L’oscilloscope - Département de génie électrique et ...

1 GEL-16132 Circuits L'oscilloscope L'oscilloscope Principe de fonctionnement et mode d'emploi par J r me CROS. Sommaire I - Introduction II - Principe de fonctionnement 1) Les oscillogrammes 2) Principe d'un tube cathodique et m thode d'affichage des traces 3) Structure d'un oscilloscope III - Les boutons de contr le et de r glage d'un oscilloscope 1) R glage du faisceau d' lectrons et mise sous tension 2) R glage vertical des entr es 3) R glage horizontal des entr es 4) R glage du d clenchement (Trigger). IV - Utilisation pratique 1) Mise sous tension et r glages initiaux 2) Pr cautions suivre pour le branchement des entr es a) Probl mes de masse b) Probl mes de mise la terre 3) Mesures l' cran (amplitude, p riode, d phasage). 4) Les erreurs de mesure V - R f rences I - Introduction La plupart des appareils de mesure r alise une mesure ponctuelle qui se traduit par la d viation d'une aiguille sur un cadran ou l'affichage num rique d'un nombre sur un compteur (par exemple: un voltm tre, un amp rem tre, un wattm tre ou un multim tre).

2 L' tude des variations d'une grandeur en fonction d'une autre n cessite un relev tr s rapide d'une s rie de points pour obtenir le trac d'une courbe (par exemple: trac de l' volution du courant en fonction du temps ou encore le trac de l' volution de la puissance en fonction du courant). Il y a diff rentes mani res de r aliser ce genre d' tudes ou de mesures. On peut envisager d'utiliser un syst me d'acquisition (par exemple: des cartes pour PC) associ des instruments ou des capteurs permettant des mesures fr quence lev e. Cependant, cette fr quence de mesure reste tr s limit e (au maximum quelques centaines de kiloHertz) en raison de la rapidit de la carte d'acquisition et du nombre de grandeurs mesur es. On peut aussi utiliser un oscilloscope qui permet de tracer directement sur un cran, une courbe correspondant . l' volution du signal de mesure (par exemple, une tension en fonction temps).

3 Cet appareil permet l'observation de ph nom nes tr s rapides (plusieurs centaines de m gaHertz ce qui correspond quelques nanosecondes). C'est pour cette raison que l'oscilloscope occupe une place tr s privil gi e parmi toute la panoplie des appareils de mesure. C'est le seul appareil qui permet de voir la forme des signaux les plus complexes et de mesurer leurs caract ristiques: dur es, fr quences, amplitudes. La richesse des possibilit s offertes par un oscilloscope, accompagn e de la profusion des commandes ou des r glages peuvent d'abord d router. Cela conduit tr s souvent une sous-exploitation de l'appareil, voire des erreurs. En fait, cette complexit n'est pourtant qu'apparente. Elle r sulte de la r union de sous-ensembles aux fonctions vari es, mais simples lorsqu'on les examine s par ment. Il est essentiel de bien conna tre l'architecture d'un oscilloscope et de d velopper une exp rience personnelle pour l'utiliser de mani re efficace.

4 1. GEL-16132 Circuits L'oscilloscope II - Principe de fonctionnement 1) Les oscillogrammes Un oscillogramme correspond la courbe qui est engendr e par le d placement d'un spot lumineux sur l' cran d'un tube cathodique. Il peut correspondre l' volution d'une grandeur en fonction du temps ou l' volution d'une grandeur par rapport une autre (composition de signaux). Exemple: V1(t) = *sin(100 .t) V2(t) = 5*sin(100 .t- /3). V1 V2. V2. 5 5. /3. t (s). V1. a) volution temporelle b) Composition de signaux Fig. 1 Oscillogrammes des signaux V1 et V2. 2) Principe d'un tube cathodique et m thode d'affichage des traces Le tube cathodique d'un oscilloscope (ou d'un cran de t l vision) est constitu d'un ou plusieurs canons . lectrons, de plaques permettant la d viation du faisceau d' lectrons et d'un cran avec une paroi lectroluminescente qui convertit l' nergie cin tique des lectrons en nergie lumineuse (Fig.

5 2).. Plaques de d viation verticale Canon d' lectrons cran Plaques de Spot d viation horizontale Fig 2 : Le tube cathodique L'alimentation par une tension variable des deux s ries de plaques (planes et parall les) permet de soumettre le faisceau d' lectrons des champs lectriques variables ce qui provoquent la d viation verticale ou horizontale du faisceau (suivant la s rie de plaques aliment e). Si on souhaite observer l' volution temporelle de la tension V1 l'oscilloscope, cette tension V1 doit r gler la d viation verticale du spot lumineux et la d viation horizontale doit tre une image du temps. Il faut donc appliquer une tension de la forme v(t) = (k tant une constante) sur les plaques de d viation horizontale. Comme il n'est pas possible de laisser la tension v(t) augmenter ind finiment, on annule cette tension p riodiquement et la tension v(t) la forme d'un signal en dent de scie.

6 On r alise alors un balayage p riodique du spot lumineux sur l' cran de l'oscilloscope. Le signal en dent de scie, v(t), est g n r en interne par l'oscilloscope et constitue la base de temps. La figure 3 montre deux oscillogrammes tels qu'ils vont appara tre sur l' cran de l'oscilloscope en imposant les formes suivantes pour V1(t) et v(t). 2. GEL-16132 Circuits L'oscilloscope Affichage l' cran Avec V1(t) et v(t). V1. 7 .5..01 .02 .03 .04 .05 .06. t (s). V 1(t). v(t)..01 .02 .03 .04 .05 .06 t (s). v(t). Avec V1(t) et v(t). Affichage l' cran V1. 7 .5..01 .02 .03 .04 .05 .06 t (s). V 1(t). v (t). 2..01 .02 .03 .04 .05 .06 t (s). v(t). Fig 3 : Trac d'un oscillogramme l' cran 3. GEL-16132 Circuits L'oscilloscope Avec V1(t) et v(t). Affichage l' cran V1. 7 .5. 1..01 .02 .03 .04 .05 .06. t (s). V 1(t). v(t). 2 2 > 1..01 .02 .03 .04 .05.

7 06 t (s). v(t). Fig 4 : Trac d'un oscillogramme en l'absence de synchronisation de la base de temps Avec V1(t) et v(t). Affichage l' cran V1. 7 .5. 1..01 .02 .03 .04 .05 .06. t (s). V 1(t). 1..01 .02 .03 .04 .05 .06 t (s). Sign al de sy nchron isation v(t). 2. v(t). 2 > 1..01 .02 .03 .04 .05 .06 t (s). 1. Fig 5 : Trac d'un oscillogramme avec synchronisation de la base de temps Si les p riodes des signaux V1(t) et v(t) sont des multiples entiers l'une de l'autre, le spot lumineux va toujours parcourir la m me trace (fig 3). Dans le cas contraire, il n'est pas possible d'effectuer une observation coh rente du signal V1(t) (fig 4). Il est donc indispensable d'utiliser un syst me de synchronisation de signal pour assurer un affichage coh rent de la tension V1(t). Cette synchronisation consiste comparer l'amplitude de la tension V1(t) par rapport un niveau de r f rence de mani re produire un signal de d clenchement pour la base de temps, dont la p riode correspond celle du signal V1(t) (Fig.)

8 5). 4. GEL-16132 Circuits L'oscilloscope 3) Structure d'un oscilloscope Il existe des oscilloscopes une, deux ou quatre voies (ou entr es de signaux). Un oscilloscope deux voies permet d'observer l' volution temporelle de deux signaux en m me temps ou de r aliser des compositions de signaux (la voie 2 en fonction de la voie 1). Chaque voie est munie d'un syst me d'att nuation pour r gler l'amplitude des traces sur l' cran. Il existe un dispositif de synchronisation interne qui g n re le signal de d clenchement de la base de temps. Il est possible aussi de d clencher la base de temps partir d'un signal externe. Entr e Amplificateur Att nuateur vertical Tube verticale 1. (voie 1) cathodique Mise . la terre Synchro Synchronisation externe Amplificateur Base de temps horizontal Fig 6 : Sch ma de principe d'une voie de l'oscilloscope Un oscilloscope comporte toujours les groupes de fonctions suivants: - R glage du faisceau d' lectrons (intensit , focus, etc.

9 - R glage vertical des traces (amplitude, position, etc.). - R glage horizontal des traces (base de temps, zoom, etc.). - R glage du d clenchement (choix du mode, choix de la source et du niveau, etc.). III - Les boutons de contr le et de r glage d'un oscilloscope Nous avons choisi de pr senter, plus particuli rement les diff rents boutons de contr le d'un oscilloscope Tektronix 2555 (Fig 7). Cependant, les fonctions de base d'un oscilloscope se retrouvent d'un mod le l'autre. Aussi, les remarques qui suivent, sont suffisamment g n rales pour s'appliquer aussi d'autres mod les d'oscilloscope. T E K T R O N IX 2255. T R IG G E R. V E R T IC A L H O R IZ O N TA L. S lo pe P o sitio n Tra ce sep P o sitio n P osition L e vel Intensity C o ar se F ine PP S gl CH1 C H 2 C H 2 Inver t A d d C ho p X1 M ag A u to sw p rea dy B eam B oth N or m A lt A lt N o rm F in d C H 1 Volts / D iv C H 1 2 Vo lts / D iv Sec / D iv R eset H o ldo ff F o cus ca l ca l ca l So urce C ou plin g C h1 L in e AC.

10 Vert m ode LF. ex t/1 0 R ej AC DC AC DC X5 X 50 Ch2 HF. Ext E xt DC. GND GND X10. P ow er CH 1 ou X CH 2 ou Y E X T in put Fig 7 : Face avant de l'oscilloscope Tektronix 2255. 5. GEL-16132 Circuits L'oscilloscope 1) Mise sous tension et r glage du faisceau d' lectrons Sur l'oscilloscope Tektronix 2255, la mise sous tension de l'appareil s'effectue l'aide du bouton Power. D'autres mod les ne comportent pas n cessairement un bouton de mise sous tension sp cifique. Il faut agir sur le bouton de r glage de l'intensit du faisceau pour faire la mise sous tension de l'appareil (par exemple, mod le Philips PM3211). - Beam et Intensity: r glage de l'intensit du faisceau - Focus: r glage du focus des traces (permet d'am liorer la pr cision des lectures). 2) R glage vertical des entr es CH1 ou X. et Entr es du canal 1 (voie 1) et du canal 2 (voie 2) par une prise BNC.