Oscilloscope analogique vs numérique : comment choisir le bon pour vos projets

Les oscilloscopes sont des outils de test importants en ingénierie électronique. Surtout lorsqu'on mesure une section d'une forme d'onde répétitive ou un signal haute fréquence. Cependant, une question se pose chez les débutants : oscilloscope analogique vs numérique – lequel est le meilleur ? Dans la plupart des cas, vous remarquerez que les oscilloscopes numériques coûtent plus cher que leurs homologues analogiques.

Mais pourquoi ? Dans ce guide, nous répondrons à cette question et plus encore. Nous couvrirons également le fonctionnement de chaque type et comment les identifier. À la fin de ce guide, vous devriez pouvoir différencier les deux et choisir celui qui convient le mieux à votre projet.

Qu'est-ce qu'un oscilloscope ?

Une main ajustant un oscilloscope

L'oscilloscope porte de nombreux noms. Vous pouvez l'appeler oscillographe, o-scope, CRO (oscilloscope à rayons cathodiques), DSO (oscilloscope à stockage numérique), ou simplement scope. C'est un équipement qui utilise une sonde pour mesurer la tension de signal variable entre deux points d'un appareil électronique ou d'un circuit électrique.

Lors de la mesure de tension, un multimètre prend une lecture de circuit à un instant précis. D'un autre côté, les oscilloscopes vous permettent de mesurer la tension d'un circuit dans le temps. Essentiellement, il prendra des milliers de lectures et les tracera sur votre écran. Cela vous permettra de comparer facilement les pics ou chutes de tension provenant d'événements transitoires.

Il existe deux principaux types d'oscilloscopes : les oscilloscopes analogiques et les oscilloscopes numériques. Ils fonctionnent virtuellement de la même manière, mais comme vous le verrez, les oscilloscopes numériques offrent des fonctionnalités supplémentaires que leurs homologues analogiques n'ont pas.

Oscilloscopes analogiques

Oscilloscope analogique

Lorsque les fabricants ont introduit les oscilloscopes analogiques, ils utilisaient un tube cathodique (CRT) avec des plaques de déviation horizontale pour afficher les formes d'onde.

Les tensions sur les plaques horizontales du tube modifiaient la position du faisceau d'électrons. Lorsque le faisceau d'électrons frappait le revêtement phosphorescent de l'écran, la zone d'atterrissage brillait. Par conséquent, cela affichait un point lumineux qui devenait finalement une longueur d'onde perceptible.

Il existait des oscilloscopes à double faisceau pour comparer deux signaux différents. Ils émettaient et affichaient simultanément deux faisceaux d'électrons sur un seul écran plat.

Les oscilloscopes analogiques de base n'avaient pas de fonction de stockage. Cependant, vous pouviez acheter un oscilloscope analogique à stockage pour stocker une image de forme d'onde d'entrée. Néanmoins, ces oscilloscopes à stockage étaient coûteux et assez rudimentaires selon les normes modernes.

À l'origine, les oscilloscopes analogiques étaient généralement grands et encombrants. Cependant, grâce à la technologie numérique, les modèles futurs sont devenus assez compacts pour les applications de service sur le terrain.

Oscilloscopes numériques

Oscilloscopes numériques série Rigol DS2000

Les écrans à état solide ont remplacé les CRT grands et encombrants. Cela a rendu les oscilloscopes beaucoup plus petits et moins profonds. De plus, cela leur a également offert plus de fonctions d'affichage. Aujourd'hui, les oscilloscopes numériques sont les types les plus courants.

En outre, l'avènement des oscilloscopes numériques a permis des fonctionnalités supplémentaires telles que le stockage standard, une meilleure manipulation de l'affichage, un déclenchement amélioré, etc.

Types d'oscilloscopes numériques

Lorsque les fabricants et les entreprises ont sorti les premiers oscilloscopes numériques, ils les ont introduits sous oscilloscope à phosphore numérique (DPO) et oscilloscope à stockage numérique (DSO). C'est parce que les premiers oscilloscopes numériques utilisaient des écrans à phosphore. Un oscilloscope numérique moderne utilise un écran LED ou LCD.

Autrefois, la taille et la résolution de l'écran limitaient les oscilloscopes analogiques. Inversement, les oscilloscopes numériques modernes n'ont pas ce problème.

Oscilloscopes à signaux mixtes et domaines mixtes (MSO et MDO)

Démontage Agilent 54622D MSO

Source : Flickr

Les nouvelles capacités offertes par les oscilloscopes numériques allaient bien au-delà de ce que beaucoup pouvaient imaginer à l'époque analogique. Elles ont incorporé des capacités telles que des canaux d'analyse logique au-delà des deux canaux analogiques ou plus normalement disponibles. Par exemple, les oscilloscopes à signaux mixtes (MSO) sont devenus disponibles. D'autres capacités comme une sortie générateur de fonction et un multimètre numérique étaient également possibles.

Presque tous les oscilloscopes modernes ont des modèles MSO standard. Alternativement, ils peuvent offrir plusieurs canaux numériques en option. De plus, de nombreux oscilloscopes numériques incluent le traitement du signal pour effectuer des mesures dans le domaine de la fréquence, c'est-à-dire l'analyse spectrale. Cela permet de tester des circuits qui peuvent nécessiter un mélange d'analyse spectrale et de mesures normales d'oscilloscope.

Un véritable oscilloscope à domaine mixte possède un connecteur RF dédié que vous ne pouvez utiliser que pour les mesures dans le domaine de la fréquence. Il a normalement une capacité d'analyse spectrale plus performante.

Oscilloscopes à échantillonnage numérique

Oscilloscope à échantillonnage numérique

Source : Wikimedia Commons

Une autre forme d'oscilloscope est l'oscilloscope à échantillonnage numérique. C'est une forme très spécialisée utilisée pour un nombre limité d'applications de niche. Par exemple, il peut examiner des aspects comme le gigue (jitter) sur des signaux bien au-delà de la région des dizaines de gigahertz. En tant que tel, nous n'utilisons pas ces oscilloscopes pour des applications moyennes.

Par conséquent, ils ont un cas d'utilisation limité. Les oscilloscopes se présentent également dans une variété de formats. Ils peuvent venir dans des boîtiers de banc standard pour une utilisation en laboratoire. En revanche, d'autres sont plus adaptés aux applications de service sur le terrain.

Oscilloscopes analogiques vs numériques – USB et basés sur PC

Un PicoScope 6000 se connectant à un ordinateur portable

Source : Wikimedia

Un oscilloscope basé sur PC peut soit être un oscilloscope autonome, soit un oscilloscope externe. Les oscilloscopes externes basés sur PC nécessitent une connexion à votre PC pour fonctionner. De plus, ils peuvent utiliser l'affichage, l'alimentation et le processeur de l'ordinateur. Souvent, vous pouvez les relier via une interface USB.

Cependant, certains oscilloscopes externes peuvent utiliser des systèmes de bus informatiques tels que le système PXI. Bien sûr, vous devrez installer le logiciel et les pilotes de l'oscilloscope sur votre ordinateur pour qu'il s'interface correctement.

D'un autre côté, les oscilloscopes autonomes internes basés sur PC sont livrés avec des composants informatiques internes. Ils ont des microprocesseurs internes qui leur accordent des fonctionnalités supplémentaires telles que le contrôle d'instrument, la mesure automatique et la gestion de l'affichage. De plus, ils permettent un traitement plus complexe des signaux numérisés. Cela dépasse les capacités des versions analogiques avec CRT à vue directe.

Il existe une énorme variété de types et de modèles d'oscilloscopes. Connaître leurs caractéristiques et consulter leurs fiches techniques, vous pouvez examiner leurs performances, leur facteur de forme et leurs capacités globales.

Différences clés entre un oscilloscope analogique et numérique

Différences de fonctionnement

Plan de travail d'ingénierie électronique avec un oscilloscope

Il y a un énorme malentendu dans la communauté électronique novice. Beaucoup supposent que seuls les oscilloscopes analogiques utilisent des écrans CRT. C'est faux. Les oscilloscopes numériques comme le Tektronix 2230, oscilloscope à stockage numérique, utilisent un écran CRT.

Si vous compariez un vieil oscilloscope analogique comme le Tektronix 2213 au Tektronix 2230 DSO, vous remarqueriez combien ce dernier a plus de commandes sur le panneau. Ainsi, il y a intrinsèquement plus de complexité dans le fonctionnement d'un oscilloscope à stockage numérique.

Un oscilloscope numérique peut faire tout ce qu'un oscilloscope analogique peut faire. Cependant, lorsque vous commencez à zoomer sur un oscilloscope analogique, surtout à basse fréquence, l'image de sortie commence à scintiller. C'est à cause de la façon dont l'écran CRT affiche les formes d'onde.

L'oscilloscope à stockage numérique corrige cela en vous fournissant une image plus stable. Ainsi, au lieu d'afficher la tension variable, le DSO échantillonnera les formes d'onde à divers points, les stockera et les affichera. Cela lui donne un affichage plus stable et facilite la visualisation de la forme d'onde entière.

L'oscilloscope numérique y parvient grâce à son convertisseur analogique-numérique (CAN/ADC). Il prend les tensions mesurées comme signaux analogiques et les traduit en signaux numériques.

L'oscilloscope analogique n'est pas capable de la même persistance qu'un oscilloscope numérique. De plus, vous pouvez régler la persistance effective sur un oscilloscope numérique, lui permettant de capter plus de bruit. Le calibrage de l'affichage vous permet de voir une mesure plus précise et une meilleure qualité de graphique. En outre, l'utilisation de la technologie LCD rend les systèmes numériques plus légers et plus portables.

Différences de spécifications

Image vectorielle d'oscilloscope

Source : Commons Wikimedia

Une autre façon de comprendre certaines différences entre les oscilloscopes est d'observer leurs spécifications. Dans cette section, nous couvrirons ces spécifications :

Bande passante (BW) :

C'est la spécification phare d'un oscilloscope. Elle décrit la fréquence la plus élevée que le frontal de l'oscilloscope peut gérer et la rapidité du temps de montée qu'il peut capturer.

Ainsi, la fréquence du signal et le temps de montée de ce signal sont intrinsèquement liés. Pour calculer le temps de montée le plus rapide que votre oscilloscope peut voir, divisez 0,35 par la bande passante spécifiée. La formule est donc : temps de montée le plus rapide capturable = 0,35 / bande passante.

Les oscilloscopes analogiques et numériques ont tous deux des spécifications de bande passante. Cependant, les oscilloscopes numériques modernes surpassent de loin les capacités de bande passante des anciens modèles.

Taux d'échantillonnage (Sample/Sampling Rate) :

Cette spécification est unique aux oscilloscopes numériques. Elle vous indique à combien de points par seconde votre oscilloscope acquiert des données. Essentiellement, le signal d'entrée passe par l'analogique frontal (d'où vient la bande passante), puis le numériseur échantillonne la forme d'onde analogique.

Bien que le taux d'échantillonnage soit lié à la bande passante, il ne l'affecte pas. Tout ce qu'il fait est de prendre des données du frontal analogique. Néanmoins, la bande passante décrit la partie analogique de l'oscilloscope, tandis que le taux d'échantillonnage décrit la partie numérique. De cela, nous comprenons pourquoi le taux d'échantillonnage est une spécification exclusive aux oscilloscopes numériques.

Profondeur de mémoire / Taille de mémoire (Memory Depth/Size) :

Le taux d'échantillonnage et la profondeur de mémoire sont des attributs étroitement liés dans un oscilloscope. La profondeur de mémoire décrit la quantité de données de forme d'onde que l'oscilloscope peut capturer. Plus le taux d'échantillonnage est rapide, plus l'onde capturée est courte. Ainsi, les formes d'onde avec des taux d'échantillonnage plus rapides occupent plus de mémoire. De plus, plus vous pouvez utiliser de mémoire, plus vous pouvez stocker de temps.

La profondeur de mémoire est la troisième propriété la plus importante d'un oscilloscope numérique. Encore une fois, c'est une spécification unique aux oscilloscopes à stockage numérique. Les oscilloscopes analogiques ne capturent ni n'enregistrent les formes d'onde. En tant que tel, ils n'ont pas de propriétés de profondeur de mémoire.

Résolution (Bits ADC) :

Les oscilloscopes modernes sont livrés avec 8, 10 et 12 bits ADC. Le convertisseur analogique-numérique prend un signal analogique, le convertit et le quantifie en information numérique. Ainsi, un ADC 8 bits est capable de 256 niveaux de quantification (2^8 = 256). C'est la résolution verticale de l'ADC.

Plus la résolution est élevée, plus la représentation de la forme d'onde sera claire. De plus, les bits ADC dicteront la plage d'entrée. Par exemple, les oscilloscopes avec des résolutions plus élevées seront mieux adaptés à l'analyse de signaux minuscules. C'est une autre spécification unique que les oscilloscopes analogiques n'ont pas.

Déclenchement (Trigger) :

• Chaque oscilloscope numérique est livré avec un bouton qui vous permet de modifier le niveau de déclenchement sur l'oscilloscope. Le déclencheur dit essentiellement à l'oscilloscope quand prendre un instantané de la forme d'onde.

Votre DSO standard est livré avec de nombreux modes de déclenchement différents, qui indiquent comment réagir lorsqu'il rencontre un événement de déclenchement. Par exemple, le mode déclencheur de front (edge trigger) dit à l'oscilloscope de capturer un instantané lorsque le signal touche le bord de la grille sur l'affichage. Cela vous donne un moyen polyvalent de mesurer la forme d'onde.

Encore une fois, parce que les oscilloscopes analogiques ne capturent et ne stockent pas les données, les déclencheurs sont principalement uniques aux oscilloscopes à stockage numériques.

Avantages des oscilloscopes analogiques

Il y a de nombreux avantages à utiliser des oscilloscopes numériques plutôt qu'analogiques. Mais quels sont les avantages d'utiliser de vieux oscilloscopes analogiques ?

Plus facile à utiliser :

Les oscilloscopes numériques ont tendance à être plus élaborés. Inversement, les oscilloscopes analogiques peuvent être plus faciles à utiliser car ils ont des commandes minimales et des affichages moins déroutants. Ainsi, vous pouvez les utiliser pour apprendre les bases du test de tension. Souvent, moins de fonctionnalités équivalent à plus de simplicité. Vous n'avez pas à passer autant de temps à configurer les oscilloscopes analogiques.

Moins cher :

Les oscilloscopes analogiques sont moins chers que les types numériques. C'est parce qu'ils sont plus anciens et ont moins de fonctionnalités, et comme vous pouvez trouver de nombreux modèles d'occasion de ce type, ils sont moins chers.

Meilleur pour les lectures analogiques :

Les lectures analogiques apparaissent souvent mieux sur les écrans CRT analogiques. Elles sont plus claires et, dans certains cas, peuvent sembler moins bruitées.

Disponibilité :

Encore, parce qu'ils sont plus anciens, il y a de nombreux modèles d'occasion que vous pouvez acheter. De plus, ils sont moins demandés. Ainsi, la plupart des magasins d'électronique et d'équipement réputés ont tendance à être bien approvisionnés.

Conclusion

Pour la plupart des tests simples en ingénierie électronique, les oscilloscopes analogiques fonctionnent aussi bien que les oscilloscopes numériques. Si vous êtes débutant ou amateur, vous pourriez bénéficier davantage de l'achat d'un oscilloscope analogique plutôt que numérique. Cependant, lors de l'achat d'un oscilloscope, vous devez être clair sur vos objectifs et si les fonctionnalités de l'oscilloscope s'alignent avec eux.

Par exemple, vous devrez analyser la conception de l'oscilloscope, la bande passante analogique ou numérique, le temps de montée, le taux d'échantillonnage, la densité de canaux, la longueur d'enregistrement, le taux de capture de forme d'onde, la connectivité et l'extensibilité. Pour les oscilloscopes numériques, vous devrez vous soucier de la mémoire par canal et de la profondeur de mémoire. Une fois que vous comprenez ces spécifications simples, vous pourrez discerner quel oscilloscope est le meilleur pour vous. Maintenant, quand les gens demandent : « oscilloscope analogique vs numérique ; lequel est le meilleur ? », vous pourrez leur fournir une réponse claire. Néanmoins, nous espérons que vous avez trouvé ce guide utile. Comme toujours, merci de votre lecture.