Outils nécessaire pour la réalisation d’un oscilloscope

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Les différents types d’oscilloscopes

Il existe deux types d’oscilloscopes : analogique et numérique. Un oscilloscope analogique fonctionne par déflexion électrique d’un faisceau d’électrons en fonction de la tension mesurée. La tension dévie le faisceau d’électrons de haut en bas proportionnellement et trace une courbe sur l’écran qui donne une image instantanée du signal. Par contre un oscilloscope numérique échantillonne le signal et utilise un convertisseur analogique-numérique (CAN) pour convertir la tension à mesurer en une information numérique. Il utilise ensuite cette information numérique pour reconstruire la courbe sur l’écran.
Pour beaucoup d’applications, l’un et l’autre type peuvent être utilises. Cependant, chaque type possède des caractéristiques spécifiques plus ou moins adaptées aux signaux à mesurer. L’oscilloscope analogique est souvent préfère à un oscilloscope numérique lorsqu’il est important de visualiser des signaux variables très rapidement dans le temps. Les oscilloscopes numériques capturent des événements uniques. Ils peuvent traiter les données numériques et les transmettre à un ordinateur pour traitement. Ils peuvent également stocker les données numériques en mémoire pour examen ultérieur ou permettre leur impression sur une imprimante.

Principe de fonctionnement

Lorsqu’un oscilloscope est connecte à un circuit, la tension transite de la sonde à travers le système vertical de l’oscilloscope. La figure I.4représente le bloc diagramme simple d’un oscilloscope analogique. En fonction de l’échelle verticale (commande volts/division), un atténuateur réduit la tension du signal ou un amplificateur augmente la tension du signal. Ensuite le signal est appliqué directement aux plaques de déflexion verticales du tube à rayons cathodiques. La tension appliquée à ces plaques de déflexion provoque le déplacement du spot sur l’écran (le faisceau électronique frappant le phosphore crée le spot lumineux sur l’écran). Une tension Positive produit un déplacement vers le haut et une tension négative produit un déplacement vers le bas (fig I.3).
Le signal est transmis au système de déclenchement pour initier un « balayage Horizontal ». Le déclenchement du système horizontal provoque le démarrage de la base de temps horizontale qui déplace le spot au travers de l’écran de la gauche vers la droite dans un intervalle de temps spécifique. Aux vitesses de balayage élevées, le point peut balayer l’écran jusqu’à 500 000 fois chaque seconde. La répétition du balayage, liée à la persistance rétinienne et à la déflexion verticale, permet la visualisation de la courbe sur l’écran. Le déclenchement est nécessaire pour assurer la stabilité du signal répétitif. Il s’assure que le balayage commence toujours au même point d’un signal répétitif et il en résulte donc une image plus stable. Le déclenchement permet d’obtenir une image stable d’un signal, même si sa fréquence de répétition n’est pas constante. [2] [3].

Fréquence et période

Un signal répétitif a une fréquence. La fréquence est mesurée en hertz (Hz) et est égale au nombre de fois que le signal se répète lui-même en une seconde (cycles par seconde).La période est le temps nécessaire pour effectuer un cycle complet. Période et fréquence sont inverses l’un de l’autre. [2]

Bande passante

La spécification de la bande passante indique la fréquence maximale à laquelle l’oscilloscope mesure correctement un signal avec le minimum d’aberration. Par convention, la bande passante indique la fréquence pour laquelle le signal affiché est réduit à 70,7 % de l’amplitude crête-à-crête appliquée a l’entrée de l’oscilloscope (cette atténuation de 70,7 % est appelée la atténuation à – 3 dB (basé sur une échelle logarithmique). [2]

Sensibilité verticale

La sensibilité verticale indique de combien l’amplificateur vertical peut amplifier un signal faible. La sensibilité verticale s’exprime habituellement en millivolts (mV) par division. La plus petite tension qu’un oscilloscope d’usage général peut détecter est typiquement d’environ 2 mV par division. Les facteurs d’atténuation sont généralement en séquence 1-2-5. Une possibilité d’ajustage de la sensibilité continument variable existe sur les instruments. [2]

Résolution verticale

La résolution verticale est limitée d’une part par l’épaisseur de la trace et d’autre part parla sensibilité de l’amplificateur sur un oscilloscope analogique.
Exemple : pour une sensibilité de 1 mV/div, chaque division principale étant subdivisée en 5 petites divisions, l’utilisateur peut apprécier 1/2 division soit : 0,1 mV. Pour les oscilloscopes numériques, la résolution est liée au nombre de bits du CAN.
Exemple : soit un CAN de 8 bits. La spécification s’exprime pour 8 bits sur la hauteur de l’écran, soit 256 niveaux pleine échelle (10 divisions verticales), donc 25 niveaux par division verticale. Pour 10 mV/div, la résolution est de : 10 mV/25 = 400 mV.[2].

Fréquence d’échantillonnage

La fréquence d’échantillonnage sur les oscilloscopes numériques indique le nombre d’échantillons par seconde que le CAN (et par conséquent l’oscilloscope) peut acquérir. Cette fréquence est exprimée habituellement en méga échantillons par seconde (Me/s soit 106 échantillons par seconde). Plus elle est rapide, plus l’oscilloscope peut représenter correctement les détails dans un signal haute fréquence. La fréquence d’échantillonnage minimum peut être aussi primordiale pour regarder des signaux changeant lentement sur de longues périodes de temps. Typiquement, la fréquence d’échantillonnage se modifie avec la commande sec/div de la base de temps et est choisie de telle sorte qu’il y ait un nombre constant de points pour une longueur d’enregistrement donnée. [2].

Les différents bus de périphériques externes et ports d’E/S

Tout système informatique est constitué d’une carte mère. Sur ces cartes mères, outre les composants principaux tels que le processeur, le BIOS, la RAM ou la mémoire cache, il faut absolument que ceux-ci puissent communiquer entre eux. C’est le rôle des BUS.
Le bus de périphériques permet les échanges entre un système et les périphériques externes par le biais de connecteurs (ports). Ces échanges peuvent prendre la forme d’une liaison par câble avec connecteurs appropriés. Il existe aussi des liaisons sans câble (infrarouge, protocole RC5) Port parallèle (Centronics) : Conçu à l’origine pour liaisons en sortie vers une imprimante, il est utilisé pour bien d’autres choses, aussi bien en sortie (usage standard) qu’en entrée-sortie (les données d’entrée transitent via les lignes de contrôle).
Port Série (RS 232 et UART 8250-16550) : Utilisé pour connecter une grande variété de périphériques (imprimante série, souris, appareils industriels, etc). Il peut être configuré de différentes manières, tant en ce qui concerne la rapidité des échanges, qu’en ce qui concerne le format des mots transmis ou le contrôle de la parité. Ceci nécessite de la part de l’utilisateur une bonne connaissance des réglages de l’appareil connecté. Le Port RS 232 est destiné aux liaisons entre 2 appareils. Ce n’est donc pas exactement un bus (bus sous-entend une information distribuée à un port E/ S certain nombre d’hôtes).
USB 1.1 et 2.0 : Il est amené à remplacer toutes les différentes sortes de connexions d’entrée-sortie sur les PC. On peut y connecter tous les périphériques et en grand nombre (127) en utilisant un « hub ». Il est même amené à transmettre les signaux vidéo. Il possède un certain confort d’utilisation (branchement à chaud : hot Plug & Play). Le système reconnaît le périphérique, adapte son mode de transmission, lui attribue une adresse (énumération) et l’alimente si sa puissance nécessaire est faible. La liaison repose essentiellement sur une paire différentielle mode série (câble 4 fils). Deux vitesses permettent de concilier le nombre d’hôtes et la rapidité de transfert pour les seuls périphériques qui en ont besoin (détection comme lent ou rapide). L’USB 1.1 est limité (1.5 Mbits/s en lent, 12 Mbit/s en rapide) tandis que l’USB 2 annonce un débit max de 480 Mbits/s. Simple mécaniquement, il ne l’est pas du point de vue électronique et nécessite une configuration précise. La communication se fait selon un protocole « token ring » (principe de l’anneau à jeton) plus complexe. La tendance est fortement orienté réseau. Pour la réalisation de notre projet nous allons utiliser le bus universel en série.

Normes USB

On va présenter les 3 normes USB utilisée depuis l’apparition de la norme USB 1, en 1995. La différence entre ces dévires réside dans la vitesse qui augmente d’une norme à un autre, tout en ajoutant d’autres fonctions comme la fonction Mass Storage. [8]

USB 1(Full ou Low speed)

La Norme USB 1 regroupe USB 1.0 et USB 1.1 (fig II.6) qui permettent d’obtenir le débit de 12 Mbits (c’est la plein vitesse ou Full speed) ou bien le débit de 1.5 Mbits (la basse vitesse ou Low Speed). Pour identifier la vitesse, l’appareil relié au bus USB précise sa vitesse en reliant le fil D+ à 3.3V à travers une résistance de 15K dans le cas de la pleine vitesse. Dans le cas de la basse vitesse le fil D- a 3.3V à travers résistance 15K . [8]

Rôle des descripteurs

Il existe sur le marché de nombreux périphériques USB. Il a fallu, lors de la création de la norme USB, trouver un dispositif pour reconnaître chaque composant USB. Cela était indispensable puisque l’USB devait être un dispositif plug&Play. Lors du branchement du périphérique, le « host » autrement dit plus communément le PC, doit reconnaître tous les périphériques qui lui sont branché. Tout le processus d’énumération se fait grâce aux descripteurs qui sont rassemblés dans un fichier texte (fichier assembleur par exemple): en général, un fichier assembleur, qui est ensuite programmé dans le système USB.
Lorsque l’on connecte ou déconnecte un périphérique, celui-ci fournit à l’hôte toutes les informations nécessaires à son identification, c’est à dire ces descripteurs. Ils sont très utiles pour l’hôte puisqu’il peut, de ce fait, connaître les caractéristiques périphériques comme par exemple la gestion … etc.
Généralement, dans la plupart des périphériques, toutes ces informations sont stockées dans la ROM des composants, et lors de l’énumération, le périphérique envoi simplement ce fichier pour se faire connaître. [11]

Différents mode de transfert des données

– Transfert en mode Contrôle : Ce mode de transfert est compatible avec le Low et Full Speed USB. Il est utilisé pour les opérations d’initialisations et de configurations. Il est éventuellement utilisable pour les transferts standards. Le mode contrôle est aussi utilisé pour tenter d’obtenir un débit Low Speed acceptable, ou pour utiliser le driver de classe HID (Human Interface Device) standard.
– Transfert en mode Interrupt : Ce mode de transfert est également compatible avec le Low et Full Speed USB. Il est destiné à des échanges limités et périodiques, il garantit la fréquence de scrutation ainsi que la reprise sur les erreurs. Il est utilisé pour des transferts à l’initiative du périphérique (asynchrones) et  pour  des transferts périodiques ou permanents comme les claviers.
– Transfert en mode Isochrone: Ce mode de transfert est uniquement compatible avec le Full USB. La bande passante est garantie (début, latence), par contre dans ce mode il n’y a pas de reprise sur erreur. Il est utilisé pour des transferts nécessitant un flux régulier de données comme par exemple les caméras ou les téléphones … La  bande passante réclamée et non utilisée est perdue.
– Transfert en mode Bulk : Ce mode de transfert est uniquement compatible avec le Full USB. Ce mode est réservé pour les gros transferts de données (ex : imprimantes…) Le débit est variable et dépend de la disponibilité. Ce mode assure la reprise sur les erreurs. Les échanges isochrones sont les plus privilégiés dans le sens ou le host leur réserve une bande passante garantie. Celui-ci peut refuser l’accès au bus à un périphérique s’il juge que les ressources qu’il requiert ne sont pas disponibles. [8]

Logiciel ARDUINO

L’environnement de programmation Arduino (IDE en anglais) est une application écrite en java libre inspirée du langage Processing et multiplateforme, servant d’éditeur de code et de compilateur, et qui peut transférer le firmware et le programme au travers de la liaison série (RS-232, Bluetooth ou USB selon le module). Il est également possible de se passer de l’interface Arduino, de compiler et uploader les programmes via l’interface en ligne de commande. L’environnement de programmation Arduino (IDE en anglais) est une application écrite en Java inspirée du langage Processing 2. L’IDE permet d’écrire, de modifier un programme et de le convertir en une série d’instructions compréhensibles pour la carte. Le langage de programmation utilisé est le C++, compilé avec avr-g++ , et lié à la bibliothèque de développement Arduino, permettant l’utilisation de la carte et de ses entrées/sorties. La mise en place de ce langage standard rend aisé le développement de programmes sur les plates-formes Arduino, à toute personne maîtrisant le C ou le C++. L’exécution d’un programme Arduino s’effectuee de manière séquentielle, c’est-à-dire que les instructions sont exécutées les unes à la suite dees autres. [12]

Table des matières

Chapitre I : L’oscilloscope
I.1 Introduction
I.2 L’oscilloscope
I.3 Les différents types d’oscilloscope
I.3.1 L’oscilloscope analogique
a) Principe de fonctionnement
b) Fonction de base
I.3.2 L’oscilloscope numérique
a) Principe de fonctionnement
b) Fonction de base
I.4 Quelques définitions
Chapitre II : Outils nécessaire pour la réalisation d’un oscilloscope
II.1 L’Arduino
II.1.1 Introduction
II.1.2 Matériel
II.1.3 Schéma simplifie de la carte Arduino
II.1.4 Microcontrôleur ATMEL ATMega328
II.2 Le microcontrôleur pic
Réalisation oscilloscope numérique
II.2.1 Introduction
II.2.2 Caractéristiques des Pics
II.2.3 Classification des Pics de Microchip
II.2.4 Identification d’un pic
II.2.5 Choix d’un pic
II.2.6. Exemple : Architecture du pic 16F84
II.2.7 Brochage et fonction des pattes
II.2.8 Architecture générale
II.3 Bus universel en série
II.3.1 Introduction
II.3.2 Les différents bus de périphériques externes
II.3.3 Normes USB
a) USB 1 (fullou low speed)
b) USB 2.0 (High speed)
c) USB 3.0 (Super Speed)
II.3.4 Connectique
a) Description du Câble USB
b) Composition du câble USB
c) Connecteurs USB
II.3.5 Les descripteurs
a) Définition d’un descripteur
b) Rôle des descripteurs
II.3.6 différents mode de transfert des données
II.4 différents logiciel utilisé
II.4.1 logiciel Arduino
II.4.2 logiciel processing
II.4.3 Logiciel Proteus
Réalisation oscilloscope numérique
CHAPITRE III : REALISATION DU PROJET
III.1 Présentation du montage
III.1.1 Circuit d’entrée
a) L’atténuateur BF
b) Circuits d’offset
III.2 Programmation de l ARDUINO
III.3 Interface graphique
III.4 Simulation sur Proteus
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE I: Datasheet Arduino ATMEGA328
ANNEXE II: Datasheet pic16F84…
ANNEXE III: Datasheet LM324
ANNEXE IV: Proteus ISIS
ANNEXE V: Descripteur USB
REFFERENCES

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