TP 6 initiation à l utilisation d un oscilloscope numérique Objectifs : - Le but de cette manipulation est de connaître les fonctionnalités d un oscilloscope numérique Tektronix TDS (210 ou 1001B) bicourbe, monochrome afin de pouvoir l utiliser dans les prochains cycles de TP. I Description de l appareil : Un oscilloscope numérique s utilise exactement de la même manière qu un oscilloscope bicourbe cathodique. On y trouve les bornes et boutons traditionnels : les bornes BNC, notées CH1 et CH2, correspondant aux voies (1) et (2). Les boutons de position de chaque voie permettant de positionner verticalement chaque signal, C11 et C21. Les boutons de sensibilité de chaque voie, C12 et C22, permettant de choisir l échelle verticale. Les valeurs de sensibilité s affichent sur l écran. Le bouton de position horizontale A1. La valeur fixée apparaît sur l écran pendant un temps limité. Le bouton de base de temps A2. La valeur fixée apparaît sur l écran. On y trouve des boutons-menus regroupés dans deux endroits de la façade de l appareil. A chaque appui sur l un de ces boutons, un menu apparaît sur la droite de l écran et la sélection dans le menu se fait grâce aux boutons notés de B1 à B5. Il y a les boutons liés aux signaux visualisés sur les voies : CH1 MENU : permet d effectuer les réglages de la voie 1 : couplace CC, AC, masse, inversion du signal, etc. CH2 MENU : même chose pour la voie 2. MATH MENU : permet d effectuer des opérations mathématiques entre les deux signaux : addition, soustraction, etc. Il y a les boutons utilitaires dont voici quelques-uns des plus usités : MESURE : permet de faire apparaître sur l écran la valeur des caractéristiques des signaux : tension efficace, amplitude, fréquence, période, valeur moyenne, etc. CURSEURS : fait apparaître sur l écran deux curseurs horizontaux ou verticaux destinés à la mesure de décalage temporel, d amplitude, etc. AFFICHAGE : permet notamment de sélectionner le mode habituel Y(t) ou le mode XY (utile pour la figure de Lissajous). SAUV./RAP : fait apparaître le menu de sauvegarde des données et de copie d écran. 21
TP 6 initiation à l oscilloscope numérique boutons -menus utilitaires A3 B1 B2 C11 C21 A1 C12 C22 A2 B3 B4 B5 port USB boutons -menus des signaux Copie d écran : La copie d écran se fait différemment selon que l on utilise un TDS1001B ou un TDS 210 : TDS1001B : la sauvegarde de l image de l écran se fait sur une clé USB introduite dans le port USB de l appareil. Une fois les images stockées, il vous sera demandé de les insérer dans un fichier Word. TDS210 : La sauvegarde se fait par l intermédiaire d une liaison RS232 avec le PC de votre paillasse. Dans le logiciel «open desktop choice», il suffit de cliquer sur «Afficher écran», puis de l enregistrer en format jpeg. Les images seront ensuite insérées dans un fichier Word. Matériels : Un oscilloscope numérique TDS 210 ou 1001B. Une clé USB pour les utilisateurs du TDS 1001B. Un générateur de tension continue réglable 0-20 V. Un multimètre. Trois adaptateurs BNC-banane. Un GBF. Une platine de branchement. Une résistance de 1 kω. Un condensateur. Une diode à jonction. 22
II Manipulations : II 1 : Réglages préliminaires : Sélectionner la voie 1 en appuyant sur CH1 MENU. Choisissez en appuyant sur B1 le couplage masse. Une ligne horizontale doit alors apparaître sur l écran. A l aide de la molette C11, superposer le signal obtenu sur la ligne centrale de l écran (ligne 0 V). Le réglage peut être très précis puisque la valeur de la tension apparaît en temps réel sur l écran. Répéter les mêmes opérations pour la voie 2 en appuyant sur CH2 MENU. Les voies sont alors réglées. Enlever la voie 2 en appuyant deux fois sur CH2 MENU. II-2 : Visualisation d une tension continue : Réaliser le montage suivant comprenant un générateur de tension continue réglable, un voltmètre numérique et l oscilloscope. CH1 et la «masse» représente symboliquement les branchements sur la voie 1 de l oscilloscope. CH1 représente la borne rouge de l adaptateur BNC branché sur la voie 1 et «masse» la borne noire. V G - + masse CH1 Régler le générateur sur 3 V. Revenir sur CH1 MENU et choisir le couplage approprié pour visualiser une tension continue à l aide de B1. A l aide de la molette C12, afficher une sensibilité de 1 V / div. Appuyer sur MESURES et choisir grâce à B1 la voie CH1. Appuyer sur B2 et sélectionner type «max» (valider si nécessaire en appuyant sur B5 «retour»). Copier l image de l écran sur la clé USB. Pour cela, appuyer sur le bouton PRINT. Pour les utilisateurs du TDS210, à partir du logiciel du PC, cliquer sur «afficher écran» puis enregistrer l image en format jpeg. Question 1 : A quelle valeur correspond la valeur «max» affichée? 23
II-3 : Visualisation d une tension alternative sinusoïdale : Réaliser le montage suivant comprenant un Générateur Basse Fréquence (GBF), un voltmètre numérique et l oscilloscope. V ~ Réglages GBF : - f = 1 khz - amplitude maximale masse CH1 Choisir le bon couplage (B1). Choisir une sensibilité adaptée (C12). Noter sa valeur. Choisir une base de temps (A2) adaptée (il faut visualiser au minimum une période entière). Question 2 : Donner une estimation de la valeur : de l amplitude de la valeur efficace (= amplitude/ voltmètre. de la période de la fréquence 2 ) à comparer à la valeur affichée par le Appuyer sur MESURES pour afficher certaines valeurs caractéristiques. Pour cela, à chaque fois que vous appuyez sur l un des boutons B1 à B5, il faut choisir la voie (choix source) et sélectionner le type de mesure (efficace, max, etc.) avant de valider en appuyant en face de «retour» (B5). B1 : sélectionner «max» B2 : sélectionner «fréq.» B3 : sélectionner «periode» B4 : sélectionner tension crête-à-crête : «C-C» B5 : sélectionner «efficace» Question 3 : comparer les valeurs de l amplitude, de la tension efficace, de la période et de la fréquence à celles que vous avez estimées dans la question 2. Fixer une amplitude de 3 V et une fréquence de 2500 Hz à l aide des valeurs affichées par l oscilloscope en mode MESURES. Adapter la sensibilité de la voie et la base de temps. 24
II-4 : Visualisation d une tension alternative triangulaire : Choisir un signal triangulaire de fréquence 1000 Hz et de tension crête-à-crête 10 V. Adapter la sensibilité de la voie ainsi que la base de temps. Question 4 : A partir du signal visualisé sur l écran, estimer la valeur de la pente positive du signal triangulaire. Pour déterminer la valeur d une pente, on peut aussi utiliser le menu du bouton CURSEURS : Appuyer sur CURSEURS. Choisir source CH1 et type : temps (les curseurs seront alors verticaux et permettront de mesurer durée Δt entre eux. En choisissant l autre type, les curseurs sont horizontaux et on mesure alors un ΔV entre eux). Deux curseurs apparaissent alors sur l écran. Chacun peut être déplacé en le sélectionnant (bouton B4 ou B5) puis en tournant le bouton multifonctionnel A3. Placer les curseurs comme suit : curseur 1 curseur 2 Question 5 : A l aide des indications qui apparaissent sur l écran, déterminer la valeur de la pente positive du signal. Enlever les curseurs de l écran en appuyant sur B1 et en sélectionnant «aucun». II-5 : Visualisation d une tension alternative rectangulaire : Fixer une tension rectangulaire d amplitude 4 V et de période 5.10-4 s. Question 6 : Quel couplage CC ou CA est adapté pour un tel signal? Justifier. 25
II-6 : Visualisation de deux signaux : II-6-1 : Utilisation du menu MATH MENU : Réaliser les réglages nécessaires pour que le GBF délivre un signal triangulaire symétrique alternatif de fréquence f = 500 Hz et d une valeur crête à crête de 10 V. Réaliser le montage suivant : CH1 CH2 Faites vérifier le montage avant toute mise sous tension Appuyer sur CH2 MENU pour que le signal de la voie 2 (u) se superpose au signal de la voie 1 (u g ). Copier les oscillogrammes de u g (t) et u(t) ; préciser clairement le couplage des deux voies de l oscilloscope. A l aide du bouton MATH MENU, faire apparaître le signal de tension aux bornes de la diode u D. Indiquer clairement la procédure suivie sur la face avant de l oscilloscope pour obtenir u D en justifiant. Enlever le signal MATH MENU en appuyant deux fois sur cette touche ainsi que le signal de la voie 1. Appuyer sur CH2 MENU et à l aide de B5, sélectionner inverser : activer. Faire une copie d écran. Question 7 : Quelle opération est réalisée sur la voir lorsqu on sélectionne inverser activer? Désactiver «l inversion» de la voie 2. II-6-2 : Détermination d un déphasage : Soient deux tensions de même fréquence : u 1 (t) = U 1. 2.sin(ωt) et u 2 (t) = U 2. 2 sin(ωt + ϕ) 26
ϕ représente le déphasage de la tension u 2 (t) par rapport à u 1 (t). Mettre en série un GBF, la résistance R et le condensateur C. Sur la voie 1, on visualisera la tension délivrée par le GBF, sur la voie 2, la tension aux bornes du résistor. Fixer une fréquence de 1000 Hz et une amplitude de 5 V. Les sensibilités et la base de temps devront être correctement choisies. CH1 GBF CH2 1 ère méthode : Mesure à l oscilloscope bicourbe. Les deux sinusoïdes observées à l écran étant centrées sur la même horizontale, on règle la base de temps pour qu une période occupe la totalité de l écran. U (V) τ T t(s) A l aide du bouton CURSEURS, mesurer la valeur du décalage temporel τ. Faire une copie d écran sur lequel doivent apparaître les curseurs correctement positionnés. Question 8 : Calculer le déphasage entre les deux signaux : ϕ (rad) = 2π. T! 27
2 ème méthode : mesure à l oscilloscope monocourbe (figure de Lissajous). Passer en mode XY sur l oscilloscope à l aide du bouton AFFICHAGE. Choisir mode XY. Le mode XY permet d afficher la courbe donnant la tension de la voie 2 en fonction de la tension de la voie 1. Autrement dit, dans le cas considéré, u = f (u g ). Pour deux tensions sinusoïdales observées en bicourbe, et pour un déphasage ϕ quelconque, la figure obtenue en monocourbe est une ellipse puisque l on a : X = a.sin(ωt) Y = b.sin(ωt + ϕ) A M O A M L ordonnée du point M correspond à l ordonnée maximale, soit pour ωt = kπ. La longueur OM vaut donc b. sinϕ. D autre part, l ordonnée de A correspond à Y = b. La longueur OA vaut donc b. On en déduit alors l expression du déphasage : Sinϕ = OM OA = MM' AA' Question 9 : Calculer le déphasage entre les deux signaux. Question 10 : Calculer la valeur théorique du déphasage : tan -1 ( Comparer les valeurs expérimentales avec la valeur théorique. 1 R C! ) avec! = 2.!.Fréquence III- Conclusion : Faire un résumé des différentes fonctions de l oscilloscope numérique utilisé. 28