Les générateurs de fonctions et de formes d'onde arbitraires

Le 09/09/2016 à 13:30  

Alors que fabricants et utilisateurs se focalisent sur les oscilloscopes numériques, ils sous-estiment bien souvent le rôle essentiel des générateurs de fonctions et de formes d'onde arbitraires. Avant de pouvoir visualiser un signal électrique issu d'un circuit électronique, il faut être capable de stimuler ce circuit en injectant le bon signal.

Keysight Technologies

Dans le domaine des mesures électroniques, on parle très souvent d'oscilloscopes et de multimètres numériques –la revue Mesures ne déroge d'ailleurs pas à la règle. Mais bien souvent, avant de pouvoir acquérir, visualiser et/ou mesurer un signal électrique en sortie d'un composant, d'un circuit électronique ou de n'importe quel autre système, il faut être capable de stimuler ce composant ou ce circuit en injectant à son entrée le bon signal. C'est ainsi que l'on oublie un peu trop vite le rôle essentiel des générateurs de fonctions et de formes d'onde arbitraires. « C'est un marché non négligeable et cela commence à se savoir au travers de la qualité et de la stabilité des convertisseurs numérique/analogique utilisés », affirme Céline Côme, Team Leader chez Equipements Scientifiques, distributeur français d'une dizaine de fabricants. Et cela commence dès l'école…

Les étudiants sont en effet les premiers utilisateurs de ces instruments de mesure que l'on retrouve ensuite dans de nombreuses industries. « Nos générateurs sont maintenant mis en œuvre bien au-delà de la conception d'appareils numériques ; leur usage a progressé de façon spectaculaire dans tous les secteurs industriels : les fonderies de circuits intégrés pour le développement de mesures nanométriques (générateurs de fonctions), les laboratoires de physique pour la recherche atomique (générateurs de formes d'onde arbitraires)… », constate Adeline Lim, Marketing Brand Manager EMEAI for General-Purpose Bench & Handhelds chez l'américain Keysight Technologies.

Ce qui fait dire à Bruno Morin, directeur des ventes Espagne, France et Portugal chez l'américainTektronix,que « la demande de générateurs de fonctions est stable ; celle de générateurs de formes d'onde arbitraires est plutôt en croissance grâce à l'apparition de nombreuses petites entreprises dans le domaine des objets connectés (IoT, NFC, etc.). Et, en parallèle, certains généra-teurs deviennent accessibles en termes de prix –comparés àunmodèletrèshautdegamme– et de nouveaux entrants poussent très fortsavec des modèles de milieu et de haut de gamme. » Parmi ces nouveaux entrants, citons le suisse ZurichInstruments qui vient de lancer cette année son premier modèle, le générateur de formes d'onde arbitraires UHF-AWG ( voir page 21 ). « Les applications phares de notre nouveau produit, car elles sont aussi porteuses,sont l'ordinateur quantique (le contrôle de qubits), le Lidar et le radar,laspectrométrie par résonance magnétique nucléaire(NMR),la détection synchrone et autres détections », annonce Dr.Romain Stomp, Application Scientist chez Zurich Instruments. Selon le cabinet d'analyses irlandais Research&Markets, le marché mondial des générateurs de signal (y compris les générateurs RF et hyperfréquences) afficherait un taux de croissance annuel moyen (CAGR) de 9,15%sur la période 2016-2020.Selon certaines estimations, Keysight Technologies détiendrait près de 40% de parts de marché (nombred'unités), Tektronix 30%,Tabor Electronics 10% et les autres fabricants se partageraient le reste.

Les applications de ces instruments de mesure sont donc légion: l'éducation, l'automobile, l'ordinateur quantique, les communications optiques, l'électronique de puissance…

Tektronix

Jean-Michel Catherin, cofondateur et président de Testoon, distributeur français d'une dizaine de fabricants confirme,lui aussi, les dires de Bruno Morin, en précisant qu'« étant beaucoup plus concurrentiel,avec l'intérêt grandissant de fabricants asiatiques,lesegment de l'entrée de gamme est plus stable.Plus généralement,le marché des générateurs de fonctions et de formes d'onde arbitraires est assez récent : on trouveencoreassez souvent (bien) plus d'oscilloscopes numériques et autres instruments de mesure que de générateurs dans un labora-toire. »Lemarché de la génération ressemble d'ailleurs àcelui de l'oscillosco-pie, avec des produits économiques proposés par de nombreuses marques et, plus on monte en gamme, un nombre plus réduit d'acteurs. Seuls Keysight Technologies et Tektronix se battent sur le très haut de gamme,l'is-raélienTabor Electronics étant encorele seul àparvenir àsuivrelerythme.

Des générateurs basses fréquences de toutes sortes

Autre signe de l'évolution du marché, les prix des générateurs de fonctions et de formes d'onde arbitraires sont àla baisse. « L'arrivée de modèles asiatiques et l'augmentation de la demande se sont accompagnées d'une baisse des prix de l'ordre de 15%. Un générateur de fonctions basé sur la technologieDDS coûte 400 euros;enrevanche, un“vrai”générateur arbitraire,avec une grande profondeur mémoire et la stabilité en fréquence, reste à des prix ( à partir, ndlr ) de 1 700 euros », explique Roger Marenthier, directeur marketing et des ventes de Sefram/B&K Precision. Céline Côme (Equipements Scientifiques) constate toutefois « actuellement un petit essoufflement, ralentissement lié notamment aux générateurs intégrés dans les oscilloscopes numériques (cinq ou six instruments en un seul). S'il y a deux ans le marché a connu une accélération grâce au “rafraîchissement” des modèles existants, il faudrait l'apparition d'une vraie plus-value, comme le décodage de bus série en oscilloscopie il y a environ cinq ans, pour booster le marché ».

B&K Precision elc NF Corp

Avant d'aller plus loin, il serait opportun de préciser quelques termes rencontrés dans les fiches techniques, le Web, etc. Lorsque l'on parle de générateurs de signal, on retrouve quatre grandes catégories d'instruments: les générateurs de fonctions, les générateurs de formes d'onde arbitraires –nous les appellerons dorénavant générateurs arbitraires–, les générateurs d'impulsions et les générateurs RF et hyperfréquences. Nous ne nous intéresserons, dans cet article, qu'aux générateurs basses fréquences, ce qui exclut les synthétiseurs RF et micro-ondes. Tous les facteurs de forme ont été retenus: les appareils de table évidemment –ce facteur de forme est ultra-majoritaire pour les générateurs de fonctions–, ainsi que les cartes aux formats PCI/PCI Express, PXI,VXI, LXI, AXIe et les modules USB qui montent en puissance.

GWInstek Toellner

Dans le domaine des générateurs de fonctions, l'une des principales évolutions de ces dernières années est l'amélioration de l'ergonomie, qui se traduit notamment par l'apparition de véritables écrans (écrans TFT 5,6 ou 7 pouces, écran LCD 4,3 ou 10,4 pouces) et d'interfaces de communication USB et LAN, en complément ou en lieu et place des historiques GPIB et RS-232 pour le transfert des fichiers de données.

L'offre en générateurs d'impulsions se réduit

Pour tous ceux qui ont déjà fait des recherches sur Internet ou ouvert une fiche technique, il est fréquent de voir les termes anglais de arbitrary function generator (AFG). Malgré la mention de «arbitraire», ce sont des générateurs de fonctions (sinus, triangle, carré…) qui peuvent intégrer ou non un mode «arbitraire» ( waveform/function generator ). Quant aux «vrais» générateurs arbitraires ( arbitrary waveform generator ou AWG), ils peuvent créer et délivrer n'importe quelle forme d'onde, donc évidemment une sinusoïdale, un signal carré ou des impulsions, mais aussi un signal avec une modulation personnalisée ou encore un futur standard. Compte tenu de ces différences parfois subtiles, l'offre des produits commercialisés en France a été scindée en deux principaux tableaux, d'une manière un peu «arbitraire».

Même s'il est possible de générer des impulsions avec un générateur de fonctions ou un générateur arbitraire, il existe encore sur le marché des modèles dédiés aux impulsions. A l'instar des générateurs USB ou de table de l'américain Quantum Composers, distribué en France par Equipements Scientifiques, du module USB PicoSource PG900 du britannique Pico Technology ( voir Mesures n° 883 ), du TGP3100 du britannique AIM-TTi. « Avec le retrait de certains fabricants du secteur,les utilisateurs sont toutefois aujourd'hui confrontés à un manque important dans l'offre.Au début,les clients ont pu être surpris qu'on leur vende un générateur arbitraire en lieu et place d'un générateur d'impulsions. Il est évidemment possible de régler très finement et différemment les fronts montants et descendants, la largeur d'impulsion, l' overshoot avec un générateur arbitraire. Mais le client doit bien veiller à dispo-ser d'une fréquence (bande passante) élevée, proche de la nanoseconde », constate Céline Côme (Equipements Scientifiques). « Et un générateur arbitraire très haut de gamme coûte beaucoup plus cher. Un client se tourne vers un générateur arbitraire lorsqu'il recherche de la versatilité », ajoute Jean-Michel Catherin (Testoon).

La technique DDS est largement répandue

Intéressons-nous maintenant aux technologies au cœur des générateurs arbitraires et de fonctions. Passons très rapidement sur les modèles à technologie analogique, modèles qui ne se rencontrent presque plus. Ces derniers utilisent en effet un oscillateur piloté par tension ( Voltage Controlled Oscillator ou VCO) pour générer un signal de forme triangulaire variable en fréquence. Les formes sinusoïdale et carrée sont ensuite créées à partir de ce signal triangulaire. Les avantages des générateurs analogiques sont une commande simple et instantanée de la fréquence et de l'amplitude, l'absence de limitation en haute fréquence pour les signaux non sinusoïdaux (triangles et rampes) et un prix de base en général inférieur à celui d'un générateur numérique (1) . Côté inconvénient, les générateurs analogiques font intervenir beaucoup de composants, des composants sensibles à une dérive thermique et au vieillissement.

L'autre grande famille est les générateurs numériques, dans laquelle on distingue les modèles à synthèse numérique directe ( Direct Digital Synthesis ou DDS), la technique la plus souvent mise en œuvre, et les modèles purement arbitraires. Pour fournir un signal périodique à une fréquence précise, un générateur DDS utilise classiquement un mécanisme de cadencement (la synthèse numérique directe), associé à une mémoire où sont stockées des valeurs, un convertisseur numérique/analogique (CNA) et un circuit analogique de sortie, afin de générer des fréquences détermi-nées. La technique DDS confère ainsi la capacité de modifier la fréquence sans discontinuité de phase.

Avec un « vrai » générateur arbitraire, un utilisateur peut créer et disposer n'importe quelle forme d'onde, donc évidemment une sinusoïdale, un signal carré ou des impulsions (comme un générateur de fonctions), mais aussi un signal avec une modulation personnalisée ou encore un futur standard. La seule limite d'un générateur arbitraire est en fait celle de l'imagination de son utilisateur.

Tektronix

Même s'il est possible de générer des impulsions avec un générateur arbitraire, il existe encore sur le marché des modèles dédiés aux impulsions. A l'instar du générateur de table 9520 de Quantum Composers ou du module USB PicoSource PG900 de Pico Technology.

KeysightTechnologies

Et, parce qu'un générateur de fonctions fournit des signaux répétitifs, il nécessite une quantité limitée de mémoire pour enregistrer une seule période du signal (2) .Parmi les avantages des générateurs DDS, précision et stabilité de la fréquence sont bien supérieures à ce que l'on peut attendre d'un générateur analogique, sans compter une grande pureté spectrale, un faible bruit de phase et une excellente agilité en fréquence. Un générateur DDS peut ainsi balayer une plage de fréquences plus large et conserve une phase constante lors des sauts de fréquence. Cerise sur le gâteau, il est possible de produire un nombre plus grand de formes d'onde standard (1) Pour la série 33500B, nous avons développé la technologie brevetée Trueform qui a représenté un saut technologique, en assurant notamment des formes d'onde à faible bruit sans points sautés, d'où une bien meilleure intégrité de signal encore. Cela est un avantage indéniable dans des applications de pointe comme la génération d'un signal d'horloge, de déclenchement ou de communication.La gigue sur front descendant se traduit directement par une incertitude temporelle plus faible au niveau du test », explique Adeline Lim (KeysightTechnologies). Quant au générateur purement arbitraire, on peut résumer leur principe de fonctionnement comme l'inverse de celui d'un oscilloscope numérique (3) .Il joue en effet une forme d'onde basée sur des données numériques stockées dans une mémoire, ces données décrivant les variations constantes de niveaux de tension du signalAC, au travers d'un CNA associé à un circuit analogique de sortie. Il existe plusieurs façons de créer le fichier de données: d'une manière «manuelle», mais cela devient très vite fastidieux avec des formes d'onde complexes; en utilisant l'éditeur intégré au générateur ou celui associé au générateur et fonctionnant sur PC; et en chargeant un fichier propriétaire du moment qu'il soit compatible. Hormis leurs coûts supérieurs, les générateurs purement arbitraires ne présentent que des avantages: oubliés les inconvénients des modèles DDS (fréquence maximale limitée pour les triangles et autres formes d'onde non sinusoïdales, performances limitées pour les impulsions, etc.), une très grande flexibilité dans les signaux générés, etc. Il est par exemple très facile de réaliser des séquencements des boucles, des sauts de fréquences… « La seule limite d'un générateur arbitraire est en fait celle de l'imagination de son utilisateur », affirment Adeline Lim (Keysight Technologies) et Bruno Morin (Tektronix).

Nombre de sorties, fréquences, niveau de tension…

Une fois ces rappels évoqués, regardons d'un peu plus près les principales spécifications d'un générateur de fonctions ( voir tableau page 50 ) et celles d'un générateur arbitraire ( voir tableau page 60 ). En ce qui concerne le nombre de sorties, les utilisateurs n'ont pas forcément beaucoup le choix. La grande majorité des générateurs de fonctions en disposent d'une seule, une quarantaine de modèles (sur 131) proposent deux voies, simples ou différentielles. « L'arrivée de la deuxième voie,avec déphasage d'une voie à l'autre,il y a une dizaine d'années, fut d'ailleurs une révolution sur le marché,car il existe une pléthore d'applications nécessitant plus de deux voies : mesures triphasées, l'auto-mobile (un véhicule possède quatre roues), etc. », rappelle Céline Côme (Equipements Scientifiques). Le générateur de fonctions 41-620 du britannique Pickering Interfaces et les générateurs de Quantum Composers sont les seuls à disposer respectivement de 3 et 4 ou 8 voies, sachant que le premier est une carte PXI et les autres des générateurs d'impulsions.

Le choix est toutefois plus large, lorsque l'on recherche un générateur arbitraire, les modèles à 2 voies étant bien plus fréquents. « Une nouvelle tendance va vers des systèmes multivoies, avec 4, 8 ou 12 voies synchronisées.La structure modulaire des solutions PXI et AXIe offre aux utilisateurs toute la flexibilité pour configurer et aussi étendre leurs systèmes ultérieurement, si les exigences augmentent », constate Juergen Stemler, Marketing Brand Manager for EMEAI, Digital, Photonic and ModularTest chez KeysightTechnologies. Quel que soit le type de générateurs, certains utilisateurs peuvent être intéressés par des niveaux de tension plus importants que les traditionnelles gammes de 10 mVpp à 10Vpp. Il s'agit, sauf mention contraire, de tensions exprimées en volt crête-à-crête ( peak-peak en anglais) dans une impédance de 50 .Dans ce cas de figure, l'allemandToellner et l'américain VX Instruments, par exemple, proposent des modèles délivrant une tension jusqu'à 30Vpp (45Vpp pour le TOE 7741 de l'allemand). D'autres fabricants proposent par ailleurs d'associer des amplificateurs pour atteindre les niveaux de tension souhaités.

Les tableaux mentionnent ensuite soit la bande passante pour un signal sinusoïdal, qui est comme on l'a vu la fréquence maximale la plus élevée pour les générateurs de fonctions (jusqu'à 240MHz, voire 400MHz), soit la fréquence d'échantillonnage maximale et la résolution verticale (colonne suivante) pour les générateurs arbitraires. Des fréquences d'échantillonnage de plusieurs centaines de mégahertz, voire de 1 ou 2GHz, sont monnaie courante, mais on trouve également des modèles affichant des fréquences de 12Géch/s (module AXIe M8190A de Keysight Technologies et modèle de table AWG7000 deTektronix), de 50Géch/s (modèle de table AWG70000A de Tektronix) et de 92Géch/s, le record actuel pour le moduleAXIe M8196A de Keysight Technologies! « Le marché est demandeur de débits et de bandes passantes toujours plus grands, en particulier dans les communications longues distances, les datacenters , les applications numériques haute vitesse, l'optique cohérente. On parle ici de transmissions supérieures à 400 GBaud, de schémas de modulation toujours plus com-plexes (PAM-n), de transmissions optiques jusqu'à 1Tbit/s », explique Juergen Stemler (KeysightTechnologies).

Teledyne LeCroy

Si les appareils de table sont ultra majoritaires pour les générateurs de fonctions, les utilisateurs ont maintenant un choix plus large du facteur de forme pour les générateurs arbitraires : des cartes PCI/PCI Express, PXI, VXI, LXI, AXIe et les modules USB qui montent en puissance.

KeysightTechnologies

Les évolutions portent surtout sur l'ergonomie

Selon Bruno Morin (Tektronix), « nous avons tendance à voir la fréquence d'échantillonnage maximale,mais il faut aussi considérer la fréquence minimale. Le générateur doit permettre de débrayer à des vitesses inférieures à 50 Géch/s par exemple,pour des contraintes de flexibilité et de profondeur mémoire ». Evidemment, en règle générale, plus la fréquence d'échantillonnage est élevée, plus la résolution verticale est faible: 14 ou 16 bits pour quelques centaines de mégahertz, mais seulement 8 bits pour le générateur arbitraire M8196A, par exemple. Autre critère important pour les générateurs arbitraires, la profondeur mémoire. De par leur fonctionnement, plus cette dernière est importante, plus il sera possible de stocker des signaux longs et/ou complexes. Certains modèles disposent ainsi de 1 ou 2Go en standard… ou parfois en option.

Pour Jean-Michel Catherin (Testoon), « compte tenu notamment de la relative petite taille du marché, les fabricants ne rivalisent pas spécialement en termes d'innovations techniques.Ces dernières années,nous avons plutôt vu des évolutions au niveau de l'affichage (écran couleur, brillance) afin d'obtenir de belles images des formes d'onde. Certains modèles se retrouvent alors ringardisés. » C'est ainsi que les modèles de table introduits plus récemment sur le marché se sont vus dotés d'écrans LCD 4,3 pouces, d'écransTFT 4,3, 5,6 ou 7 pouces (générateur de fonctions HDG2xx2B du chinois Hantek et générateur arbitraire DG4000 de son compatriote Rigol). L'AWG4000 de Tektronix, lui, se distingue de l'ensemble de la concurrence, dans sa catégorie, par son écran LCD 10,4 pouces.

La poussée de croissance des afficheurs n'est qu'une facette de l'amélioration de l'ergonomie. « Les utilisateurs de notre générateur arbitraire sont à la recherche de simplicité lors de l'étape de programmation. Ils passent ainsi par Matlab puis chargent le fichier ainsi créé dans l'instrument,dans lequel différentes fonctions sont également prédéfinies », insiste Dr. Romain Stomp (Zurich Instruments). Roger Marenthier (Sefram/B&K Precision) renchérit : « Nous avons fait un gros travail sur les interfaces de communication (USB et LAN sur les modèles haut de gamme), en plus d'une IHM simplifiée et d'un écran couleur. » L'apparition des interfaces USB et LAN, en complément ou en lieu et place des historiques GPIB (IEEE 488) et RS-232, a facilité grandement le transfert des fichiers de données (signal préconfiguré) dans les appareils, la sauvegarde d'informations –surtout avec un port en face avant– et, plus généralement, leur pilotage à distance.

Pour Céline Côme (Equipements Scientifiques), « ce qui fait la qualité d'un générateur arbitraire ou de fonctions est aussi le logiciel. Qu'il soit gratuit ou payant, un logiciel commun à toute une gamme de générateurs est apprécié par les clients ». Les utilisateurs ne veulent en fait plus s'embêter avec le transfert des données. « L'évolution de ces dix dernières années est le concept plus fort d'applications : dans l'éducation, par exemple, les personnes parlent d'un instrument de mesure,de ses spécifications ;dès que l'on monte en gamme, nos interlocuteurs parlent plus maintenant d'applications, de solutions,comme en oscilloscopie,générer de la qualité rapidement et simplement », constate Bruno Morin (Tektronix). Des propos confirmés par Keysight Technologies. « Même si un générateur arbitraire reste un produit relativement simple conceptuellement, nous sommes sur des ventes complexes en termes applicatifs. Le bon produit est parfois difficile à trouver : par exemple,un client nous disant travailler avec un signal relativement simple est orienté vers un modèle simple.Mais, si une impulsion se trouve au milieu du signal ou qu'il y a une modulation particulière, le modèle simple ne conviendra pas. Il faut bien analyser les besoins du client, quitte à se faire dessiner le signal,à tester in situ quelques instruments pour juger de la qualité du logiciel, etc. », conclut Jean-Michel Catherin (Testoon).

(1) Extrait du site Internet de Testoon (http: //www.testoon.com/fr/guide/commentchoisir-generateur-fonctions-g-137.html). (2) Extrait du site Internet de National Instruments (http: //www.ni.com/ white-paper/5535/fr/). (3) Extrait du livre blanc intitulé « XYZs of Signal Generator » de Tektronix