Les instruments indispensables au dépannage d’une carte électronique

La perfection n’étant pas de ce monde, malgré tout le soin porté à sa conception et à sa fabrication, tout concepteur doit un jour ou l’autre faire face à un dysfonctionnement d’une carte électronique, lorsque, une fois mise sous tension, rien ne fonctionne comme prévu. Pire encore, un défaut majeur peut provoquer un court-circuit entraînant un panache de fumée bleue suivie d’une inquiétante odeur de plastique et de résines brûlés. Dès lors, comment localiser la défaillance et dépanner cette carte électronique ?

La première approche fait appel à nos sens. Un examen visuel minutieux de la carte électronique permet de déceler d’éventuels dommages mécaniques, tels que des mauvaises soudures, l’absence ou le positionnement incorrect de composants, de fissures, de déconnexions… Certains dysfonctionnements peuvent également engendrer des bruits anormaux qui permettent de guider vers l’origine du problème. Une odeur de brûlé décelée sur la carte électronique peut également orienter vers la source du dysfonctionnement. Une odeur de brûlé ou de plastique chaud n’est en effet jamais bon signe. Elle peut être due à la surchauffe d’un composant électronique tel qu’un condensateur, un connecteur, etc. La surchauffe d’un composant peut notamment provoquer un court-circuit et/ou la panne du composant concerné. Toucher les composants du circuit imprimé du bout du doigt permet de s’assurer qu'ils se situent dans leur plage de température de fonctionnement normale. Dans des circonstances habituelles, les composants électroniques chauffent lorsqu’ils fonctionnent. Si ce n’est pas le cas, cela pourrait indiquer qu’ils ne fonctionnent pas correctement. Mais on peut aussi constater des surchauffes ou des points chauds à des endroits ou cela ne devrait pas être le cas. Cela peut également expliquer le dysfonctionnement de la carte. Les composants électroniques traditionnels sont conçus pour une utilisation optimale à une température allant de 0 à 70°C (Grand public / Commercial), -40°C à +85°C (Industriel), -55°C - +125°C (Militaire). En dehors de cette plage de température, des dysfonctionnements peuvent être constatés.

Cette première étape de débogage mettant en œuvre la vue, l’ouïe, l’odorat et le toucher peut permettre de localiser la zone problématique de la carte électronique. Si elle ne fournit aucun résultat, il faut procéder à une analyse plus approfondie en se focalisant sur la fonctionnalité inopérante qui a été identifiée. Cela implique souvent l’inspection d'un bloc fonctionnel en partant de l'interface utilisateur ou des sorties et de tester chaque composant ou interconnexion dans la chaîne de signal/alimentation suspectée. Parfois, le composant qui semble être défaillant n'est pas celui qui cause le dysfonctionnement de la carte électronique. Le problème peut se trouver ailleurs. Il faut donc le localiser.

Pour ce faire, il n’existe pas de méthode universelle compte tenu de la diversité des cartes et des composants électroniques que l’on trouve sur le marché. Mais une chose est sûre, certains instruments de test électronique s’avèrent indispensables pour mener à bien le processus de débogage. Il en existe une grande variété sur le marché, il serait donc difficile d’être exhaustif.

Cependant, trois instruments sont indispensables à tout dépanneur électronicien : une alimentation programmable, un multimètre et un oscilloscope. Un générateur de signaux et un analyseur de spectre peuvent venir compléter cette panoplie. 

Alimentation de laboratoire

Une alimentation de laboratoire permet d’alimenter aux tensions requises la carte électronique à dépanner. De nombreuses cartes fonctionnent à des tensions de 5 V, et à des courants jusqu'à 2 A. Mais d’autres applications tels que les systèmes de commande moteur ou de robots peuvent réclamer des tensions de 3 V à plus de 50 V, avec des courants dépassant les 10 A.

L’alimentation permet de transformer et réguler une tension ou un courant de sortie afin de ne pas détériorer les éléments à tester. Il existe plusieurs sous-familles d'alimentations de laboratoire : AC, AC/DC, fixe, variable, réglable et programmable. Le choix d'une alimentation dépend de l'application pour laquelle elle sera employée. Une application forte puissance réclame une alimentation capable de fournir de forts courants. Il est également possible d’opter pour une alimentation dotée de plusieurs voies qui délivrera davantage de puissance en couplant les sorties.

Le couplage des sorties permet d’accroître la tension ou le courant selon les cas. Le nombre de sorties permet de coupler les sorties de l'alimentation pour générer différentes tensions simultanément, créer une alimentation symétrique ou encore de mettre en cascade les différentes sorties. De nombreuses applications nécessitent une alimentation équipée de plusieurs sorties (2 à 4 sorties en général). Celle-ci peut ainsi être connectée à plusieurs points de la carte électronique en cours de test, évitant ainsi le recours à plusieurs alimentations. Les sorties multiples isolées peuvent être utilisées séparément ou en parallèle. Sur une alimentation à plusieurs sorties, certaines peuvent délivrer des tensions ajustables alors que celle d’une sortie sera fixe.

Multimètre

Comme son nom l'indique, un multimètre permet de mesurer plusieurs paramètres électriques avec un seul et même instrument. Un multimètre fait office d’ampèremètre pour mesurer l'intensité du courant, de voltmètre pour mesurer la tension, et d’ohmmètre pour mesurer la résistance électrique. Il peut également réaliser des tests de diode et d’amplification de transistor ainsi que de continuité de circuit.

Certains appareils peuvent également mesurer la capacité d’un condensateur, la fréquence d’un signal et la température lorsqu’ils sont équipés d’une sonde de mesure appropriée. Les multimètres numériques ont aujourd’hui très largement remplacé les antiques modèles analogiques. Ils sont équipés d’un système de conversion analogique-numérique et affichent les valeurs mesurées sous forme décimale sur leur écran. Il existe deux types de multimètres. Les modèles portables sont plus compacts et pratiques d’utilisation que leurs homologues de table.

Cependant, les multimètres de table offrent en général une plus importante résolution et une précision accrue. Pour choisir le multimètre adapté à votre application de dépannage, il faut s’assurer que la plage de mesure des différents paramètres, que la résolution et la précision de l’appareil répondent à vos exigences.

Oscilloscope

L’oscilloscope est l’outil de test indispensable à tout électronicien. Les modèles numériques ont aujourd’hui largement supplanté leurs homologues analogiques. Ils sont dotés de 2 ou 4 entrées analogiques (il existe cependant quelques modèles 8 voies) qui offrent une bande passante selon les modèles allant de quelques dizaines de MHz à plusieurs dizaines de GHz pour les appareils les plus performants. Ils permettent de visualiser sur leur écran les formes d’ondes des signaux numérisés par leur étage de conversion analogique/numérique qui échantillonne les signaux à des cadences pouvant atteindre plusieurs dizaines de Géch./s.

Les formes d’onde sont enregistrées en mémoire de l’appareil. Si bien qu’outre la possibilité d’observer leur évolution en quasi temps réel, elles peuvent être rejouées ultérieurement à l’écran pour une analyse plus approfondie grâce à des fonctions de zoom, de recherche d’échantillons particuliers, de marqueurs, de calcul mathématique, de statistiques, de test Bon/Mauvais… Les données peuvent également être sauvegardées sur une mémoire externe telle qu’une clé USB et peuvent être transférées vers un PC.

Les oscilloscopes numériques permettent de sélectionner divers modes de déclenchement : sur des largeurs d'impulsions, sur des niveaux logiques qui ne sont pas atteints (Runt), des perturbations de signal (Glitch), des temps de montée (Rise time »)...

Le type de déclenchement le plus classique est le déclenchement sur front. Dans ce mode, le déclenchement se produit lorsque le seuil de tension défini est atteint, soit sur le front montant soit sur front descendant d’une forme d'onde. Un mode de déclenchement définit donc les conditions qui doivent être rencontrées avant que l'oscilloscope ne lance une acquisition des signaux ou une capture des échantillons numériques. Il permet de stabiliser un signal périodique ou répétitif, en s’assurant que chaque balayage débute à un point donné sur le signal. Il peut également être utile pour capturer des événements uniques non-périodiques tels qu'une simple impulsion, un burst etc. Les fonctions de pré-déclenchement permettent en outre d’attendre un événement particulier tel qu’un pic de tension et, grâce à la fonction d’enregistrement, observer l’évolution du signal avant cet événement.

Les oscilloscopes peuvent également être équipés d’entrées numériques (8 à 16 en général) en complément de leurs entrées analogiques. Ce qui leur permet d’afficher simultanément à l’écran des formes d’ondes analogiques et numériques. Les oscilloscopes numériques proposent également en standard ou en option une grande variété de fonctions de décodage, de déclenchement et d’analyse de protocole pour des bus standards employés dans le secteur automobile et aérospatial :  RS232/UART, I2C, SPI, CAN, LIN, FlexRay, Automotive Ethernet, MILSTD-1553...

De nombreux oscilloscopes numériques permettent également d’effectuer la transformée de Fourier rapide des signaux (FFT) permettant ainsi d’effectuer leur analyse dans le domaine fréquentiel. Il existe sur le marché quelques modèles portables fonctionnant sur batterie ainsi que des modules pilotés par PC via une liaison USB mais l’essentiel de l’offre est constitué d’instruments de table. Certains modèles intègrent également un voltmètre, un compteur de fréquence ainsi qu’un générateur de signaux d’une ou deux voies. Ce qui transforme un oscilloscope en une boîte à outils complète pour le dépannage de cartes électroniques. 

Générateur de signaux

Un générateur de signaux délivre des formes d’ondes qui peuvent servir de stimulus lors du dépannage et la réparation de cartes électroniques. Il fournit des signaux électroniques possédant des propriétés définies par l’utilisateur en termes d'amplitude, de fréquence et de forme d'onde. Les traditionnels générateurs de fonctions peuvent délivrer plusieurs types de signaux : sinus, carré, triangle, rampe, impulsions. Les générateurs arbitraires peuvent quant à eux générer des signaux de forme personnalisée par l’utilisateur. Un logiciel applicatif intégré à l’appareil ou utilisable sur un PC permet de créer et stocker des formes d’onde arbitraires personnalisées directement en mémoire interne du générateur. Il permet de créer des formes d’onde arbitraires point par point via des fonctions mathématiques ou en les dessinant à main levée. Ces générateurs sont généralement dotés d’un écran qui permet de visualiser les formes d’ondes.

Ces instruments peuvent prendre en charge plusieurs types de modulation (AM/DSB-AM/FM//PM/PSK/FSK/ASK et PWM), générer des harmoniques, créer des modulations avancées, injecter du bruit aléatoire, etc. Il existe sur le marché de nombreux types de générateurs de signaux qui se distinguent par leur nombre de voies (généralement 1 ou 2 mais il existe des modèles de 4 ou 8 voies), leur bande passante (de quelques dizaines de MHz à plusieurs dizaines de GHz) et leur résolution verticale (8, 12 ou 16 bits). 

Analyseur de spectre

Alors qu’un oscilloscope affiche sur son écran l’évolution de l’amplitude d’un signal en fonction du temps, un analyseur de spectre permet de mesurer sa représentation dans le domaine fréquentiel. Il affiche sur son écran un spectre d'amplitudes de signaux sur différentes fréquences. Ce qui permet de déterminer si les signaux se situent dans les limites requises et de détecter d’éventuels signaux parasites. Un analyseur à balayage mesure la répartition en fréquence d'un signal en analysant chacune des fréquences séparément. Il balaye une plage de fréquence spécifiée par l’utilisateur via un filtre de résolution qui se déplace entre une fréquence F1 et F2. Un analyseur en temps réel assure la conversion simultanée d'un signal dans une bande de fréquence. Il dispose des capacités d’un analyseur de spectre auxquelles s'ajoutent des capacités de traitement dites « temps réel ». Il permet également d’afficher sur son écran le spectre d’un signal par un codage de couleurs qui renseigne sur la récurrence des signaux. 

A l’instar des oscilloscopes, la plupart des analyseurs du marché sont des instruments de table mais il existe également des modèles portables ainsi que quelques modules sans face-avant qui se pilotent par un PC via une liaison USB. Les analyseurs de spectre sont équipés d’une voie de mesure. Ils se déclinent en une variété de modèles qui se distinguent par leur couverture en fréquence allant de quelques kHz à plusieurs dizaines de GHz. Ils peuvent intégrer un générateur de tracking qui leur permet de réaliser des mesures de transmission scalaire sur des composants RF passifs et actifs, comme par exemple des amplificateurs, des filtres ou des câbles RF.