OSCILLOSCOPES Numériques La partie pratique de ce TP, effectuée en salle de TP, sera divisée en trois parties. Les deux premières parties sont consacrées respectivement au couplage et à la synchronisation d un oscilloscope. La troisième partie a pour objet l utilisation d une sonde sur des exemples de mesure. Les mesures seront effectuées sur un oscilloscope numérique du type TDS3012, TDS2002, TDS2001, TDS202 ou TDS201 ous trouverez en fin de texte une feuille de synthèse de résultats à rendre en fin de séance. La numérotation de la feuille de synthèse correspond aux numéros de question. Les réglages des différentes voies de l oscilloscope TDS3012 se fait en sélectionnant le bouton menu de la déviation verticale puis en appuyant sur le bouton de la voie (CH1 ou CH2 ou MATH), Remarque : l'essentiel de tous les réglages s'obtient avec le bouton QUICKMENU. PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 1
A Base de temps et synchronisation d un oscilloscope L'objectif de cette partie est d'étudier les différents modes de déclenchement d'un oscilloscope. Le fonctionnement de ces modes de déclenchement est identique quelle que soit la génération des oscilloscopes. La maîtrise des différents modes de déclenchement fait partie des bases essentielles d'un utilisateur d'oscilloscope. ous trouverez en fin de texte une feuille de synthèse de résultats à rendre en fin de séance. A.1 Etude qualitative des modes AUTO et Manuel Les réglages du déclenchement se font dans le menu TRIGGER (colonne TRIGGER, bouton MENU), Remarque : l'essentiel de tous les réglages s'obtient avec le bouton QUICKMENU. Réglages préliminaires de l oscilloscope : - le type de déclenchement est sur Front (vidéo ou T est utilisé pour des signaux vidéo) - Mode de déclenchement sur AUTO - Source : CH : 1 - Couplage CC - Pente A.1.1 Synchronisation en mode AUTO 1) Injecter sur la voie CH1 de l oscilloscope, un signal sinusoïdal de fréquence 1kHz et d amplitude 2 crête à crête. Faire varier la commande LEEL (une barre horizontale ou une flèche indique le niveau du Level lors du réglage, la valeur exacte est affichée en bas à droite de l écran). Quel est l influence du niveau de déclenchement (Level) et dans quelle fourchette le régler pour obtenir une trace stable? 2) Après avoir obtenu une trace stable et en laissant le signal sur la voie CH1, synchroniser l oscilloscope sur CH2 (source sur CH2), que se passe t il? Comment agit le Level? 3) Stabiliser à nouveau la trace sur CH1, augmenter progressivement l'échelle de la déviation verticale de la voie CH1 (10/div ou plus). La trace est elle toujours stable? Pourquoi? 4) Injecter sur la voie CH2 la sortie SYNC du générateur. Comment choisir alors la source de déclenchement? A quoi sert la sortie SYNC du générateur (ou Sortie TTL sur certaines marques de générateur)? 5) Injecter sur CH1 un signal modulé en amplitude (AM) : Porteuse 100kHz, Modulant 1kHz, indice de modulation 50% (voir avec un enseignant pour les réglages). Synchroniser sur le signal CH1, faire varier le Level, puis synchroniser sur CH2 et faire varier le level. Conclure PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 2
6) Le signal d entée est à nouveau une sinusoïde de 1kHz. Le signal de synchronisation SYNC du générateur de fonction est branché sur l entrée Ext. Synchroniser l oscilloscope sur l entrée Ext. Augmenter la déviation verticale et comparer à la partie 3) 7) Diminuer la fréquence du signal à 100Hz puis à 10Hz et régler la base de temps de sorte à visualiser au moins 3 périodes complètes du signal. Observer l'influence du Level sur la synchronisation. Y a-t-il une limite de fonctionnement? A.1.2 Mode Normal Selon les oscilloscopes (différentes marques) ce mode peut s'appeler Normal, Trig, Déclenché ou Manuel Remarque préliminaire sur l'oscilloscope TDS3012: - "Déclenché" en haut de l'écran indique que la base de temps est déclenchée, - "Décl.?" indique que la base de temps de l'oscilloscope n'est pas déclenchée. Le signal sur CH1 est un signal sinusoïdal de fréquence 100Hz, la source de déclenchement est CH1, mode AUTO, la trace est synchronisée. 8) Diminuer la fréquence du signal à 100Hz puis à 10Hz et régler la base de temps de sorte à visualiser au moins 3 périodes complètes du signal. Lorsque le signal n est pas synchronisé passer en mode Normal 9) Observer l'influence du Level sur la synchronisation. Comparer dans chaque cas le fonctionnement entre le mode de déclenchement Auto et le mode Normal, observer l'influence du Level en : Augmentant fortement le level, Diminuer l amplitude du signal Changer le signal sinusoïdal en carré Rediminuer le level Tirer les conclusions sur l observation d un signal non synchronisé en mode normal. 10) Mettre un signal continu sur CH1 (utiliser le générateur de fonction en mode continu, la partie alternative est alors supprimée). Faire varier le niveau du signal continu lorsque l'oscilloscope est en mode Auto, puis en mode Normal. Conclure. PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 3
B Couplage AC/DC Injecter à l'entrée de l oscilloscope une sinusoïde de 1kHz, 2 crête à crête avec un offset de 1. 11) isualiser une trace stable et modifier le couplage d'entrée de la voie utilisée (DC puis AC). Relever un chronogramme dans les deux cas et expliquer les différences (amplitude et composante continue des signaux observés). 12) Régler la fréquence à 5Hz. Stabiliser la trace et comparer les signaux observés pour un couplage DC puis AC. 13) En faisant varier la fréquence du signal d'entrée, en déduire une plage de fréquence pour laquelle le couplage n'altère pas l amplitude du signal. 14) Injecter un signal rectangulaire de 5Hz de 2 crête à crête avec une composante continue de 1. Obtenir une trace stable pour un couplage DC puis AC. Comparer les amplitudes mesurées. L impédance d entrée de l oscilloscope peut être schématisée comme ceci : DC AC C Ce Re R e est généralement égale à 1 MΩ C e, de l ordre de la dizaine de pf, n a une influence que pour les hautes fréquences, cette valeur est en général indiquée sur l appareil. Figure 1 : Représentation de l'impédance d'entrée d'un oscilloscope Travail de préparation Lire le chapitre Identification d un système du 1 er Ordre du document «Méthodes générales de mesures en Travaux Pratiques» 15) En se plaçant en couplage AC avec un signal rectangulaire très basse fréquence, mesurer la constante de temps du circuit R e C ( ). En déduire la valeur de C. Conseil de mesure. Choisir une fréquence convenable pour mesurer le temps de montée entre 10% et 90% (voir document méthodes de mesures pour la mesure d'une constante de temps). Utiliser les curseurs en mode d affichage % pour mesurer 10% et 90% du signal. PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 4
C Mise en évidence des problèmes de mesure avec un oscilloscope-utilisation d une sonde 1/10ème C.1 Problèmes liés aux résistances (ou impédances) On souhaite faire des mesures sur un diviseur donné à la Figure 2. R A 1 R B 2 Figure 2 : Schéma du diviseur de tension. C.1.1 Travail de préparation : Donner la fonction de transfert 2 1 pour RA = R B = 750 kω. 2 ( jω) Calculer le module de la fonction dans le cas du circuit suivant : ( jω) 1 R A 1 R B R C 2 C.1.2 Travail demandé : Pour des signaux sinusoïdaux de différentes fréquences f = 100Hz et 10kHz: L amplitude du signal sera de quelques volts. 2 isualiser 2 et en déduire 1 à l aide de l oscilloscope dans le cas du circuit de la figure 2. Justifiez les valeurs mesurées en s appuyant sur la partie théorique. (NB : un câble coaxial a une impédance de environ 100pF/mètre) C.2 Utilisation d une sonde de tension. Le schéma de la sonde connectée à un oscilloscope est donné Figure 3. On remarque que la sonde est composée d une résistance et d un condensateur variable. C est en agissant sur la valeur du condensateur que la sonde peut être adaptée à l oscilloscope. Le condensateur doit être réglé afin que le circuit soit compensé. PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 5
R 1 Oscilloscope 1 C 1 Sonde 2 R 2 C 2 Figure 3 : Schéma d une sonde. C.3 Travail de préparation : Calculer la fonction de transfert j 2 ( ω) 1 ( jω) en fonction des éléments R 1, C 1, R 2 et C 2. Les fréquences de coupure seront exprimées en posant, R 2 =k R.R 1 et C 2 = k C.C 1. Donner les différents diagrammes asymptotique de Bode pour kr < 1, kr > 1 et kr kc kc Préciser dans les différents cas les valeurs des gains aux cassures des courbes. Les diagrammes asymptotiques de Bode seront tracés 1) R 1 = 9 MΩ, C 1 = 0,2 pf, R 2 = 1MΩ et C 2 = 18 pf 2) R 1 = 9 MΩ, C 1 = 2 pf, R 2 = 1MΩ et C 2 = 18 pf 1) R 1 = 9 MΩ, C 1 = 20 pf, R 2 = 1MΩ et C 2 = 18 pf = 1. k Dans quel cas le circuit R 1 C 1 -R 2 C 2 est-il compensé? Quel est le rapport obtenu lors que circuit est compensé? c C.3.1 Travail de mesure Connecter la sonde de tension à l oscilloscope. Dans un premier temps il est nécessaire d adapter la sonde à l oscilloscope. Pour ce faire, on observe avec la sonde le signal «CAL» ou «Probe» présent sur la face avant de l oscilloscope, il s agit généralement, d un signal carré de 1kHz et d amplitude 1,2 ou 5. On peut aussi utiliser un signal rectangulaire en sortie d'un générateur de fonction. isualiser le signal à l oscilloscope et observer l effet du condensateur variable en modifiant sa valeur à l aide d un tournevis. Régler la sonde convenablement. On souhaite faire une nouvelle mesure sur le pont diviseur donné à la Figure 2 utilisant une sonde de tension. Les résultats pourront être donnés dans un tableau comparatif comprenant les mesures effectuées précédemment sans sonde. 2 Relever à l aide de l oscilloscope muni de sa sonde le rapport 1 pour f = 100 Hz et 10 khz. PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 6
Comparer aux mesures précédentes Dérégler la sonde en vérifiant avec le signal de calibration que la sonde est fortement sous compensée ou fortement sur compensée. Observer un signal sinusoïdal d amplitude constante. Faire varier la fréquence et comparer les amplitudes observées pour les diverses fréquence. On pourra éventuellement tracer le diagramme de Bode obtenu (Gain). La sonde sera compensée pour la suite C.4 Mesure sur un circuit RC On souhaite faire des mesures sur un circuit RC donné à la Figure 4 R 1 C 2 Figure 4 : Schéma du circuit RC. C.4.1 Travail de préparation Calculer la constante de temps pour R=10kΩ et C=47pF Lorsque l'on applique un échelon en 1, au bout de combien de temps peut on considérer que le condensateur est chargé (à 99%). C.4.2 Travail de mesure Appliquer en 1 un signal rectangulaire correctement choisi pour observer une charge complète du condensateur. Mesurer la constante de temps à l'oscilloscope seul muni d un câble BNC. Mesurer la constante de temps avec l'oscilloscope muni de sa sonde correctement compensée. Justifier les mesures obtenues. Conclure sur l'utilisation générale d'une sonde de tension PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 7
Noms:. Déclenchement d'un oscilloscope Synthèse des observations Ce tableau doit permettre de synthétiser les différentes observations, préciser les cas où l on observe les bonnes ou mauvaises synchronisations, ainsi que les traces observées (stable, non stable, figées, autre ) Observations et remarques sur les Déclenchements Influence Level Mode AUTO 1) Condition de synchronisation : Observation si mauvaise synchro Mode Normal 9)Condition de synchronisation : Observation si mauvaise synchro 3) Influence de la déviation verticale 9)Influence de la déviation verticale Sinus sur CH1 Synhro sur CH1 Déviation verticale 6)Solution : 7) Condition de synchronisation : Solution : 8)Condition de synchronisation : Influence de la fréquence (B1.2) Observation en mauvaise synchro Observation en mauvaise synchro Sinus sur CH1 Synhro sur CH2 influence du level Signal continu sur CH1 2) Condition de synchronisation : 10) Observe t on le signal continu? 10) Observe t on le signal continu? Conclusion générale : A partir des différentes études, décrire les différences de fonctionnement entre un mode Auto et un mode Normal (ou Manuel) : PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 8
Noms:. Partie Couplage AC/DC 11) Signal sinusoïdal 1kHz, 2, 12) Signal sinusoïdal 5Hz 2cc, Offset 1 en AC et DC Offset 1 En AC puis en DC (penser aux échelles et aux origines des signaux, préciser les signaux relevés en DC ou AC) Limitation en fréquence 13) Plage de fréquences d'utilisation Couplage AC Couplage DC 14) Signal rectangulaire 5Hz 2 crête à crête, Offset 1 Couplage DC Couplage AC (avec et sans sonde) (penser aux échelles et aux origines des signaux, préciser les signaux relevés en DC ou AC) aleur de C, méthode de mesure utilisée : PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 9
Pour visualiser un signal continu : Synthèse de fonctionnement : - Le couplage est il important? Comment le choisir? - La synchronisation est elle importante? Comment la choisir? Pour visualiser un signal Très basse fréquence : - Le couplage est il important? Comment le choisir? - La synchronisation est elle importante? Comment la choisir? Pour visualiser un signal sinusoïdal Basse ou haute fréquence : - Le couplage est il important? Comment le choisir? - La synchronisation est elle importante? Comment la choisir? Pour visualiser un signal sinusoïdal avec composante continue Basse ou haute fréquence : - Le couplage est il important? Comment le choisir? - La synchronisation est elle importante? Comment la choisir? Pour mesurer un signal sinusoïdal Basse fréquence constitué d une forte composante continue et une faible valeur alternative, la mesure alternative est effectuée avec les réglages : - Le couplage est il important? Comment le choisir? - La synchronisation est elle importante? Comment la choisir? PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 10
C : Problèmes de Mesure Utilisation d une Sonde Mesure sur le pont diviseur f = 100 Hz aleur théorique 2 1 Oscilloscope 2 1 Oscilloscope + sonde 2 1 f = 10 khz Erreur liée à la mesure (%) : Erreur (%) : Erreur (%) : Erreur (%) : Relevé de la constante de temps Mesure de la constante de temps Tm Mesure sans sonde Mesure avec sonde aleur théorique τ Erreur (%) : Erreur (%) : Justification des résultats obtenus : PHELMA - Travaux Pratiques Tronc commun 1ère année 11
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