Electronique - Les générateurs d'impulsions

Les générateurs d'impulsions
Malgré leur usage répandu et leurs nombreuses applications, les générateurs d'impulsions font l'objet d'un marché relativement stable. Les acteurs, en nombre limité, ne renouvellent leur offre qu'à un rythme modéré. Même sur les créneaux particuliers comme les hautes tensions ou les vitesses très élevées.

Jean-Pierre Landragin et Philippe Schwartz , Electronique Mensuel, le 12/10/2006 à 09h00

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	Sommaire du dossier
	Les générateurs d'impulsions
	Privilégier la fréquence ou le niveau de sortie

Il existe plusieurs types d'appareils capables de générer, avec plus ou moins de bonheur et de souplesse, des impulsions : en particulier, les générateurs de fonctions et les générateurs de signaux arbitraires. Mais il y a aussi une catégorie d'instruments dont c'est la fonction essentielle, voire unique. Ces générateurs offrent une possibilité de réglage de tous les paramètres utiles des impulsions et bénéficient de performances, en termes de forme de signal, d'amplitude ou de précision, adaptées aux besoins spécifiques les plus divers. C'est de cette classe de matériels que traite ce « Dossier » . Ils se présentent pour la plupart sous forme d'appareils complets. Quelques modules VXI sont proposés, mais aucun tiroir PXI n'existe à ce jour.

Des applications exigeantes
Dans le domaine temporel, un train d'impulsions répétitives est caractérisé entre autres par la fréquence ou rythme de répétition, la durée de la salve et la position par rapport à une référence temporelle (retard par rapport au déclenchement). Côté amplitude, on a l'habitude de considérer la valeur crête à crête, mais la polarité et l'éventuel décalage continu ont également leur importance. Enfin, la forme des impulsions est décrite par leur largeur et la valeur des temps de transition. Bien entendu, tous ces paramètres ont une cohérence entre eux : une largeur supérieure à la période (l'inverse de la fréquence) n'a aucun sens, pas plus que des temps de transition supérieurs à la durée. Par ailleurs, on considère aussi le rapport cyclique. La plupart des « vrais » générateurs d'impulsions sont plutôt dédiés aux faibles valeurs de rapport cyclique, surtout lorsque les amplitudes ou puissances de sortie sont élevées. Les signaux de rapport cyclique avoisinant 50 % (signaux carrés) sont davantage le domaine des générateurs de fonctions avec, toutefois, des performances moindres en fréquence, temps de transition et niveau de sortie.

Essentiellement en développement au laboratoire, plus rarement en maintenance ou en production, les applications des générateurs d'impulsions sont d'abord électroniques. Ils sont mis en oeuvre pour caractériser des composants et systèmes analogiques ou numériques, en liaison avec des oscilloscopes ou des analyseurs logiques. Outre les processeurs, dont les fréquences de travail ne cessent d'augmenter, les systèmes de transmission les plus variés sont concernés. Il s'agit souvent de mesurer la tolérance aux perturbations, notamment par diagramme de l'oeil. On aura affaire à des systèmes à support électrique mais aussi à support optique. Dans ce dernier cas, le générateur d'impulsions doit être adapté au pilotage d'émetteurs et de diodes laser (attaque en courant, amplitude élevée). Un autre grand consommateur d'impulsions est la recherche en physique, avec des contraintes très particulières. Les domaines sont variés : physique des particules (accélérateurs...), imagerie (photomultiplicateurs), optique (commande de lasers, modulation de lasers).

Le point commun des applications qui sortent du champ de l'électronique est l'exigence d'amplitudes très fortes (plusieurs kilovolts) et de charges d'impédances malaisées à alimenter, en particulier capacitives. Il est clair qu'à de tels niveaux de tension, les performances en fréquence ne sont pas très élevées et que les possibilités de réglages ne sont pas aussi riches que sur un générateur d'impulsions d'usage général. C'est le cas des appareils à haute tension du canadien Avtech, représenté par Equipements Scientifiques, de l'anglais Kentech et de l'américain DEI, tous deux distribués par Armexel. Mais la performance n'est pas obligatoirement synonyme d'ergonomie spartiate : en témoignent les 81140A d'Agilent Technologies, dont l'intégration dans un châssis sur base de PC offre un grand confort de manipulation.

Des ruptures technologiques ?
Avec son 81142A, le numéro un mondial de l'instrumentation se démarque clairement du peloton en termes de fréquence, puisque la valeur record atteinte (13,5 GHz) est très loin devant celle de son concurrent le plus méritant (3,35 GHz) de même origine. L'apparition il y a un an de cet appareil, environ trois mois après son compagnon, le 81141A, qui monte tout de même à 7 GHz, a créé un événement dans le microcosme paisible des générateurs d'impulsions. Il s'agit d'une rupture technologique sur laquelle le constructeur est malheureusement peu prolixe.

Pour leur part, les générateurs destinés à la physique utilisent des technologies très différentes de celles des « petits » générateurs d'impulsions (à base de circuits électroniques relativement standard et d'Asic), du fait des hautes énergies mises en jeu. En effet, les dispositifs de commutation de ces tensions sont particuliers. Il peut s'agir d'éclateurs - avec une rigueur assez approximative sur les paramètres temporels et la qualité des fronts -, ou de transistors Mos disposés en série ou en parallèle selon les tensions et courants mis en jeu. Pour les impulsions les plus rapides, on utilise des transistors à avalanche, et une savante combinaison de ces derniers et de Mosfet lorsque rapidité et haute énergie sont au rendez-vous. De tels circuits tranchent nettement sur l'ordinaire push-pull ou demi-pont (totem pole) qui sert d'étage de sortie à l'immense majorité des générateurs d'impulsions.

Une multitude de fonctions annexes
Plus les mesures à effectuer deviennent fines, délicates et variées, plus les générateurs d'impulsions se doivent d'offrir une large palette de fonctions plus ou moins subalternes pour satisfaire les exigences des utilisateurs.

En premier lieu, la sempiternelle impédance de sortie de 50 O n'est plus la règle absolue. Une proportion non négligeable de générateurs de ce « Dossier » offre une impédance de source commutable, la seconde valeur étant de 1 kO chez Agilent ou Keithley. Par rapport à des composants comme une diode, cette impédance peut s'apparenter à une source de courant. Toutefois, en ce qui concerne les générateurs de très haute tension et aux temps de transition subnanosecondes devant s'adapter à des charges non conventionnelles, des transformateurs sont souvent préconisés, voire proposés par les fabricants. Par ailleurs, on note l'existence de dispositifs externes destinés à convertir les temps de montée fixes des générateurs rapides en valeurs plus lentes, sans perturber de manière significative les liaisons adaptées.

Il n'est pas rare qu'un générateur possède plusieurs voies, dont on peut faire varier indépendamment certains paramètres. Sur la plupart des modèles cependant, le nombre de voies ne dépasse pas deux. Il existe quelques exceptions : les PG951x/ 961x de Quantum Composers (Equipements Scientifiques) qui ont des versions à huit canaux ; les DTG5xxx de Tektronix, matériels modulaires à quatre emplacements qui intègrent jusqu'à 16 voies impulsions dans un même châssis (et 48 voies dans un système multichâssis) ; ou les PBG du britannique Kentech qui, en option, sont dotés d'un maximum de 16 voies.

En ce qui concerne les niveaux et impédances, on trouve fréquemment des sorties particulières ou des positions préréglées pour les sorties principales offrant la compatibilité directe avec les grandes familles de circuits logiques : par exemple ECL, PECL (3,3 V), LVDS et CML pour les 81141/42A d'Agilent, mais un niveau TTL/Cmos ou LVTTL sera aussi apprécié sur les appareils moins véloces.

Parmi les fonctions couramment offertes, le mode double impulsion permet d'émettre les impulsions par paires (comme son nom l'indique). La première impulsion coïncide avec le déclenchement alors que la seconde est affectée du retard réglable. Dans le mode porte, les impulsions ne sont délivrées que pendant la durée d'un signal présent à l'entrée dédiée. Le mode salve fixe le nombre d'impulsions qui seront générées. Des modes de pilotage externe permettent d'émettre des impulsions à chaque front d'un signal externe ou encore de moduler la position des impulsions.

Au-delà des impulsions...
La présence de plusieurs canaux autorise parfois d'intéressantes fonctions pour des mesures particulières. Par exemple, ajouter sur une même sortie deux ou plusieurs canaux, affectés d'amplitudes et/ou polarités différentes et de conditions de déclenchement indépendantes, permet d'obtenir un signal à plusieurs niveaux pour le test de systèmes de transmission utilisant des codages de ligne multiniveaux (2B1Q, HDB3, etc.). Dans un esprit assez semblable, en combinant une voie portant des impulsions répétitives dont on a supprimé une impulsion particulière, celle-ci étant remplacée par une autre impulsion générée sur une autre voie avec une amplitude variable et une position modulée (ou aléatoire), Agilent propose de simuler une gigue sur une interface vidéo.

Les générateurs d'impulsions sont aussi adaptés au test de tous les systèmes à interface série. Mais pour effectuer ce test dans des conditions réalistes, il est préférable que les signaux émis ne soient pas répétitifs mais possèdent un caractère variable, voire aléatoire. Pour cette raison, de nombreux modèles peuvent aussi faire office de générateurs de patterns et produire ainsi des séquences d'impulsions représentatives de données numériques. Il peut s'agir de données déterminées par l'utilisateur ou de séquences pseudo-aléatoires, utiles à la visualisation des diagrammes de l'oeil et aux mesures des taux d'erreurs binaires. La limite dans ce domaine est imposée par la taille de la mémoire interne au générateur et ses éventuelles ressources de segmentation et séquencement et, en pseudo-aléatoire, par la longueur de la séquence susceptible d'être délivrée. Les données sont émises à volonté selon divers types de code (NRZ, R1, RZ...).

L'ergonomie est de plus en plus conviviale
Les générateurs d'impulsions basiques et bon marché existent toujours et rendront encore d'appréciables services, par exemple pour la mise au point de petits automates industriels. Ces « petits » générateurs sont réglables au moyen de commutateurs de gammes et de verniers analogiques, et disposent d'une ergonomie « à l'ancienne » . Ils imposent de disposer d'un instrument de mesure en parallèle, le plus souvent un oscilloscope, pour contrôler les paramètres des signaux.

A un stade supérieur d'évolution, les générateurs possèdent une commande numérique. Si on fait confiance à l'appareil - il reste à valider cette confiance par une lecture attentive des explications du constructeur et, de temps en temps, une opération de calibrage -, l'accès aux valeurs se fait de manière plus immédiate et commode, soit par incréments numériques, soit par accès direct à la valeur souhaitée sur un clavier. De tels modèles sont pourvus d'un affichage du type bandeau de visualisation ou écran. Même simple, un écran fournit l'ensemble des paramètres des signaux en quelques lignes de caractères alphanumériques et permet d'un simple coup d'oeil de valider les réglages. La tendance actuelle consiste à présenter sur un écran graphique la forme idéale des impulsions, avec leur relation temporelle si l'appareil est multivoie.

Enfin, quelques produits récents sont basés sur une plate-forme PC et possèdent un écran couleur de grande taille. On est très loin du générateur basique évoqué plus haut, aussi bien en termes d'ergonomie (toute la puissance du PC, de ses extensions et ses interfaces de communication !) que de performances et... de niveau de prix !