Avant de plonger dans la c
omplexité du numérique il nous faut impérativement aborder la notion fondamentale de BASE de TEMPS, que nous allons aborder à travers la technologie des tubes à vides qui équipaient tous les ensembles électroniques avant l’avènement du transistor.
Gravitant autour d’un tube cathodique servant d’écran graphique, les oscilloscopes de technologie analogique étaient basés sur la présence d’un spot lumineux qui se déplaçait de la gauche vers la droite à une vitesse ajustable pour représenter l’écoulement du temps. En fonction de la tension appliquée en entrée de l’appareil, ce spot était dévié verticalement. Les luminophores allumaient une trace représentative de l’évolution de la tension en fonction du temps. Pour obtenir une trace continue, le balayage était permanent, le spot étant rapidement ramené à gauche pour un nouveau passage. Pour obtenir un tracé exploitable et non un « fouillis » de lignesmélangées, il était impératif de procéder à une synchronisation, c’est à dire un déclenchement précis du balayage pour que les tracés se superposent. Heureusement pour nous l’échantillonnage mémorisé nous épargne cette facette particulièrement délicate qui exigeait sur les « ancêtres » une foule de boutons et d’ajustements judicieux. Le balayage horizontal devait avoir une rapidité directement liée à la fréquence de l’onde visualisée. Cette donné de rapidité de balayage est nommée LA BASE de TEMPS. Elle est toujours d’actualité, mais sous une autre forme.
Passage de l’ère cathodique à celle du silicium.
Vive l’échantillonnage numérique qui permet de mémoriser les valeurs des tensions mesurées, puis de les tracer sur l’écran en différé. Cette technique évite d’avoir à synchroniser. S’il est indispensable de pouvoir ajuster finement le seuil de déclenchement d’un échantillonnage sur un oscilloscope professionnel, dans un premier temps on peut s’en passer royalement pour une application ludique telle que celle envisagée ici.
Le principe de base est enfantin : À intervalles de temps réguliers et calibrés ΔT on lit la valeur du convertisseur CAN comprise entre 0 et 1023 sur Arduino. Chaque échantillon est stocké rapidement dans une mémoire TAMPON. La taille de cette mémoire conditionne le nombre de points « en largeur » qui seront enregistrés. Pour simplifier on se contentera de 128 échantillons, c’est à dire la définition en largeur de l’écran OLED utilisé. Quand la mémoire est pleine, on traite l’affichage en différé.
Ces valeurs sont alors translatées entre 1 et 64 la définition verticale de la matrice de PIXELs pour visualiser graphiquement le signal. En vertical nous avons la tension en fonction de l’écoulement du temps en horizontal. Grosse différence avec les tubes cathodiques, l’affichage des PIXELs est mémorisé dans l’écran OLED. Il est figé, stable, et n’a pas à être rafraichi comme sur un tube cathodique pour éclairer en continu. Du coup, l’échantillonnage étant « une photographie instantanée avec un temps de pose de 128 échantillons, on peut la déclencher sans restriction.
Inconvénient n°1 de la technique numérique.
Pour que nous puissions comparer ce qui est comparable, sur la Fig.12 sont représentés les deux technologies. Sur le dessin A le tube cathodique et sur C l’équivalent actuel d’une dalle de pavés électroluminescents. On suppose ici que les deux technologies ont des écrans de dimensions identiques. Sur l’ancienne technologie le spot de la trace lumineuse en vert est de diamètre analogue au coté d’un pavé électroluminescent bleu pour que dans les deux cas la finesse d’affichage soit comparable. En B le dessin montre comment est effectuée la numérisation. Pour en comprendre le principe nous allons examiner le cas de l’échantillon n°14 en partant de la gauche. L’analyse sera plus facile sur la Fig.13 qui constitue un agrandissement de l’encadré rose. Le milieu des PIXELs se situe latéralement à l’instant précis de la saisie de la tension par la CAN. Sur le tube cathodique c’est le milieu de la trace qui correspond à la tension instantanée. C’est sur celui-ci que se fait la CAN. Mais verticalement la tension numérisée UCAN ne se trouve pas forcément au centre des dalles lumineuses. C’est donc le pixel le plus proche « verticalement » qui sera allumé pour visualiser la trace. Contrairement à la visualisation sur tube cathodique, la trace n’est plus continue. On constate donc que l’ancienne technologie assurait un visuel bien plus élégant. De plus, sauf à les reconstituer par traitement, des transitions parfaitement verticales comme celles d’un signal carré ne peuvent pas être représentées alors que sur un tube cathodique le tracé étant forcément continu elles sont présentes. (Toutefois en bien moins lumineux car le temps de monté étant très court les luminophores sont peu excités.) Noter que c’est la durée ΔT entre la saisie de deux échantillons qui conditionne la représentation horizontale du temps. C’est donc ΔT qui définit la BASE de TEMPS.
Inconvénient n°2 de la technique numérique.
Premier cas typique d’une aberration de représentation, celui représenté en rouge sur la Fig.14 lorsque la fréquence d’échantillonnage est proche de celle du signal analysé. (Proche, ou le pire des cas égale à cette dernière.) Sur ce dessin les instants de numérisation sont représentés par les verticales épaisses rouges. Pour en faciliter le repérage un intervalle ΔT sur deux est colorié en jaune. On observe alors une représentation qui ressemble à celle d’une tension continue. Son amplitude sera 
fonction de l’instant de déclenchement de l’enregistrement par rapport à la phase du signal. Deuxième cas également typique, une fréquence d’échantillonnage inférieure à celle du signal enregistré. C’est le cas représenté en violet, les traits verticaux représentant les instants précis de capture des CAN. On observe, que les points visualisés peuvent faire croire à un signal sinusoïdal de fréquence très inférieure à celle de celui qui a été enregistré. Si la forme d’onde n’est pas sinusoïdale, la représentation devient « quelconque » et ne représente absolument pas la réalité.
La bande passante.
C’est la caractéristique la plus importante d’un oscilloscope. Elle définit la fréquence la plus grande des signaux qui pourront être visualisés correctement sur l’appareil. Pour un oscilloscope analogique, c’est le gain vertical des amplificateurs d’entrée qui définit la bande passante. Pour simplifier, un exemplaire qui indique 20MHz signifie qu’à partir de cette limite l’amplitude va chuter car le gain en tension va s’effondrer. Pour un appareil numérique, on estime que la bande passante correspond au dixième de sa fréquence d’échantillonnage. Pour un appareil numérique on estime généralement que la limite en fréquence visualisée correctement est celle de l’échantillonnage divisée par dix. Un signal sinusoïdal de fréquence maximale n’est alors représenté par dix points comme sur la Fig.15 sur laquelle le début de la mémorisation des échantillons a été déclenché lors du front montant du signal à environ 2/3 de sa tension crête. On a seulement dix PIXELs par période ce qui est peu.
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