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T.P. N° 10 : Oscilloscope AnalogiqueDÉROULEMENT DE LA SÉANCE

TITRE ACTIVITÉS PROF ACTIVITÉS ÉLÈVES DURÉE- - -

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Tableau de comité de lectureDate de lecture Lecteurs Observation Remarques rédacteur Date modifications5 janvier 2001 CROCHET David Réaménagements mineurs 5 janvier 2001

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Adresse Professionnel :CROCHET David

Professeur de Génie électriqueLycée Technique02500 HIRSON

(Adresse valable jusqu'au 30 juin 2001)

mailto:[email protected]

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T.P. N° 10Oscilloscope Analogique

Niveau : 1 STI GET Lieu : Salle de cours, Platine d'essai Durée : 4 heures

Organisation : groupe ½ classe, travail en binôme

LIAISON AU RÉFÉRENTIEL

•

PRÉ-REQUIS

Les élèves doivent être capables :

-

OBJECTIFS

Les élèves devront être capables de :-

NIVEAU D'APPRENTISSAGE

-

MÉTHODE

- Active

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B 2 - ÉLECTROTECHNIQUE

S.T.I. - G.E.T. ÉTUDE MATÉRIELDOSSIER PÉDAGOGIQUE

TP N° 10

Oscilloscope Analogique

Objectif :•

Matériel :•

Documents :•

Secteur : Salle de cours, Platine d'essai Durée : 4 heures

Nom, Prénom : Classe, Groupe :

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UTILISATION RATIONNELLE D’UN OSCILLOSCOPE EN MODEANALOGIQUE

( HAMEG HM 203-6)

1. INTRODUCTION

L'oscilloscope est sans nul doute un appareil de mesure universel. Il permet la mesure de l'amplitude, de la fréquence ainsi que la forme

d'onde des signaux observés. Attention, ce que l'on observe à l'écran peut-être l'image d'une tension mais

aussi d'un courant, d'une puissance etc. … Même si l'oscilloscope déconcerte le débutant par la complexité de son

fonctionnement, cette difficulté n'est qu'apparente et disparaît lorsque l'on aassimilé la fonction de chaque sous-ensembles et les réglages de basemalgré les nombreuses commandes qui encombrent la face avant.

2. PARTIE ÉCRITE : (2 heures) utilisation des annexes 1 et 2.

2.1. Lire l'annexe 1 en entier, beaucoup de réponses aux questions suivantes setrouvent dans ce document.

2.2. Définir en trois lignes maximums le rôle des zones A, B, C qui sont définissur l'annexe 2.

2.3. Base de temps2.3.1. Donner le numéro du bouton à activer pour obtenir un "effet de loupe"

sur la base temps du HM 203-6 ? Expliquer ce qui se passe.2.3.2. A l'aide des calibres du bouton "12 " indiquer les fréquences minimum

et maximum qu'il est possible d'observer avec l'oscilloscope. HM 203-6 ?2.4. Étude du circuit de déclenchement

2.4.1. Reprendre la figure 4 de la page 3/5 et représenter "l'image visualisée"dans le cas d'un déclenchement sur pente (slope) négative du signal, leniveau de déclenchement (level) reste identique à celui donné sur la figurede droite.

2.4.2. Indiquer la position du commutateur "11" de la face avant del'oscilloscope dans ce cas de figure ?

2.4.3. Indiquer le numéro du bouton qui sert à régler le niveau dedéclenchement (LEVEL) sur le HM 203-6, donner la position de "16"pour que la commande de niveau soit active ?

2.5. Courbes simultanées2.5.1. Dans le cas de la visualisation de deux courbes simultanées, indiquer le

numéro et la position des boutons qui permettent de se positionner enmode "alterné" puis en mode "chopé".

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3. PARTIE PRATIQUE : (2 heures)

Remarque :Un oscillogramme où n'est pas indiqué la base de temps, le calibre en amplitude et lanature (le nom) du signal ne sert à rien, il ne sera donc pas pris en compte ni dans ceTP ni dans les TP à venir.

3.1. Étalonnage d'une sonde de mesure3.1.1. L'oscilloscope dispose d'une sortie "vibrateur" délivrant un signal carré ;

appliquer ce signal à l'entrée Ya, donner les caractéristiques de ce signal ?(Amplitude, fréquence.)

3.1.2. Présenter sur le même oscillogramme ce signal avec la sonde étalonnéeet non étalonnée, justifier l'intérêt d'étalonner une sonde avant uneutilisation quelconque de celle-ci ?

3.2. Mesure de tensions simultanées

Pour les deux montages en annexe 2, visualiser les signaux en Ya, Yb en utilisant :

3.2.1. Montage 1

Le mode déclenchement automatique, Ya en DC, Yb en AC- Indiquer le numéro et la position du bouton pour avoir un

déclenchement automatique ?- Indiquer la(les) position(s) de "10" pour que le signal soit stable ?

Justifier avec la doc. ?- Justifier la différence entre le signal en Ya et Yb ?

Le mode déclenchement manuel, Ya en DC, Yb en AC- Indiquer quel est le bouton qui nous permet d'obtenir le signal stable

à l'écran ?- Le mode de déclenchement a t-il une influence sur la nature des

signaux observés ?

3.2.2. Montage 2

Le mode déclenchement automatique, Ya en DC, Yb en AC- Relever les courbes, puis passer Yb seul en AC, relever les nouvelles

courbes.- Effectuer la même manipulation en déclenchement manuel.- Le signal réel en Yb est celui qui est donné lorsque Yb est en AC ou

en DC ?- Justifier votre réponse ?

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3.3. Utilisation en mode XY dit LISSAJOUS

- Ce mode d'utilisation de l'oscilloscope fait appel à des notions mathématiquestrès complexes si l'on veut interpréter correctement ce que l'on voit à l'écran. Ilsera donc très peut utilisé au cours de ces deux années.

4. Exercice 3 " L'oscilloscope "LA DOC DE L'OSCILLOSCOPE. EST À CONSERVER POUR LES TPSUIVANTS

4.1. Étude du circuit de déclenchement :- Le bouton "9" est sur OFF, le "10" sur ~, avec quel signal de

référence je synchronise un signal que je rentre en Ya ou Yb ?

4.2. Étude de la Base de temps:- Le bouton "13" se règle de 0,2 s/div à 0,5 µs/div, indiquer la Fmin et

Fmax du signal que je peux visualiser pour voir une période sur unécran complet ?

4.3. Étude du mode de balayage:- En trois lignes maximums, expliquer la différence entre un mode de

balayage bicourbes "choppé"(29 et 30 enfoncées) et "alterné" (29enfoncée)

4.4. Étude de l'affichage des courbes:- On entre en Ya et Yb le signal ci dessous on positionne "25" en DC, et

"33" en AC- Représenter en noir Ya et en rouge Yb en indiquant la base de temps

(bouton 12) et l'amplitude choisie pour "26" et "31"

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CORRECTION TP2

PARTIE ECRITE

1) voir annexe 1

2)zone A: réglage et visualisation des signauxzone B: réglage axe des abscisses, base de tempszone C: réglage axe des ordonnés, choix des calibres amplitude pour les voies 1 ou 2

3)a) effet loupe si 18 enfoncé, *10 sur la base de temps, dilatation du signal en abscisse(fréquence divisée par 10)b) f=1/T, d’ou0.2 Hz < f < 5 Mhz

4)a) slope négatif:

b) slope négatif si bouton 9 (+/-) enfoncéréglage level: 14level actif si 13 enfoncé (déclenchement manuel)

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5)mode ‘alterné’ si 9 (ALT) enfoncémode ‘chop’ si 28 (DUAL) et 29 (ADD) enfoncé

PARTIE PRATIQUE

1) sonde de mesurevoir feuille relevés oscillogramme. Une sonde mal étalonnée entraîne des distorsionsau moment d’un changement de pente du signal.

2)a) montage 1

déclenchement automatiquemode automatique si bouton 13 relevésignal stable si commutateur de position 8 en AC (courant alternatif)voir relevés de YA en DC (courant direct ~ continu) et YB en AC sur oscillogrammesignal YA = signal YB + valeur continue ( diviseur de tension ⇒ 1.5V)

déclenchement manuel13 enfoncési le level est bien réglé pas d’influence sur les signaux observés

b) montage 2

déclenchement automatiqueYA en DC et YB en AC, puis YA en DC et YB en DCmême opération en mode manuelvoir oscillogramme

fonctionnement:montage à redressement par diode, monophasé, monoalternance sur chargerésistante. La diode D conduit lorsque la tension délivrée par le GBF est >0. Lorsquela tension s’inverse, la diode ne conduit plus, le courant est nul, le signal en YB estnul.alternance positive: YB=YA-chute de tension aux bornes de la diode (~0.6V)alternance négative: YB=0

le signal réel en YB est lorsque l’on est en DC car il reflète bien le fonctionnementdécrit.

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3) mode XYvoir où il se trouve sur l’oscilloscope.

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L’OSCILLOSCOPE (Annexe 1)

Cet instrument permet l’observation des «signaux» : différences de potentielsvariables au cours du temps. ses fonctions essentielles sont :

- visualisation dans de bonnes conditions de stabilité de l’allure du signal- possibilité de mesure d’amplitude- Possibilité de mesure de temps ou d’éléments dérivés (période, fréquence,

phase).

Constitution – Fonctionnement

Toutes ces fonctions sont réalisées au moyen d’un faisceau d’électrons et dedifférents sous-ensembles électroniques que nous ne décrirons ici que trèsbrièvement.

1. Le tube cathodique

C’est une enceinte sous vide contenant les différents éléments destinés à produire,concentrer, dévier et visualiser un faisceau d’électrons. On y distingueessentiellement (fig. 1) :

- une cathode chauffée qui émet des électrons par effet thermoélectrique- un ensemble d’électrodes portées à différents potentiels qui permettent- d’accélérer les électrons pour en former un faisceau- d’ajuster l’intensité de ce faisceau (Wehnelt)- D’agir sur la convergence de ce faisceau (lentille de focalisation).

Un double système de déviation suivant deux directions perpendiculaireshorizontales et verticales (X et Y) composé de deux paires de plaques placéesrespectivement verticalement et horizontalement. Une différence de potentielappliqué entre les plaques d’une paire produit un champ électrique normal à latrajectoire des électrons et provoque la déviation du faisceau dans la direction duchamp.

Un écran obtenu en recouvrant le fond du tube de matière phosphorescente.L’impact du faisceau y apparaît comme un «spot» lumineux : point ou tache selon leréglage de la focalisation.

On peut montrer qu’en général, le déplacement du spot est proportionnel à lad.d.p. appliquée entre les plaques de déviation, le coefficient de proportionnalitéétant fonction de la géométrie du système et de la vitesse des électrons.

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Si Vx et Vy sont les d.d.p. appliquées aux paires de plaques, les déviationscorrespondantes seront : (fig. 2).

X = sx x Vx ou sx et sy sont les sensibilités de déviation horizontale et verticaleY = sy x Vy

Les relations précédentes montrent tout l’intérêt de l’oscilloscope : il fournitune représentation cartésienne des valeurs instantanées d’une tension part rapport àl’autre.

1.1. L’amplificateur vertical Y

Situé entre le signal à observer et les plaques de déviation verticale, il permet detraduire une grande gamme de tension en déviations visibles. C’est en fait unamplificateur de gain constant précédé d’un atténuateur variable étalonné(directement en sensibilité de déviation : volt / division ).

2. La base de temps

Dans l’immense majorité des utilisations la déviation horizontale (X) est unefonction linéaire du temps. Le déplacement du spot reproduit alors l’évolutiontemporelle du signal appliqué sur la voie verticale (Y).

Pour cela une tension «en dents de scie » (figure 3) issue du sous-ensemble base detemps est appliqués aux plaques de déviation horizontale.

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Figure 3

La partie (1) linéaire avec le temps et d’amplitude VM se traduit par undéplacement du spot à vitesse constante, de gauche à droite, sur toute la largeur del’écran. La pente (vitesse de balayage) est ajustable à l’aide d’un dispositif étalonné.On dispose ainsi de différentes échelles horizontales de temps (graduation enseconde par division).

Les parties (2) et (3) correspondent respectivement au retour rapide du spot dedroite à gauche et à une phase d’attente à l'extrême gauche de l’écran. Pendant cesdeux phases le spot est automatiquement «éteint».

Remarque : Sur certains oscilloscopes il est possible d’amplifier le signal «base detemps (généralement d’un facteur 10) le balayage horizontal «sort des limites del’écran » et on obtient ainsi un effet de loupe.

3. Le Circuit de déclenchement (trigger)

L'information visuelle obtenue au cours d'un balayage est généralementfugitive (persistance visuelle : 0,1 s, rémanence de l’écran : quelques secondes aumaximum). Pour observer convenablement un phénomène unique il faut doncmémoriser l'image (photographie, écrans à "mémoire", enregistrement de typetélévision, etc...). Cependant, si le phénomène à observer est répétitif (sans êtreobligatoirement périodique), on peut, par des balayages successifs d'informationsrigoureusement semblables, obtenir une image permanente.Figure 4

t(3)(1) (2)

VM

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Pour obtenir cette image stable le démarrage du spot est "synchronisé" avec lesignal par le circuit de déclenchement (trigger). Celui-ci détecte l'instant ou» lesignal à visualiser (ou tout autre signal synchrone) atteint un niveau de référence(level) avec une pente de signe donné (slope + ou -). Il provoque alors l'allumage duspot et le démarrage de la base de temps.Cette méthode permet généralement la visualisation d'une courbe unique *.* On essaiera d'imaginer des allures de signaux pour lesquelles ceci n'est pastoujours vrai.

4. RemarquesIl est souvent intéressant de comparer l'évolution temporelle de plusieurs signaux.

C'est pourquoi les oscilloscopes sont généralement «bicourbes»

- Oscilloscopes à double canon à électrons. II s'agit en fait de deuxoscilloscopes intégrés dans le même tube cathodique.

- Oscilloscopes fonctionnant en "temps partagé". Les signaux, amplifiés pardeux amplificateurs distincts sont envoyés alternativement sur le système dedéviation verticale. Deux modes de partage du temps sont généralementutilisés.

AC/DC,0 : -"DC" est la position naturelle : le signal présent sur une entrée estenvoyé directement (direct coupling), après amplification fidèle, sur le système dedéviation verticale correspondant.

- "0" : dans cette position, on substitue une tension nulle au signal d'entrée afin derepérer "le zéro de tension" sur l'écran.

- "AC" (alternative coupling) : est une position artificielle, un condensateur estinséré dans le circuit d'entrée afin de supprimer, dans certaines conditions, lacomposante continue (valeur moyenne) du signal.

Remarque importante : Les dénominations AC et DC n'ont aucun rapport avec lanature alternative ou non du signal à observer. Si l'on veut observer le signal tel qu'ilexiste physiquement on se placera en mode DC.

Commutation entre les voies : un ensemble de boutons poussoirs permet devisualiser :

- la voie A ou la voie B (A, B)- les deux voies, en mode chopé ou alterné (CHOP, ALT)- la somme ou la différence des signaux présents sur les deux voies (ADD,

PULL TO INVERT).

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- Base de temps : réglage par plots et continu de la vitesse de balayage (TIME/DIV).Attention à la position étalonnée (CAL).En position X DEFL la base de temps est supprimée (X Y) le signal envoyé en X estsélectionné par les touches "sources de déclenchement".

- Sources de déclenchement : un ensemble de boutons poussoirs permet desélectionner le signal qui, comparé au niveau ajusté par LEVEL, provoquera ledéclenchement :

- Modes de déclenchement deux modes essentiels :"DC" mode naturel déclenchement lorsque le signal source sélectionné traverse leniveau de référence (LEVEL) avec une pente de signe donné (SLOPE)."AUTO" le balayage démarre "automatiquement" au bout d'une durée donnéed'absence de "top" de déclenchement. Ce mode est surtout utile pour l'observation designaux continus.Figure 5 : SYNOPTIQUE SIMPLIFIE

ACDC

GND

EntréeYa

AmpliYa

+

+

PositionYa

ACDC

GND

EntréeYb

AmpliYb

+

+

PositionYb

Systèmede

déviationverticale

Chop / AltYa / Yb

-

+INV

Systèmede

déviationhorizontal

Ext / Int

1

2

12

Level Slope

Trigger+

+

PositionX

EntréeEXT

Base detemps

Time / div

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Remarque : Les commandes "POSITION" en X ou en Y permettent d'ajouter unetension continue réglable aux signaux envoyés sur les plaques de déviation. On peutainsi déplacer globalement l'oscillogramme sur l'écran.

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