VISUALISATION DES SIGNAUX ELECTRIQUES OSCILLOSCOPE CATHODIQUE ANALOGIQUE

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1 VISUALISATION DES SIGNAUX ELECTRIQUES OSCILLOSCOPE CATHODIQUE ANALOGIQUE INTRODUCTION L'oscilloscope es le plus polyvalen des appareils de mesures élecroniques. Il peu permere simulanémen de visualiser e de mesurer une différence de poeniel élecrique qui peu êre la "raducion" par l'inermédiaire d'un capeur, de la grandeur expérimenale (signal) à laquelle on s'inéresse. L'uilisaion la plus courane es la visualisaion sur l'écran de la courbe représenaive y = f() d'un signal y variable avec le emps. Consiuion d'un oscilloscope Un oscilloscope compore : - Un ube cahodique comprenan un canon à élecrons, des sysèmes de déflexion e un écran fluorescen - Des amplificaeurs - Une base de emps - Un disposiif de synchronisaion Chacun de ces élémens foncionne avec une alimenaion inerne à l'oscilloscope.

2 I - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE L'OSCILLOSCOPE I.1 - Producion du faisceau élecronique Le ube cahodique dans lequel règne un vide poussé consiue l'organe de base de l'oscilloscope. Les élecrons émis par une cahode chaude son dosés par une grille de commande (wehnel) puis focalisés e accélérés par des anodes A1 e A2 en direcion d'un écran fluorescen : l'impac du faisceau d'élecrons sur l'écran crée une peie ache lumineuse : le spo (figure 1). Canon à élecrons Filamen chauffé Wehnel (luminosié) Cahode Concenraion Accéléraion Plaques de déflexion vericale Plaques de déflexion horizonale Ecran fluorescen A 1 A 2 Y Spo X Figure 1. Schéma du ube cahodique I.2 - Déviaion du faisceau élecronique Le déplacemen du spo dans deux direcions perpendiculaires es obenu par déflexion du pinceau d'élecrons par deux paires de plaques, l'une de déflexion vericale (Y), l'aure de déflexion horizonale (X). Supposons qu'en l'absence de ensions appliquées aux 2 paires de plaques, le spo occupe la posiion O sur l'écran. Si une ension V es alors appliquée aux plaques Y (figure 2), les élecrons, soumis à une force élecrosaique F = -ee proporionnelle à V (F = ev/d) son déviés vericalemen (vers le hau si V > O) D d 0 V Figure 2. On monre que la déviaion es proporionnelle à V : D = kv k éan une consane spécifique du ube cahodique.

3 D'aure par, la viesse de déplacemen des élecrons éan grande, oue variaion de V se répercue quasi insananémen sur la posiion du spo. Remarque : Le cadrage du spo es obenu par applicaion de ensions coninues, règlables à l'aide des bouons de cadrage. II - LES AMPLIFICATEURS II.1 - Les commuaeurs de sensibilié Avec un ube cahodique convenionnel, une ension de 1V appliquée aux bornes des plaques Y enraîne une déviaion vericale d'environ 1 mm. Les ensions don on dispose son en général insuffisanes pour obenir des déviaions noables du spo. Il fau donc les amplifier (ou les aénuer si elles son rop grandes) à l'aide d'un amplificaeur de gain G. A un signal d'enrée v correspond alors un signal de ension Gv appliquée aux plaques* e la déviaion observable sur l'écran es elle que : D(cm) = kgv(vols) *signal en fai appliqué aux plaques : Gv + Vo ; Vo = signal consan de cadrage La valeur du gain ne présene pas d'inérê pour l'uilisaeur qui peu sélecionner différenes valeurs du rappor v/d - exprimé en vol/cm ou vol/div - à l'aide d'un commuaeur. Ces indicaions, qui représenen des sensibiliés e non des calibres, permeen de mesurer direcemen des ensions. L'oscilloscope se comporan comme un volmère, il es donc nécessaire que son impédance d'enrée soi assez grande (cf II.3). II.2 - Mode de liaison à l'enrée ( ou couplage du circui d'enrée ) Le signal d'enrée v es appliqué enre 2 bornes don l'une es à la masse. La deuxième borne es reliée à l'amplificaeur par l'inermédiaire d'un commuaeur. - Pour la posiion 1 du commuaeur (noaion : = ou DC), la ransmission direce du signal es assurée. - Pour la posiion 2 du commuaeur (noaion : ~ ou AC), il y a éliminaion de la composane coninue e des fréquences rès basses du signal : on visualise oujours un signal de valeur moyenne nulle. - En posiion 3 du commuaeur (noaion : 0 ou GND), l'amplificaeur, fermé sur la masse à l'enrée, délivre un signal nul permean le posiionnemen du spo ou de la race. = DC 1 Figure 3 AC 0 GND 2 3 Ampli

4 II.3 - Bande passane e impédance d'enrée a/ Liaison coninue = La bande passane pour l'enrée = es égale à celle de l'amplificaeur. La bande passane à -3 db es comprise enre O e quelques MHz (figure 4a). b/ Liaison alernaive ~ La bande passane à -3 db pour l'enrée ~ es comprise enre quelques Hz (N1), la valeur supérieure N2 éan inchangée par rappor au cas précéden (figure 4b). Les signaux variables de faible fréquence doiven êre appliqués à l'enrée =. G G - 3 db - 3 db a b 0 N 2 N 0 N 1 N 2 N Figure 4. Bande passane de l'oscilloscope a. pour l'enrée coninue = b. pour l'enrée alernaive ~ L'impédance d'enrée de l'amplificaeur es consiuée d'une résisance R de grande valeur (1 MΩ généralemen) en parallèle avec une capacié Cp de 25 à 50 pf selon les modèles (ou les voies). Cee impédance dépend de la fréquence du signal appliqué. Ainsi pour R = 1 MΩ e Cp = 30 pf, elle es sensiblemen égale à 1 MΩ en basse fréquence, mais n'excède pas 53 kω à 100 khz e 1 kω à 5 MHz. Même si un signal rese correcemen visualisé, la mesure de sa d.d.p. es de plus en plus sujee à l'erreur au fur e à mesure que la fréquence augmene. Remarque. Ne pas confondre la capacié Cp avec la capacié C du commuaeur d'enrée : l'impédance d'enrée es indépendane du mode de liaison e de la posiion du commuaeur de sensibilié. III - BALAYAGE ET SYNCHRONISATION III.1 - Principe de la visualisaion d'un signal v() en foncion du emps La caracérisaion des variaions d'un signal v() exige l'obenion, sur l'écran, de sa représenaion graphique en foncion du emps. Sur l'écran comme sur une feuille de papier, cee représenaion nécessie deux axes de référence : un axe verical des ensions e un axe horizonal des emps, gradués ous deux linéairemen (représenaion classique). La ransformaion de l'axe horizonal en axe des emps es réalisée en imposan au spo un mouvemen reciligne uniforme. Le balayage répéiif de l'écran de la gauche vers la droie es obenu à parir d'un généraeur

5 inerne appelé base de emps qui envoie sur les plaques X une d.d.p. varian linéairemen avec le emps e s'annulan périodiquemen. III.2 - Balayage La base de emps fourni une ension Vb die en "dens de scie" (figure 5a) appliquée aux plaques de déflexion horizonale. Enre les insans 1 e 1 + Tb, la ension Vb croî linéairemen, e la déviaion horizonale du spo, proporionnelle à Vb, es proporionnelle au emps : le spo a un mouvemen horizonal reciligne uniforme de la gauche vers la droie de l'écran. Au emps 1 + Tb, la ension Vb décroî brusquemen andis qu'une ension négaive es appliquée au wehnel, suppriman le faisceau d'élecrons donc la race de reour. A l'insan 2 le wehnel es de nouveau polarisé posiivemen, le spo réapparaî dans sa posiion iniiale e la séquence décrie précédemmen recommence. V b a T b T b 1 + T b 2 b v A B C D c A B D T E F C E F Figure 5. Un commuaeur de balayage perme de règler la durée de balayage. Chaque division horizonale de l'écran éan parcourue par le spo dans le même emps, ce commuaeur es gradué en durée/div permean ainsi la lecure direce des emps. Considérons le cas où un signal sinusoïdal de période T es appliqué en Y, alors qu'un signal en dens de scie de durée Tb es appliqué en X (figures 5a e 5b). Les racés AB, CD, EF correspondan aux balayages successifs, ne son pas superposables e l'image perçue sur l'écran es inexricable (figure 5c). III.3 - Principe de la synchronisaion : balayage déclenché Le chevauchemen ou le défilemen des images sera évié si l'on parvien à faire démarrer la base de emps - donc le balayage - lorsque le signal passe par un même poin (poin de déclenchemen choisi comme référence, el que A, figure 6); le balayage es alors synchronisé avec le signal v(). La synchronisaion exige une source de déclenchemen qui peu êre :

6 - inerne : la base de emps es déclenchée par le signal v() à visualiser - exerne : la base de emps es déclenchée par un signal aure. IV. DESCRIPTION DU BALAYAGE DECLENCHE IV.1 - Synchronisaion inerne C'es le mode de foncionnemen le plus uilisé. Dans le disposiif de déclenchemen, un comparaeur compare une ension coninue VS appelée seuil de déclenchemen (rigger level) à la ension v(). Le balayage n'es déclenché que lorsque v()=vs. V b 1 T 1 1 b 2 Tb v V S A C B D

7 A, C B,D Figure 6 Sur l'exemple monré figure 6, le spo décri le graphe représenaif du signal enre 1 e '1, disparaî pour reourner à sa posiion d'origine (en "1) e réapparaî, après un emps d'aene, lorsque le signal aein la valeur seuil. En oure, pour lever oue ambiguïé sur le momen du déclenchemen, on choisi le fron monan ou descendan du signal (+ ou -), c'es à dire que l'on fai un choix enre A e A'. A l'insan 2, la den de scie suivane es alors déclenchée,... ainsi de suie. L'image obenue sur l'écran paraî fixe pour une fréquence de répéiion du balayage supérieure à environ 25 fois/seconde (persisance réinienne). On peu sélecionner deux modes de synchronisaion inerne : a/ mode réglable ( "NORM") Le seuil de déclenchemen es réglable coninûmen sur oue la haueur de l'écran, par un poeniomère. Ce mode de synchronisaion, rès souple, es plus pariculièremen desiné à l'observaion de phénomènes de faible fréquence de répéiion ou non périodiques. Mais il présene des inconvéniens pour l'observaeur non averi : - Le balayage ne démarre pas si VS es supérieure à l'ampliude de v() : il n'y a alors aucune image sur l'écran. - Il n'y a pas de balayage si aucune ension n'es appliquée en Y : la "race" n'es donc pas visible. b/ Mode auomaique Le principe de foncionnemen demeure le même, mais : - Le seuil de synchronisaion n'es pas règlable ou l'es dans une plage elle que VS rese oujours inférieur à l'ampliude Vm de v(). - En l'absence de signal en Y, le déclenchemen a lieu après un cerain emps d'aene, si bien qu'une race apparaî oujours sur l'écran (si le cadrage es correc). - La synchronisaion n'es effecive que pour une fréquence du signal supérieure à 20 Hz environ.

8 Remarque. Le mode réglable es souven appelé mode déclenché par opposiion au mode auomaique. Dans les deux cas, il y a pouran bien déclenchemen du balayage. IV.2 - Synchronisaion exerne Les considéraions précédenes resen valables, mais le déclenchemen es réalisé par un signal exérieur, vex(), généralemen synchrone du signal v() à éudier. Ce signal vex() es appliqué sur une enrée séparée marquée synchronisaion exerne (exernal rigger). V - UTILISATION DE L'OSCILLOSCOPE EN X-Y Un oscilloscope peu êre uilisé pour racer la courbe représenaive d'une foncion y = f(x). Dans ce cas, l'appareil es commué en X-Y, c'es à dire que : - Un signal es appliqué sur l'enrée Y - Un deuxième signal es appliqué à l'enrée X : la base de emps de l'oscilloscope es alors inopérane. VI -OSCILLOSCOPE BICOURBE Un oscilloscope bicourbe ou double race possède deux amplificaeurs vericaux indépendans, désignés la plupar du emps par voie A e voie B. Chacune de ces voies peu êre employée séparémen ou en associaion avec l'aure voie. Pour des raisons de coû, un oscilloscope convenionnel ne possède qu'un seul canon à élecrons. Bien qu'il n'y ai qu'un faisceau élecronique, la visualisaion simulanée de deux signaux va() e vb() es obenue en envoyan successivemen sur les plaques Y les signaux en provenance des voies A e B. L'observaion simulanée des deux racés es possible grâce à la rémanence du ube e la persisance réinienne. La liaison enre les voies A e B e les plaques Y es réalisée par commuaion élecronique (fig. 7). Voie A Ampli A Plaques Y Voie B Ampli B Module de commuaion

9 Figure 7. Selon la fréquence, on disingue deux modes de commuaion. - Mode découpé (chopped). En basse fréquence, au cours d'un balayage, le spo passe un grand nombre de fois d'une courbe à l'aure, chacune éan décrie en poinillés. Le spo es éein lors de la commuaion d'une voie à l'aure, e l'observaeur ne disingue pas le découpage (fréquence de découpage de l'ordre de 500 khz) (figure 8a). -Mode alerné. Pour des signaux de fréquence suffisammen grande, le signal de la voie A es racé pendan un balayage comple. Au balayage suivan, c'es le signal de la voie B qui es représené sur l'écran (figure 8b). Le changemen de mode es généralemen auomaique selon la durée de balayage sélecionnée. Il es manuel sur cerains appareils. A a A B b B Figure Mode ADD. Cee foncion perme de représener la somme algébrique des signaux de la voie 1 e de la voie - Posiion INVERT CH 2. Dans cee posiion, la représenaion de la voie 2 es inversée (déphasée de p). VII- MODULATION Z Il es parfois possible de moduler l'inensié du spo sur l'écran - voire obenir l'exincion - par un signal exérieur appliqué à l'enrée Z. Cee enrée es reliée à un amplificaeur qui commande l'élecrode d'effacemen du ube cahodique (wehnel). VIII - SCHEMA DE PRINCIPE D'UN OSCILLOSCOPE A 2 VOIES Ce schéma général (figure 9) regroupe les différens modules décris précédemmen, à la différence près que ce qui a éé désigné sous le erme amplificaeur es en réalié composé d'un préamplificaeur e d'un éage amplificaeur final à gain fixe.

10 Cadrage YA Enrée Voie A = 10 mv/div 0 20 V/div Préampli A Commuaion Cadrage YB X Ampli Y Enrée Voie B = 10 mv/div 0 20 V/div Préampli B Synchro Ex Ampli synchro Exérieure YA YB Ex X-Y Ampli X Focalisaion Luminosié Cadrage X Déclenchemen Base de emps + niveau - seuil Ampli Z Alimenaion H.T. Enrée Z Alimenaion base de emps ampli Figure 9