Activité expérimentale : Caractéristique Objectifs : - (16) Définir la nature de la mesure effectuée (valeur efficace, valeur moyenne, amplitude, valeur crête à crête, ). - (17) Visualiser la caractéristique d un capteur à l aide d un oscilloscope numérique ou d une carte d acquisition. - (18) Obtenir un signal de valeur moyenne, de forme, d amplitude et de fréquence données. - (19) Gérer, dans un circuit électronique, les contraintes liées à la liaison entre les masses. - (57) Étudier la caractéristique d un dipôle pouvant être éventuellement non-linéaire et mettre en œuvre un capteur dans un dispositif expérimental. Liste du matériel : - GBF - Oscilloscope - 2 multimètres + notices - Pinces crocodiles et fils - Résistances - Diode - Transformateur d isolement Vidéo sur le sujet : http://youtu.be/w11mdlpzohg 1. Manipulation du matériel électrique Prise en main du GBF et de l oscilloscope 1. Régler le GBF de façon à obtenir un signal sinusoïdal de fréquence 1,25 khz. 2. Connecter le GBF à l oscilloscope : brancher le câble coaxial sur l entrée coaxiale de la voie 1 (CH1) ou de la voie 2 (CH2). 3. Faire les premiers réglages nécessaires de l oscilloscope. 4. Régler l amplitude du signal pour avoir une amplitude crête à crête de 1,4 V en comptant le nombre de carreaux verticaux et en utilisant la sensibilité verticale. Utiliser un calibre adapté! Le signal doit occuper tout l écran et on doit observer 2 à 3 périodes. 5. Vérifier la valeur de l amplitude crête à crête à l aide des curseurs (dans le Menu «cursors»). Attention au choix de la source (CH1 ou CH2) pour les curseurs. 6. Vérifier la fréquence en utilisant les curseurs verticaux de l oscilloscope. 7. Vérifier l amplitude crête-à-crête et la fréquence à l aide des mesures automatiques (dans le Menu Mesure). Attention au choix de la source (CH1 ou CH2) pour les mesures automatiques. 8. Ajouter sur le GBF une composante continue (offset) de 0,5 V. Observer l effet sur l oscilloscope. 9. Mesurer la valeur moyenne, l amplitude crête-à-crête et la fréquence du signal à l aide des mesures automatiques. 10. Modifier la forme du signal (créneau, triangle). 11. Observer un signal sinusoïdal de fréquence 1 khz avec composante continue (Offset). Mettre la voie 1 en mode AC et la voie 2 en mode DC.
2. Caractéristique Déterminer et mettre en œuvre quatre protocoles expérimentaux (dont tracer de caractéristique et mode XY de l oscilloscope) permettant de déterminer la valeur de la résistance d un résistor. Déterminer les incertitudes sur les mesures. Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de tracer de façon dynamique avec l oscilloscope la caractéristique d une diode.
Annexe 1 : Présentation du matériel en électricité 1. Câbles, sécurité a. Câbles et fiches En TP, on se servira très souvent des câbles coaxiaux, la tension en un point de ce câble (par exemple, à l extrémité qui se branche sur les bornes BNC des oscilloscopes ou des GBF ) est la différence de potentiel entre le potentiel de la borne intérieure et le potentiel de la borne extérieure (qui est reliée à la masse des appareils électriques, cf plus loin). De manière générale, vous utiliserez de préférence les câbles coaxiaux car c est le matériel qui vous sera proposé au concours. Dans les cas où vous utiliserez des «fils bananes», vous vous efforcerez de respecter le code couleur suivant : fils noirs = masse ; fils rouges / bleus = signal. Il permettra à vous et à votre correcteur un repérage plus direct de votre circuit. Il existe des adaptateurs BNC banane pour brancher des fils bananes aux bornes BNC des GBF et des oscilloscopes via les adaptateurs. b. Masse et Terre Généralités Le potentiel électrique est une grandeur définie à une constante près. Il faut donc choisir une origine des potentiels. Cela revient à choisir un point du circuit auquel on affecte par convention le potentiel zéro. Ce point est la masse du circuit. La surface de la Terre est un conducteur, et son potentiel est constant sur toute sa surface : c est la terre. Prise de secteur EDF délivre une tension sinusoïdale de fréquence 50 Hz et de valeur efficace 220 V entre un conducteur appelé phase (P) et un deuxième conducteur appelé neutre (N). EDF relie le conducteur N à la Terre (point T) ce qui assure une différence de potentiel (ddp) voisine de zéro entre N et T. Attention aux problèmes de masse La majorité des appareils utilisés (voltmètre, générateur, oscilloscope) possèdent une borne appelée masse représentée par le symbole. Ces masses sont reliées à la prise de terre ( ) lorsque la prise de l appareil en comporte une (et sont donc toutes reliées entre elles par l intermédiaire de la prise de terre). Il faudra donc faire attention que toutes les masses soient reliées entre dans les montages! Il est demandé d utiliser toujours des fils noirs pour reconnaître les fils de masse. 2. Générateur basses fréquences (GBF) Les GBF permettent de réaliser des signaux sinusoïdaux, triangulaires et rectangulaires de fréquence variable. Fonctions :
- (1) choix de la forme du signal (créneau, triangle, sinusoïdal) - FREQUENCY (2) : Les touches poussoirs permettent de choisir les gammes de fréquence par multiples de 10. - Quand tous les boutons (1) et (2) sont en position levée, le GBF délivre une tension constante. - SWEEP (3) : réglage fin de la fréquence. - LEVEL (4) : règle l amplitude du signal. - DC OFFSET (5) : en position poussée, cette commande est inactive. En position tirée, elle permet par rotation d ajouter une composante continue. 3. Oscilloscope a. Réglage des paramètres verticaux Réglage du «zéro» Afin de déterminer correctement les caractéristiques du signal étudié (amplitude, fréquence...) il faut connaître la position du «zéro du signal». Afin de positionner le «zéro du signal» judicieusement par rapport aux graduations de l écran, on applique une tension nulle aux bornes des plaques de déviation de l oscilloscope, en pratique on se place sur le mode «GND» (Ground ou Terre) sur la voie choisie (CH1 Menu ou CH2 Menu) et on règle la position de la trace avec le bouton de positionnement vertical de la voie (1). Réglage du calibre On peut régler le calibre vertical de chaque voie indépendamment avec les boutons (2) et (3), ce réglage se fait par valeur discrète. Le calibre est indiqué en mv ou V par division de l écran sur l écran de l oscilloscope. Modes d affichage d une voie Le choix du mode d affichage se fait dans le Menu de CH1 ou de CH2 - Mode DC : L oscilloscope affiche la totalité du signal (sa composante continue et sa composante variable). - Mode AC : L oscilloscope n affiche que la composante variable du signal. On se placera toujours en mode DC sauf dans des cas exceptionnels. Modes d affichage des deux voies - Mode CH1 ou mode CH2 : l oscilloscope affiche la voie 1 et/ou la voie 2. - Mode XY : à l écran, on observe la tension appliquée sur la voie CH2 (Y) en fonction de la tension appliquée sur la voie CH1 (X). (cf Annexe)
b. Base de temps La base de temps peut être réglée (4) par valeur discrète, le calibre est affichée sur l écran de l oscilloscope en s (ou ms ou μs)/div. c. Curseurs Avec le mode «Cursors» vous pouvez mesurer un temps entre deux curseurs verticaux ou bien une amplitude entre deux curseurs horizontaux. d. Mesures Avec le mode «Measure» vous pouvez faire faire des mesures à l oscilloscope comme la période, la fréquence, l amplitude e. Synchronisation Le signal visualisé à l écran est la superposition des traces produites au cours des balayages successifs. Le balayage en dents de scie implique que la trace se forme entre t1 et t1 + T puis entre t2 et t2 + T... Pour obtenir une seule trace sur l écran, il faut que les instants t1, t2,... correspondent rigoureusement au même point du signal. On dit alors que la base de temps est synchronisée avec le signal que l on étudie.