PRISE EN MAIN D UN OSCILLOSCOPE ANALOGIQUE OU NUMÉRIQUE. I : Principes généraux des oscilloscopes analogiques et numériques.

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1 PRISE EN MAIN D UN OSCILLOSCOPE ANALOGIQUE OU NUMÉRIQUE. L oscilloscope est l «œil» de l électronicien et permet de nombreuses mesures sur le ou les signaux étudiés : forme, contenu (composante continue, alternative, bruit ), amplitude, période ou fréquence, déphasage I : Principes généraux des oscilloscopes analogiques et numériques. Un oscilloscope est organisé autour d un «tube cathodique» (tube à faisceau d électrons) qui permet de faire dévier le faisceau grâce à des champs électriques verticaux (voie Y ou CH 2) et horizontaux (voie X ou CH 1), générés après amplification par les d.d.p. appliquées sur les entrées de l instrument. L intensité lumineuse peut parfois être modulée (voie Z), ce qui permet une inscription de trois grandeurs : les coordonnées (X,Y) du spot et son intensité lumineuse Z. 1 ) Les voies verticales. la déviation du spot est assurée par un amplificateur à couplage continu, à grand gain (ex : 80 db) et à très large bande passante (ex : [0, 50 MHz]). Couplage d entrée : - en position DC («direct current»), il y a couplage direct du signal à l amplificateur : la totalité du signal est amplifiée (composante continue + composante alternative). - en position AC («alternating current»), il y a couplage capacitif par l intermédiaire de C ( 1,1 μf), qui élimine la composante continue du signal. - sur la position GND («ground»), l entrée de l amplificateur est court-circuitée sur la masse. En pratique, toujours commencer l observation des signaux en couplage DC et n utiliser le couplage AC que si l on veut éliminer la composante continue. E M C AC GND DC R e Sur certains oscilloscopes, on force le couplage GND en maintenant appuyé la touche de sélection, ce qui permet de fixer verticalement sur l écran la position 0 V. Impédance d entrée : L impédance d entrée de chaque voie est capacitive, assimilable à l association parallèle de R 1M Ω avec un condensateur Ce 20 pf. Ces valeurs sont indépendantes du calibre utilisé. e entrée M R e ampli 1 L effet de cette capacité est loin d être négligeable en H.F. ( eω 160 k C Ω à 100 khz). Certains oscilloscopes ont une entrée 50 Ω ou 75 Ω, toujours indiquée. C e Mode de mesure «normal» et mode «différentiel». + - En mode normal, on applique le signal sur l entrée BNC de la voie choisie, éventuellement avec un adaptateur BNC-banane, la «masse» du signal étant physiquement reliée à la terre de l oscilloscope. - Le mode différentiel est activé en appuyant sur la touche DIFF de la voie choisie (une LED rouge s éclaire quand ce mode est actif) : ce mode permet de découpler la masse de la voie de la terre de l oscilloscope (on parle de «masse flottante»). En mode différentiel, la tension mesurée est la d.d.p. entre les signaux appliqués sur les bornes rouges des adaptateurs BNC-banane. Pour que le mode différentiel soit efficient, il ne faut jamais appliquer de signal sur les bornes noires des adaptateurs BNC-banane. Page 1 sur 5 _ ddp ddp +

2 Page 2 sur 5 Sensibilité verticale : La sensibilité verticale (exprimée en mv/div ou V/div) de chaque voie peut être réglée à la fois de manière discrète (par bonds) par un commutateur et de manière continue («fine») par un potentiomètre. Sur la plupart des oscilloscopes, le potentiomètre de réglage fin doit être bloqué en position CAL. (ou ETAL.) pour que la mesure de la déviation verticale soit possible (une LED est allumée en cas de non calibrage de la voie). Choix d affichage : L oscilloscope possède deux voies d entrée alors que le tube cathodique ne dispose que d une paire de plaques déflectrices. On intercale donc un commutateur électronique entre les voies 1 et 2 et le tube, qui peut fonctionner selon les différents modes : CH1 : seule la voie 1 est affichée, CH2 : seule la voie 2 est affichée, ALT : (mode alterné ou «alternate») : l une des voies est affichée pendant toute la durée d un balayage, puis l autre voie pendant le balayage suivant et ainsi de suite Le mode ALT est à utiliser de préférence en haute fréquence, pour de grandes vitesses de balayage. CHOP : (mode découpé ou «chopped») : les deux courbes sont affichées simultanément lors de chaque balayage sous forme de pointillés. Le mode CHOP est à utiliser de préférence en basse fréquence, pour de petites vitesses de balayage, les courbes en «pointillés» apparaissant alors comme continues. XY : le balayage temporel est désactivé et l écran affiche la voie 2 (verticale) en fonction de la voie 1 (horizontale). Ne jamais laisser «longtemps» l oscilloscope en mode XY sans aucun signal appliqué sur les voies, sous peine de détériorer l écran au niveau du spot éclairé. 2 ) Voie horizontale. ADD : affiche la somme des voies CH1 et CH 2. MULT : affiche CH1 x CH2 (accessible en mode numérique seulement) Balayage déclenché : Ce mode permet la déviation horizontale du spot par l intermédiaire d une base de temps (B.d.T.) qui fournit un signal en dent de scie (très linéaire!) à l amplificateur horizontal. Le spot va de gauche à droite de l écran puis revient à gauche très rapidement, etc Le problème est évidemment de synchroniser la B.d.T. sur le signal à observer : il faut que les balayages successifs commencent au même point et pour cela, on assure le «déclenchement» du balayage grâce à un signal de déclenchement, encore appelé source de synchronisation. Pour des signaux plus complexes (trains d impulsion par exemple), il peut y avoir des déclenchements intempestifs. Pour les éviter, on peut augmenter le temps mort entre les balayages successifs (commande «HOLD OFF») pendant une durée réglable, pouvant excéder la durée correspondant à la largeur d écran. Modes de déclenchement : Le déclenchement de la B.d.T. pet être effectué de différentes manières : Interne : CH1 ou CH2. Le signal de déclenchement est pris sur le signal d entrée appliqué sur la voie 1 ou 2. Externe : EXT. Le signal de déclenchement est appliqué à une entrée spéciale notée EXT.

3 Page 3 sur 5 Line (ou réseau) : le signal de déclenchement est pris sur la tension secteur à 50 Hz. Ce mode n a d intérêt que pour des signaux synchronisés sur cette tension (alimentations par exemple). Couplage : Niveau : Le signal de déclenchement passe à travers un circuit de couplage dont la sortie est une tension. Quand cette tension devient égale à la tension de déclenchement, une impulsion déclenche le balayage. La tension de déclenchement est réglable par l intermédiaire d un potentiomètre (LEVEL) et on peut choisir de déclencher sur le front montant ( ) ou descendant ( ) du signal de synchronisation (SLOPE). Type de couplage (COUPLING): Comme pour les signaux d entrée, le signal de déclenchement choisi peut être couplé de différentes manières : o DC : la bande passante du circuit de couplage s étend typiquement de 0 Hz à quelques 10 MHz. o AC : un filtre passe haut élimine les composantes de fréquence très basse ( <20Hz). o LF (rejection) : coupure des fréquences basses (Low frequency) ( <10kHz). o HF (rejection) : coupure des fréquences hautes (High frequency) ( >10à50kHz). o TV H ou V : déclenchement sur l impulsion de synchronisation ligne TV (TVH) ou trame TV (TVL). Mode normal et mode automatique : mode normal : permet en général d obtenir les meilleures performances de déclenchement en fonction de la fréquence. Le principal défaut du mode normal est qu il n y a pas de balayage en l absence de signal d entrée ou si le niveau de déclenchement est mal choisi (en dehors de l intervalle [v sync (min) ; v synch (max)]. mode automatique : il est conseillé de l utiliser au moins initialement, même s il est moins performant que le précédent aux basses fréquences. Le principal avantage du mode automatique est qu il y a toujours balayage même en l absence de signal d entrée. Selon les appareils, le niveau de déclenchement est ou non réglable, éventuellement uniquement dans la plage [v sync (min) ; v synch (max)]. Vitesse de balayage. La vitesse de balayage (exprimée en s/div, ns/div) peut être réglée à la fois de manière discrète (par bonds) par un commutateur et de manière continue («fine») par un potentiomètre. Sur la plupart des oscilloscopes, le potentiomètre de réglage fin doit être bloqué en position CAL. (ou ETAL.) pour que la mesure de la base de temps soit possible (une LED est allumée en cas de non calibrage de la voie). Et pour finir, en cas de panique généralisée : Vous venez de faire une erreur (ou plusieurs!) de manipulation et vous ne savez plus comment retrouver la trace du signal sur l écran? Pas de panique! METRIX a pensé à tout : Appuyez sur la touche Autoset qui laisse le scope régler pour vous l échelle de tension ainsi que les paramètres de temps et de déclenchement. L «autoset» présente, sur les oscilloscopes METRIX un défaut majeur : il place par défaut les voies d entrée en couplage AC!

4 II : L oscilloscope numérique. 1 ) Principes généraux. Le principe de base d un oscilloscope numérique est radicalement différent d un modèle analogique : la courbe affichée sur l écran d un oscilloscope numérique n est pas une visualisation en temps réel du signal d entrée mesuré v(t)! Ce signal est d abord numérisé, c est-à-dire échantillonné et quantifié sous la forme d une suite de nombres {t i, v i }, pour i variant entre 1 et N, où v i v(t i ). N est le nombre d échantillons acquis. Ces échantillons sont accumulés dans une mémoire, qui, une fois remplie, permet par relecture de construire la courbe représentative du signal qui est affichée sur l écran. La numérisation est assurée par un CAN, de période d échantillonnage T e, qui dépend du réglage de la base de temps : soit T l indication de la commande de vitesse (en s/div, ) ; l écran ayant 10 divisions horizontales, la durée d un balayage est 10.T et la période 10.T d échantillonnage est : T= e, si l on a N échantillons. N La quantification des échantillons s effectue le plus souvent sur 8 bits (2 8 = 256). Soit D l indication de sensibilité (en V/div, ), la déviation totale est 8.D (8 divisions verticales) et le 8.D pas de quantification est donc : q= 2 8. Ainsi, à 1 V/div, q 30 mv. La base de temps est ici numérique (c est essentiellement une horloge qui cadence les différentes opérations) : elle peut donc être bien plus précise que celle d un oscilloscope analogique. Le circuit de déclenchement joue aussi un rôle différent. Le signal est en effet numérisé en permanence et le déclenchement ne fait donc pas, en général démarrer la base de temps, mais permet simplement de repérer un point particulier sur le signal. Il est ainsi possible d observer ce qui se passe avant ce point («pré déclenchement»). Ce point peut être placé où l on veut sur l écran (commande de position). 2 ) Les avantages de l oscilloscope numérique. Un oscilloscope numérique est avant tout un oscilloscope à «mémoire» qui permet donc de visualiser des signaux non répétitifs (d où son intérêt dans l étude des régimes transitoires). Dans ce cas, il faut enregistrer le signal en mode monocoup («single») et penser à réarmer l appareil pour une nouvelle acquisition. Il facilite aussi l observation des signaux basse fréquence (< 50 Hz) où l effet de «papillonnement» est particulièrement désagréable. Le signal étant numérisé, il est possible d effectuer toutes sortes d opérations mathématiques au moyen d une unité de traitement, ainsi que des mesures automatiques (tension, temps, déphasage, ). Retenons qu un oscilloscope numérique ne permet de traiter que les données numérisées, c est-à-dire celles affichées sur l écran! Il convient donc de bien choisir les sensibilités et vitesse de balayage pour effectuer des mesures de période, tensions efficaces, etc La numérisation permet un transfert facile vers une imprimante ou un ordinateur pour un traitement ultérieur (par un simple câble série et une liaison RS 232). 3 ) Les «inconvénients» de l oscilloscope numérique. A très basse fréquence (qqs Hz), par exemple pour des expériences de mécanique, on doit attendre que la mémoire de l ordinateur soit remplie avant qu il ne s affiche sur l écran (cela peut être gênant dans une phase de réglages préliminaires par exemple). Page 4 sur 5

5 Toutefois, pour palier à ce genre d inconvénients, on dispose du mode «déroulement» ou «roll» dans lequel les échantillons acquis sont immédiatement affichés : les nouveaux apparaissent à droite de l écran et le signal se déplace vers le bord gauche. Page 5 sur 5 Comme tout système à échantillonnage temporel, l oscilloscope numérique peut être à l origine de fausses représentations dues à une fréquence d échantillonnage trop faible. Pour les oscilloscopes, ce problème n est pas crucial car l appareil dispose souvent d un réglage automatique permettant un affichage correct du signal. 4 ) Principes généraux des mesures à l oscilloscope. La précision d une mesure de tension à l oscilloscope, analogique ou numérique, n est pas très grande, très inférieure à celle atteinte par les multimètres numériques, mais par contre, elle se maintient dans un domaine de fréquences extrêmement large (cf. les bandes passantes). Du fait de la quantification du signal, la précision de la mesure dépendra de la sensibilité : Comme avec un appareil analogique, il faut s arranger pour avoir la déviation la plus grande possible et choisir la sensibilité en conséquence. A noter que les mesures de tension moyenne ou efficace, calculées à partir des N échantillons sont en général plus précises que la valeur crête à crête, très sensible au bruit! Mesures automatiques : Appuyez sur la touche MEAS du menu principal situé sous l écran (mesures disponibles en mode analogique et numérique). La touche MORE permet d accéder aux autres mesures automatiques. 17 mesures sont disponibles : Vpp Tension crête à crête Vrms Tension efficace Vavg Tension moyenne F Fréquence T Période tr Temps de montée (10% à 90%) tf Temps de descente (90% à 10%) W+ Largeur d impulsion positive (à 50%) W- Largeur d impulsion négative (à 50%) DC+ Rapport cyclique positif DC- Rapport cyclique négatif Vmax Tension maximale Vmin Tension minimale Vh Tension haute Vlow Tension basse Vamp Amplitude Déphasage (le chiffre ϕ entre parenthèses indique le numéro de la voie de référence). On peut changer la voie de référence en appuyant quelque secondes sur la touche de couplage voulue (CH1 ou CH2).

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