GBF et Oscilloscope. 1. «un seul bouton à la fois tu manipuleras»; 2. «aux boutons inconnus tu ne toucheras». I) Première approche

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1 e Oscilloscope objecif de ce TP es d apprendre à uiliser, ie. à régler, deux des appareils les plus courammen uilisés : le e l oscilloscope. Pour cela vous serez amené(e) à uiliser e à associer de nouveaux dipôles qui seron éudiés en déail dans le chapire ET 3 ircuis en régime ransioire. e TP s appuie principalemen sur le ravail effecué lors du chapire ET 1 Analyser un circui élecrocinéique. es relaions noées ( ) son celles qu il fau savoir rerouver e les heures menionnées son données à ire puremen indicaif de façon à permere l évaluaion de l imporance relaive des différenes paries.... Maériel uilisé : un un oscilloscope numérique un oscilloscope analogique une boîe à décade un condensaeur variable une bobine variable un ransformaeur... I) Première approche 1 ) sommaire Présenaion i. signifie «Généraeur Basses Fréquences». es un appareil délivran une ension périodique noée. Il es possible de choisir : la forme du signal (sinusoïdale, riangulaire, recangulaire); l ampliude du signal; la fréquence; la ension de décalage (l offse); le rappor cyclique. ii. l oscilloscope es un appareil consiué de deux volmères qui mesuren des ensions insananées e affichen le résula sur un écran. Il es possible de choisir : la durée oale que représene la largeur de l écran (sensibilié horizonale); quelle voie es la référence pour le balayage (rigger). Pour chaque voie noée (voie 1) e (voie 2), il es possible de régler indépendammen : la d.d.p. que représene la haueur de l écran (sensibilié vericale); la posiion de la valeur V = 0 ; l affichage (D qui signifie «Direc urren») ou non (A «Alernaive urren») de la composane coninue de la ension. Il es aussi possible : d afficher une seule, au choix, des deux voies, ou les deux voies simulanémen (mode DUA); de racer la courbe () (mode ) au lieu de racer les courbes () e () ; d afficher au lieu de ; d afficher une seule courbe correspondan à la somme + ou à la différence. Sur les oscilloscopes numériques, il es aussi possible (enre aure) : d afficher au lieu de ; d afficher une courbe correspondan à ; de mémoriser un écran; Mahieu igau e oscilloscope 1 / 10 d imprimer un écran; de faire un réglage auomaique (bouon auoscale ); d afficher la TF, Transformée de Fourier (cf. TP ours ET3 Amplificaeur Opéraionnel); d uiliser des curseurs pour repérer des poins; de faire des mesures auomaiques de ensions e de durées; d afficher la fréquence du signal. Finalemen, l oscilloscope es un appareil complexe mais pas compliqué pour peu que les deux règles suivanes soien respecées : 1. «un seul bouon à la fois u manipuleras»; 2. «aux bouons inconnus u ne oucheras». 2 ) De nouveaux fils : les coaxiaux cables i. présenaion es un cable qui conien deux conduceurs cylindriques de même axe. isolans conduceurs ee configuraion perme au conduceur inerne d êre proégé du champ élecromagnéique exerne (cf. cours d élecromagnéisme de 2 e année). À l exrémié de ces cables, il peu y avoir deux ypes de fiches : fiches bananes : l embou mâle es relié au conduceur inerne e l embou femelle au conduceur exerne. Aenion : les embous mâle e femelle ne son pas reliés enre eux conrairemen aux embous banane usuels. fiches BN 1 : elles peuven êre soi mâle soi femelle. es fiches aux exrémiés des fils son oujours mâle. Il n es donc pas possible de pas relier deux câbles direcemen enre eux; il fau uiliser un raccord femelle / femelle. Il exise des converisseurs fils simples embou banane / fiches BN mâle. Dans ces condiions, par convenion, l embou rouge es relié au conduceur inerne e l embou noir au conduceur exerne. En règle générale, le conduceur exerne es relié à la masse du circui (voir plus loin). omme oue paire de conduceurs séparés par un isolan, le cable coaxial consiue aussi un condensaeur (ici de capacié environ 10 pf). a plupar du emps, il sera possible de négliger l effe de ce condensaeur. cable coaxial 1. Bayone Neill-oncelman connecor. cable coaxial Mahieu igau e oscilloscope 2 / 10

2 3 ) Un peu de ii. quelques ess Mesurez à l ohmmère la résisance enre chaque paire de conacs d un cable coaxial. omparez avec la résisance d un fil simple usuel. Observez l effe du bouon A / D / GND sur l affichage du signal. églez sur A e observez l affichage lorsque vous modifiez la forme du signal (en pariculier recangulaire) e la fréquence (en pariculier en la diminuan). À l aide d un adapaeur BN-banane e d un fil banane, cour-circuiez une enrée de l oscilloscope e affichez la ension nulle à l écran de l oscilloscope. Pourquoi cee ension n es-elle pas rigoureusemen nulle i. vocabulaire Voici, pour les rois formes symériques de signaux, les inerpréaions de l ampliude, de l offse e de la du signal. emarquons que l ampliude es oujours posiive (double flèches), alors que l offse es algébrique. a fréquence es définie par f = 1 e s exprime en herz (Hz). T ampliude ampliude ampliude offse signal sinusoïdal ii. quelques réglages offse signal recangulaire (ou créneaux) offse signal riangulaire eliez le à la voie de l oscilloscope, soi par un cable coaxial BN-BN, soi par des fils bananes en uilisan des adapaeurs pour le e pour l oscilloscope. ela correspond au schéma ci-conre. En réglan l oscilloscope auomaiquemen grâce au bouon auoscale, affichez sur l écran les ensions ayan les caracérisiques suivanes (appelez le professeur afin de vérifier l exaciude des ensions obenues) : forme fréquence (Hz) ampliude (V) offse (V) sinusoïdale 1, ,0 0,0 riangulaire ,0 0,0 recangulaire 5, ,10 1,0 Observez l effe du bouon modifian le rappor cyclique. ii. quelques mesures églez le pour qu il délivre une ension sinusoïdale de fréquence environ égale à 12 khz, d ampliude 2,0 V e avec une ension de décalage de 3,0 V. églez la posiion vericale pour que la ension nulle soi au cenre de l écran. À l aide des curseurs, mesurez l ampliude U, la T e ension de décalage U 0. U = T = U 0 = À l aide du menu «mesure» de l oscilloscope faies faire les mesures par l oscilloscope e comparez avec les valeurs précédenes. II) U = T = U 0 = omparaison : Monages fondamenaux 1 ) éalié des appareils i. impédance de sorie Ò du e n es pas élecriquemen équivalen à une source idéale de ension, mais à une source idéale de ension en série avec une impédance qui es quasimen équivalene à une résisance g (cf. schéma ci-dessous). A B e g A B K U V 4 ) Un d oscilloscope peu i. quelques observaions églez le pour qu il délivre une ension sinusoïdale, de fréquence 1,0 khz, d ampliude 2,0 V e d offse 1,0 V. Mahieu igau e oscilloscope 3 / 10 e principe de la méhode de mesure ci-dessous es déaillée dans le TD ET2. Faies le monage ci-dessus. K ouver, réglez le avec l oscilloscope pour qu il délivre une ension sinusoïdale d ampliude 2,0 V, de valeur moyenne nulle e de fréquence 1,0 khz. Mahieu igau e oscilloscope 4 / 10

3 emplacez l oscilloscope par un volmère e noez la ension affichée U 0. Fermez K e réglez de elle sore que le volmère affiche une ension de valeur U 0, noez alors la 2 valeur 0 de la résisance. Dans ces condiions, nous avons g = 0. ( ) Pourquoi la valeur U 0 affichée par le volmère ne vau-elle pas 2,0 V ii. problème avec soluionú une Avec le monage ci-dessous, les seules ensions accessibles son u e u. Il n es donc pas possible d accéder à la caracérisique sauf si nous nous arrangeons pour avoir u u auquel cas nous avons u dipole u. ii. mesure de l impédance d enrée l oscilloscopeö de Tou comme les volmères, les oscilloscopes ne son pas idéaux. Touefois, ils ne se comporen pas comme un simple résisor, mais comme une associaion parallèle d un condensaeur e d un résisor. e schéma élecrique équivalen es représené ci-dessous, es la ension affichée. u u u ou ou éalisez le monage avec un condensaeur de capacié = 100 nf e = 1,0 kω. Affichez les ensions u () e u () avec f = 100 Hz puis f = 100 khz. Que consaez-vous oscill e e En considéran qu aux fréquences uilisées l effe du condensaeur es négligeable devan celui de la résisance, mesurez, à l aide de la méhode vue dans le TP ours ET1 Premiers pas au laboraoire, la résisance d enrée e de l oscilloscope. e = 2 ) Tracer une caracérisique objecifsù i. u Pour racer la caracérisique d un dipôle D en général (e d un condensaeur D i dans le cas pariculier qui nous inéressera après), il fau pouvoir mesurer simulanémen la ension u à ses bornes e l inensié i du couran qui le raverse. omme l oscilloscope n es, au fond, qu un volmère, la mesure de u ne pose pas de problème. Pour i, il es possible d uiliser la loi d Ohm : avec un résisor en série avec le dipôle D e la mesure, à l oscilloscope, de la ension u = i enre ses bornes. i u D u Mahieu igau e oscilloscope 5 / 10 iii. uém e les élecriquesü appareils a erre. Pour les peies insallaions élecriques (les pariculiers), uém achemine 2 fils l un éan appelé «la phase» e l aure «neure». Enre ces deux fils exise une ension alernaive, sinusoïdale, de valeur moyenne nulle, de valeur efficace 230 V e de fréquence 50 Hz. Pour des raisons de sécurié, chaque insallaion doi comporer un roisième fil relié à la erre. es la fiche méallique des prises lorsque celle-ci es présene. e fil se noe. Pour ces mêmes raisons de sécurié, les carcasses méalliques des appareils doiven êre reliées à la erre. Imaginons, en effe, un conac élecrique (dû à un dysfoncionnemen) enre la phase e la carcasse d un appareil. Si celle-ci es reliée à la erre, cela occasionne aussiô un cour-circui, les plombs sauen e ou va bien. Si la carcasse n es pas reliée à la erre, il n y a pas de cour-circui e la carcasse es alors comme un fil dénudé à 230 V : il suffirai de la oucher pour s élecrocuer... a masse floane. Il exise deux ypes d appareils qui se relien à des circuis élecriques (en dehors de leur alimenaion) comme les volmères, les alimenaions sabilisées : les appareils dis «à masse floane» n on aucune de leurs bornes reliées à la erre 2. es le cas, par exemple, des alimenaions sabilisées ou des mulimères. les appareils qui ne son pas à masse floane, par exemple un ou un oscilloscope, on une de leurs bornes reliée à la erre. Par convenion, il s agi : de oues les bornes noires des embous fiche banane; de ous les conduceurs exernes des embous BN. Par conséquen, par consrucion, dès qu ils son branchés, l oscilloscope e le on une de leurs bornes reliée Mais leur carcasse l es! Mahieu igau e oscilloscope 6 / 10

4 a masse. omme, finalemen, seules les mesures de différences de poeniel son possibles parce que le poeniel es défini à une consane arbiraire près, il es praique de poser, oujours aussi arbirairemen, que le poeniel es nul à la masse noée. Ainsi la masse n es ni plus ni moins qu une référence (au sens origine du erme) pour les poeniels. E le fai es, puisque les appareils on souven une de leurs bornes reliée à la erre, que c es ce poin qui es jusemen choisi (la erre) comme éan la masse du circui. Touefois, bien que les appareils soien déjà reliés enre eux par la erre, il faudra oujours relier égalemen leurs masses enres elles e à la masse du circui. Noez que les «problèmes de masse» fon parie des 3 majeures avec les faux conacs e la mauvaise uilisaion des cables coaxiaux. églez les différenes sensibiliés pour que la caracérisique occupe le maximum de l écran. Pourquoi, pour obenir la caracérisique du dipôle (ici du condensaeur) en convenion récepeur, es-il nécessaire d afficher Augmenez la fréquence e observez. iv. problème avec soluionþ sa En imposan la masse de l oscilloscope enre la résisance e le condensaeur, nous obienons le schéma ci-conre. Touefois, comme le a oujours une de ses bornes à la masse, la résisance se rouve cour-circuiée (cf. figure 1 ci-dessous). gbf u u u oscillo figure 1 primaire secondaire figure 2 Pour remédier à ce problème, il fau brancher un ransformaeur à la sorie du. e ransformaeur sera appelé «d isolemen» parce que son rôle es précisémen d isoler deux paries du circui l une de l aure. Un ransformaeur ser à délivrer une ension alernaive de valeur moyenne nulle de même fréquence que celle qui l alimene e d ampliude évenuellemen différene. e circui es alors équivalen au schéma représené figure 2. inconvénien principal es que la ension a une valeur moyenne nulle. Pour racer la caracérisique du dipôle (ici un condensaeur) avec une ension de valeur moyenne non nulle, il exise plus plusieurs soluions : uiliser un ransformaeur d isolemen pour alimener le de elle sore que ce dernier ne soi plus connecé à la erre. Tou se passe alors comme si le éai un appareil à masse floane. Inconvénien : un disposiif de sécurié a disparu... uiliser un généraeur de ension sabilisée (qui es un appareil «à masse floane») dans le circui branché sur le secondaire du ransformaeur d isolemen. i() u () u () hangez la forme du signal e observez. Sans modifier ni le circui ni aucun branchemen, affichez sur l écran de l oscilloscope la ension. III) Uilisaion avancée 1 ) Objecifs e bu de cee parie es d afficher avec un maximum de qualié la ension aux bornes d un condensaeur dans un circui,, série lors d un régime ransioire dans le bu de faire quelques mesures. 2 ) Visualiser un uniqueđ phénomène i. monage éalisez le monage ci-dessous où e es l alimenaion sabilisée réglée sur environ e = 4,0 V e avec 0,2 H; = 100 nf e = 200 Ω. Vous pouvez uiliser un simple fil comme inerrupeur. v. caracérisique première Faies le monage précéden avec ransformaeur en prenan un condensaeur de capacié variable avec 0,1 µf e = 1,0 kω. églez le pour avoir une ension sinusoïdale u d ampliude environ 4 V e de fréquence d environ 1,0 khz. Visualisez les deux voies e simulanémen sur l oscilloscope. Meez l oscilloscope en mode (dans le menu du bouon Main Delayed ) En réglan la voie sur GND, nous visualisons = 0, ie. l axe des ordonnées. Il es alors possible de le décaler pour le cenrer par rappor à l écran. Il es possible de faire de même avec l axe des abscisses en faisan = 0. Mahieu igau e oscilloscope 7 / 10 e ii. acquisiion auonome Dans le menu mode, choisissez single : l oscilloscope ne fera qu une seule acquisiion sur oue la largeur de l écran e s arrêera auomaiquemen. À l aide du bouon level, choisissez la ension à parir de laquelle l oscilloscope devra commencer l acquisiion. Dans le menu du bouon Slope oupling l opion fai aendre une valeur monane, alors que l opion fai aendre une valeur descendane. Mahieu igau e oscilloscope 8 / 10

5 Faies une acquisiion. Modifiez (si besoin es) l origine emporelle de l acquisiion à l aide du bouon delay. Imprimez l écran final à parir du menu du bouon Prin Uiliy 3 ) Muliplier les phénomènes uniques i. avanage, inconvéniens e méhode nouvelle avanage indéniable de la méhode précédene es convenir à ous les phénomènes uniques. es inconvéniens son qu elle nécessie un oscilloscope à mémoire, un bon coup de main e un peu de chance. es pourquoi ici nous allons uiliser une aure méhode : uiliser un avec une ension recangulaire de valeur minimale nulle e de valeur maximale 4,0 V. Quand la ension du vau 4,0 V, le circui es équivalen au schéma de la figure 1 : le circui es en régime ransioire. orsque la ension es nulle, le circui es équivalen au schéma de la figure 2, le condensaeur se décharge. e figure 1 figure 2 observaions ii. éalisez le monage ci-dessous avec les mêmes valeurs pour les composans que précédemmen. Aenion, les voies de l oscilloscope on changé. églez le pour qu il délivre une ension recangulaire de valeur minimale nulle e de valeur maximale d environ 4,0 V. En fai l oscilloscope adape son balayage (il se synchronise) sur une ension pariculière qui es appelée la «source» du «rigger». ela peu êre, au choix, la voie (H1), la voie (H2), la ension d alimenaion uém (INE) ou une ension exerne (ET). Dans ous les cas, l oscilloscope aend que la ension sélecionnée passe par une valeur déerminée (mais pas forcémen connue de l uilisaeur). es pourquoi, si le signal es bruié, la valeur sera aeine de manière aléaoire e l affichage ne sera pas sable. De même, si le signal n aein jamais la valeur aendue, l oscilloscope n affichera rien. Appuyez sur le bouon source e choisissez la voie 2 comme référence pour la synchronisaion. Augmenez la ension de synchronisaion (bouon level ) jusqu à aeindre les oscillaions e observez. Sélecionnez la voie puis la voie INE comme source de synchronisaion e observez. Il fau oujours sélecionner la ension la plus «propre» comme source de synchronisaion. Quand aucune des deux voies n es saisfaisane, on uilisera la synchronisaion exerne en prenan comme ension de synchronisaion la ension de sorie TT du uilisé. Synchroniser sur le seceur perme d êre sûr de voir quelque chose. Débranchez momenanémen le circui du e affichez sur les voies e respecivemen les sories oupu 50 Ω e oupu TT du. Modifiez les différenes caracérisiques du signal (fréquence, ampliude, offse,...) e observez les répercussions sur la ension TT. Pour synchroniser sur ce signal «propre» il fau relier la sorie TT du à l enrée ET de l oscilloscope e choisir la synchronisaion ET. Savoir résoudre rapidemen des problèmes de synchronisaion perme de gagner beaucoup de emps lorsqu il exise une erreur qui, au final, n es pas dans le monage. K emarque : lors de l uilisaion du bouon auoscale, l oscilloscope modifie quasi sysémaiquemen la voie de synchronisaion, ce qui peu êre source de dérangemen. 4 ) elevés de mesures Ajusez la fréquence du e la sensibilié horizonale du l oscilloscope pour observer sur l écran, e dans les meilleures condiions possibles, au moins une du (e pas une demi-) de elle sore que sur chaque demi-, le signal de la voie ai ou juse aein son régime permanen. ebranchez le au monage. Faies en sore de ne visualiser qu une demi du signal avec un régime ransioire el qu il y ai au moins une dizaine d oscillaions nees; il faudra pour cela diminuer la valeur de la résisance. À l aide des curseurs accessibles avec le menu du bouon ursor : mesurez la différence de ension enre les maxima e le régime permanen; vérifiez qu il y a bien une durée consane enre 2 maxima successifs; pour cela il sera rès praique de déplacer les deux curseurs en même emps; relevez la fréquence correspondan à ces oscillaions. U 1 = U 2 = U 3 = iii. manipulaions quelques Si vous n avez pas eu de problème pour sabiliser l affichage de l écran, vous avez eu de la chance. ar remarquez que, sauf cas rès pariculiers, le signal affiché ne commence pas à gauche de l écran au momen où il s es erminé à l exrémié droie de l écran. Auremen di, enre la fin d un balayage e le débu du suivan, l oscilloscope a aendu «un cerain emps». E si ce «cerain emps» n es pas (ou mal) adapé, alors il es possible que l affichage ne soi pas sable ou ce qui es plus perurban qu il n y ai pas d affichage du ou! Mahieu igau e oscilloscope 9 / 10 U 4 = U 5 = U 6 = = f = Mahieu igau e oscilloscope 10 / 10

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