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2 Utilisation de l oscilloscope à mémoire numérique I. Introduction Avec un oscilloscope numérique, le signal étudié est échantillonné puis les points sont conservés en mémoire. L oscilloscope utilisé permet une fréquence maximale d échantillonnage de 2 Gé/s. L oscilloscope à mémoire est indispensable pour la visualisation de phénomènes très lents, isolés ou transitoires, périodiques complexes difficiles à synchroniser en mode analogique ainsi que pour le traitement de données qui peuvent être transférées de la mémoire à un micro-ordinateur. Panneau de commande de l Agilent DS (modèle identique au DS01002A, avec 4 voies au lieu de 2 et 200 MHz de bande passante au lieu de 60 MHz Résumé de la face avant 1/6

3 II. Particularités de l oscilloscope à mémoire numérique 1. Résolution verticale Comme chaque échantillon de la tension d entrée doit être codé sur un nombre fini de bits, il n existe qu un nombre discret de niveaux de tension. Si le convertisseur analogique/numérique travaille sur 8 bits par exemple, il n existe que 256 (= 2 8 ) codes de sortie. Comme l un des huit bits sert en général à fixer le signe, la valeur de chaque échantillon n est codée que sur 7 bits, ce qui donne au plus une erreur d environ 0,8 % de la tension maximale que le convertisseur peut mesurer (il s agit donc d une erreur absolue appelée erreur de quantification). 2. Résolution temporelle La base de temps délivre une impulsion provoquant une acquisition à une fréquence appelée fréquence d échantillonnage f e = 1/Te. L oscilloscope ne connaît donc les valeurs du signal que pour des temps discrets : l axe du temps est quantifié avec une résolution égale à Te. Le signal à mesurer ne peut donc varier de façon arbitrairement rapide : sa vitesse de variation maximale (et donc sa fréquence maximale) ne peut dépasser une certaine limite, sinon la mesure à l oscilloscope ne sera pas fiable. Le théorème de l échantillonnage montre que théoriquement le signal doit avoir son spectre limité en fréquence à f e /2 pour pouvoir reconstruire le signal dans le temps, à condition de disposer d une série infinie d échantillons qui ne sont pas entachés d erreur de quantification, ni dans le temps ni en amplitude. Pratiquement, ceci est impossible et il faut plus de deux échantillons par période pour obtenir une reproduction correcte du signal. La fréquence maximale des signaux qui pourra être correctement représentée dépend du procédé d'interpolation utilisé dans le bloc WR. La résolution temporelle introduit également une erreur dans la détermination des temps comme par exemple la détermination d un temps de montée : si on désire mesurer un temps de montée τ il faut que Te soit nettement inférieur à τ. Une erreur de l ordre de Te affectera également la détermination de la durée d impulsions courtes. 3. Mémoire La mémoire doit être très rapide (on doit pouvoir y écrire à la fréquence d échantillonnage maximale). Il s agit d une mémoire circulaire : dès qu elle est remplie, un nouvel échantillon est écrit à la place du plus ancien. Une fois la mémoire remplie, elle contient donc à tout moment les N derniers échantillons (N étant la capacité de la mémoire par canal). Plus N est grand, meilleur est l oscilloscope: avec une plus grande valeur de N, on peut soit augmenter la fréquence d échantillonnage pour une même fenêtre d observation, soit à f e donnée augmenter la durée de l observation. 2/6

4 4. Possibilités de déclenchement Normalement la détection d un déclenchement stoppe l enregistrement des échantillons du signal à visualiser pour en permettre le traitement et l affichage, après quoi une nouvelle série d acquisitions commence. Lorsque la fréquence d échantillonnage est très faible (th grand), l écran est renouvelé à une cadence très lente. Ceci peut être évité en faisant afficher les échantillons au fur et à mesure qu ils arrivent (mode défilement). Une autre possibilité est d insérer une ligne à retard entre le circuit de déclenchement (TC) et la base de temps (TB). Ainsi ce n est plus le déclenchement même qui arrête les acquisitions mais le déclenchement retardé. On peut ainsi voir sur l écran des échantillons qui précèdent tout juste le déclenchement, qui l entourent ou qui le suivent. 5. Détection de crête On peut insérer entre le convertisseur ADC et la mémoire un circuit de détection de crête. Ce convertisseur fonctionne en réalité toujours à la fréquence d échantillonnage f e maximale alors que la base de temps (TB) choisie par l utilisateur peut n exiger qu une fréquence d échantillonnage plus faible f ea déterminée par le nombre de points attribué dans la mémoire d affichage, comme expliqué ci-dessus. En mode normal le circuit de calcul envoie à la mémoire d affichage un échantillon par période d échantillonnage apparente (1/ f ea ) (par exemple le premier, les autres étant perdus). Lorsque la fonction «détection de crête» est activée le CC transmet à la mémoire d affichage par période d échantillonnage apparente deux échantillons : la plus grande et la plus petite valeur. Cette possibilité présente un intérêt si les signaux à observer sont relativement lents mais qu il s y superpose de fines impulsions qui risquent de se placer entre deux échantillons successifs. 6. Traitement du signal Quand les valeurs arrivent dans le circuit de calcul (CC) et avant de les envoyer vers la mémoire d affichage (MA), on peut les exploiter pour en extraire certaines informations supplémentaires : moyennage : on peut décider de ne pas représenter une seule série d acquisitions mais d en faire plusieurs et d en représenter leur moyenne. Ce mode permet entre autres de supprimer un bruit aléatoire qui serait superposé au signal utile. changer les signaux de signe. dériver, intégrer, calculer la FFT des signaux (la FFT est une forme numérique d un développement en série de Fourier). effectuer des opérations sur des échantillons de canaux différents: canal1+ (-) canal2, canal1*canal2, etc. faire une expansion d une zone de la fenêtre d acquisition. effectuer des opérations telles que déterminer la fréquence, la période, la valeur moyenne, la valeur de crête, la valeur efficace, le temps de montée, etc. faire apparaître des curseurs (verticaux ou horizontaux) facilitant les mesures. La capacité de la mémoire peut être plus importante que le nombre de points que l on peut afficher simultanément. 3/6

5 Possibilités supplémentaires On peut encore selon le modèle d oscilloscope : transférer les données d acquisitions vers un ordinateur, pour archivage, visualisation ou traitement. sauvegarder en mémoire des configurations, ou des acquisitions. effectuer un calibrage complet de l appareil automatiquement. utiliser le réglage automatique de la base de temps et de l atténuation communément nommé «Autoset» III. Etude expérimentale 1. Visualisation d un phénomène périodique lent Appliquez un signal triangulaire produit par un générateur de fonctions au canal 1 d un oscilloscope analogique (f = 1 Hz ; amplitude crête à crête environ 1,5 V. Utilisez comme base de temps la valeur de 100 ms/div). Notez l allure du spot. Appliquez ce même signal à l oscilloscope à mémoire numérique Agilent DSO1002A en utilisant la configuration suivante (200 mv/ div ; source de déclenchement Ch1 ; mode de déclenchement normal et niveau de déclenchement 0,1 V. Notez la différence de comportement et expliquez. Modifiez le niveau de déclenchement et notez ce qui se passe. 2. Etude d un phénomène transitoire Réalisez le montage de la figure ci-dessous Avec V : source de tension continue (environ 5 V) Re : résistance étalon (20 Ω) I : interrupteur L, RL : inductance Déterminer l évolution du courant dans ce circuit lorsque l interrupteur est fermé. Réalisez la configuration suivante: niveau de déclenchement : 4 V source de déclenchement: canal 2 ; pente montante ; couplage continu base de temps : 5ms/div ; l instant du déclenchement se place au centre de l écran. niveau canal 1, canal 2: 1V/div ; amenez le niveau de base du canal 1 à -1V et celui du canal 2 à -3V (expliquez pourquoi). Armez l oscilloscope et fermez l'interrupteur I. Déterminez: à partir de la courbe du canal 1: la constante de temps du circuit réalisé ainsi que la valeur de régime du courant dans le circuit (utilisez les curseurs) à partir de la courbe du canal 2: la tension de la source 4/6

6 en utilisant le menu «Math» (Ch2-Ch1): la valeur de régime de la tension aux bornes de la bobine Déduisez-en la valeur de RL et, à partir de la constante de temps, la valeur de L. 3. Courant transitoire dans une inductance à noyau de fer Réalisez le montage de la figure ci-dessus Avec: I1 : interrupteur bipolaire I2 : interrupteur simple Ta : transformateur abaisseur de tension 220V/6V L : inductance à noyau de fer Re : résistance étalon (20 Ω) Adoptez la configuration suivante : canal 1 : 500 mv/div ; canal 2: 5 V/div ; niveau de la base de temps : 100 ms/div ; déclenchement : sur canal 1, avec niveau 200 mv et pente montante ; couplage continu ; single ; positionnez le moment de déclenchement à 400 ms. Fermez quelques fois l interrupteur I2. Conservez une acquisition avec un transitoire important et une acquisition avec un transitoire quasi inexistant. Utilisez (menu «Horizontal») la base de temps retardée avec une fenêtre telle que la base de temps y soit de 5 ms/div et qu elle soit centrée sur le début du signal. Dans chaque cas déterminez l amplitude de la première crête du courant ainsi que l'écart temporel entre l'instant de fermeture de l interrupteur et l'instant de passage à zéro montant de la tension appliquée. (Utilisez les curseurs). Déplaçant la fenêtre vers la fin du signal, déterminez l amplitude de crête du courant en régime. Déterminez le facteur de surintensité en courant (valeur de l amplitude de la première crête divisée par la valeur de crête en régime). Expliquez les résultats obtenus. 5/6

7 Liste de matériel pour la réalisation du TP n 11 Instrumentation Référence Polytech Oscilloscope numérique Agilent DSO1002A Oscilloscope analogique METRIX OX Générateur de fonctions Agilent 33210A Alimentation Agilent U8001A Composants Bobine à induction 1 H Résistance UME de 27 Ω Transformateur modulaire Transformateur 230 V/ 6 V commutateurs sécurisés Support Platine UME cordons de sécurité 50 cm noirs à reprise arrière cordons de sécurité 50 cm rouges à reprise arrière /6

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