Expériences avec un oscilloscope numérique

1. Expériences avec un oscilloscope numérique Pratiques Expériences Certaines figures et textes sont tirés de l’excellent DICTIONNAIRE de PHYSIQUE EXPERIMENTALE, tome4, L’électricité, Jean-Marie Donnini, Lucien Quaranta, Daniel Aubert, Roger Payan, Pierrette Renucci, Editions Pierron

2. Pratiques Principe Liaison électrique et connectique Masse et terre des appareils Oscillogramme instable ??? (3 solutions) Plus loin avec le trigger (système de déclenchement) La base de temps Modes d’entrée(3 possibilités) Mesures automatiques Réduire le bruit dans un signal

3. Principe

4. Liaison électrique Le câble coaxial est composé d'un câble à deux conducteurs. L'âme centrale en cuivre est entourée d'un matériau diélectrique (isolant). Le diélectrique est entouré d'une gaine conductrice tressée (ou feuille d'aluminium enroulée), appelée blindage, puis d'une enveloppe de matière plastique. L'avantage d'un câble coaxial est qu'il y a création d'un écran (cage de Faraday) qui protège le signal des perturbations électromagnétiques et qui évite que les conducteurs ne produisent eux-mêmes des perturbations.

5. Connectique âme isolant blindage mâle câbles BNC/banane connecteur BNC (Bayonet Neill-Concelman) femelle Connecteur en T Connecteur mâle/mâle convertisseur BNC/banane

6. Masse et terre des appareils La plupart des appareils électriques possèdent une « masse » désignant l’ensemble des conducteurs de potentiel nul, toutes ces parties métalliques sont reliées entre elles, et sont elles-mêmes reliées à la terre par l’intermédiaire de la prise de terre. On dit que la masse de l’appareil est à la terre. Attention : Sur de nombreux appareils reliés au secteur, une des bornes (la borne noire, ou celle qui porte le symbole de la masse (triangle pointe en bas)) est reliée à la masse, donc à la terre. Cela implique que les bornes noires ou masses de ces appareils sont reliées entre elles par l’intermédiaire de la terre. Cela signifie que relier la borne rouge d’un appareil à la borne noire d’un autre appareil, les deux étant reliés au secteur, équivaut à mettre le premier en court-circuit ! 2 générateurs en série: le premier est en court-circuit. terre R

7. Façade avant d’un oscilloscope numérique

8. Oscillogramme instable ??? (3 solutions) 1/ L’oscilloscope déclenche (trigger) un balayage horizontal lorsque l’entrée rencontre une certaine condition par exemple lorsque le niveau (level) de l’entrée est supérieure à une certaine valeur. Régler ce niveau dans la partie trigger. 2/ Vérifier que le canal d’entrée correspond à celui de la source de déclenchement  menu, source 3/ Appuyer sur le bouton AUTO : l’oscilloscope cherche les « meilleurs » réglages

9. Plus loin avec le trigger (système de déclenchement) Mode Edge = déclenchement sur front Le balayage est déclenché lorsque le niveau d’entrée du CH1 atteint le niveau défini avec le bouton level dans un front ascendant (slope > 0). • Sweep = balayage • Auto = l’oscilloscope déclenche des balayages même si l’entrée ne rencontre pas de conditions trigger. Cela peut donner des traces instables… • Normal = l’oscilloscope ne déclenche de balayages que si les conditions trigger sont rencontrées • Single = Après avoir appuyé sur le bouton RUN/STOP l’oscilloscope attend une condition trigger et effectue un seul balayage. Mode Alternative = déclenchement alterné Utile pour visualiser 2 signaux non synchronisés, par exemple issus de 2 générateurs différents. On peut alors régler le déclenchement pour chacun des canaux CH1 et CH2 de façon indépendante.

10. La base de temps Y-T = CH1 ou CH2 vertical et le temps horizontal X-Y = CH1 horizontal et CH2 vertical Menu du bouton horizontal Roll = le signal « déroule »

11. Modes d’entrée(3 possibilités) { signal sinusoïdal + signal continu } appliqué au CH1: Appuyer sur le bouton CH1 pour afficher son menu 2/ le mode (coupling) est sur DC= Direct Current. Ce mode affiche le signal sans modification. 1/ le mode (coupling) est sur masse (GND=ground)  l’entrée est court-circuitée. Ce mode permet de positionner le zéro volt sur l’écran avec le boution position. 3/ le mode (coupling) est sur AC= Alternative Current. Ce mode affiche le signal affecté d’un filtrage passe-haut  la composante continue est éliminée.

12. Mesures automatiques Mesure d’une fréquence Mesure du déphasage (delay) entre 2 signaux

13. Réduire le bruit dans un signal Appuyer sur le bouton Acquire (acquisition) pour afficher son menu Choisir le mode Average (moyennage) et le nombre de balayages utilisés pour cette moyenne (ici 64)

14. Expériences Bande passante d’un voltmètre numérique Régler un générateur sur une amplitude de 1 volt, sinusoïdal et connecter le à l’oscilloscope. Brancher en parallèle un voltmètre numérique en mode AC. Le voltmètre affiche alors la tension efficace dite aussi RMS = RootMean Square, racine carrée de la moyenne du carré ). Comparer la valeur mesurée par l’oscilloscope à celle donnée par le voltmètre sur une large gamme de fréquences (par exemple f = 10n Hz avec n=1, 2, 3, 4, 5). On pourra par exemple représenter dans un même graphique les 2 ensembles de mesures (oscilloscope/voltmètre) en fonction de log10(f).

15. Expériences Filtrage passe haut en mode AC Régler un générateur sur une amplitude de 1 volt, sinusoïdal et connecter le à l’oscilloscope réglé en mode AC. Etudier les variations de la tension crête à crête Vcc (peak to peak) sur une large gamme de fréquences (par exemple f = 10n Hz avec n=1, 2, 3). On pourra par exemple représenter log10(Vcc) en fonction de log10(f).

16. Résistance d’entrée de l’oscilloscope L’impédance d’entrée d’un oscilloscope est équivalente à celle d’une résistance Re (de l’ordre du MΩ) en parallèle avec une capacitance (dizaine de pF). En basse fréquence, l’impédance d’entrée se ramène à la résistance pure Re. Utiliser une fréquence basse, inférieure au kHz pour laquelle la capacité d’entrée présente une admittance négligeable. On mesure l’amplitude du signal observé sur l’oscilloscope lorsque R=0. On fait varier R de façon que l’amplitude soit divisée par 2. La valeur de R est alors égale à la résistance d’entrée de l’oscilloscope. Expériences

17. Possibilités de synchronisation A/ Connecter un générateur à chacun des 2 canaux. Régler BF1 et BF2 à approximativement 1 kHz. Régler l’oscilloscope de façon à visualiser les 2 traces stables. B/ Régler maintenant l’oscilloscope et les générateurs de façon à visualiser les courbes de Lissajous (Y1 en horizontal, Y2 en vertical). Expériences

18. Expériences Mesure d’une constante de temps La source étant un générateur de signaux carrés de tension +2V et 0V, on observe la tension délivrée par la source et la ddp VC aux bornes du condensateur. La constante de temps  = RC, caractérise la vitesse à laquelle le condensateur se charge et se décharge. Etant de l’ordre de 0.1 ms, on utilise comme source un créneau dont la période est de l’ordre de quelques ms de façon à bien visualiser les asymptotes (condensateur complètement chargé ou complètement déchargé). L’étude théorique de ce phénomène transitoire montre que VC atteint la moitié de sa valeur maximale après un temps t = 0.69 . A l’aide du manuel de l’utilisateur, utiliser les fonctionnalités du menu Cursor afin déterminer RC.

19. Expériences Observation d’un régime transitoire unique Suivant la position de l’interrupteur K, on peut charger ou décharger le condensateur. Régler l’oscilloscope afin d’acquérir les variations de la tension lors de ce phénomène. Ce dernier étant unique, il faudra peut-être faire plusieurs essais avant de trouver la vitesse de balayage, le gain en Y et les conditions trigger qui donnent une courbe exploitable.