GEL 1002 Systèmes & mesures. Chapitre 5 :

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1 Automne 2012 GEL 1002 Systèmes & mesures Chapitre 5 : Oscilloscopes Jérôme Cros 4 octobre 2012

2 Principe de fonctionnement d un tube cathodique pour un oscilloscope Y-Y : Plaques de déviation verticale Spot Canon à électrons X-X : Plaques de déviation horizontale Ecran avec paroi electroluminescente En appliquant une tension sur deux séries de plaques, on soumet le faisceau d électrons à des champs électriques qui provoquent la déviation verticale ou horizontale du faisceau. Voir applet : Principe d un oscilloscope (site web) 2

3 Principe d affichage d un signal à l écran Signal de déviation verticale T 2 T 1 = T 2 T 1 = T 2 Signal de déviation horizontale Lorsque la période du signal de déviation horizontale est égale à la période du signal de déviation verticale, on affiche une période de à l écran. 3

4 Principe d affichage d un signal à l écran Signal de déviation verticale T 2 T 1 = 2.T 2 T 1 = 2.T 2 Signal de déviation horizontale Lorsque la période du signal de déviation horizontale est égale à 2 périodes du signal de déviation verticale, on affiche 2 périodes de à l écran. 4

5 Problème d affichage sans synchronisation T 2 Signal de déviation verticale T 1 k.t 2 T 1 k.t 2 (k entier) Signal de déviation horizontale 5

6 Problème d affichage sans synchronisation T 2 Signal de déviation verticale T 1 k.t 2 T 1 k.t 2 (k entier) Signal de déviation horizontale Lorsque la période du signal de déviation horizontale n est pas égale à un multiple de la période du signal de déviation verticale, l image affichée à l écran n est pas stable. 6

7 Problème d affichage sans synchronisation T 2 Signal de déviation verticale T 1 k.t 2 T 1 k.t 2 (k entier) Signal de déviation horizontale Lorsque la période du signal de déviation horizontale n est pas égale à un multiple de la période du signal de déviation verticale, l image affichée à l écran n est pas stable. 7

8 Problème d affichage avec synchronisation de la base de temps T 2 Signal de déviation verticale T 1 k.t 2 T 1 k.t 2 (k entier) Signal de déviation horizontale 8

9 Problème d affichage avec synchronisation de la base de temps T 2 Signal de déviation verticale T 1 k.t 2 T 1 = 2.T 2 T 1 k.t 2 (k entier) Signal de déviation horizontale Voir Applet sur Synchronisation Pour stabiliser l image affichée a l écran, il faut synchroniser les deux signaux et déclencher le départ de la rampe par rapport a un point du signal v2 : Toujours le même niveau (amplitude) et le même front (montant ou descendant) 9

10 Schéma de principe d une voie d un oscilloscope analogique Réglage vertical Déclenchement (Trigger) Réglage horizontal Toutes les masses de l oscilloscope (parties métalliques que l utilisateur pourrait toucher) sont reliées à la borne de terre, par la prise d alimentation. On ne peut pas brancher plusieurs points de masse si ces points ont des potentiels différents et qu ils sont connectés électriquement : cela provoque un court-circuit!! 10

11 Groupes de fonctions sur un oscilloscope Exemple d un appareil analogique : Tektronix 2225 Réglage du faisceau Réglage vertical Déclenchement Réglage (Trigger) horizontal Voie (canal) 1 ou X Canal 2 ou Y Entrée de synchronisation externe 11

12 Différents couplages: DC GND AC Masse 12

13 Modes de couplages: DC GND AC Couplage DC Signal affiché sans traitement (pas de déformation) Couplage AC Signal filtré pour enlever sa composante continue (déformation du signal en basse fréquence) Généralement, on utilise toujours le mode DC sauf dans des cas particuliers lorsqu il faut visualiser uniquement la composante alternative. 13

14 Oscilloscope Tektronix TDS 2012B (2 voies 100 MHz) Echelles Volt/div Sous menu d écran Sauvegarde d images d écran Réglage vertical Réglage horizontal Déclenchement (Trigger) 14

15 Réglage des canaux CH1 et CH2 Sous menu d écran (CH 1 MENU) Réglage du mode de couplage (CC-CA-masse) Facteur multiplicateur de la sonde Réglage de la position verticale de la trace Sélection du menu du canal 2 (CH2) Réglage du facteur d échelle pour CH2 Entrées câbles BNC pour CH2 (connexion des sondes) 15

16 Mode de déclenchement Sous menu d écran (TRIG MENU) Sélection de la source (CH1, CH2, Ext, Secteur) Mode (Automatique ou Normal) Interruption du déclenchement Sélection du menu de déclenchement Entrée externe câbles BNC pour le déclenchement 16

17 Traitement des signaux Réglage de curseurs horizontaux ou verticaux pour des mesures àl écran Sélection d un type de mesure (amplitude, fréquence période, ) Affichage: Passage du mode X à XY Opérations mathématiques entre CH1 et CH2 (+, -, X ou FFT (Fast Fourier Transform) 17

18 Exemple de mesures à l écran Base de temps : 2ms/div Amplitude signal 1: 2.9 cm x 0.5 V/cm=1.45 V Amplitude signal 2: 4.3 cm x 2 V/cm=8.6 V Période T: 9 cm x 2 ms/cm = 18 ms Fréquence f : f = 1/T = 55.5 Hz Canal1: 0.5V/div Canal2: 2V/div Le signal 2 est en avance par rapport au signal 1 Déphasage (angulaire) : 1.5cm cm 18

19 Erreurs de mesure y S : Incertitude (par exemple 3% de l amplitude de déviation). y Z : Erreur de réglage de zéro = moitié de la plus petite division. y L : Erreur de lecture = moitié de la plus petite division. Exemple: Déviation verticale y = 8 cm y S = 0.03 x 8 cm = 0.24 cm y L = ½ division = 0.5 x 0.2 cm = 0.1 cm y Z = y L y= y S + y Z + y L = 0.44 cm y = 8.00 ± 0.44 cm NB: Il faut toujours ajuster les échelles pour maximiser la déviation sur l écran afin de réduire la proportion des erreurs de lecture et de réglage de zéro. 19

20 Composition de signaux et mesure de déphasage 7.5 sin(100 t) V 2 5 sin(100 t ) 3 y 1 y 2 t 1 T x 2 x 1 Evolution temporelle 2 t 1 T (en radians) Voir applets sur site web Composition des signaux sin x x 2 1 y y

21 Autre méthode pour la mesure du déphasage Canal1: 0.5V/div Canal2: 2V/div x 1 Déphasage 1 : 5 2 sin x 0.86 x1 5.8 x x 59.5 x 2 y 2 y 1 Déphasage 2 : sin y 0.87 y1 8.5 y y 60.5 x y

22 Exemples de mesures à l oscilloscope Canal1: 0.5V/div Canal2: 2.5V/div x div x2 x1 Canal1: 0.5V/div Canal2: 2.5V/div Base de temps : 2ms/div x div Valeurs crêtes : y x 0.5 = 1.45 V ± 0.14 y x 2.5 = 7.8 V ± 0.7 Période : T 9 x = 18.0 ± 0.9 ms x Déphasage : x2 9 x x 1 1 o 360 x x2 x 2 1 o 11 Déphasage : 4 Arcsin min max 3.68 Arcsin Arcsin o o o o 22

23 Précautions pour le branchement de l oscilloscope Les masses des voies de l oscilloscope sont toutes communes (ou reliées). On ne peut pas utiliser plusieurs points de masse différents. Cela provoquerait un court-circuit entre ces points, par l oscilloscope Fiche de l oscilloscope Entrées BNC de l oscilloscope.. Mise à la terre des 2 masses. 23

24 Précautions lors du branchement d un oscilloscope Voie 1 Vr Y 1 M On veut mesurer les tensions Vr et Vc Y 2 Voie 2 Vc M 2 Montage incorrect : Les masses M 1 et M 2 sont reliées! Il y a un court-circuit du condensateur!! et Vc = 0 Voie 1 Vr Y 1 M 1 M 2 Voie 2 Vc Y 2 Montage correct : On doit connecter M 1 et M 2 au même point et mesurer Vc On utilise ensuite la fonction d inversion du signal CH2 pour afficher Vc à l écran 24

25 Précautions lors du branchement d un oscilloscope Voie 1 Vr Y 1 M On veut mesurer les tensions Vr et Vc Y 2 Voie 2 Vc M 2 Montage incorrect : Les masses M 1 et M 2 sont reliées! Il y a un court-circuit du condensateur!! et Vc = 0 Y 1 Voie 1 Vr +Vc Y 2 Voie 2 Vc M 2 M 1 Montage correct : Si le montage comporte un point mis a la terre, il faut connecter les masses M 1 et M 2 sur ce point pour éviter un court-circuit On utilise ensuite les fonctions mathématiques (CH1-CH2) pour afficher Vr à l écran 25

26 Références Manuel technique de l oscilloscope Tektronix TDS 2012B (document sur le site web) "L oscilloscope: principe et mode d emploi" (documents sur le site web) " Mesures à l aide de l oscilloscope " (Doc R1087) - Encyclopédie Techniques de l Ingénieur (Bibliothèque virtuelle de l UL: Applets Java disponibles sur le site web du cours 26