticale

L’axe Y sert presque exclusivement à afficher l’amplitude des signaux entrants. Ceux-ci transitent par les amplificateurs de « voies » (au minimum deux voies, mais aussi parfois quatre ou plus). Les fonctions de configuration de base pour l'étalonnage de l'amplitude incluent :

• Alignement du zéro sur le graticule (décalage du zéro)
• Équilibre de l’amplificateur vertical
• Commutation de voie verticale
• Emploi de présentations alternées/coupées

Précision de déflexion horizontale : amplitude

Plusieurs traces sont créées en utilisant une commutation à balayage alterné ou une commutation ultra-rapide ‘coupée’.

Commutation à balayage alterné : la trace se termine avant de passer à la suivante.

Commutation ultra-rapide « coupée » : les entrées sont échantillonnées en mode alterné à haute vitesse et dirigées vers des voies distinctes (généralement utilisées pour les signaux à basse fréquence).

Tous les oscilloscopes basculent entre différentes voies d'entrée, en commutant les entrées dans un système de mesure commun, mais chaque voie aura des amplificateurs et des atténuateurs différents dont les caractéristiques de gain sont la principale influence sur la précision verticale.

Cinq paramètres importants doivent être vérifiés pour étalonner chaque système d’amplification verticale :

• Décalage
• Gain
• Linéarité
• Bande passante
• Réponse aux impulsions

Ces paramètres sont déterminants pour obtenir une représentation précise du signal. Pour des comparaisons efficaces entre les signaux appliqués dans les différentes voies, leurs paramètres de voies doivent être égalisés.

On obtient généralement la mesure du gain d’un amplificateur de voie par l’injection d’un signal standard et la présentation de ce signal par rapport à la grille d’affichage. Comme le couplage des amplificateurs peut permuter entre le AC et CC et souvent, en commutant la résistance des terminaisons entre 50 Ω ou 1 MΩ, des signaux qui vérifient l’emploi de chaque forme de couplage, devront être injectés.

On utilise généralement deux signaux standard pour mesurer le gain d’un amplificateur :

1. Avec le couplage à courant continu DC, on injecte soit un signal DC soit une onde carrée, et la réponse de la voie est mesurée par rapport aux divisions de la grille ou aux valeurs relevées au curseur sur l’affichage.

Tous les calibrateurs des oscilloscopes Fluke produisent des ondes carrées de 1 kHz et une tension continue pour vérifier le gain et le décalage du zéro des amplificateurs couplés en courant continu.

2. Avec le couplage en courant alternatif AC, un signal carré est injecté à 1 kHz, puis la réponse de la voie est de nouveau mesurée par rapport aux divisions de la grille ou aux valeurs relevées au curseur sur l’affichage.

L’utilisation d’une impulsion à basse fréquence peut également fournir un contrôle approximatif de la réponse brute à basse fréquence (LF) et à haute fréquence (HF). Il ne s’agit encore que d’une vérification très brute des distorsions flagrantes. Il convient quand même de vérifier la réponse aux impulsions et la bande passante d’un résultat ayant une forme carrée.

Tous les calibrateurs des oscilloscopes Fluke produisent une onde carrée de 1 kHz pour vérifier le gain à basse fréquence des amplificateurs couplés en courant alternatif.

La linéarité des amplificateurs de voie peut être testée en injectant un signal carré ou un courant continu, en faisant varier l’amplitude et en comparant les changements par rapport à la grille ou aux valeurs relevées au curseur.

Réponse aux impulsions

La visualisation du temps de montée des fronts d’impulsion rapides est l’une des deux méthodes complémentaires pour mesurer la réponse impulsionnelle de la voie verticale (la bande passante de l’amplificateur doit aussi être mesurée).

La réponse aux fronts rapides dépend de l’impédance d’entrée de l’oscilloscope testé. Deux impédances d’entrée standard sont généralement utilisées : 50 Ω et 1 MΩ//(typique) 15 pF. 1 MΩ est l’entrée standard dans l’industrie, généralement utilisée avec des sondes passives. Lorsque l’entrée de 50 Ω est fournie, elle donne une correspondance optimale avec les signaux à HF.

Pour mesurer le temps de montée, le signal d’impulsion est injecté dans la voie à tester ; le déclenchement et la base temporelle sont ajustés pour fournir une image d’écran mesurable ; et le temps de montée/descente est mesuré par rapport à la grille ou aux valeurs relevées au curseur. Le temps de montée/descente observé utilise deux composants  : un pour le signal appliqué, et un deuxième pour la voie testée. Ils sont combinés dans la racine de la somme des carrés ; il faut donc utiliser une formule pour calculer le temps de la voie de l’unité testée (UT) :

Temps de montée/descente UT = racine carrée [(temps observé) 2 – (temps du signal appliqué) 2]

Sur certains oscilloscopes, le graticule vertical est spécialement marqué par 0 %, 10 %, 90 % et 100 % pour faciliter l’alignement de l’amplitude d’impulsion par rapport aux marques 0 % ou 100 %, puis pour mesurer les points d’intersection 10 %/90 % par rapport aux marques sur la ligne de grille horizontale du centre. De nombreux DSO modernes disposent de curseurs de mesure des fonctions qui effectuent des mesures de temps de montée à ces mêmes points.

Mesure

Sur tous les modèles Fluke, deux types d ́impulsions sont utilisés :

• Fonction de front bas : une impulsion d’amplitude à basse tension appariée à 50 Ω avec un temps de montée/descente inférieur ou égal à 1 ns. Lorsque notre formule est utilisée pour calculer le temps de montée/descente UT, le temps de montée du signal appliqué doit correspondre au temps certifié lors du dernier étalonnage du calibrateur qui se rapproche le plus de l’amplitude de l’impulsion appliquée.
• Fonction de front haut : une impulsion d’amplitude à haute tension appariée à 1 MΩ avec un temps de montée/descente inférieur ou égal à 100 ns. Cette fonction est surtout utilisée pour étalonner la réponse des atténuateurs de voie de l’oscilloscope.

Aberration du front montant

Les aberrations, ou dépassement et baisse de tension du signal sous le niveau désiré, sont visibles sur l'affichage. Elles apparaissent souvent à l’extrémité supérieure du bord, avant que la tension ne se stabilise à sa valeur finale (qui est définie comme 100 %).

Lorsque les aberrations sont affichées pour la mesure, elles doivent se situer dans les limites de spécification. Lorsque la spécification d'aberration de l'oscilloscope approche de celle de l’étalonnage, d'autres méthodes doivent être utilisées pour étalonner.

Bande passante de la voie

Ce facteur, comme pour déterminer la réponse aux impulsions en visualisant l’impulsion de l’échantillon sur l’écran, doit être pris en charge en mesurant la bande passante de l’amplificateur à l'aide d’un « signal sinusoïdal nivelé ». On utilise pour cela une impédance d’entrée de 50 Ω pour maintenir l’intégrité du système de transmission et de la source 50 Ω.

Pour les oscilloscopes à impédance d’entrée élevée, on utilise une charge de 50 Ω placée à l’entrée de l’oscilloscope. La charge de 50 Ω peut être une terminaison de 50 Ω distincte ou être incorporée à une tête dite Active, cette dernière solution offrant l’avantage d’une automatisation complète et n’exigeant aucun étalonnage supplémentaire.

On commence par mesurer l’amplitude affichée du signal sinusoïdal d’entrée à une fréquence de référence (généralement 50 kHz), puis on augmente la fréquence, à la même amplitude, de façon à obtenir la fréquence de 3 dB spécifiée pour la voie. L’amplitude affichée est mesurée une nouvelle fois.

La bande passante est correcte si l’amplitude observée au point 3 dB est égale ou supérieure à 70 % de la valeur relevée à la fréquence de référence.

Si la fréquence est nécessaire pour établir le point 3 dB réel, elle doit être augmentée pour obtenir une amplitude crête à crête de 70 % de la valeur relevée à la fréquence de référence, et cette fréquence est alors proche du point 3 dB.

Continuer l'étalonnage

Les étapes suivantes du processus d'étalonnage de l'oscilloscope se poursuivent dans ces articles :

• Comment étalonner votre oscilloscope pour une précision horizontale
• Comment étalonner l’emploi du déclenchement sur un oscilloscope
• Comment étalonner un oscilloscope pour le phasage

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• Comment étalonner un oscilloscope