CAHIER DE TRAVAUX PRATIQUES Utilisation des instruments

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1 CAHIER DE TRAVAUX PRATIQUES Utilisation des instruments c B. Besserer année universitaire

2 Table des matières 1 Généralités 3 2 Support d expérimentation IDL-800 DIGITAL LAB Description Laplaquetted essai Interrupteurs(8bitsdataswitch) Poussoirs(pulseswitch) Inverseurs Indicateursd états(8bitsdisplay) Lesafficheurs7segments(7segmentdisplay) Voltmètredigital Générateurdefonction(FunctionGenerator) Alimentations Adaptateurs(Adapter) Précautions à prendre L oscilloscope et son utilisation Rappel : Oscilloscope analogique classique Généralités Couplage Oscilloscope numérique Oscilloscope numérique HP 54601A Mesuresdetensions Mesuresdetempsetdefréquence Réglagesdivers Modesopératoirestypes Une acquisition simple Acquisition d un signal transitoire sur déclenchement Le Générateur Basses Fréquences (GBF) Généralités Amplitude, offset et rapport cyclique Amplitude Offset Rapport cyclique Modes étendus de fonctionnement Manipulation du GBF HP 33120A Face avant du GBF HP 33120A Modificationd unevaleurnumérique Affichagedesvaleursd amplitudeetd offset

3 Chapitre 1 Généralités On rappelle que la présence aux séances de travaux pratiques (TP) est obligatoire. L évaluation des TP se fait en contrôle continu. L enseignant encadrant le groupe de TP validera le travail effectué par chaque binôme, à chaque séance, pour des "points de contrôles" fixés pour chaque TP. Toutefois, l enseignant responsable du groupe de TP pourra demander à ce groupe de rédiger un compte-rendu sur la scéance en cours. Ce compte-rendu sera à rendre impérativement au début de la séance suivante. Ce compte-rendu contiendra un descriptif synthétique des travaux demandés ainsi que les réponses aux éventuelles questions posées dans l énoncé du TP. Il est limité à 2 feuilles A4 rectoverso au maximum (soit une copie double), plus d éventuelles tracés ou relevés de signaux. Tout écrit supplémentaire ne sera pas pris en compte lors de l appréciation. N oubliez pas que lors d un examen partiel ou final, certaines questions peuvent porter sur des aspects abordés en TP. Un projet de synthèse clôt ce module. Il s agit d un TP au sujet plus conséquent, qui donnera lieu à une validation spécifique et à un compte-rendu pour chaque binôme. La note pratique du module prend en compte : Le contrôle continu des TPs, sur 10 points, Le compte rendu et la validation de l étude de synthèse, sur 10 points. La note du module est calculé comme suit : Æ ½ ¾ Ñ Ü ÆÁ Æ ¾ Æ µ ½ ¾ Æ È avec Æ È : note pratique, Æ note du contrôle théorique en fin de module et Æ Á note du contrôle partiel, qui aura lieu aux environs de la semaine 41. 3

4 Chapitre 2 Support d expérimentation IDL-800 DIGITAL LAB C est un coffret mettant à la disposition de l étudiant l ensemble des fonctionnalités permettant de développer des montages d électronique numérique. Le coeur du système est une plaquette d essai, permettant d installer ses composants et de construire son montage. 2.1 Description La plaquette d essai Sur le haut, en milieu et en bas de cette plaquette (voir figure 2.1) se trouvent des bandes horizontales identifiées par une couleur. Par convention, le rouge est l alimentation positive (+5V), le bleu l alimentation négative (0V). Au niveau de ces lignes, les emplacements 3 à 31 sont reliés entre eux, ainsi que les emplacements 35 à 63. Pour obtenir une bande continue traversant toute la plaquette, ne pas oublier de ponter (établir une liaison) entre les broches 31 à 35. Entre ces paires de lignes d alimentation se trouve la zone d expérimentation proprement dite. Dans cette zone, les emplacements sont reliés verticalement, par 5 (Pour une rangée donnée, les emplacements A, B, C, D, E sont connectés entre eux, les emplacements F, G, H, I, J de même). FIG. 2.1 Connexions de la plaquette d essai du Digital Lab Interrupteurs (8 bits data switch) Ces 8 interrupteurs (figure 2.2 à droite) permettent d appliquer une tension de 5V (niveau logique 1) sur leurs emplacements respectifs Poussoirs (pulse switch) Ces 2 poussoirs (figure 2.2 au centre) permettent d établir un contact fugitif. La sortie A (respectivement B) permet d avoir un état logique 1 (+5V) lorsque le bouton est enfoncé, et le niveau logique 0 4

5 (0V) au repos. La sortie (respectivement ) permet d obtenir un niveau logique 0 lorsque que l on presse le bouton, alors qu au repos, la sortie est au niveau logique Inverseurs Ces deux interrupteurs (SWA et SWB, figure 2.2 à gauche) possèdent trois positions stables : une position de repos (0V), une position où la sortie prends la valeur +5V et une position où la sortie est à -5V. FIG. 2.2 Ensemble d interrupteurs et de poussoirs du Digital Lab Indicateurs d états (8 bits display) Il s agit d un ensemble de diodes électroluminescentes (LED) ayant leurs cathodes (pôle négatif) reliées à la masse. Les LEDs sont donc allumés lorsqu on leur applique une tension de +5V (niveau logique 1), éteintes sinon. FIG. 2.3 Afficheurs 7 segments (en parallèle) du Digital Lab 800 avec leur circuit de décodage BCD 7 segments et LEDs d affichage du Digital Lab Les afficheurs 7 segments (7 segment display) Un décodeur BCD 7 segments permet de commander deux afficheurs 7 segments. Pour afficher une valeur, il faut présenter sur les lignes A, B, C, D une valeur binaire, de 0 à 9. A est le bit de poids le plus faible (LSB), D le bit de poids le plus fort (MSB). Ces deux afficheurs sont montés en parallèle. Une modification au niveau des entrées A, B, C, D se répercute sur les 2 afficheurs. Pour valider l un ou l autre de ces afficheurs, il faudra mettre leur broche de validation (cathode commune) D1 ou D2 à la masse (figure 2.3, à gauche). De plus, des interrupteurs type mini-dip permettent d interrompre le circuit pour chaque segment Voltmètre digital Appareil standard possédant 4 gammes de mesure (figure 2.4 à droite). FIG. 2.4 Générateur de signaux basses fréquences et voltmètre du Digital Lab

6 2.1.8 Générateur de fonction (Function Generator) Ce générateur, très simple, fournit un signal carré, sinusoïdal ou triangulaire avec une fréquence variant entre 1 et Hz. Un contacteur permet de sélectionner la gamme, un bouton rotatif ajuste la fréquence au sein de cette gamme (figure 2.4 à gauche). L amplitude est réglable, mais attention : Tous ces signaux sont symétriques par rapport à la masse (il n y a pas de réglage d offset) Alimentations Deux alimentations variables indépendantes (figure 2.5 à gauche), permettant d obtenir une tension réglable entre 0V et 15V sur la broche +V et entre 0V et -15V sur la broche -V. La masse est commune aux deux alimentations. FIG. 2.5 Alimentations (à gauche) et adaptateurs (à droite) du Digital Lab Adaptateurs (Adapter) Ces adaptateurs permettent de diriger (ou de récupérer) des signaux vers (ou depuis) des coaxiaux BNC ou des fiches "bananes" (figure 2.5 à droite). 2.2 Précautions à prendre Les circuits intégrés s implantent entre les broches E et F, Ne pas forcer les broches. Les redresser avec une pince si elles sont trop écartées pour une insertion correcte, Respectez les polarisations des alimentations, Utilisez des fils adaptés. Si un fil coince, ne le vrillez pas pour essayer de l extraire. Ceci mène généralement à la rupture du fil dont le morceau dénudé reste bloqué dans la plaquette. 6

7 Chapitre 3 L oscilloscope et son utilisation 3.1 Rappel : Oscilloscope analogique classique FIG. 3.1 Tube électronique et faisceau d électron dans un oscilloscope classique Généralités Le tube de l oscilloscope est un tube à vide, similaire à celui d un écran de télévision. Le canon à électron produit et accélère les électrons qui se déplacent en ligne droite dans le vide. Le spot est le point d impact des électrons sur l écran. Les plaques X permettent le déplacement horizontal du spot, les plaques Y permettent le déplacement vertical du spot. La voie Y est généralement relié à un générateur extérieur (signal à observer) La voie X est généralement relié à un générateur interne à l oscilloscope, le générateur "de balayage". Le spot balaye l écran : il se déplace de la gauche vers la droite de l écran à vitesse constante. Cette vitesse de balayage est réglé par la "base de temps". Dès que le spot arrive en P2, il réapparaît aussitôt en P1 et se déplace à nouveau vers P2 à vitesse constante. FIG. 3.2 Comportement du faisceau lorsqu on applique une tension positive 7

8 Lorsque le balayage est très rapide, on ne peut plus distinguer les diverses positions du spot : on voit alors un trait lumineux horizontal. FIG. 3.3 Comportement du faisceau lorsqu on applique une tension négative Toute tension appliquée sur la voie Y fait alors dévier verticalement ce trait. Une tension continue positive fait dévier ce trait vers le haut de l écran (figure 3.2), une tension continue négative vers le bas (figure 3.3). Si la tension évolue dans le temps, comme par exemple une tension sinusoïdale, le trait suit cette évolution et la matérialise sur l écran. Cette évolution doit toutefois être périodique, sinon elle apparaîtra pendant un fraction de seconde (la durée d un balayage), puis le spot sera de nouveau "au repos" FIG. 3.4 Tension sinusoïdale appliquée à l oscilloscope Le réglage de la base de temps permet d afficher une portion plus ou moins importante du signal. Il s agit d un réglage de l échelle horizontale, en sec/division. On peut donc déterminer la période d un signal, donc sa fréquence. Un réglage vertical, l amplification, fixe l échelle verticale, en Volts/division. L amplitude du signal peut donc être déterminé grâce à une lecture, en connaissant cette échelle Couplage Un autre réglage important est le couplage. Il existe généralement deux possibilités : Le couplage en mode continu (ou DC) permettant l affichage du signal tel qu il se présente, Le couplage en mode alternatif (ou AC) permettant de ne visualiser que les variations rapides du signal, en supprimant la composante continue. Par exemple, un signal peut osciller de façon sinusoïdale, avec une amplitude de 1 Volt autour d un valeur fixe de 100 Volts. En réglant l amplification à 50V/division afin de voir le signal, on ne distingue plus la variation. Le passage au couplage AC fixera la tension continue de 100V comme nouvelle référence, et on pourra positionner le réglage d amplification sur 0.5V/division par exemple pour ne visualiser que le signal sinusoïdal. 8

9 3.2 Oscilloscope numérique Contrairement aux oscilloscopes classiques, un oscilloscope numérique effectue un échantillonage numérique sur ses entrées et peut conserver les signaux ainsi acquis en mémoire. Ces données sont affichéessurl écrandontlafonctionpeut,danscecas,êtreassimiléeàunécrangraphiqued ordinateur. L avantage majeur d un oscilloscope numérique est sa capacité d acquérir des signaux transitoires. Ceux-ci sont numériséset mémorisés.l oscilloscope numériquepermetainsi d affichersur l écran (en effectuantunelecturepériodiquedelamémoire)unsignaluniquedontla duréeauraété trèsbrève. Comme les informationssont maintenuessous forme numérique,il est également possible d effectuerdescalculsarithmétiquessurouentresignauxmémorisés. 3.3 Oscilloscope numérique HP 54601A Surcetteappareildenouvellegénération,latouchesansdouteslaplusutileestlatouche AUTOSCALE. Une action sur cette touchesélectionne automatiquementle facteur d amplificationet la base de temps laplusadaptéepourl acquisitionetl affichagedusignalreçu. Datasheetdel instrumenthttp:// Mesures de tensions On remarquera,sur l oscilloscope de la série HP54600,une rangée de 6poussoirsituée sur le bord inférieur de l écran. Ces poussoirs ne portent aucune dénomination. Leur action dépend du "menu" sélectionné.parexemple,l appuisurle bouton VOLTAGE affichele menucorrespondantauxmesures detensions.l utilisateurpeutalors,grâceauxpoussoirsdumenu,choisirentre(degaucheàdroite): SOURCE permettant de choisir la voie sur laquelle les mesures de tension sont effectuées, Les touchesvoltage Measurement permettent d accéder aux mesures de tension: VP-P mesurela tensioncrête-crête, VAVG mesurelatensionmoyenne, VRMS mesurela tensionefficace. CLEAR MEAS Effacelesmesuresdéjà affichées, NEXT MENU permet d accéder àun sous-menucomportantd autremesures Mesures de temps et defréquence Le comportement est identique pour la mesure en temps et fréquence (accessible par l appui sur TIME : SOURCE permettant de choisir la voie sur laquellelesmesuresdetensionsonteffectuées, Les touches Time Measurement permettent d accéderauxmesuresdetension: FREQ mesurela fréquence, PERIOD mesurela duréed unepériode, DUTY CY mesurelerapportcyclique. CLEAR MEAS Efface les mesures déjà affichées, NEXT MENU permet d accéder à un sousmenucomportantd autremesures. 9

10 3.3.3 Réglages divers Le touche CURSORS permet l affichage et le contrôle de cursors mobile, superposés aux signaux, permettant des mesures personnalisées en temps et en tension. La touche DISPLAY propose un menu servant au paramétrage de l affichage graphique. En appuyant sur 1 ou 2, boutons se trouvant au dessus de la prise BNC des entrées de même nom, apparaît un menu propre au contrôle des entrées de l oscilloscope (de gauche à droite) : Affichage ou non de la voie Off/On Couplage : en continu (DC) en alternatif (AC) et mise à la masse de la voie, Limitation de la bande passante, Inversion du signal, Calibrage ou décalibrage du bouton rotatif contrôlant l amplification de la voie, Amplification fixe du signal lors de l utilisation d une sonde. Ce dernier commutateur est très important. Les sondes utilisées atténue souvent le signal d un rapport 1/10ème. Dans ce cas, la valeur de Probe doit être 10. Sinon, si l oscilloscope est relié directement avec un câble coaxial au générateur, par exemple, la valeur de Probe doitêtrede1. Les menus et les mesures s affiche sur la partie inférieure de l écran. La partie supérieure de l écran propose un affichage de l état de l oscilloscope. Cet appareil est entièrement programmable par l intermédiaire d un bus HP-IB. 3.4 Modes opératoires types Une acquisition simple Reliez directement le GBF (Générateur Basse Fréquence) à l oscilloscope (voie 1) par une prise coaxiale. Assurez vous que le réglage d offset du générateur soit à 0. Réglez le générateur sur un signal sinusoïdal d environ 1V Vcc (crête-crête) de fréquence environ 1 KHz. Un simple appui sur le poussoir AUTOSCALE de l oscilloscope permet souvent un affichage correct du signal, l oscilloscope recherchant l amplification et la base de temps adéquate. Pour mesurer la tension du signal, appuyez sur le poussoir Voltage. Un appui sur la touche V p-p doit vous indiquer une valeur proche de 1 V. La valeur moyenne de ce signal doit être proche de 0 et la valeur efficace (pour un signal sinusoïdal, de Î Ô¾ ½ ). Procédez de même avec les mesures de temps/fréquence. Attention : Pour les mesure de fréquence et de temps, il faut au moins une période complète visible sur l écran. A présent, modifiez le réglage de l offset. Ajoutez 1V de composante continue. Ce changement sera visible sur l oscilloscope uniquement si le couplage de votre voie est positionné sur DC.Notez l influence du couplage sur l affichage du signal. 10

11 3.4.2 Acquisition d un signal transitoire sur déclenchement Pour pouvoir afficher une seule période d un signal périodique, l oscilloscope se synchronise sur un point particulier du signal. Cette synchronisation, aussi appelée déclenchement ou triggering s effectue par défaut sur un front montant du signal, sur un seuil déterminé automatiquement. 1. Pour mettre l oscilloscope en mode d acquisition de transitoire, pressez MODE, et sélectionnez SINGLE. La mention single, suivie du front actif pour le déclenchement, clignotent en haut à droite de l écran. L oscilloscope mémorise alors un seul signal et l affiche. Pour effacer l affichage, appuyez sur ERASE en haut à droite de l appareil. 2. Il faut maintenant déterminer le front actif et le seuil de déclenchement. Le front est choisi dans le ËÐÓÔ menu affiché par l appui sur. Le point de menu le plus à droite permet de choisir entre ÓÙÔÐ Ò le front montant ou descendant. 3. Pour régler le seuil de déclenchement, tournez doucement le bouton rotatif Level. Vous pouvez visualiser sur l écran le niveau du seuil de déclenchement. Bien sûr, le signal à observer doit atteindre ce niveau. 4. Après chaque acquisition, il faut effacer le signal en appuyant sur ERASE, puis "réarmer" l oscilloscope pour un déclenchement au prochain front en appuyant sur AUTOSTORE. Entraînez-vous à la manipulation et essayez de déclencher et d enregistrer les signaux à l ouverture et à la fermeture d un interrupteur. 11

12 FIG. 3.5 Face avant de l oscilloscope numérique HP 54601A 12

13 Chapitre 4 Le Générateur Basses Fréquences (GBF) 4.1 Généralités Un GBF (Générateur Basses Fréquences) permet de produire des signaux électriques périodiques, de forme, d amplitude et de fréquence variable. Les formes d ondes courantes sont la sinusoïde, le signal triangulaire, le signal carré et le signal en "dent de scie", aussi appelé rampe. L amplitude est généralement réglable du millivolt à la dizaine de volts, et la fréquence est réglable de la fraction de Hertz à quelques MHz. 4.2 Amplitude, offset et rapport cyclique FIG. 4.1 Caractéristiques d un signal périodique Amplitude L amplitude d un signal s exprime en volts, et elle est généralement mesurée crête à crête (en anglais : Vpp Volts peak to peak). Deux autre grandeurs caractérisent également un signal périodique : la valeur moyenne et la valeur efficace. Si le signal est périodique, de rapport cyclique 50% et oscille autour de la valeur O, la valeur moyenne de ce signal est nulle. Il s agit du calcul Ê Ò Ð. Comme cette valeur n est pas significative, on calcule quelquefois, également sous la dénomination de valeur moyenne, Ê Ò Ð (valeur moyenne du signal redressé). Par contre, la valeur efficace d un signal périodique oscillant autour de la valeur 0 n est pas nulle. Il s agit du calcul ÕÊ Ò Ð¾. C est pour cela que les anglo-saxons la nomme valeur RMS (pour Root Mean Square, racine de la moyenne des carrés). 13

14 4.2.2 Offset Le réglage d offset agit sur la valeur autour de laquelle oscille le signal périodique. L offset change la valeur moyenne d un signal périodique : la valeur moyenne du signal est équivalent à la valeur de l offset. On appelle également l offset la composante continue d un signal. Pour obtenir un signal carré qui oscille entre 0 et 5V, il faut régler l amplitude à 5V et l offset à 2.5V Rapport cyclique Le rapport cyclique est le rapport entre la durée de la partie "haute" du signal (en général, celle dépassant la valeur moyenne de celui-ci) et la période du signal. Une sinusoïde parfaite possède un rapport cyclique de 0,5 ou de 50%. En effet, l alternance positive du signal à une durée égale à la moitié de la période complète. Le GBF HP 33120A permet un réglage du rapport cyclique entre 20% et 80%. 4.3 Modes étendus de fonctionnement Bien sûr, un générateur de signaux basses fréquences numérique permet bien plus que la génération de simple signaux. On peut programmer l instrument pour qu il délivre des signaux de forme arbitraire, ou du bruit. Parmi les modes de fonctionnement étendus possibles, citons : Le swep, ou balayage de fréquence. Après avoir choisi une forme d onde, l utilisateur fixe une fréquence de départ, une fréquence d arrêt et une vitesse de balayage. Le GBF fourni alors un signal dont la fréquence varie dans le temps, parcourant la plage de fréquence fixée dans le temps imparti. La modulation, en amplitude et en fréquence. Le GBF fourni alors un signal (la porteuse) qui peut être modulé par un signal externe appliqué sur une entrée situé sur la face arrière de l instrument, 1 amplitude à 2.5V et offset à 1.25V si l impédance de sortie est ½, voir plus loin 14

15 4.4 Manipulation du GBF HP 33120A Face avant du GBF HP 33120A Datasheet du Générateur Basse Fréquence http :// 1. Touches permettant le choix du mode de fonctionnement et de la forme d onde, 2. Curseurs permettant de sélectionner les éléments d un menu, 3. Touche de modification des paramètres des signaux, 4. Touche de déclenchement (génération d un cycle unique) 5. Sauvegarde et rappel de la configuration de l instrument, 6. Touche autorisant la saisie numérique directe, 7. Touche autorisant l accès au fonctions secondaires, 8. Curseurs agissant comme choix d unités après une saisie numérique directe. 15

16 4.4.2 Modification d une valeur numérique 1. Utilisation de la molette et des curseurs. Les curseurs gauche et droite permettent le choix d un digit (un rang dans le chiffre affiché : unités, dizaines, centaines,...) Une rotation du curseur permet le changement de valeur du digit sélectionné. 2. Utilisation des curseurs seuls 3. Saisie numérique directe. Un appui sur la touche Enter Number permet directement de saisir une valeur numérique. Avant de saisir une valeur, il faut bien sûr sélectionner le paramètre à modifier (en appuyant sur l une des touches Freq, Ampl, Offset ). Après saisie de la valeur numérique, conclure en indiquant l ordre de grandeur (mega ( ½¼ ), kilo ( ½¼ ) ou unitaire ( ½)). Pour la modification de paramètre sans unité, terminer par Enter Affichage des valeurs d amplitude et d offset Lors de la mise sous tension du GBF HP 33120A, celui-ci, par défaut, considère que les signaux de sorties sont débités sur une charge d impédance caractéristique de ¼Å. Ce n est jamais le cas dans le cadre de nos TPs. Le GBF affiche alors le double de la valeur réelle de l amplitude et de l offset. Lorsque vous faites une saisie numérique directe, divisez par deux les valeurs avant de les entrer dans l appareil. Vous pouvez aussi modifier le mode de fonctionnement du GBF, en lui indiquant que vous travaillez sur des impédances élevées. Le mode de fonctionnement peut-être modifié de la façon suivante : Appeler le mode menu ( Shift, puis Menu On/Off, Se positionner sur le menu D : Système Menu en agissant sur les curseurs ou sur le molette ; l affichage doit montrer D : SYS MENU, appuyer sur, l affichage monter alors 1 : OUT TERM, appuyer sur jusqu à ce que l affichage montre soit 50 OHM,soitHIGH Z (haute impédance), sélectionner HIGH Z en agissant sur et validez en appuyant sur Enter A partir de maintenant, le GBF vous affiche la valeur réelle des signaux de sortie. Attention, cette modification du mode de fonctionnement n est pas maintenue en mémoire après arrêt de l instrument. Pour plus de sécurité, contrôlez toujours la forme et l amplitude de vos signaux sur l oscilloscope. 16