Un oscilloscope pour PC avec interface USB

Cet appareil peux  transforme 1 ordinateur PC ou portable  en oscilloscope numérique 100/100, le schema Il est constitué d’une seule platine d’acquisition pour port USB. Le logiciel à utiliser avec le PC est bien entendu disponible.

 

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CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
- Nombre de canaux: 1;
- Bande passante: 2 MHz;
- Fréquence maximale d’échantillonnage: 500 kHz;
- Impédance d’entrée: 1M;
- Tension maximale d’entrée: 50 Vpp (AC+DC);
- Couplage en entrée: AC ou DC;
- Résolution verticale: 8 bits;
- Base de temps: 10, 20, 50, 100, 200, 500 ps/div; 1, 20, 50, 100, 200, 500 ms/div; 1, 2, 5, 10 s/div;
- Sensibilité: 4, 10, 20, 40 mV/div; 0.1,0.2,0.4,1,2,4, 1OV/div;
- Mémoire vidéo: 256 échantillonnages;
- Mesures avec les curseurs de temps et d’amplitude;
- Mesures automatiques: Vrms, Vmed, Vpp;
- Mode de fonctionnement: Run, Stop, Rool, Once;
- Trigger (déclencheur): niveau et pente sélectionnables;
- Fonctionnement comme analyseur de spectre;
- Fréquence maximale 250 kHz;
- Échelle d’amplitude: linéaire ou logarithmique;
- Mesures avec les curseurs de fréquence et d’amplitude;
- Mesures automatiques: Vrms, Vmed, Vpp;
- Connexion à l’ordinateur: USB 2.0 Full-Speed;
- Alimentation: par le port USB (max 100 mA), aucune alimentation externe n’est requise.

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L’oscilloscope a toujours été l’instrument le plus important du laboratoire de l’électronicien, qu’il soit amateur ou professionnel: c’est en effet le seul appareil
de mesure qui permette de visualiser la forme d’onde d’un signal électrique. Alors qu’un multimètre fournit, par exemple, l’amplitude d’un signal, l’oscilloscope permet de mesurer bien davantage de paramètres d’amplitude comme de temps, avec en plus la visualisation à l’écran de la forme d’onde dudit signal. La complexité de ce type d’appareil implique un coût d’acquisition assez élevé, à tel point que beaucoup d’amateurs électroniciens ne peuvent se le payer. Les premiers oscilloscopes étaient analogiques et la visualisation se faisait sur un tube cathodique CRT aux phosphores verts, exactement comme ceux des téléviseurs à tubes cathodiques; puis sont arrivés les oscilloscopes —toujours analogiques mais— dotés de certains paramétrages à contrôle numérique.
C’est avec la sortie des convertisseurs analogiques/ numériques à fréquence d’échantillonnage élevée et à faible coût qu’on a pu réaliser des oscilloscopes entièrement numériques dans lesquels le signal de sortie du convertisseur reste au format numérique jusqu’à la visualisation. Ces nouveaux types d’oscilloscopes sont désignés par l’acronyme DSO, pour Digital Sampling Oscilloscope, soit oscilloscope à échantillonnage numérique et leur fonctionnement est très intuitif. Un signal d’horloge à fréquence constante (paramétrable par l’opérateur) commande la conversion analogique/numérique et les valeurs échantillonnées sont enregistrées dans une mémoire. L’échantillonnage se termine quand un certain nombre d’échantillons (de 256 min à 8 000 max) a été acquis, les valeurs échantillonnées sont alors lues dans la mémoire et visualisées sur un écran de type LCD.
Quand on mesure des signaux lentement variables, la fonction de mémoire des DSO constitue un important avantage par rapport aux oscilloscopes traditionnels. A cela s’ajoute la possibilité de mémoriser le tracé vidéo pendant une durée indéfinie (ce qui est impossible avec un oscilloscope analogique) et dans certains cas celle de transférer les valeurs échantillonnées vers un PC pour une analyse ultérieure (avec un interfaçage adéquat).
Dernièrement, grâce aux potentialités élevées atteintes par les ordinateurs même bon marché et à la possibilité de disposer en outre de ports de communication externes à haute vitesse, on a pu réaliser une nouvelle catégorie d’oscilloscopes se réduisant à un simple boîtier contenant le convertisseur analogique/numérique, le traitement et la visualisation étant dévolues à l’ordinateur; cela fait bien sûr baisser drastiquement les coûts de réalisation. Cet article explique comment réaliser un oscilloscope selon ce dernier principe: il n’en possède pas moins des caractéristiques professionnelles, le faible prix de revient le rendant encore plus intéressant.
Le schéma électrique
Le schéma électrique complet de cet oscilloscope USB se trouve Figure 1. Afin de mieux comprendre son fonctionnement nous avons divisé le circuit en cinq blocs fonctionnels.
Alimentation (“Power Supply”): le port USB fournit une tension de +5 V mais un oscilloscope doit être en mesure d’analyser des signaux de type bipolaire, c’est-à-dire avec des tensions positives et négatives par rapport à la masse. Pour l’obtenir, il faut produire une tension négative à partir d’une positive: c’est le rôle de Ui 1CL7660. Ce circuit intégré, grâce à son horloge interne et quelques condensateurs, produit une tension négative de valeur équivalente à la tension positive d’alimentation, soit —5 V (c’est la tension dont nous avons besoin). La LED permet de signaler que la connexion aux ports USB est correcte.
Entrée analogique (“Analog Input”):
c’est l’entrée analogique de l’oscilloscope; comme le montre la figure, il se compose essentiellement d’un diviseur de tension de rapport 10:1, nécessaire pour réduire les signaux d’entrée dont l’amplitude est trop élevée et des relais K2 et K3 qui sélectionnent la portée voulue.

Le relais K3 shunte le condensateur 03 et paramètre le mode AC (couplage en alternatif) ou DC (couplage en continu) de l’oscilloscope.
Le circuit formé de R5 et des deux zeners sert à protéger l’entrée de l’opérationnel contre les surtensions, qu’elles soient positives ou négatives. L’opérationnel qui suit est monté en suiveur (justement) de tension et il sert exclusivement d’adaptateur d’impédance à l’étage amplificateur suivant (tout le monde suit bien?). Cet étage se compose d’un opérationnel monté en configuration inverseuse et dont le gain peut être sélectionné au moyen de U3 4051: ce circuit intégré est un commutateur de signaux analogiques.
Le paramétrage du gain se fait en sélectionnant une des résistances placées sur les broches X0-X7 du 4051 au moyen des signaux de commande sur les broches A,B,C. Le signal de sortie de cet étage est bipolaire (positif et négatif) mais le convertisseur A/N (un ADCO82O) n’accepte que les signaux positifs: c’est pourquoi nous devons ajouter au signal amplifié une composante continue de façon à le rendre seulement positif. Pour cela nous montons l’opérationnel U2a qui additionne au signal amplifié la tension de référence engendrée par le signal PWM du PIC grâce aux composants R36, R37, R38, 023, 024. Cette valeur d’offset peut être modifiée à l’aide du logiciel pour compenser d’éventuelles variations dans les tensions du circuit. Le choix des relais reed a été commandé par les nécessités de gagner de la place, d’avoir un contact de bonne qualité et de pouvoir les contrôler directement à partir du PIC. Avec une bobine de 500 ohms et une tension de 5 V, 10 mA seulement suffisent à activer le contact (or les PIC pilotent jusqu’à 25 mA).
Référence de tension (“Voltage reference”): cet étage fournit les tensions de référence au convertisseur A/N en partant d’une tension de 3,3 V fournie par U7 LP2950 et des ponts de résistances de précision. Une autre tension de référence est produite par le PIC au moyen de la sortie PWM et des composants R40, R42, C25, C26; elle est utilisée par l’opérationnel U2b monté en comparateur pour détecter le déclenchement (trigger”).
Conversion A/N (“A/D conversion”):
pour l’étage de conversion on se sert de US ADCO82O, ce convertisseur de type “Half-Flah” à 8 bits opère des conversions à grande vitesse.
Son avantage tient à la facilité avec laquelle il peut être interfacé avec un microcontrôleur. La connexion ICSP (In Circuit Serial Programming) pour la programmation sans enlever le PIC du circuit imprimé (programmation “in-circuit”) est prévue; elle permet au besoin de mettre à jour le programme résident (et le programmateur autorise ce mode). Le cavalier J1 n’est utilisé que durant la phase de programmation “In-Circuit”, en effet, en le court-circuitant on agit sur la broche “Chip-Select” du ADCO82O en mettant ses sorties à haute impédance, ce qui permet la programmation du PIC.
Processeur: comme coeur du circuit on a utilisé U4, un microcontrôleur PIC18F2SSO contenant déjà à l’intérieur le module de communication USB; sa vitesse d’horloge élevée permet de gérer la conversion A/N et les divers paramétrages de l’oscilloscope. Le quartz utilisé (4 MHz) permet au PIC d’obtenir à l’intérieur une horloge de 40 MHz, soit ce qu’il faut pour gérer les ports USB à pleine vitesse et produire les signaux nécessaires au convertisseur. La mémoire RAM interne à haute vitesse de 2 048 octets est plus que suffisante pour enregistrer les valeurs échantillonnées par le convertisseur A/N. Les deux sorties PWM ont été utilisées pour obtenir deux tensions de référence, une pour le contrôle de l’offset de l’étage analogique et l’autre pour obtenir le niveau de déclanchement. Il est ainsi possible de paramétrer par voie logicielle le niveau du “trigger” pour le balayage.
La réalisation pratique
La platine est constituée d’un circuit imprimé double face à trous métallisés, dont la figure 2b-1 et 2 donne les dessins à l’échelle 1. Fabriquez-le avec soin ou procurez-le vous. Commencez par insérer et souder les neuf supports des six circuits intégrés (tous sauf U7) et des trois relais reed (vous n’insèrerez tout ce beau monde qu’à la fin, repères- détrompeurs en U vers la droite pour les relais reed et vers la gauche pour les circuits intégrés). Vérifiez bien ces premières et nombreuses soudures (ni court-circuit entre pistes ou pastilles ni soudure froide collée). Insérez et soudez ensuite les autres composants (comme le montrent les figures 2a et 3), en commençant par les résistances: attention, ce sont des 1% et leurs cinq bandes de couleur ne seront peut-être pas faciles à lire pour tout le monde, dans ce cas mesurez leurs valeurs avec l’échelle ohm-mètre d’un multimètre numérique.

Figure 2a: Schéma d’implantation des composants de l’oscilloscope USB.

Figure 2b-1: Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine de l’oscilloscope USB, côté soudures.
Continuez en montant les trois diodes, les deux zeners et la LED (orientez les bagues et le méplat dans le bon sens). Montez le cavalier Ji sous R24. Poursuivez avec les condensateurs (06 est un ajustable): attention aux électrolytiques, leurs pattes — doivent être soudées au bon endroit, sous peine de destruction à la mise sous tension. Montez le régulateur U7 (en boîtier plastique demi lune, comme un transistor) méplat vers le haut et l’extérieur de la platine. Montez le quartz Qi debout près de U4. Montez enfin le connecteur USB-B, la BNC et la barrette mâle à six pôles.
Une fois tout vérifié plusieurs fois, vous pouvez, sans vous tromper, insérer dans leurs supports respectifs les trois relais reed et les six circuits intégrés restants, dont le PIC. Pour le fonctionnement vous devez vous munir d’un câble assurant la liaison entre les ports USB de l’oscilloscope et de l’ordinateur. On le trouve partout et même en grande surface.

Figure 2b-2: Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine de l’oscilloscope USB, côté composants.

Figure 3: Photo d’un des prototypes de la platine de l’oscilloscope USB.
Le programme résident du PIC est plutôt complexe car il doit gérer la communication USB, l’acquisition à partir du convertisseur USB ainsi que les divers signaux de la platine:
le tout avec des délais très serrés. Pour comprendre le fonctionnement du programme, analysons le diagramme des flux (“flow-chart”) simplifié de cette figure. À la mise sous tension, les registres internes sont paramétrés puis le PIC attend une communication de la part du PC à travers le port USB. Chaque fois que le logiciel du PC envoie la demande d’échantillonnage avec la configuration, le PIC vérifie si la configuration est bien la même que la dernière fois et éventuellement il met à jour les divers contrôles. Un sous programme commence alors:
son rôle est de vérifier l’événement du déclenchement, c’est-à-dire si le signal d’entrée a été coupé avec la bonne pente et le bon niveau. Si le déclenchement n’arrive pas dans un délai fixé, l’acquisition est de toute façon forcée mais la synchronisation du tracé à l’écran n’est pas assurée: on peut vérifier cela en paramétrant un niveau de déclenchement plus haut que le niveau du signal. L’acquisition proprement dite consiste à gérer la commande de départ (start”) du convertisseur A/N (A/D converter”) et à enregistrer en mémoire RAM la donnée présente sur le PORT B, tout cela à la fréquence d’échantillonnage paramétrée. Quand le “buffer” (tampon) est plein (256 valeurs), l’acquisition s’achève et les données sont envoyées par le port USB au logiciel pour l’élaboration suivante; ensuite le PIC se remet en attente d’une communication.

Figure 4: organigramme des routines du programme résidant dans le PIC.

Figure 5: À partir du Bureau, avec le bouton droit de la souris, cliquez sur l’icône Ressources de l’ordinateur, sélectionnez Propriétés puis l’onglet Matériel, cliquez enfin sur le poussoir Gestion périphériques et cet écran est visualisé.

Figure 6: Cliquez avec le bouton droit de la souris sur Périphérique USB Human Interface pour sélectionner Propriétés et cette fenêtre s’ouvre.
L’installation du logiciel
Le logiciel (désigné par DS0820.exe) s’installe automatiquement dans le répertoire choisi du disque dur avec les systèmes d’exploitation Windows 2000/XP. Durant cette phase, tous les composants relatifs à la communication USB et toutes les DLL nécessaires au programme sont installés automatiquement. Il est capital que cette installation soit effectuée avec un accès au PC de type “administrateur”
Les essais et les réglages
Après avoir installé le logiciel, il faut relier l’oscilloscope aux ports USB: il est automatiquement reconnu par le système d’exploitation.
On peut effectuer une vérification en accédant à l’écran de Gestion périphériques Windows de la façon suivante: à partir du Bureau, avec le bouton droit de la souris sur l’icône Ressources de l’ordinateur, sélectionnez Propriétés puis l’onglet Matériel et cliquez enfin sur le poussoir Gestion périphériques (l’écran de la Figure 5 est visualisé).
Cliquez avec le bouton droit de la souris sur Périphérique USB Human Interface pour sélectionner Propriétés: la fenêtre de la Figure 6 s’ouvre.
Vous avez alors la certitude que le système d’exploitation a reconnu correctement le périphérique. Vous devez ensuite lancer le logiciel DS00820 et cliquer sur Connexion.
Si le périphérique est correctement reconnu, un message de connexion effectuée apparaît et l’oscilloscope est prêt à fonctionner (voir Figure 7).
Le réglage consiste seulement à corriger la valeur du condensateur C6. Pour ce faire, il faut connecter à l’entrée de l’oscilloscope un générateur de signaux carrés d’amplitude comprise entre 5 et 10 Vpp et de fréquence environ 1 kHz:
réglez le trimmer jusqu’à visualiser correctement le signal carré à l’écran (il faut régler convenablement l’échelle d’amplitude et l’échelle des temps afin d’afficher le tracé à l’écran).
La Figure 8 donne un exemple de réglage: la figure de gauche est obtenue quand C6 est tourné trop à gauche; la figure de droite lorsqu’il est tourné trop à droite. Enfin la figure du centre donne le réglage idéal. Pour ce réglage vous aurez besoin d’un petit tournevis en plastique dit “tournevis HF”.
Le réglage de l’offset, nécessaire surtout si l’on insère des échelles d’amplitude très faibles, est exécuté en courtcircuitant l’entrée de l’oscilloscope et en agissant sur le contrôle correspondant du logiciel (il n’est pas nécessaire d’agir sur le circuit) jusqu’à ce que le tracé horizontal se trouve exactement sur l’axe.
L’utilisation
du logiciel DS00820
Après avoir lancé le logiciel et connecté correctement le périphérique, l’oscilloscope est prêt à fonctionner.
A titre de premier essai, reliez un générateur de signaux ou, à défaut, la tension du secondaire d’un transformateur 6-12 V et, en agissant sur l’échelle des amplitudes et des temps, cherchez à visualiser correctement la forme d’onde.
L’écran qui apparaît, avec la description des fonctions, est visible en Figure 9.
Si l’on reste quelques instants avec le pointeur de la souris sur une commande, une description rapide de cette dernière apparaît.
Essayez alors les différentes commandes en partant de la sélection du front de montée ou de descente du “trigger” et tentez d’en modifier le niveau, Il est possible à tout moment
—en agissant sur le poussoir Stop— de figer l’écran afin de mieux analyser la forme d’onde.
Sur la base de temps de 500 ms/div ou supérieure, la lettre R indique l’activation automatique de la fonction Rool, nécessaire quand la base de temps devient très haute et l’attente pour acquérir tous les échantillonnages (et donc rafraîchir le tracé à l’écran) excessive: en effet, avec 1 s/div, le temps d’acquisition serait de 10 secondes! Avec la fonction Rool, en revanche, un échantillonnage à la fois

Figure 7: Si le périphérique est correctement reconnu, un message de connexion apparaît et l’oscilloscope est prêt à fonctionner.
a lieu etil est immédiatement visualisé
à l’écran pour montrer l’évolution du
signal en temps réel.
Si on agit sur les commandes Run et Stop, on peut lancer ou arrêter l’acquisition; dans ce cas la fonction Trigger est dévolue au poussoir Run.
Quand on active la fonction Measure, une petite fenêtre comportant les mesures automatiques apparaît (voir Figure 10).
Les mesures automatiques donnent les valeurs maximale et minimale du signal (Vmax et Vmin), la valeur Crête-Crête ou Pic-Pic (Vpp), la valeur moyenne (Vmed), la valeur de la composante alternative (Vac) et la valeur efficace (Vrms).
Quand on désire effectuer des mesures directement sur la forme d’onde
à l’écran, on peut activer la fonction Cursor, laquelle habilite alors une petite fenêtre (positionnable à volonté) et quatre marqueurs (deux de temps et deux d’amplitude) directement sur le tracé, comme le montre la Figure 11.
Il faut sélectionner sur l’écran Cursor le marqueur que l’on souhaite utiliser puis, en cliquant et en le faisant glisser directement sur le tracé, le positionner où l’on veut: la mesure est mise à jour automatiquement.
Décrivons maintenant la fonction Once. Elle est utile quand on désire acquérir un signal non répétitif, par exemple le signal produit par le port série d’un PIC lorsqu’il envoie un caractère.
Dans ce cas, après avoir paramétré le niveau et la pente du “trigger” (en plus de la base de temps et de l’échelle

Figure 8: La figure de gauche est obtenue quand le trim mer CG est tourné trop à gauche; la figure de droite lorsque le trimmer est tourné trop à droite; enfin la figure du centre donne le réglage idéal.

Figure 9: À titre de premier essai, reliez un générateur de signaux et, en agissant sur l’échelle des amplitudes et des temps, cherchez à visualiser correctement la forme d’onde; cet écran apparaît. Sur la figure, nous décrivons les fonctions disponibles.

Figure 10: Quand on active la fonction Measure, une petite fenêtre comportant les mesures automatiques apparaît.

Figure 11: Quand on désire effectuer des mesures directement sur la forme d’onde à l’écran, on peut activer la fonction Cursor, laquelle habilite alors une petite fenêtre (position nable à volonté) et quatre marqueurs (deux de temps et
L!eux d’amplitude) directement sur le tracé.
d’amplitude), on sélectionne la fonction Once et l’oscilloscope se met en état d’attente du signal.
Quand l’événement de “trigger” se produit, un balayage commence et les données sont immédiatement visualisées à l’écran, puis l’oscilloscope se met en état de Stop.
Les données acquises restent à l’écran jusqu’à une nouvelle activation de la
fonction Once ou bien une pression sur la touche Run. Dans la Figure 12 la fonction Once a été utilisée pour capturer une transmission série envoyée par un PIC.
Avec des signaux à 5V une échelle des amplitudes de 2 V/div avec couplage en DC a été paramétrée, la base de temps (pour une transmission à 9 600 bauds) a été paramétrée à 500 ps/div et le niveau de trigger à environ 3V et
avec une pente négative car normalement, en absence de transmission, le niveau est à +5 V.
Nous avons alors cliqué sur le poussoir Once et, à l’arrivée de la transmission, le signal acquis a été figé à l’écran pour être ensuite analysé.
Il ne nous reste qu’à décrire la fonction Analyseur de spectre activable en cliquant sur le poussoir DSA.

Figure 12: Dans cette figure, la fonction Once a été utilisée pour capturer une transmission série envoyée par un PIC.

Figure 13: La fonction Analyseur de spectre (Digital Spectrum Analyser) est activable en cliquant sur le poussoir DSA.

Figure 14: Par commodité, nous n’avons considéré que trois harmoniques.
Un écran comme le montre la Figure 13 est alors visualisé. Sans trop entrer dans les détails, disons que ce mode permet de visualiser les harmoniques d’un signal.
Nous savons en effet, grâce à la théorie de Fourier que n’importe quel signal peut être vu comme une somme de sinusoïdes infinies (harmoniques), toutes de fréquence multiple de la fondamentale et d’amplitude décroissante.
L’écran donne le spectre d’un signal triangulaire qui met en évident l’harmonique fondamentale (le pic d’amplitude supérieure à gauche) ainsi que les harmoniques secondaires (les pics de droite). C’est ce que représente la Figure 14 où, par commodité, nous n’avons considéré que trois harmoniques.
L’étude des harmoniques est très utile, par exemple pour déterminer le niveau de distorsion d’un signal ou bien pour concevoir correctement un filtre.











Publié dans Electronique-Magazine N°_98 _2007