DESCRIPTION ET UTILISATION d`un OSCILLOSCOPE I

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DESCRIPTION ET UTILISATION d`un OSCILLOSCOPE I
DESCRIPTION ET UTILISATION d’un OSCILLOSCOPE
I- Caractéristiques générales :
Un oscilloscope est un voltmètre : il peut faire ce que fait un voltmètre habituel mais il peut aussi
visualiser la façon dont une tension variable change de valeur dans le temps et permet de mesurer des
temps : Un oscilloscope est aussi un chronomètre
Les points d'un circuit entre lesquels on veut mesurer (ou visualiser) une tension peuvent se connecter à
l'oscilloscope par des bornes d'entrée (il y en a trois notées "A", "masse" et "B").
Un oscilloscope permet de visualiser simultanément deux tensions distinctes sur son écran (on dit qu'un
oscilloscope possède deux voies, notées "voie A" et "voie B").
De nombreux boutons se trouvent sur sa face avant. Il y en a de trois sortes :
•
des boutons poussoirs : mis à part le bouton marche/arrêt, ils sont rectangulaires et au nombre de
cinq et tous groupés au centre de la face avant (notés "A", "B", "XY", "AetB", "-B"). Mis à part le
bouton noté "-B", ils s'excluent mutuellement.
•
des boutons rotatifs crantés : il y en a trois, notés "durée de balayage", "sensibilité voie A" et
"sensibilité voie B". Ce sont les trois plus gros boutons de la face avant. En face de chaque cran est
indiqué une valeur numérique qui permettra de faire des mesures quantitatives.
•
des boutons rotatifs non crantés : il y en a six en tout notés "luminosité", "focalisation", "centrage
horizontal", 'synchronisation", "décalage voie A" et "décalage voie B".
•
Enfin, chacune des voies A et B est dotée d'un interrupteur à trois positions. En position médiane
(notée « 0 »), les fils connectés aux entrées sont automatiquement déconnectés sans avoir à les
retirer.
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II- Réglages préalables de l'oscilloscope :
Après avoir appuyé sur le bouton marche/arrêt (!), il se peut que rien n'apparaisse sur l'écran. Dans ce
cas :
1- Mettre le bouton rotatif "Luminosité" à fond dans le sens des aiguilles d'une montre
2- Si rien n'apparait, agir sur les boutons de décalage des deux voies.
3- S'il n'y a toujours rien sur l'écran, l'oscilloscope mérite une réparation urgente...
4- Selon le mode sélectionné par les boutons poussoirs centraux, ce qui apparait sur l'écran est soit un
point (bouton poussoir "XY" enfoncé : balayage non enclenché) soit une droite horizontale (bouton
poussoir "A" ou "B" enfoncé : balayage monocourbe enclenché) soit deux droites horizontales (bouton
poussoir "Aet B" enfoncé : balayage bicourbe enclenché).
Il se peut que l'image affichée paraisse floue. Dans ce cas, agir sur le bouton "focalisation" de manière à
rendre points et/ou traits le plus fin possible.
Remarquer que les boutons "marche/arrêt", "luminosité", "focalisation" sont groupés au même endroit
(juste à droite de l'écran).
III- Connexion de l'oscillographe à un circuit :
Les oscilloscopes usuels ont trois bornes d'entrée notées "A", "masse" et "B". La borne notée "masse"
est toujours utilisée.
Par précaution, avant de connecter l'oscilloscope, mettre ses deux interrupteurs en position "o"
Deux cas peuvent se présenter :
•
si on veut visualiser une seule tension entre deux points P et Q d'un circuit : connecter P à l'entrée A
et Q à la borne de masse (ou l'inverse : cela changera juste le sens de déviation sur l'écran).
•
si on veut visualiser deux tensions distinctes, il est nécessaire que les deux couples de points aient
un point commun (c'est une limitation de ce type d'oscilloscope). Soit (P,Q) le premier couple de
points et (Q,R) le deuxième couple de points. Connecter P à l'entrée A, le point commun Q à la
borne de masse et la borne R à l'entrée "B".
Exemple : Dans ce circuit on veut visualiser en même temps la tension entre les bornes de la pile ainsi
que la tension entre les bornes du résistor n°3. C'est possible car la pile et le résistor n°3 ont une borne
commune (N ou F). Le schéma indique les connexions des divers points à l'oscilloscope :
Dans cet exemple, on ne pourra pas visualiser simultanément les tensions UPN et UCD par exemple (la
pile et le résistor n°2 n'ont pas de bornes communes).
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IV- Mesure d'une tension continue :
1- Supprimer le balayage (bouton poussoir "XY" enfoncé).
2- Régler le zéro tout à fait à gauche de l'écran à mi-hauteur grâce au deux boutons de décalage.
3- Régler la sensibilité de la voie A à une valeur faible (par exemple 5 V/division). C'est une précaution
pour ne pas surcharger l'oscilloscope si la tension à mesurer s'avère grande.
4- Connecter les deux points entre lesquels on veut mesurer la tension aux bornes notées "A" et
"masse". Vérifier que le point lumineux dévie bien vers la droite, sinon inverser le sens de
branchement.
5- Régler la sensibilité de la voie A sur la plus grande valeur possible (le point lumineux doit dévier le
plus possible vers la droite tout en restant dans les limites de l'écran..!)
6- Mesurer l'écart en division(s) entre le "zéro" et la position atteinte par le point lumineux et calculer la
valeur de la tension (en V ou en mV) par la relation :
(Tension en V ou en mV) = (déviation en divisions) x (Sensibilité utilisée en V/division ou mV/division)
N.B. : On peut aussi mesurer une tension continue lorsque le balayage est en route. Dans ce cas, on
mesurera simplement une déviation verticale (et non plus horizontale) d'un trait (et non plus d'un point
lumineux).
Remarques importantes : il est déconseillé de laisser longtemps un point lumineux fixe sur l'écran
(usure rapide de la substance phosphorescente recouvrant la face interne de l'écran). Baissez donc la
luminosité lorsque vous ne vous servez pas de l'oscilloscope (ou encore, enclenchez le balayage en
appuyant sur un des trois boutons poussoir "A", "B" ou "AetB").
Par ailleurs, il est déconseillé (usure prématurée du circuit transformateur dans l'oscilloscope...)
d'allumer et d'éteindre souvent l'oscilloscope en utilisant le bouton marche/arrêt : allumez l'appareil en
début de séance de travaux pratiques et éteignez le en sortant !
Voir également à la fin de ce document comment éviter une erreur hélas assez fréquente due au
manque de finesse de nos doigts...
V- Visualisation et mesures des caractéristiques d'une tension périodique :
Mesure de l'amplitude :
1- Connecter les deux bornes concernées aux entrées "A" (ou "B" si on veut utiliser la voie "B") et
"masse" de l'oscilloscope.
2- Mettre le balayage en route en appuyant sur le bouton poussoir "A" (ou "B").
3- Mettre l'interrupteur de la voie "A" sur la position "o" (entrées déconnectées) et régler le "zéro" de la
voie utilisée au centre de l'écran (avec le bouton "décalage" de la voie).
4- Avec le bouton de centrage horizontal, décaler l'ensemble de la courbe horizontalement de manière à
amener un des maximums sur l'axe vertical gradué :
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4- Mesurer (en division) l'écart entre le "zéro" et le maximum (3,3 divisions dans l'exemple choisi).
5- Calculer l'amplitude (en V ou mV) par la relation :
(Amplitude en V ou mV) = (écart mesuré en divisions) x (sensibilité de la voie en V ou mV/division)
Mesure de la période :
Reprendre les points 1 à 3 inclus du parargraphe précédent.
4- Avec le bouton de centrage horizontal, décaler l'ensemble de la courbe horizontalement de manière à
amener un des zéros de la tension sur la ligne verticale la plus à gauche :
5- Mesurer (en division) l'écart entre ce zéro et le deuxième zéro suivant à droite (6,7 divisions dans cet
exemple). Attention ! Si on mesure l'écart entre le zéro complètement à gauche et le zéro suivant, on
n'obtiendra qu'une demi prériode...
Remarque : La technique décrite ci-dessus suppose que la sinusoïde soit parfaitement centrée
verticalement. Pour palier cette difficulté, on peut aussi mesurer l’écart entre deux maximums (ou deux
minimums) consécutifs.
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6- Calculer la période (en ms ou µs) par la relation :
(Période ms ou µs) = (écart mesuré en divisions) x (durée de balayage en ms/division ou µs/division)
Calcul de la fréquence : elle se déduit de la mesure de la période en calculant son inverse :
1
(Fréquence en Hz ) =
(Période en s)
VI- Les mauvais réglages : symptomes et remèdes :
L’oscilloscope est bien réglé quand on voit à l’écran au moins une période complète mais pas plus de
trois ou quatre périodes. De plus, la sensibilité de la voie utilisée doit être réglée de façon à voir les
maximums et minimums entièrement dans l’écran mais pas trop petits.
- Vitesse de balayage trop grande (durée de balayage trop petite) : dans ce cas, on ne voit à l’écran
qu’une faible partie d’une période
Régler le bouton "durée de balayage" dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour obtenir une
durée de balayage plus grande.
- Vitesse de balayage trop petite (durée de balayage trop grande) :
Régler le bouton "durée de balayage" dans le sens des aiguilles d'une montre pour obtenir une durée de
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balayage plus petite.
- Sensibilité trop grande :
Tourner le bouton cranté de sensibilité de la voie concernée dans le sens inverse des aiguilles d'une
montre.
- Sensibilité trop petite :
Tourner le bouton cranté de sensibilité de la voie concernée dans le sens des aiguilles d'une montre.
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- Décalages horizontaux ou verticaux déréglés :
Tourner le bouton de centrage horizontal (en haut de la face avant non loin du bouton marche/arrêt)
pour "bouger" l'image horizontalement. De même, agir sur le bouton de décalage de la voie utilisée pour
"bouger" l'image verticalement.
- Courbe(s) instable(s) sur l'écran :
Agir lentement sur le bouton "synchronisation" (en haut de la face avant, à côté du bouton "durée de
balayage") pour obtenir une image stable.
Remarques :
Pour chaque voie, le bouton cranté de sensibilité est très proche du bouton de décalage. Le réglage
(très fréquent dans la pratique) de la sensibilité peut causer un dérèglement involontaire du "zéro" de la
voie utilisée et, par conséquent, fausser les mesures.
Par précaution, il faut toujours revérifier que le "zéro" se trouve bien là où on l'a choisi juste avant de
faire une mesure (l'interrupteur de voie est alors très utile car il permet une vérification très rapide).
VII- Mesure du décalage temporel entre deux tensions :
Un oscilloscope permet de visualiser simultanément deux tensions périodiques de même période à
l’écran.
Il peut être utile de mesurer le décalage temporel entre deux tensions de ce type (par exempel, lors de
la mesure de la célérité du son dans l’air).
On décale verticalement les deux tensions de façon à aligner les
minimums sur la ligne horizontale graduée.
On mesure le décalage horizontal entre un minimum de la première
tension et le minimum le plus proche de la deuxième tension (ici 3
petites divisions soit 0,6 grandes divisions).
On traduit ce décalage en cm en durée grâce à la valeur de la
vitesse de balayage utilisée :
⎛ Décalage mesuré ⎞ ⎛ Valeur de la durée ⎞
⎟ ⎜
⎟
⎛ Décalage temporel ⎞ ⎜
⎟⎟ = ⎜ en divisions ⎟ x ⎜ de balayage utilisée ⎟
⎜⎜
⎝ entre les deux tensions ⎠ ⎜
⎟ ⎜ en ms/div ou µs/div ⎟
sur l' écran
⎝
⎠ ⎝
⎠
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