FONCTIONNEMENT DE L OSCILLOSCOPE

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1 ANNEXE // T.P FONCTIONNEMENT DE L OSCILLOSCOPE L oscilloscope est l instrument indispensable pour l étude des signaux électriques. Il permet de faire des mesures d amplitude, de durées caractéristiques (période, retard, temps de montée,...), et donc de fréquence, de déphasage,... Il présente également l avantage par rapport aux multimètres de visualiser la forme des signaux. C est pour cette raison qu il doit toujours être utilisé, même s il ne sert pas à faire des mesures. On ne peut pas par exemple détecter qu un signal est saturé ou distordu avec un voltmètre : l oscilloscope est «l œil» de l électricien / électronicien. Les oscilloscopes analogiques ou numériques présentent tous les mêmes fonctions de base. Maîtriser ces fonctions sur un oscilloscope donné permet de s adapter très vite à un autre tpe d appareil. On décrit ici les principales fonctions de l oscilloscope HAMEG HM 507 dont voici la façade : 1.1 Schéma de principe 1. DÉVIATION VERTICALE

2 Intensité/Focalisation. On agit sur W et A en tournant le bouton «INT./FOC». On passe de «A» (intensité de la trace) à «FOC» (netteté de la trace) puis à «RO» (READOUT : intensité des indications) en appuant brièvement sur «TRACE ROT». Toujours régler l intensité au minimum (on recherche la finesse des courbes pour les mesures) tout en gardant un bon confort visuel. Une pression prolongée sur «TRACE ROT». permet de rendre la trace parallèle aux lignes horizontales de l écran si ce n est pas déjà le cas. 1.2 Branchements On peut visualiser une tension u AB = V V à l aide de deux fils ou d un câble coaxial : A B Dans le cas d un câble coaxial, il faut éviter l erreur classique consistant à ficher un fil sur la masse alors que l on pense le ficher en A. Pour éviter ce genre d erreurs : Réaliser d abord le circuit, puis brancher les instruments de mesure, et enfin l oscilloscope. 1.3 Déviation verticale de l oscilloscope Sensibilité verticale : la tension u appliquée entre les deux électrodes de déviation verticale est liée à la tension u appliquée à l entrée de l oscilloscope par la relation affine ( t) = αu( t) + β. α est un grand facteur réglable permettant d observer à l écran des déviations ( t) = k u ( t) de l ordre du cm (sensibilité verticale en volts/division, réglable avec le bouton rotatif VOLTS/DIV.). Les indications de sensibilité verticale apparaissent à l écran pour chaque voie (exemple : Y1:1V). u Réglage de 0 : β est une tension réglable permettant de déplacer verticalement un signal. Lorsqu un signal nul est appliqué à l oscilloscope ( u = 0 : sélectionner ground par appuis brefs sur «AC/DC/GND»), on peut en jouant sur β placer par exemple le faisceau au centre de l écran grâce à la molette «Y-POS». Une croix ( ) à gauche de l axe vertical (voie I notée Y1 à l écran) ou à droite (voie II notée Y2 à l écran) indique à tout moment la position verticale du zéro. Attention : à l écran de l oscilloscope, Y1 et Y2 désignent les voies I et II, pas les électrodes comme nous l avons fait jusque là. Décalibration : on peut être amené dans certains cas à décalibrer la déviation verticale de la voie I ou II en appuant longuement sur la touche «CHI» ou «CHII». La LED «VAR» s allume pour la voie correspondante. En tournant le bouton rotatif de la sensibilité verticale dans le sens trigonométrique, on modifie continûment cette sensibilité (la courbe se tasse verticalement et l oscilloscope indique par exemple Y1>1V). Aucune mesure de tension n est alors possible. On revient au réglage précédent de sensibilité en appuant de nouveau longuement sur «CHI» ou «CHII». 1.4 Rôle des modes AC/DC Principe des modes AC et DC : En mode DC, l oscilloscope est équivalent en entrée à un conducteur ohmique de résistance R. Un signal E + e(t) est donc envoé sur les électrodes horizontales de l oscilloscope. En mode AC, l entrée de l oscilloscope est équivalente à une association série RC réalisant un filtre passe-haut dont la fréquence de coupure est de l ordre de 10 Hz.

3 La composante continue du signal est donc coupée en mode AC : seule la composante variable est envoée sur les électrodes horizontales. Sur la figure ci-dessus, si le zéro de tension correspond à l axe des temps, un signal avec tension continue de décalage sera visualisé intégralement en voie DC, sans sa composante continue en voie AC. Pour observer le signal réel, il faut donc se placer en mode DC. Attention!: en mode AC, tout signal dont la fréquence n est pas très supérieure à 10 Hz est déformé (ses harmoniques les plus bas sont affectés par le filtre passe-haut). Occasionnellement, pour des mesures de déphasage par exemple, on peut couper une composante continue indésirable d un signal en se plaçant en mode AC (si f grande devant 10 Hz) 2. DÉVIATION HORIZONTALE / SYNCHRONISATION 2.1 Balaage Sensibilité horizontale : pour que le faisceau d électrons balae horizontalement l écran de manière périodique, on applique entre les plaques X1 et X2 la tension en dents de scie (t). La déviation horizontale est proportionnelle à u x (t) : x( t) = k x u x ( t) = at + b sur la portion AB. Le faisceau traverse donc l écran de gauche à droite avec une vitesse horizontale a constante. C est son inverse qui est réglable avec le bouton rotatif «TIME/DIV» (avec comme unité la seconde/division). L indication de sensibilité horizontale apparaît à l écran (exemple : T:500ms). Lorsque le faisceau arrive à droite de l écran, il retourne très rapidement à gauche (portion BC) et reste pendant une durée (portion CD), puis traverse de nouveau l écran de gauche à droite (portion DE), etc,la tension appliquée étant périodique. Translation horizontale de la courbe : b est réglable (bouton «X-POS») et permet de décaler horizontalement la courbe tracée à l écran. Décalibration : on peut être amené dans certains cas à décalibrer la déviation horizontale en appuant longuement sur la touche «Z-ON/OFF». La LED «VAR» s allume. En tournant le bouton rotatif de la sensibilité horizontale dans le sens trigonométrique, on modifie continûment cette sensibilité (la courbe se tasse horizontalement et l oscilloscope indique par exemple T>500ms). Aucune mesure de durée n est alors possible. On revient au réglage précédent de sensibilité en appuant de nouveau longuement sur «Z-ON/OFF». Pour des signaux très rapides, on peut étaler le signal sur 10 écrans avec l expansion 10 de la base de temps (bouton X.MAG.). On recherche alors la partie intéressante avec le bouton «X-POS». 2.2 Déclenchement / snchronisation Pour que la courbe observée à l écran soit fixe, il est nécessaire que le faisceau d électrons soit soumis périodiquement à la même tension u : Attention!: un oscilloscope analogique ne permet donc de visualiser que des tensions périodiques. Même avec une tension appliquée entre Y1 et Y2 périodique, la courbe à l écran ne sera fixe (on dit alors que le signal est snchronisé) que si le faisceau part toujours du même point à gauche de l écran. Ceci est réalisé automatiquement (sauf pour des signaux «difficiles»). Le bouton «NM» permet de passer du mode manuel (LED allumée) au mode automatique «AT» en appuant longuement. La durée de l attente (portion CD) est choisie de manière à ce que le déclenchement (début de la rampe DE) se fasse lorsque le signal étudié passe par une valeur référence avec un signe de pente donné. Par exemple le déclenchement peut se produire lors du passage du faisceau d électrons par la position = 0 avec une pente positive. On peut choisir la valeur référence u grâce au bouton rotatif «LEVEL» ; ce niveau de déclenchement est indiqué par une croix ( ) à gauche de l écran. Le signe de la pente lors du déclenchement peut être modifié (en appuant brièvement sur le bouton «NM»). En mode manuel, on peut arriver à snchroniser des signaux à très basses fréquences. En cas de mauvais réglage de la valeur de référence (si elle n est jamais atteinte par le signal) aucun signal n est affiché. Le signal observé à l écran doit avoir une amplitude suffisante pour que la snchronisation ait lieu. En effet, la valeur de référence porte sur u : le déclenchement dépend donc de la sensibilité verticale. On peut également choisir un signal de snchronisation u (t) extérieur en l appliquant sur «TRIG.EXT». x Les boutons-flèches «TRIG.MODE» permettent de choisir le couplage de déclenchement, la position AC permet la snchronisation automatique de signaux dont la fréquence est comprise entre 10 Hz et 10 MHz (pour des signaux très lents, on peut utiliser DC avec snchronisation manuelle). Le bouton «DEL./TR.POS» permet de jouer manuellement sur la durée t de l attente (HOLD OFF, noté HO) dans le cas où le signal périodique étudié est complexe : u x

4 Le bouton «AUTOSET» permet de snchroniser rapidement un signal. L oscilloscope choisit alors la base de temps et la sensibilité verticale les plus appropriées. Les réglages précédents choisis par l utilisateur ne sont donc pas conservés. Dans le cas où deux signaux sont visibles à l écran (brève pression sur la touche «DUAL»), ces deux signaux sont séparés verticalement. 2.3 Curseurs On peut faire apparaître des curseurs en appuant longuement sur la touche «SELECT ON OFF» en dessous de l écran. Les curseurs étant affichés, une brève pression sur «MEASURE» permet d afficher le menu «CURSOR MEASURE», 1 soit : t,, Rise time, V, V to ground, Ratio X, Ratio Y et Gain. Pour se déplacer dans le menu, utiliser les touches en dessous des flèches et sélectionner avec la touche en dessous de Set. Mesure de tension crête-à-crête : sélectionner V. Choisir la voie à mesurer par des pressions brèves sur le bouton source : sur l écran est affiché V : Y1 ou V : Y2. Appuer brièvement sur «CURSOR POS» : la LED «CUR» s allume. on peut alors déplacer le curseur I (.) à l aide du bouton «Y-POS/CURS.I» et le II (=.) à l aide du bouton «Y- POS/CURS.II». Mesurer alors la tension crête-à-crête. Rappuer sur «CURSOR POS» : la LED «CUR» s éteint. Les valeurs affichées sur l écran correspondent toujours à une différence entre les deux curseurs, pas à des valeurs «absolues». 1 Mesure de durées : sélectionner : t ou. Choisir la voie à mesurer par des pressions brèves sur le bouton source. Appuer brièvement sur «CURSOR POS» : la LED «CUR» s allume. on peut alors déplacer le curseur I (.) à l aide du bouton «Y-POS/CURS.I» et le II (=.) à l aide du bouton «Y-POS/CURS.II». Déterminer la période et la fréquence en repérant les passages par zéro. Rappuer sur «CURSOR POS» : la LED «CUR» s éteint. 3. UTILISATION EN XY ET EN DOUBLE TRACE 3.1 Mode XY Si l appareil est en mode monovoie, une brève pression sur «DUAL MENU» le fait passer en mode DUAL : les deux voies sont représentées en fonction du temps. En mode DUAL, une nouvelle pression brève permet d afficher un menu déroulant : alt, add, XY et chp. On passe d une fonction à une autre par pression brève. Une fois que la fonction voulue apparaît à l écran, elle est sélectionnée au bout d une courte attente. En mode XY, la voie I est envoée en abscisse (X) et II en ordonnée (Y) et l on peut inverser cette voie même en position XY (en appuant simultanément et brièvement sur «DUAL MENU» et «CHII») : un trait horizontal apparaît sur l indicateur de voie Y2. En XY, le réglage du zéro pour le signal qui se trouve en X est obtenu en utilisant le bouton de décalage horizontal de la courbe : «X-POS» et non pas «Y-POS/CURS.II». Sans balaage horizontal, le faisceau d électrons laisse une trace lumineuse en B sur l écran. Ce risque est encouru lors de l utilisation en XY ATTENTION! : ne faut pas laisser de point fixe à l écran (risque encouru en mode XY). 3.2 Double trace Lorsque l on observe à l écran deux tensions différentes (voie I, voie II) : double trace, elles sont envoées à tour de rôle sur les électrodes Y1 et Y2. On les observe simultanément pour une fréquence suffisante grâce à la persistance rétinienne, en appuant brièvement sur la touche «DUAL». Il existe deux modes de découpage accessibles grâce au menu déroulant obtenu par pression brève sur «DUAL» en mode DUAL : le mode alterné (la tension I est appliquée entre Y1 et Y2 lors d un balaage de l écran, la tension II lors du balaage suivant, etc.) et le mode choppé (la tension I est appliquée entre Y1 et Y2 pendant une durée t très faible, la tension II sur la durée t suivante, etc.). La différence entre ces deux modes ne se fait sentir qu aux très basses fréquences où le mode choppé est préférable pour le confort visuel.

5 Le déclenchement peut se faire sur une seule voie (par exemple la voie I) automatiquement sélectionnée lorsque l on visualise uniquement cette voie. Pour déclencher sur l autre voie alors que l on se trouve en mode monovoie, effectuer une brève pression sur «TRIG.SOURCE». En mode DUAL, une brève pression sur «TRIG.SOURCE» fait apparaître un menu déroulant contenant toutes les sources de déclenchement : Y1, Y2, ext et alt. On passe d une fonction à une autre par pression brève. Une fois que la fonction voulue apparaît à l écran, elle est sélectionnée au bout d une courte attente. Dans le cas où l on snchronise sur la voie I, le faisceau d électrons part de la gauche par exemple lorsque le signal envoé en voie I passe par = 0 en croissant, que le signal observé soit celui appliqué sur I ou sur II. Ce mode permet de snchroniser les deux tensions si elles sont de même fréquence. Dans le cas de deux tensions de fréquences différentes, on peut snchroniser indépendamment les deux tensions en choisissant alt dans le menu déroulant. Dans ce cas, le faisceau part de la gauche lorsque le signal envoé sur une voie passe par = 0 en croissant, si c est ce signal qui est représenté. Attention!: dans le cas de deux signaux de même période, le mode alt ne permet pas de mesurer un déphasage entre ces signaux puisque le déphasage apparaît sstématiquement comme nul. 4. MODE NUMÉRIQUE En mode numérique, le signal étudié est échantillonné et les points sont conservés en mémoire. L oscilloscope utilisé permet une fréquence maximale d échantillonnage de 100 MHz et possède une mémoire de 2 k 8 bits par voie. L oscilloscope à mémoire est indispensable pour la représentation de phénomènes très lents, de phénomènes isolés comme les phénomènes transitoires, de phénomènes périodiques complexes difficiles à snchroniser en mode analogique et pour le traitement de données qui peuvent être transférées de la mémoire à un micro-ordinateur. Appuer longuement sur «HOLD» pour passer en mode numérique : des informations sur le taux d échantillonnage («S») en haut et à droite de l écran et sur le mode d acquisition (sgl, rfr, env, avm) en bas et à droite de l écran apparaissent. Une brève pression sur «HOLD» permet de passer l oscilloscope de mémoire protégée (on ne peut pas changer le signal mémorisé, le READOUT indique «hld») à mémoire non protégée et inversement. On choisit le mode de mémorisation avec le menu déroulant obtenu en appuant brièvement sur «STOR.MODE». On passe d une fonction à une autre par pression brève. Une fois que la fonction voulue apparaît à l écran, elle est sélectionnée au bout d une courte attente. Une brève pression sur «HOLD» permet de figer et mémoriser le signal à l écran. rfr rafraîchit l écran : à chaque déclenchement, le signal précédemment acquis est remplacé par le signal courant. env ne conserve que l enveloppe de signaux dont l amplitude et/ou la fréquence varient à chaque acquisition. avm lisse le signal affiché en prenant la moenne sur plusieurs acquisitions (le nombre de courbes utilisées est 4 par défaut et peut être modifié). rol est le mode défilement : le signal échantillonné défile de la droite vers la gauche. Le défilement s arrête par brève pression sur «HOLD». Ces différents modes de mémorisation n interviennent pas dans le cas très fréquent où l on veut mémoriser un phénomènes isolé (par exemple la décharge d un condensateur). Dans ce cas, on ne fait qu une seule acquisition en appuant longuement sur la touche «RESET» (acquisition «monocoup» : la LED «SINGLE» s allume). Appuer alors brièvement sur «RESET» pour vider les mémoires : la LED «RES» s allume. Dès que le signal qui est observé à l écran dépasse une certaine valeur de déclenchement (réglable avec «LEVEL»), il est mémorisé durant la traversée de l écran par le faisceau d électrons. En mode numérique, la touche «DEL/TR.POS» permet de régler le temps de pré-déclenchement ou de post-déclenchement : on peut commencer l acquisition du signal avant le déclenchement (pré-déclenchement). En tournant le bouton vers la droite, la valeur du point de déclenchement (temps entre le début de l acquisition et le déclenchement) augmente et le smbole correspondant (+) se déplace vers la droite. on peut commencer l acquisition du signal après le déclenchement (post-déclenchement). En tournant le bouton vers la gauche, le point de déclenchement sort de l écran par la gauche. La valeur affichée du point de déclenchement (temps entre le déclenchement et le début de l acquisition) continue d augmenter, mais elle est précédée du signe négatif (-).