Ascilloscope analogique - Site de cours en électrotechnique

T.P. N° 10 : Oscilloscope Analogique
DÉROULEMENT DE LA SÉANCE
TITRE
ACTIVITÉS PROF
ACTIVITÉS ÉLÈVES
DURÉE
-
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Tableau de comité de lecture
Date de lecture
5 janvier 2001
Lecteurs
CROCHET David
Observation
Réaménagements mineurs
Remarques rédacteur
Date modifications
5 janvier 2001
Quote of my life :
Fournir ma contribution aux autres est ma philosophie.
Et la vôtre ?
Si vous avez lu ce T.P. et que vous avez des remarques à faire, n'hésiter pas et écrivez-moi à l'adresse suivante :
E-Mail :
Ce dossier contient :
Adresse Professionnel :
[email protected]
CROCHET David
Professeur de Génie électrique
• Un dossier élève (pages 4 à 7)
Lycée Technique
L'objet du message doit contenir le mot
• Un dossier prof (pages 8 à 11 )
02500 HIRSON
CARIM
• Un dossier ressource (page 12 à 18)
(Adresse valable jusqu'au 30 juin 2001)
• Un dossier annexe (page 19 à - )
• Un transparent (page - )
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T.P. N° 10
Oscilloscope 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 MATÉRIEL
DOSSIER PÉDAGOGIQUE
TP N° 10
Oscilloscope Analogique
Objectif :
•
Matériel :
•
Documents :
•
Secteur : Salle de cours, Platine d'essai
Nom, Prénom :
Durée : 4 heures
Classe, Groupe :
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UTILISATION RATIONNELLE D’UN OSCILLOSCOPE EN MODE
ANALOGIQUE
( HAMEG HM 203-6)
1. INTRODUCTION
ƒ L'oscilloscope est sans nul doute un appareil de mesure universel.
ƒ Il permet la mesure de l'amplitude, de la fréquence ainsi que la forme
d'onde des signaux observés.
ƒ 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. …
ƒ Même si l'oscilloscope déconcerte le débutant par la complexité de son
fonctionnement, cette difficulté n'est qu'apparente et disparaît lorsque l'on a
assimilé la fonction de chaque sous-ensembles et les réglages de base
malgré les nombreuses commandes qui encombrent la face avant.
2. PARTIE ÉCRITE : (2 heures)
Î
utilisation des annexes 1 et 2.
2.1. Lire l'annexe 1 en entier, beaucoup de réponses aux questions suivantes se
trouvent dans ce document.
2.2. Définir en trois lignes maximums le rôle des zones A, B, C qui sont définis
sur l'annexe 2.
2.3. Base de temps
2.3.1. 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, le
niveau de déclenchement (level) reste identique à celui donné sur la figure
de droite.
2.4.2. Indiquer la position du commutateur "11" de la face avant de
l'oscilloscope dans ce cas de figure ?
2.4.3. Indiquer le numéro du bouton qui sert à régler le niveau de
déclenchement (LEVEL) sur le HM 203-6, donner la position de "16"
pour que la commande de niveau soit active ?
2.5. Courbes simultanées
2.5.1. Dans le cas de la visualisation de deux courbes simultanées, indiquer le
numéro et la position des boutons qui permettent de se positionner en
mode "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 la
nature (le nom) du signal ne sert à rien, il ne sera donc pas pris en compte ni dans ce
TP ni dans les TP à venir.
3.1. Étalonnage d'une sonde de mesure
3.1.1. 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 étalonnée
et non étalonnée, justifier l'intérêt d'étalonner une sonde avant une
utilisation 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
ƒ 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 ?
ƒ 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
ƒ 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 mathématiques
très complexes si l'on veut interpréter correctement ce que l'on voit à l'écran. Il
sera 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 TP
SUIVANTS
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 un
écran 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" (29
enfoncée)
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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TP N° 10
ÉTUDE MATÉRIEL
DOSSIER PROFESSEUR
Oscilloscope Analogique
Objectif :
•
Matériel :
•
Documents :
•
Secteur : Salle de cours, Platine d'essai
Nom, Prénom :
Durée : 4 heures
Classe, Groupe :
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CORRECTION TP2
PARTIE ECRITE
1) voir annexe 1
2)
zone A: réglage et visualisation des signaux
zone B: réglage axe des abscisses, base de temps
zone 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’ou
0.2 Hz < f < 5 Mhz
4)
a) slope négatif:
b) slope négatif si bouton 9 (+/-) enfoncé
réglage level: 14
level actif si 13 enfoncé (déclenchement manuel)
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5)
mode ‘alterné’ si 9 (ALT) enfoncé
mode ‘chop’ si 28 (DUAL) et 29 (ADD) enfoncé
PARTIE PRATIQUE
1) sonde de mesure
voir feuille relevés oscillogramme. Une sonde mal étalonnée entraîne des distorsions
au moment d’un changement de pente du signal.
2)
a) montage 1
z déclenchement automatique
mode automatique si bouton 13 relevé
signal stable si commutateur de position 8 en AC (courant alternatif)
voir relevés de YA en DC (courant direct ~ continu) et YB en AC sur oscillogramme
signal YA = signal YB + valeur continue ( diviseur de tension ⇒ 1.5V)
z déclenchement manuel
13 enfoncé
si le level est bien réglé pas d’influence sur les signaux observés
b) montage 2
z déclenchement automatique
YA en DC et YB en AC, puis YA en DC et YB en DC
même opération en mode manuel
voir oscillogramme
fonctionnement:
montage à redressement par diode, monophasé, monoalternance sur charge
résistante. La diode D conduit lorsque la tension délivrée par le GBF est >0. Lorsque
la tension s’inverse, la diode ne conduit plus, le courant est nul, le signal en YB est
nul.
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 fonctionnement
décrit.
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3) mode XY
voir où il se trouve sur l’oscilloscope.
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ÉTUDE MATÉRIEL
DOSSIER RESSOURCES
Oscilloscope Analogique
Objectif :
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Matériel :
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Documents :
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Secteur : Salle de cours, Platine d'essai
Nom, Prénom :
Durée : 4 heures
Classe, Groupe :
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L’OSCILLOSCOPE (Annexe 1)
Cet instrument permet l’observation des «signaux» : différences de potentiels
variables 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 de
différents sous-ensembles électroniques que nous ne décrirons ici que très
brièvement.
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 distingue
essentiellement (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 perpendiculaires
horizontales et verticales (X et Y) composé de deux paires de plaques placées
respectivement verticalement et horizontalement. Une différence de potentiel
appliqué entre les plaques d’une paire produit un champ électrique normal à la
trajectoire des électrons et provoque la déviation du faisceau dans la direction du
champ.
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 le
réglage de la focalisation.
On peut montrer qu’en général, le déplacement du spot est proportionnel à la
d.d.p. appliquée entre les plaques de déviation, le coefficient de proportionnalité
étant 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 déviations
correspondantes seront : (fig. 2).
X = sx x Vx
Y = sy x Vy
ou sx et sy sont les sensibilités de déviation horizontale et verticale
Les relations précédentes montrent tout l’intérêt de l’oscilloscope : il fournit
une représentation cartésienne des valeurs instantanées d’une tension part rapport à
l’autre.
1.1. L’amplificateur vertical Y
Situé entre le signal à observer et les plaques de déviation verticale, il permet de
traduire une grande gamme de tension en déviations visibles. C’est en fait un
amplificateur 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 une
fonction linéaire du temps. Le déplacement du spot reproduit alors l’évolution
temporelle du signal appliqué sur la voie verticale (Y).
Pour cela une tension «en dents de scie » (figure 3) issue du sous-ensemble base de
temps est appliqués aux plaques de déviation horizontale.
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Figure 3
VM
(1)
(2)
(3)
t
La partie (1) linéaire avec le temps et d’amplitude VM se traduit par un
déplacement du spot à vitesse constante, de gauche à droite, sur toute la largeur de
l’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 en
seconde par division).
Les parties (2) et (3) correspondent respectivement au retour rapide du spot de
droite à gauche et à une phase d’attente à l'extrême gauche de l’écran. Pendant ces
deux phases le spot est automatiquement «éteint».
Remarque : Sur certains oscilloscopes il est possible d’amplifier le signal «base de
temps (généralement d’un facteur 10) le balayage horizontal «sort des limites de
l’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 généralement
fugitive (persistance visuelle : 0,1 s, rémanence de l’écran : quelques secondes au
maximum). Pour observer convenablement un phénomène unique il faut donc
mémoriser l'image (photographie, écrans à "mémoire", enregistrement de type
télévision, etc...). Cependant, si le phénomène à observer est répétitif (sans être
obligatoirement périodique), on peut, par des balayages successifs d'informations
rigoureusement semblables, obtenir une image permanente.
Figure 4
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Pour obtenir cette image stable le démarrage du spot est "synchronisé" avec le
signal par le circuit de déclenchement (trigger). Celui-ci détecte l'instant ou» le
signal 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 du
spot 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 pas
toujours vrai.
4. Remarques
Il 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 deux
oscilloscopes intégrés dans le même tube cathodique.
- Oscilloscopes fonctionnant en "temps partagé". Les signaux, amplifiés par
deux amplificateurs distincts sont envoyés alternativement sur le système de
déviation verticale. Deux modes de partage du temps sont généralement
utilisés.
AC/DC,0 : -"DC" est la position naturelle : le signal présent sur une entrée est
envoyé directement (direct coupling), après amplification fidèle, sur le système de
déviation verticale correspondant.
- "0" : dans cette position, on substitue une tension nulle au signal d'entrée afin de
repérer "le zéro de tension" sur l'écran.
- "AC" (alternative coupling) : est une position artificielle, un condensateur est
inséré dans le circuit d'entrée afin de supprimer, dans certaines conditions, la
composante continue (valeur moyenne) du signal.
Remarque importante : Les dénominations AC et DC n'ont aucun rapport avec la
nature alternative ou non du signal à observer. Si l'on veut observer le signal tel qu'il
existe physiquement on se placera en mode DC.
Commutation entre les voies : un ensemble de boutons poussoirs permet de
visualiser :
- 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 est
sélectionné par les touches "sources de déclenchement".
- Sources de déclenchement : un ensemble de boutons poussoirs permet de
sélectionner le signal qui, comparé au niveau ajusté par LEVEL, provoquera le
déclenchement :
- Modes de déclenchement deux modes essentiels :
"DC" mode naturel déclenchement lorsque le signal source sélectionné traverse le
niveau de référence (LEVEL) avec une pente de signe donné (SLOPE).
"AUTO" le balayage démarre "automatiquement" au bout d'une durée donnée
d'absence de "top" de déclenchement. Ce mode est surtout utile pour l'observation de
signaux continus.
Figure 5 : SYNOPTIQUE SIMPLIFIE
Entrée
Ya
Ampli
Ya
DC
AC
GND
+
+
Système
de
déviation
verticale
1
Position
Ya
Entrée
Yb
Ampli
Yb
+
-
+
+
Chop / Alt
Ya / Yb
INV
DC
AC
GND
1
2
Entrée
EXT
2
Position
Yb
Trigger
Base de
temps
+
Système
de
déviation
horizontal
+
Level
Slope
Time / div
Position
X
Ext / Int
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Remarque : Les commandes "POSITION" en X ou en Y permettent d'ajouter une
tension continue réglable aux signaux envoyés sur les plaques de déviation. On peut
ainsi déplacer globalement l'oscillogramme sur l'écran.
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