Structure interne simplifiée d un oscilloscope 1
Méthodologie d utilisation et mesure Avant de visualiser n importe quel signal { l oscilloscope il faut d abord : Faire apparaître les deux traces lumineuses sur l écran. Faire des préréglages. Ensuite visualiser le signal à tester. Et enfin effectuer des mesures. I. Apparition des deux traces lumineuses sur l écran : Pour faire apparaître les deux traces lumineuses sur l écran de l oscilloscope on suit les étapes suivantes : 1. Relier l oscilloscope au réseau local. 2. Mettre l oscilloscope sous tension (position marche on), si le voyant témoin ne s allume pas on vérifie le fusible. 3. Après quelques secondes les deux traces horizontales apparaîtront sur l écran si non il faut chercher le spot : En agissant sur le bouton intensité. En vérifiant le mode de déclenchement et l utilisé en mode automatique, automatiquement les deux traces apparaîtront car si c est le mode normal qui est utilisé et si la tension de seuil choisie est supérieure (ou inférieure) à la valeur maximale (ou minimale) atteinte par le signal, il n y aura pas de balayage sur l écran. En déplaçant les positions horizontales et verticales des deux voies. II. Procédure de préréglages : Vérifier qu aucun des poussoirs n est enfoncé, leurs positions seront modifiées en fonction de l utilisation. A l aide d un petit tournevis on règle l horizontalité de la trace lumineuse en agissant sur la commande trace rotation. Pour restituer le signal à visualiser sans déformation il faut calibrer l oscilloscope { l aide d un calibrateur, ce dernier est un générateur intégré qui délivre un signal carré qu on Applique sur l une des deux voies et qu on centre puis on commute l entrée en position DC. Utiliser des câbles blindés Pour la connexion pour éliminer les signaux parasites, si non utiliser une sonde qui doit être adapté { l impédance d entrée 2
de l amplificateur vertical afin de restituer le signal sans distorsion et cela sera réalisé par le calibrateur en branchant la sonde { l entrée YI,en mettant le commutateur de couplage sur CC,l atténuateur d entrée sur 5mV/div et la vitesse de balayage sur 0,2ms /div ; { l aide D un tournevis on règle la sonde jusqu'à ce que les crêtes du signal carré soient parallèles aux graticules horizontales. Centré le trait lumineux { l aide du bouton qui commande le déplacement vertical. Laisser en permanence un balayage de l écran et régler le bouton de luminosité aux trois quarts environ pour éviter la détérioration de la couche phosphorescente.de l écran, si un seul point apparaît (spot) il y a risque de brûlure de l écran. Donner au trait lumineux une épaisseur aussi fine que possible en utilisant le bouton de focalisation. S assurer que les verniers des 2 voies et de la base de temps sont en position calibrée. A l entrée, le signal passe par un atténuateur qu il convient de protéger en se positionnant sur le calibre le plus élevé quand on ne connaît pas la valeur de l amplitude du signal. III. Visualisation du signal : 1. Phénomène de balayage : Le spot est animé d un mouvement rectiligne uniforme de la gauche de l écran vers sa droite grâce à un circuit, appelé base de temps, qui applique une tension périodique (tension de balayage), en dent de scie aux plaques déviatrices verticales. 3
u. 1 er parcours 2 ème parcours tension en dent de scie La persistance rétinienne donne l impression de voir un trait lumineux horizontal si la vitesse du spot est plus grande. Après chaque période, la tension produit un brusque retour du spot vers la gauche ; pendant ce retour la luminosité du spot est supprimée. 2. Application des tensions : Pour visualiser un seul signal, on l applique sur l une des 2voies YI ou YII. Pour visualiser deux signaux, on les appliquent sur la voie YI et la voie YII, puis on enfonce la touche (YI et YII) ; l affichage se fait soit : a) En mode alterné :(touche (YI et YII ) enfoncée et touche (YI + YII) relâchée) : Pendant un balayage (un parcours) le signal da la voie YI est dessiné, pendant le balayage suivant c est le signal de la voie YII qui est dessiné, ainsi de suite c'est-à-dire que les deux signaux se dessinent alternativement à chaque balayage. Grâce { la persistance rétinienne l observateur voit simultanément les deux courbes. Ce mode de fonctionnement est inapproprié pour les phénomènes lents (basses fréquences) car l image sautille ou scintille fortement. b) En mode découpé : (touches (YI et YII ) et (YI + YII) enfoncées) : Pendant un balayage, il ya une multitude alternance des voies YI et YII. Ce mode de fonctionnement s utilise pour les basses fréquences afin de ne pas voir le découpage des traces à hautes fréquences. La trace lumineuse en mode découpé peut s élargir, pour y remédier le réglage suivant est nécessaire : Mettre le commutateur de couplage sur la masse, la sensibilité horizontale sur 2μs/div, la focalisation sur netteté optimale, luminosité en butté droite et { l aide des deux boutons (Y. Pos) une trace lumineuse sera placée { + div et l autre { div par rapport à l axe horizontale centrale. Après ce réglage la touche (YI + YII) sera enfoncée et ressortie plusieurs fois. 4 t
Base de temps Base de temps 3. Synchronisation de la base de temps : La synchronisation permet de stabiliser les courbes sur l écran. a) Mode relaxé de la base de temps : En mode relaxé le balayage s effectue sans interruption. Si la fréquence du balayage n est pas égale ou multiple de la fréquence du signal, le départ du spot diffère d un balayage { l autre et on voit un dédoublement de la trace : l image est instable sur l écran. U t b) Mode déclenché de la base de temps : 5
Un système de déclenchement permet le déclenchement de la base de temps d une façon synchrone avec le signal, afin que le spot lumineux démarre toujours au même endroit du signal d où une image stable. En mode déclenché le balayage n aura lieu que lorsque la tension du signal atteint une certaine valeur nommée seuil de déclenchement. Le déclenchement peut être sur une pente ascendante ou descendante { l aide de la touche u u Pente pente ascendante descendante t t c) Sélection du mode de déclenchement Déclenchement automatique : (touche AT/NORM relâchée) : 6
La base est automatiquement déclenchée, le seuil de déclenchement est compris entre Umax et -Umax du signal. Ce mode fonctionne pour des fréquences supérieurs à 20 Hz et il est préférable surtout si le signal de mesure est inconnu ; on prérègle amplitude et période, ensuite on peut passer au déclenchement normal. En associant le déclenchement alterné (touche ALT enfoncée) au déclenchement automatique, le bouton niveau(avec quoi on règle le seuil de déclenchement) est inefficace et la tension seuil est égale à zéro. Déclenchement normal ou manuel : (Touche AT/NORM enfoncée) L utilisateur choisit manuellement le seuil de déclenchement { l aide du bouton trigger level ; si ce seuil est en dehors de l intervalle (-Umax, Umax) du signal, alors ce dernier disparaîtra de l écran. d) Sélection de la source de déclenchement : la base de temps est déclenchée soit sur : L entrée YI (touche YI/II relâchée). L entrée YII (touche YI/II enfoncée). Un signal extérieur synchrone avec le signal visualisé, envoyé sur l entrée de déclenchement externe (connecteur BNC) avec la touche (DELL.EXT) enfoncée. Ce type de déclenchement est recommandé lorsque la tension est trop petite pour bien déclencher l oscilloscope. Déclenchement alterné :( les deux touches (YI et YII ) et (ALT) sont enfoncées) : Il permet l affichage de deux signaux de fréquences différentes (asynchrones), Dans ce cas la synchronisation de la base de temps se fait alternativement par YI et YII. Il ne faut pas utiliser le déclenchement alterné lorsque les deux signaux ont même période car il ne respecte pas le décalage temporel entre eux et le déphasage apparaîtra comme nul. e) Sélection du couplage de déclenchement : Le mode de couplage est choisi par le commutateur Decl : CC : la plage de fréquence est [0 ;100 MHz] : A utiliser - Si le signal contient une composante continue qu il faut faire apparaître. 7
-Pour visualiser des signaux logiques et d impulsions surtout si le rapport cyclique varie constamment si non l image se déplacera vers le haut ou vers le bas à chaque modification. - Pour un déclenchement sur un niveau précis. - Si les signaux ont très basses fréquences. - Si les tensions > 400 V sont entrées par le biais de la sonde. En CC, il faut toujours travailler avec déclenchement normal et réglage du niveau. AC : la plage de fréquence est [20 Hz ;100 MHz], seule la composante variable du signal est conservée pour la synchronisation. A utiliser si la composante variable a de faible amplitude par rapport à la composante continue. BF : la plage de fréquence est [0 ;1,5 MHz] Le mode BF est mieux adapté que le mode CC en raison d atténuation très forte du bruit surtout si les tensions d entrée sont très petites. En ce mode seule la composante basse fréquence du signal est conservée pour la synchronisation. TV : déclenchement sur signal vidéo. IV. Mesure de déphasage : 1. Exploitation de l oscilloscope. -Les réglages du niveau zéro de la tension doivent être refaits lors de chaque modification de la sensibilité. -Pour être exploité correctement, un signal doit toujours occuper la plus grande place possible sur l écran, aussi bien horizontalement que verticalement. - L étalonnage en tension de l appareil ne sera correct que si la fréquence du signal est inférieure ou égale à la bande passante de l oscilloscope, pour une haute précision il faut qu elle soit inférieure 10fois. -En mode xy la bande passante de l oscilloscope diminue. -En mode xy on choisit le mode : Alterné pour des fréquences >1KHZ. Découpé pour des fréquences <1KHZ. 8
-Lorsque la durée à mesurer est relativement petite par rapport à une Période de signal complète, on dilate le temps { l aide du poussoir( EXPans.X10) ; les valeurs de temps obtenues doivent être divisées par 10. -Si la trace s assombrit très fortement au moment de l application du signal ; il se peut que la période du signal de mesure soit beaucoup plus longue que la sensibilité horizontale ; dans ce cas tourner le commutateur temps/div sur la gauche pour avoir une base de temps plus lente. 2. Incertitude sur la mesure : Soit X la grandeur à mesurer (X une tension ou temps). ΔX = ΔXe +ΔXL Avec : ΔX est l incertitude sur X. ΔXe =n %.X est l incertitude d étalonnage. n% est donné par le constructeur. ΔX est l incertitude de lecture. L ΔX =X (n% +1/Nx ). NX est le nombre de divisions associé à X D après l expression de X on aura une meilleure précision pour la plus grande déviation. 3.Manipulation : Réalisons le montage suivant : YI C=47nF u1(t) GBF L=40mH r=8.7ω R=2kΩ u2(t) Les deux tensions u1(t) et u2(t) sont sinusoïdales de mêmes périodes. On choisit u1(t) comme tension de référence, donc on écrit : u1(t) = u1max cos ωt et u2(t) = u2max cos (ωt +φ) 9
On propose de mesurer le déphasage φ par deux méthodes : a) Méthode directe : La visualisation de u1 et u2 est faite en mode bicourbe (touche(yi et YII) enfoncée, et touche XY ressortie). On choisie le mode adéquat pour stabiliser les signaux, puis on ajuste la base de temps pour afficher une période en plein écran tout en vérifiant le calibrage, ou pour plus de précision, on utilise la méthode des 9carreaux qui consiste à dé calibrer la base de temps (agissons sur le vernier) sur 9 divisions, alors une division correspond à 20. Afin d obtenir une intersection nette avec l axe horizontal, les courbes seront dilatées au maximum dans le sens vertical, le calcul de φ se fera { partir du nombre de divisions séparant 2 passages successifs à 0V des tensions pour des fronts de même nature (ascendants ou descendants). Remarque : En utilisant les maximas des sinusoïdales la mesure de φ n est pas précise car il est difficile de repérer le maxima des sinusoïdes. 10
On a : Si Nτ et NT sont les nombres de divisions respectivement associés { τ et T et lus sur l écran, on écrit : L incertitude de lecture sur φ est : L incertitude sur est : Tableau de mesure : On varie la fréquence du signal de GBF puis on mesure le déphasage Entre u1 et u2. F(kHz ) 0.5 1 2 2.5 3 82.8 72 50.4 36 21.5 4.4 4.3 4.1 4.9 5.7 On voit que l incertitude augmente lorsque le déphasage diminue. b)la méthode de Lissajous : obtenue en mode XY. L utilisation en mode Lissajous permet de mettre le signal de la voie YI (entrée X) sur l axe horizontal et le signal de la voie YII sur l axe vertical (entrée Y). En général on voit sur l écran de l oscilloscope une ellipse qui ne dépend pas du temps. Cherchons l équation mathématique de cette ellipse : 11
Posons x=cosωt et y= b cos(ωt+φ) Cosωt = et y=b cosωt.cos φ - b sinωt.sin φ Cos 2 ωt = et sin 2 ωt = Cos 2 ωt + sin 2 ωt = + = 1 + ( Equation d une ellipse Cas particulier : - Si = 0 l équation devient : pente positive. c est l équation d une droite de - Si : c est l équation d une droite de pente négative. - Si et a = b : X 2 +Y 2 =a 2 équation d un cercle. D après le schéma ci-dessous : 12
A A = 2OA =2XA : A correspond au maximum des valeurs prises par X ; donc XA = a B B = 2OB =2XB : B est sur l axe des X ; donc YB =0 Alors Enfin : sin = Remarque : si : sin( Calcul de l incertitude de lecture : = tan ( ) 13
L incertitude sur est : = tan ( = tan ( Tableau de mesure : F ( khz) 0.5 1 2 2.5 3 77.16 71.80 49.68 36.86 20.48 6.4 4.5 1.9 1.4 0.8 Lorsque augmente l incertitude sur augmente aussi. Conclusion : pour mesurer le déphasage { l oscilloscope et avec une plus grande précision, on utilise l ellipse de Lissajous pour, surtout pour ou,et la méthode directe pour. 14