ÉCOLE CENTRALE DE PÉKIN MANUEL DE LABORATOIRE
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- Florent Métivier
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1 Page 1 北 航 中 法 工 程 师 学 院 ÉCOLE CENTRALE DE PÉKIN MANUEL DE LABORATOIRE Chapitre 1 OSCILLOSCOPES, GÉNÉRATEURS, MULTIMÈTRES NUMÉRIQUES ET/OU ANALOGIQUES Dans ces expériences, nous apprendrons à utiliser les générateurs, oscilloscopes et multimètres numériques et/ou analogiques. Nous étudierons seulement les procédures principales. Les générateurs fournissent des tensions de formes différentes. Les oscilloscopes sont d abord des voltmètres. Les oscilloscopes numériques ont beaucoup d autres fonctions, un peu comme un ordinateur. Essayons d améliorer notre compréhension de ces appareils. TENSIONS DE FORME QUELCONQUE : CRÉATION, AFFICHAGE, MESURE Un brin de théorie 1 Considérons une tension e( t) = E0 + Em sin 2 π ft E0 R, Em > 0, T =. f Calculez en fonction de E, 0 Em les différentes valeurs de 1 T EMax = emax, EMin = emin, Epp = EMax EMin, E = e( t) dt T 0 1 T 2 eac ( t) = e( t) E, EAC = e ( ) 0 AC t dt T 1 T Démontrez que ETRMS = e ( t) dt = E + E 0 AC T et exprimer ETRMS en fonction de E, 0 E m.
2 Page 2 On utilise d abord le générateur analogique MFG 8216A et l oscilloscope analogique IWATSU SS7802. Les mesures seront effectuées avec le multimètre numérique TONG HUI Fabriquez avec le générateur puis affichez sur l écran de l oscilloscope une ou deux périodes de la tension ci-dessous e( t) = E + E sin 2 π ft E R, E > 0 0 m 0 E0 = 1 V, Em = 2 V, f = 1 khz Vous devez afficher l un ou l autre des graphes suivant sur l écran. m Contrôlez les différents paramètres de la tension à l aide des curseurs de l oscilloscope. Mesurez E, EAC, ETRMS, f en utilisant le multimètre. Utilisez maintenant l oscilloscope numérique TEKTRONIX TDS 1002B pour afficher plusieurs périodes de la tension e(t) (au moins trois périodes) et mesurez dans ces conditions EMax, EMin, Epp, E, EAC, E TRMS On vérifiera que la mesure est parfois impossible avec le numérique si on affiche une seule période. SYNCHRONISATION ET DÉCLENCHEMENT D UN OSCILLOSCOPE On utilise d abord le générateur analogique MFG 8216A et l oscilloscope analogique IWATSU SS7802. Fabriquez avec le générateur et affichez sur l écran de l oscilloscope deux périodes de la tension triangulaire symétrique e(t) dont le graphe est donné ci-dessous. Les données sont E = 4 V, E = 0 V, E = 4 V, E = 2 V, f = 1kHz. Max Min pp Vous devez afficher sur la voie 1 de l oscilloscope, le graphe ci-dessous (2 périodes, démarrant quand e = 0 avec une pente positive pour la tangente au démarrage). Contrôlez avec les curseurs les différents paramètres de la tension e(t). Mesurez E, EAC, ETRMS, f à l aide du multimètre.
3 Page 3 Un brin de théorie Calculez E, E en fonction de E, E. AC Max Min Calculez ETRMS en fonction de EAC, E. Vérifiez les mesures précédentes. Comme d habitude, on définit la partie alternative du signal e(t) par e ( t) = e < e > = e E On peut encore écrire e = E + e ( t) Supposons donnée la constante E L, avec EMin EL < EMax. AC Déterminez graphiquement t ACL+ la première valeur positive de t telle que deac ( t) de( t) eac ( t) = EL et = > 0 dt t = t dt t = t Déterminez graphiquement la valeur de e(t) lorsque t = t ACL+. AC ACL+ ACL+ Déterminez graphiquement t ACL- la première valeur positive de t telle que deac ( t) de( t) eac ( t) = EL et = < 0 dt t = t dt t = t ACL Déterminez graphiquement la valeur de e(t) lorsque t = t ACL-. ACL Dans cette partie, on doit régler le niveau de déclenchement avec la pente au déclenchement avec la source du déclenchement avec le type de source du déclenchement avec READY TRIG D TRIGG LEVEL SLOPE +/- FINE MAG x10 SOURCE COUPL TV On doit aussi régler les différents paramètres de l entrée sur la voie 1 le type de l entrée, avec le zéro et sa position, avec POSITION VOLTS/DIV VARIABLE ADD CH1 + CH2 /AC 5V 2mV GND 1MΩt 25 pf ± 400 V Max CAT II
4 Page 4 Remplissez (si c est possible) les 8 figures ci-dessous avec les affichages de e(t) (deux périodes). Les paramètres d entrée et de déclenchement sont écrits à côté de chacun des diagrammes. SYNC SYNC FILTER FILTER LEVEL 1V LEVEL 1V SLOPE + SLOPE SYNC SYNC AC FILTER LEVEL 3 SLOPE + FILTER LEVEL 1 SLOPE SYNC AC SYNC AC FILTER AC LEVEL -1V SLOPE + FILTER LEVEL -1V SLOPE SYNC SYNC FILTER AC LEVEL -1V SLOPE + FILTER LEVEL -1V SLOPE Comment ça marche? On donne une des solutions, le premier diagramme à compléter. Avec LEVEL = E L, SYNC SOURCE = CH 1, SYNC COUPLING =, SLOPE +, COUPLING /AC =, de( t) l affichage de e(t) commence à la date t i telle que e(t i ) = E L et > 0. dt t = t i A l aide des 7 autres oscillogrammes ci-dessus, essayez de deviner comment marchent la synchronisation, le déclenchement, le filtrage sur la voie 1.
5 Page 5 IMPÉDANCE D ENTRÉE D UN OSCILLOSCOPE ANALOGIQUE, IMPÉDANCE DE SORTIE D UN GÉNÉRATEUR NUMÉRIQUE Avez vous remarqué l inscription sur la face avant de l oscilloscope analogique? Avez vous remarqué l inscription sur la face avant du générateur numérique? 1MΩt 25 pf ± 400 V Max CAT II CH 1 50 Ω Nous allons vérifier ces inscriptions. Un brin de théorie Considérons le dipôle ci-dessous, R 1MΩ, C 25 pf. Il modélise l entrée sur le canal 1 de l oscilloscope. R C Calculez l impédance équivalente de ce dipôle à fréquence nulle. R T R T f = 0 e(t) = E m r R s(t) Générateur de fonctions Oscilloscope R T f 0 e(t) = E m cos 2πft r R C s(t) Effectuer le circuit simple ci-dessus, avec un générateur de fonctions, une résistance R T et l oscilloscope analogique, en utilisant l entrée 1. Sm 1 Choisissez R T de sorte que E = m 2 quand f = 0. Comment avez-vous mesuré E m? Choisissez maintenant f = 100 khz sans changer R T ni E m. Mesurez la nouvelle valeur de S m et en déduire la valeur de la capacité C.
6 Page 6 Générateurde fonctions r T Oscilloscope f = 0 e(t) = E m r r T R s(t) Construisez le circuit ci-dessus, ave un générateur de résistance de sortie r, une résistance r T et l oscilloscope analogique utilisé sur la voie 1. Sm 1 Choisissez f = 0 et R T tel que E = m 2. Déduisez en valeur de r. Comment avez vous mesuré E m? MODULATIONS D AMPLITUDE ET DE FRÉQUENCE ET GÉNÉRATION DE RAFALES AVEC LE GÉNÉRATEUR NUMÉRIQUE Agilent A 20Mhz Function/Arbitrary Waveform Generator V Freq Period Ampl Hi Level Offset Lo Lavel Sync Graph Sine Square Ramp Pulse Noise Arb Mod Sweep Burst Store/ Recall Utility Help Nous allons étudier le fonctionnement des touches Mod, Sweep et Burst du générateur de fonctions Agilent A.
7 Page 7 MODULATION D AMPLITUDE 1 + m M 1 (t) = 1 + m sin 2πft C(t) = C m sin 2πFt 1 - m 0 t t 1 M 2 (t) = sin 2πft 0 t -1 Un brin de théorie Considérons la fonction C( t) = C sin 2 π Ft, F > 0, C > 0 (appelée Porteuse) m m les deux fonctions ( , 0 < f F, m 0 2, 0 < f F Modulantes) M1 ( t) C( t) = 1+ msin 2 π ft * Cm sin 2π Ft et M 2 ( t) C( t) = sin 2 π ft * Cm sin 2π Ft Dessinez les graphes des produits ( ) A l aide de la touche Mod du générateur de fonctions, essayez de fabriquer les deux produits de fonctions écrits plus haut. Tentez de comprendre le contrôle des paramètres par le générateur de fonctions. Quels sont les paramètres contrôlés par la touche Mod et le menu correspondant? Affichez les résultats graphiques sur l oscilloscope de votre choix.
8 Page 8 ÉTUDE DE LA MODULATION DE FRÉQUENCE ET DU SWEEP Dans cette partie, nous étudierons le menu Mod, option Frequency et/ou le menu Sweep. Dans les deux cas, on crée un signal dont la fréquence est modulée. Un brin de théorie F F Considérons le signal S( t) = Sm sin 2 π F( t) t avec F( t) = F0 + sin 2π ft et f F0 2 2 Essayez de comprendre les variations de S(t). Déterminez la fréquence maximale F max la fréquence minimale F min la fréquence moyenne F moy l excursion en fréquence F max F min (sweep width en anglais) le temps de montée de F min à F max, (sweep rate en anglais). A l aide du menu Mod, option FREQUENCY et/ou le menu Sweep du générateur numérique, fabriquez le signal S(t) défini plus haut. Essayez de comprendre le contrôle des paramètres de la modulation de fréquence par le générateur numérique. Quels sont les paramètres contrôlés par le menu Mod, option FREQUENCY? Quels sont les paramètres contrôlés par le menu Sweep?
9 Page 9 GÉNÉRATION DE RAFALES : BURST Un brin de théorie Considérons les deux fonctions dont les graphes sont donnés ci-dessous S( t) = Sm sin 2π Ft et C( t) = 0 or 1 Les variations de la fonction C(t), périodique de période T C sont visibles ci-dessous. N C(t) = 1 dans l intervalle [ t i, t i + τ ] modulo T C, avec τ = = NT < T C f, N N *. Sinon C(t) = 0. t T C t i t τ t Dessiner le produit des fonctions C(t) et S(t). Pourquoi appelle-t-on ce mode le mode rafales? A l aide du menu Burst du générateur numérique, essayez de fabriquer le signal C(t)S(t) vu ci-dessus. Essayez de comprendre le contrôle des paramètres du générateur de rafales par le générateur numérique. Quels sont les paramètres contrôlés par le menu Burst?
10 Page 10 8.ÉTUDE DU MODE FFT (FAST FOURIER TRANSFORM) DE L OSCILLOSCOPE NUMÉRIQUE Dans cette partie, nous utiliserons la voie 1 et le menu MATH de l oscilloscope numérique. VERTICAL POSITION CH 1 MATH CH 2 VOLTS/DIV La FFT (Fast Fourier Transform) d un signal peut être calculée en utilisant le menu MATH, option FFT de l oscilloscope Ce menu peut aussi afficher les différents harmoniques d un signal périodique connecté à la voie 1. CH 1 CH 2 Vérifiez si vous avez compris son fonctionnement en analysant le signal triangulaire symétrique dont le graphe est donné ci-dessous. Les paramètres sont E = 4 V, E = 0 V, E = 4 V, E = 2 V, f = 1kHz Max Min pp Vous devez afficher le graphe ci-dessous (2 périodes, commençant quand e = 0 avec une pente positive), sur la voie 1. Quels sont les paramètres contrôlés par le menu MATH FFT? Remarquer le nouveau spectre de Fourier en éliminant la composante continue E du signal e(t)
11 Page 11 ANALOG FUNCTION GENERATOR GATE M 100 k 10 k 1 k Hz GATE ATT -20dB FRONT PANEL POWER FREQUENCY TTL/CMOS OUTPUT DUTY CMOS OFFSET AMPL OUTPUT 50 Ω 1 MATRIX 0 FUNCTION GENERATOR ADJ 5V..15V CMOS ADJ TTL ADJ MIN MAX -20dB MFG 8216A COUNTER INT..EXT 220 V REAR PANEL C VCF INPUT 15V MAX INPUT COUNTER AC 150 Vms MAX CAT II
12 Page 12 ANALOG OSCILLOSCOPE IWATSU OSCILLOSCOPE SS Mz FUNCTION COARSE V t Off CURSORS HOLD OFF TCK/C2 SOURCE READY TRIG D TRIGG LEVEL SLOPE +/- COUPL FINE MAG x10 TV POSITION TIME/DIV A VARIABLE SLOW FAST SWEEP MODE HORIZONTAL DISPLAY AUTO NORMAL SGL/RST A X-Y ALT-CHOP POSITION POSITION CH 1 CH 2 VOLTS/DIV VARIABLE ADD CH1 + CH2 VOLTS/DIV VARIABLE INV /AC /AC POWER 5V 2mV GND 5V 2mV GND STBY ON INTEN BEAM FIND READ OUT ON/OFF FOCUS SCALE CAL 1MΩt 25 pf ± 400 V Max CAT II 1MΩt 25 pf ± 400 V Max CAT II 1MΩt 25 pf ± 400 V Max CAT II TRACE ROTATION 1 khz, 0.6 V CH 1 X CH 2 EXT TRIG
13 Page 13 DIGITAL FUNCTION GENERATOR A Agilent 20Mhz Function/Arbitrary Waveform Generator Freq Period Ampl Hi Level V Offset Lo Lavel Sync /- FRONT PANEL Graph Sine Square Ramp Pulse Noise Arb Trigger Sync Output Mod Sweep Burst Store/ Recall Utility Help Output 50 Ω 42 Vpk REAR PANEL MODULATION IN ± 5V EXT TRIG FSK/BURST 42 Vpk TTL USB LAN GPIB
14 Page 14 DIGITAL STORAGE OSCILLOSCOPE Tektronix TDS 1002B IWATSU OSCILLOSCOPE TWO CHANNEL 60 Mhz DIGITAL STORAGE OSCILLOSCOPE 1GS/s Tek T Trig d M POS MESURE AUTORANGE MEASURE SAVE/RECALL ACQUIRE HELP AUTOSET SOURCE CH 1 TYPE Efficace VALEUR 2.25 V SAVE PRINT REF UTILITY POSITION CURSOR DISPLAY POSITION DEFAULT SET UP SINGLE SEQ VERTICAL HORIZONTAL TRIGGER LEVEL RUN/ STOP RETOUR LABEL TRIG CH V 500 ms CH mv Ref A 1.00 V 500 ms 6 juin 07 15h khz PROBE CHECK CH 1 MATH CH 2 SET TO ZERO SET TO 50% VOLTS/DIV SEC/DIV FORCE TRIG TRIG VIEW USB FLASH DRIVE PROBE COMP 1kHz _ CH 1 CH 2 EXT TRIG 300 V CAT II
15 Page 15 DIGIT MULTIMETER Tong Hui SENSE Ω 4W INPUT V Ω I TH ½ Digit Multimeter AC I Ω 4W Period % db/m V AC V Ω 2W Freq Cont Rel MX+B 350 V MAX 3 A 250 V HI LO ma 10 A 100 V MAX 12 A MAX Menu Recall Fast Med Slow Hold Auto Trig Shift FUSE POWER CHOICES LEVEL ENTER ESC LOCAL Chang Zhou TonHui Electronic Co Ltd RS 232C
16 Page 16 DIGIT TRUE RMS MULTIMETER FLUKE 187 TRUE RMS MULTIMETER V AC + AutoHOLD FAST Min Max S AUTO HOLD MIN REL MIN MAX Hz % ms RANGE SETUP V ac+dc mv ac+dc ns Ω F C A, ma µa mv db V db µa A, ma ac+dc ac+dc TEMPERATURE A ma COM Ω µa V 10 A Max Fused 400 ma CAT III 1000 V Fused
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