Oscilloscope - MPSI 1 Lycée Chaptal Oscilloscope Élec.1. La fiche sur l appareillage électrique.

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1 Oscilloscope - MPSI 1 Lycée Chaptal Oscilloscope Élec.1 TP de Physique Objectifs du TP Document utile Découvrir l oscilloscope ; Comprendre les modes d affichage et les principes de synchronisation ; Savoir régler l appareil pour avoir un signal de qualité permettant d effectuer facilement les mesures désirées (tensions, intensités, temps, déphasages...). La fiche sur l appareillage électrique. Je n attends pas de compte-rendu pour ce TP : le but de celui-ci est de découvrir l oscilloscope qui est un appareil permettant des mesures de phénomènes électriques en régime variable, en particulier transitoire, harmonique ou continu. Ce TP est un vrai TP de «bidouille», par conséquent profitez de cette absence de compterendu pour tester, expérimenter, essayer des boutons, le but est que vous soyez capables de vous débrouiller tout seul en cas de problème pour tous les TPs que vous ferez avec un oscilloscope plus tard. N hésitez donc pas à noter les nombreuses choses que vous pourrez remarquer lors de vos manipulations, les choses à ne pas faire... C est un TP facile mais qui est très long et très riche. Enfin, les oscilloscopes que vous rencontrerez durant votre «carrière» varient beaucoup, à vous de chercher/trouver/deviner, si une fonction vous semble manquer, où elle est sur oscilloscope, pour ne pas perdre de temps à lire une notice le jour J, mais plutôt à utiliser votre intuition! Les boutons indiqués ici ne sont donc, bizarrement, pas forcément... les bons, car ceux-ci dépendent de l oscillo, mais le nom s en rapproche forcément. Pas de durées indicatives : vous aurez sans doute certaines choses, d autres non, de façon très hétérogène entre vous. Essayez d en faire le maximum mais certaines parties vous demanderont peut-être 2 minutes, d autres une heure. L essentiel est de bidouiller le plus possible, sachant que nous utiliserons souvent l oscilloscope dans les TPs suivants. On relira avec intérêt et on gardera près de soi durant le TP la fiche sur l appareillage électrique. En particulier ce TP ne nécessite pas l emploi d une alimentation stabilisée mais seulement d un générateur basses fréquences (GBF). I - Affichage, synchronisation, couplage Un oscilloscope sert à observer, étudier et comparer des tensions. Il possède deux voies en entrées (notées CH1, CH2 ou X, Y). On sélectionne (ou on éteint) ces entrées en appuyant sur le bouton CHN ou CH. Les prises d entrée sont de type BNC 1, la partie extérieure de la prise étant reliée à la Terre (notée GND comme ground, en anglais). Pour se faire une idée de ce qui suit, on peut commencer le TP en reliant un signal variable venant du GBF -sinus, triangle...- à l oscilloscope. 1. Voir la fiche sur l appareillage électrique. 1

2 Oscilloscope 1. Couplages d entrée AC et DC Pour chaque voie, il existe deux couplages d entrée possibles : mode DC 2 (Direct Curent, noté aussi CC pour Courant Continu) : la tension d entrée correspond à celle qui est visualisée sur l écran. mode AC 3 (Alternative Current, noté aussi CA pour Courant Alternatif) : la tension visualisée n est pas la tension d entrée, mais la tension moins sa moyenne temporelle. Par exemple, pour un signal d entrée u(t) = U m cos(ωt) + U 0, on observe seulement U m cos(ωt). En pratique, l entrée AC supprime les composantes basses fréquences d un signal (inférieures à quelques hertz). Sauf dans des cas particuliers, on n utilisera JAMAIS l entrée DC. Pour visualiser cette notion de couplage, vous pouvez ajouter une composante continue au signal du GBF. 2. Modes d affichage Il est possible de visualiser en fonction du temps (mode temporel), soit une des deux voies, soit les deux simultanément. Pour l affichage des deux voies, on peut utiliser le mode alt (les deux voies sont balayées alternativement sur tout l écran, l une après l autre), ou le mode chop (le balayage d écran est décomposé en une succession alternée de morceaux de la voie 1 et de la voie 2). l une en fonction de l autre (fonction notée XY). La deuxième voie est en ordonnée (CH2 ou Y), la première étant en abscisse (CH1 ou X). la «ligne» correspondant au zéro de chacune des chaînes, et les déplacer pour avoir des courbes plus nettes : pour cela, il y a un petit curseur sur la gauche de l écran, de la couleur de la chaîne concernée, qui vous indique la position du zéro (de la masse). On peut si on le veut superposer deux courbes par exemple, ou au contraire les écarter l une de l autre pour les voir mieux. 3. Principe de la base de temps et de la synchronisation : fenêtre TRIGGER Pour visualiser le graphe d une tension en fonction du temps, on applique cette tension à l entrée verticale de l oscilloscope, tandis que l entrée horizontale reçoit une tension proportionnelle au temps. Cette tension est produite par un montage électronique, la base de temps, qui peut fonctionner selon deux modes, pour lesquels elle produit une tension ayant l une des deux formes suivantes. Dans le mode relaxé, les balayages se succèdent sans temps mort ; dans le mode déclenché chaque balayage attend l ordre donné par la synchronisation. La plupart du temps, on utilise le mode déclenché afin que le signal observé soit stable : il faut donc que la période du signal que l on souhaite observer soit un nombre entier de période du mode déclenché. Pour observer un signal stable bien que la période de la tension ne soit pas une fraction entière du temps de balayage, il faut déclencher le balayage lorsque le signal étudié (synchronisation interne) ou un autre signal (synchronisation 2. à ne pas confondre avec le mode DC du multimètre! 3. à ne pas confondre avec le mode AC du multimètre! 2

3 Oscilloscope - MPSI 1 Lycée Chaptal externe) atteint un niveau (level) déterminé. La synchronisation (trigger) est le montage qui commande ce déclenchement. En général, le réglage de la synchronisation nécessite donc trois choix : le signal qui synchronise, le niveau auquel le déclenchement se produit et le signe de la pente du signal au moment du déclenchement. Ces trois choix se font grâce aux boutons de la fenêtre TRIGGER : Source : permet de choisir sur quel signal l oscilloscope va essayer de se synchroniser. Il faut choisir un signal bien stable pour que la visualisation soit possible. La plupart du temps, on utilise comme source le GBF, il faut donc relier le GBF à la voie 1 de l oscilloscope et cliquer sur voie 1 dans source. Level : permet de choisir le niveau de synchronisation. Chaque fois que le signal de source atteint le même niveau que le niveau LEVEL, il y a déclenchement. La valeur de ce Level peut se régler et apparaît grâce à un curseur à droite de l écran, semblable à ceux donnant le zéro de chacune des chaînes. Mode et les autres boutons : des réglages de synchronisation en mode montant ou descendant, non essentiels en première approche. II - L oscilloscope Il s agit d un oscilloscope numérique à mémoire. Elle présente des boutons rotatifs et des touches. Les boutons permettent un réglage continu (sensibilités verticales, base de temps, niveau de déclenchement). Les touches appellent des menus qui permettent l accès à plusieurs dispositifs (voies, fonctions mathématiques...). L accès aux différentes options d un menu se fait en appuyant sur la touche ou en utilisant le bouton en haut à gauche marqué d une flèche tournante. Noter la touche AUTO ; elle permet une remise à zéro des réglages. Noter aussi la mise à zéro automatique des voies (boutons poussoirs). Réglages élémentaires : Brancher à l aide d un câble coaxial le GBF sur la voie 1 de l oscilloscope. Choisir une tension sinusoïdale (sans décalage continu) de fréquence f=500 Hz. Mettre le bouton Level du GBF à mi-course, sans atténuation (pas de - 20 db). Dilater la sinusoïde de façon à observer 2 ou 3 périodes couvrant pleinement l écran (utiliser pour cela les boutons de réglages des voies verticale et horizontale). Réglage de la voie 1 : Appuyer sur la touche CH1 ; un menu déroulant apparaît. Noter le rôle de certains réglages : Couplage AC-DC-GND : GND signifie Ground ; l entrée de l oscilloscope est mise à la Terre, ce qui peut permettre de centrer le signal (pas très utile compte tenu de la mise à zéro automatique avec le bouton poussoir!). Ajouter une composante continue à la tension sinusoïdale et observer le signal à l écran en mode DC puis en mode AC. Que se passe-t-il? Pourquoi? 3

4 Oscilloscope Remarque : avec un fort décalage continu et une amplitude élevée, on peut observer un écrêtage du signal du fait de la limitation en tension du GBF. Choisir une tension en créneaux, sans décalage continu. Observer le signal en DC, puis en AC, à 50 Hz, 500 Hz et 5 khz. Que constate-t-on? Pourquoi? Conclure sur le bon choix du mode de couplage. Volt/Div : Deux options sont proposées : par défaut, la sensibilité verticale se règle par paliers. On peut choisir le mode Fin : le réglage de la sensibilité verticale se fait alors de façon continue. Ce mode se trouve parfois en enfonçant le bouton de réglage (et on en sort en le réenfonçant). Invert : On peut inverser la courbe, c est-à-dire visualiser - CH1. Sonde x1, x10,... : Elle permet de multiplier le gain par 1, Synchronisation : Sélectionner le menu de la colonne TRIGGER. Noter le rôle de certains réglages : Source de déclenchement : Appuyer sur CH2. Que se passe-t-il? Pourquoi? Front montant, descendant ou alterné : Comprendre le rôle de ce réglage. Balayage : Se mettre en Auto et tourner le bouton Level : que se passe-t-il? Interpréter à partir du I-2. REMARQUE TRES IMPORTANTE Dans la suite, on va apprendre à utiliser les mesures éventuellement automatiques de l oscilloscope. Il faut garder SYSTÉMATIQUEMENT À L ESPRIT que celui-ci effectuera ses calculs à partir du signal visible sur l écran. Ainsi, si on zoome trop sur le signal, l oscilloscope sera incapable de donner la valeur maximale et ne donnera que la plus grande valeur du signal visible sur l écran. De même, si on dilate trop l échelle de temps, il ne pourra effectuer de mesures de fréquences, périodes ou autres car il ne pourra pas voir la périodicité du signal. ON RETIENDRA DONC qu il faut autant que possible avoir quelques périodes au minimum d un signal pour effectuer des mesures automatiques et ne pas zoomer trop pour voir les extrema. III - Mesure de la période d un signal périodique Deux modes de mesures sont en général possibles : en manuel, avec les curseurs (touche CURSOR) ou en automatique (touche MEASURE). Les mesures en automatiques sont rapides, mais elles manquent parfois de précision. 1. Mesure avec les curseurs Sélectionner le menu CURSOR et se mettre en mode Manuel. Choisir le Type, ici X pour avoir une mesure de temps et la Source, ici CH1. Deux curseurs (Curs A et Curs B) peuvent être déplacés, après avoir été sélectionnés (appuyer pour avoir le curseur en surbrillance), grâce au bouton marqué d une flèche tournante. On lit la position des deux curseurs, l intervalle entre les deux ( X) et l inverse (1/ X). En ayant convenablement positionner les deux curseurs, on peut ainsi mesurer la période T et la fréquence f. Noter les résultats et vérifier qu ils sont en accord avec la valeur affichée par le GBF. Remarquez que our que les mesures soient précises, les courbes doivent suffisamment dilatées verticalement. Notez aussi que pour éteindre le curseur A (ou B), il faut appuyer sur la touche Curs A (ou B). 2. Mesure en automatique Sélectionner le menu MEASURE. Choisir Temps, puis Période et Fréquence. Les valeurs s affichent dans l ordre choisi. Noter les valeurs et comparer à celles obtenues au 1. Si des étoiles apparaissent, cela signifie que l appareil ne réussit pas à faire la mesure (par exemple, mauvais choix de la base de temps). Remarquer que pour effacer les valeurs, presser Clear. Remarquer aussi que les valeurs affichées fluctuent légèrement au cours du temps. 4

5 Oscilloscope - MPSI 1 Lycée Chaptal IV Deux modes de mesure sont possibles. - Mesure de tensions 1. Mesure avec les curseurs La méthode est la même que celle utilisée pour la période, mais avec le Type Y pour mesurer des tensions. Placer les deux curseurs aux niveaux des extrémités de la sinusoïde : on lit ainsi la tension crête à crête V pp =2 U max (pour une sinusoïde pure). 2. Mesure en automatique Sélectionner le menu MEASURE, puis Tension. Plusieurs mesures sont proposées. Noter les résultats principaux pour le signal étudié : tension crête à crête : V crête-crête = V pp valeur moyenne : V ampl moy valeur efficace : V eff = V rms Comparer avec la mesure réalisée avec les curseurs. Vérifier que V eff = V pp Comparaison avec un multimètre On souhaite comparer les indications données par un multimètre et celles données par l oscilloscope. Ajouter une composante continue à la tension sinusoïdale d amplitude environ égale au quart de celle de la sinusoïde (visualisation sur l oscilloscope). On note u(t) la tension résultante. Mesurer avec le multimètre : la tension moyenne (position DC) : U DC = <u> ; la tension efficace du signal moins sa moyenne (position AC) : U AC = [u(t) - U DC ] eff ; la tension efficace vraie (position AC + DC) : U AC+DC = U eff Vérifier numériquement la relation U 2 DC +U 2 AC = U 2 AC+DC. Mesurer avec l oscilloscope la tension crête à crête V pp. Vérifier numériquement la relation V pp = 2 2 U AC. Conclure. V - Mesure d un déphasage Le but de cette partie est de mesurer des déphasages, c est-à-dire des décalages temporels entre deux signaux, ce qui se traduit pour des signaux sinusoïdaux en différences de phase. En effet, Si deux signaux sinusoïdaux u 1 et u 2 sont de même fréquence et que l un d eux possède une période d avance sur l autre, alors c est comme s il possédait une phase plus grande de 2π car sin(ωt + 2π) = sin(ωt) Rappelons enfin qu un GBF est équivalent à un générateur de Thévenin constitué d une résistance de 50 Ω en série avec une source idéale de signaux. 1. Montage Réaliser le montage suivant, avec un signal sinusoïdal de fréquence f = 1 khz, R=1kΩ et C=100nF. Sur la voie 1, on visualise u 1 (t) = U 1m cos(ωt) et sur la voie 2, on visualise u 2 (t) = U 2m cos(ωt + φ). La tension u 2 a la même pulsation que u 1 (ω = 2πf) mais elle est déphasée de φ, appartenant à l intervalle [ π, π]. Si φ > 0, on dit que u 2 est en avance sur u 1. Si φ < 0, on dit que u 2 est en retard sur u 1. Si φ = + π, on dit que u 1 et u 2 sont en opposition de phase (on a alors u 1 = u 2!). Si φ = + π/2, on dit que u 1 et u 2 sont en quadrature. 5

6 Oscilloscope 2. Principe de la mesure On considère deux signaux sinusoïdaux de même fréquence f, donc de même période T. Ils sont décalés d un temps τ, qui correspond lui-même à un déphasage φ. Si u 2 est en avance sur u 1, la courbe représentant u 2 est décalée sur la gauche. Si u 2 est en retard sur u 1, la courbe représentant u 2 est décalée sur la droite (cas du dessin, sur lequel on donne un exemple numérique de calcul de déphasage). On a de plus : φ = 2π t/t en radians (ou φ = 360 t/t en degrés). La position relative des deux courbes donne le signe de φ ; les mesures de T et t avec les curseurs donnent φ. 3. Expérience Afficher environ deux périodes et reproduire les courbes visualisées, en précisant bien les voies. Mesurer T et t ; en déduire le déphasage φ en radians et en degrés. La tension u 2 est-elle en avance ou en retard sur la tension u 1? Refaire les mesures pour R = 5 kω. Comparer avec la théorie qui donne, en valeurs absolues, 18 et 58 degrés. 4. Méthode des 9 carreaux Il existe une autre méthode simple pour évaluer un déphasage : grâce aux boutons de réglage horizontaux, on calibre afin d obtenir une demi période (et donc 180 ) sur 9 carreaux horizontaux. Chaque carreau correspond donc à 20. La mesure de l écart entre les deux signaux en carreaux permet donc d obtenir rapidement (mais moins précisément) la valeur du déphasage. Sur un exemple (R=10 ou 5 kω), faites un dessin de l écran en plaçant précisément les deux courbes, et retrouver le déphasage calculé auparavant. 5. Complément Passer en mode créneaux sur le GBF. Qu observe-t-on comme signal? Quelle est la relation entre ce signal et le signal d entrée? Calculer le temps caractéristique τ du circuit et conclure, en faisant référence au cours éventuellement. 6

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