L'oscilloscope

Apprivoisez l'oscilloscope !

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. …

Certes, l'oscilloscope est un instrument de mesure mais celles-ci sont approximatives et ne donnent qu'une idée de grandeur. Des appareils de précision tels que voltmètre et fréquencemètre viendront compléter le labo afin d'assurer des mesures précises.

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-ensemble et les réglages de base malgré les nombreuses commandes qui encombrent la face avant.

Commencez par vous familiariser avec les différentes commandes et la lecture du chapitre "mise en route" en fin de document. Ensuite cliquez sur l'image du HM203-6 pour démarrer la simulation dans un nouvel onglet de votre navigateur. Vous pourrez ainsi revenir à loisir au descriptif de fonctionnement des commandes.

L'application interactive utilisée est issue d'une thèse présentée à l'Université technique de Berlin.
Des limitations de fonctionnement de la simulation existent. Elles sont mentionnées dans les "nota" à la fin de chaque rubrique.

2. Synoptique simplifié :

Schéma de principe simplifié d'un oscilloscope.

Le signal est présenté sur l'entrée CH1 (canal 1, channel en anglais), puis il est amplifié (ou atténué) grâce au réglage VOLTS/DIV.
Le réglageTIME/DIV permet de faire varier la vitesse de balayage horizontal. Les réglages X-POS et Y-POS permettent de déplacer la trace par rapport aux axes.

Les Cables :

Quatre câbles de couleur violet, bleu, vert et orange sont situés en bas de l'écran lors du démarrage de la simulation. Ils peuvent être verrouillés sur un connecteur d'entrée de signal de l'oscilloscope en utilisant la souris. En utilisant la même technique un câble peut être détaché d'un connecteur d'entrée. Chaque câble délivre un signal différent. Des signaux qui ont toutes les apparences de même fréquence et d'amplitude peuvent encore être différents entre eux. Le ig de phase ne sera visible que lorsque vous effectuez une mesure en mode "XY". nota : Un câble peut être fixé au connecteur d'entrée de déclenchement externe, mais dans la version actuelle du logiciel cette fonction n'est pas active.

L'écran :

Il comporte 8 divisions verticales (Y) et 10 divisions horizontales (X). On se souvient que l'axe Y est celui des tensions (volts) et l'axe X est celui du temps (time).

La vis "Tr"  ("tilt" et "rotation") permet de régler la rotation de l'image autour d'un axe imaginaire "z" assis perpendiculairement au plan d'affichage de l'image. Cette option de configuration  est nécessaire pour compenser le champ magnétique terrestre sur des latitudes différentes.

3. Les commandes :

La Base de temps (time/div)

Déclenchement (Trigger)

Le réglage "TV-separation" peut occuper trois positions. Il est utilisé lorsqu'on désire travailler sur un poste de télévision. Attention! La présence de tensions très élevées dans les postes de télévision rend cette opération dangereuse. Elle est donc strictement réservée à des personnels qualifiés. La position correcte de ce réglage est donc OFF. Avec le bouton  " TV sep." un déclenchement utilisant l'image et les impulsions de la synchronisation ligne des moniteurs ou des téléviseurs sont possibles. L'abréviation signifie «séparateur de synchronisation TV actif". Il permet de trouver les défauts vidéo les plus simples sur les téléviseurs. Si le commutateur est réglé sur "Off", les impulsions d'image ou de synchronisation de ligne n'ont aucune influence sur le temps de déclenchement. En position "TV H" le temps de déclenchement est déterminé par le "top synchro" d'une nouvelle image, en position "TV V" est déterminé par le début d'une nouvelle ligne de l'image. Nota : Dans cette simulation, le commutateur peut être déplacé, mais le traitement du signal n'est pas influencé par le réglage et agit toujours comme si le commutateur était sur la position «Off».

Le bouton HOLD OFF permet d'introduire un délai par rapport au moment de déclenchement. Dans la majorité des cas, un débutant se contentera de laisser ce réglage au minimum. Nota : Cette fonction en temps réel n'est pas mise en œuvre dans la simulation  parce que la vitesse du CPU nécessaire pour simuler une synchronisation quasi-to-réalité ne peut être atteinte en utilisant le langage de script 'Lingo' utilisé par Macromédia Director et les processeurs actuels. Le bouton peut être tourné, mais le réglage n'a pas d'influence sur l'affichage.

Le bouton X-POS permet un déplacement latéral de la trace.

Chaque voie possède un réglage Y-POS, respectivement Y-POS I etY-POS II. Ce bouton permet, à l'instar de son homologue X-POS, de déplacer la trace verticalement, vers le haut ou vers le bas. S'agissant d'un signal alternatif, on ajustera Y-POS de manière à ce que la ligne centrale de l'écran corresponde à 0 V. Si on visualise deux signaux simultanément, les deux réglages sont indépendants.

Lorsque le bouton INVERT est enfoncé, le signal correspondant est inversé. Voilà qui ressemble assez à un gadget... Les touches "inverser" sont utilisés pour changer le sens de la tension sur un connecteur d'entrée de signal. Les tensions négatives deviennent positives, les tensions positives deviennent négatives.

En bas de façade, on trouve les prises BNC des entrées CH I et CH II . C'est là que sont connectés les signaux d'entrée, à l'aide des sondes. Les petites prises sur le côté fournissent des entrées supplémentaires  0 V ou GROUND.

Un commutateur à glissière DC/AC/GND permet de choisir, pour chaque voie: DC : le signal d'entrée est connecté directement à l'amplificateur vertical (c'est le réglage qui convient dans la majorité des cas) AC : un condensateur est intercalé, de sorte que les tensions continues sont bloquées, seules les tensions alternatives sont visualisées GND : permet de contrôler la position 0 V à l'écran. En position "AC" (= couplage en courant alternatif) le signal est couplé RC. Sa composante DC est filtrée. En position "DC" (= couplage à courant continu) les composantes de courant continu ne sont pas filtrées. La position "GD" (= "Ground") supprime le signal d'entrée du connecteur, ce qui se traduit par une ligne horizontale sur l'écran comme il n'existe plus de différence de potentiel entre la masse et le signal observé.(dans la simulation ceci équivaut toujours à un niveau d'entrée de 0V). Remarque : les masses sont reliées entre elles et à la Terre de l'oscilloscope si celui-ci en possède une et sont donc au même potentiel. Il faudra y faire attention dans les montages! Nota : Dans le logiciel de simulation, en dépit de la théorie, tous les signaux présents dans les cables sont limités à des signaux sinus purs. La position du commutateur "DC" à cet effet génère le même résultat que la position du commutateur "AC".

Au centre, en bas du panneau de contrôle inférieur, se trouve un groupe de trois boutons qui permettent de choisir quelle(s) trace(s) sera ou seront visible(s) à l'écran. On peut ainsi obtenir 8 affichages différents: un seul signal (CH1 ou CH2),les deux simultanément, l'un après l'autre, etc. Dans "Dual mode" (= mode deux canaux) les signaux du canal 1 et 2 semblent être affichés sur l'écran en même temps. Cependant, l'oscilloscope ne dispose que d'un seul faisceau électronique. Le faisceau affiche a chaque balayage les deux courbes des deux canaux en alternance avec une fréquence très élevée. Pour l'œil humain il semble que les deux courbes sont tracées en même temps. Comme alternative, le mode "Chop"  peut être utilisé pour afficher deux signaux sur l'écran. Dans le mode "Chop"   l'oscilloscope dessine soit le signal du premièr ou du deuxième canal alternatif sur chaque balayage du faisceau électronique. Dans ce mode "alterné" le canal ne change pas lors d'un balayage, mais au cours de la réinitialisation (invisible) du faisceau. Le mode Chop est activé lorsque les deux boutons " Dual "et " Add " sont pressés.     Double ou chop-mode? Sur des paramètres Time / Div. courts, aucune différence n'est visible, parce que le changement entre le dessin des deux courbes est trop rapide pour l'oeil humain.         Avec des paramètres Time / Div. longs et le mode double (sans Chop-mode). Premier balayage en Chop-mode: Le signal du canal 1 est traité. Deuxième balayage en Chop-mode: Le signal du canal 2 est traité.

Si la touche "X-Mag."est activée, la largeur de l'image est étirée à 10 fois de sa taille initiale. Cela signifie qu'un signal est étiré horizontalement 10 fois, mais il reste dans sa taille originale verticalement. Si par exemple TIME/DIV est réglé sur 1 ms/div, l'échelle passe à 0,1 ms/div. La fonction mode "X-Mag." est bien adaptée pour visualiser les détails d'une courbe. nota : Dans la simulation, une courbe peut être vue étirée 10 fois. Toutefois, dû aux limitations du cpu, la demande pour afficher une courbe ne peut se faire qu'avec 260 échantillons ou moins. Cela conduit à une courbe grossière dans certaines configurations. Dans un vrai oscilloscope la qualité d'affichage restera bien sûr la même. La capture d'écran ci-dessous illustre le problème:       En utilisant 24 valeurs seulement, une largeur de 260 pixels doit être couverte et toujours reçues à une vitesse maximale de calcul. Avec des paramètres temps " Time / Div. " longs et le zoom 10x, la qualité d'affichage est beaucoup plus faible.

Ces deux sorties "CAL" délivrent des signaux carrés d'amplitude 0,2 V et 2 V à 50 Hz, respectivement. Ces signaux sont utilisés pour vérifier que le scope est correctement calibré.

Le testeur de composants permet à un utilisateur de contrôler les défauts des composants tels que des transistors et des diodes. Nota : La fonction n'est pas implémentée dans la version actuelle du programme. Si la touche "testeur de composants"  est activée, la simulation affiche une ligne horizontale sur l'écran car le connecteur est mis à la terre en absence de composant à tester.

4. XY et les figures de Lissajous :

A droite du bouton POWER, on trouve un bouton à 2 positions désigné X-Y. Ce bouton est dans sa position normale lorsqu'il n'est pas enfoncé. Il est enfoncé dans certains cas particuliers, par exemple pour tracer la caractéristique d'un composant. Si la touche "XY" est activée, la déviation horizontale (X) du faisceau électronique traçant la courbe n'est pas commandée par le générateur en dents de scie de l'oscilloscope mais par le signal attaché au canal 2. La déviation verticale (Y) est déterminée par le signal  attaché au canal 1. Les deux signaux d'entrée peuvent être ajoutés si nécessaire ("ADD"), de sorte que la somme des deux canaux peut délivrer le signal vertical.

La combinaison des différents signaux font apparaitre sur le scope des figures, nommées d'après leur découvreur "Lissajous". Elles permettent à un utilisateur de déterminer la phase et le rapport de fréquence entre les deux signaux d'entrée. Les images suivantes montrent des exemples:

La fréquence du signal horizontal est deux fois plus élevée que la fréquence verticale. Vous pouvez voir que des lignes touchent le bord gauche et droit à deux endroits. La phase est de 270 °. À 0 ° et 180 ° le point de passage est affiché sur le centre de l'écran, pour des valeurs plus grandes que 180 ° est situé à gauche du centre, pour des valeurs plus petites que 180 °, il est situé à droite du centre.

. Cette méthode sera surtout utilisée dans ces cas particuliers. On remarquera que la méthode de Lissajous ne permet pas de déterminer le signe du déphasage. . . sauf à très basse fréquence lorsqu’on voit tourner le spot !

5. La mise en route :

Nous allons à présent mettre le scope sous tension et apprendre à nous en servir...

Comme nous l'avons déjà vu, toutes les fonctions ne sont pas opérationnelles sur la simulation, notamment la calibration. L'essentiel de ce chapitre est de créer une méthode de travail chez l'utilisateur.

Tout d'abord, il convient de s'assurer que tous les réglages sont en position correcte; c'est une bonne habitude à prendre, surtout si l'appareil est utilisé par d'autres personnes. La "position correcte" est celle indiquée dans le moded'emploi de l'appareil. Le plus souvent, les boutons sont sortis (pas enfoncés), les interrupteurs à glissière en position haute et les réglages fins en position centrale.

Placez maintenant les rotacteurs "TIME/DIV" sur la position 1 V/DIV et "VOLTS/DIV" sur 0,2 s/DIV, soit sa plus petite valeur de réglage.

On allume la machine en appuyant sur le gros bouton POWER. La DEL-témoin verte s'illumine et, au bout d'un instant, un spot lumineux traverse l'écran.

Essayez les contrôles "Y-POS I", "INTENSITY" et "FOCUS". Ajustez ces réglages de manière à bien centrer le spot au milieu de l'écran. Le spot doit être lumineux mais pas éblouissant, et aussi net que possible.

Voyez maintenant l'effet produit lorsque le rotacteur TIME/DIV passe de la position 0,2 s/DIV à une vitesse de balayage supérieure. Le spot traverse l'écran de plus en plus vite.

Le réglage VOLTS/DIV du canal 1 détermine, on l'a dit, l'échelle de l'axe vertical, celui des volts.
Placez-le sur 1 V/DIV : chaque division verticale correspond alors à une tension de 1 volt. Assurez-vous que Y-POS I est bien centré, que INVERT est en position normale, que le curseur "AC/DC/GND" est sur "AC", et que les trois boutons de réglage "CH1/CH2,DUAL et ADD" ne sont pas enfoncés. Dans cette configuration, on ne visualise que la trace du signal 1.

Test de calibration :

Nous allons à présent vérifier le calibrage du scope, en utilisant la source interne "CAL" prévue à cet effet (elle se trouve sous l'écran).

Pour cela, nous allons d'abord relier la fiche BNC de la sonde à l'entrée CH1 (on l'enfonce, puis on tourne à droite).

L'autre extrémité du câble de la sonde se divise en deux fils, un rouge et un noir, terminés par des pinces "crocodile".

La pince crocodile du fil rouge doit être reliée à la connexion "CAL" du bas, repérée 2 V. La pince du fil noir n'est pas connectée.

Ce test consiste, ni plus ni moins, à présenter sur l'entrée CH1 un signal carré dont l'amplitude est de 2 V et la fréquence 50 Hz. Utilisez les réglages "VOLTS/DIV" et "TIME/DIV" pour obtenir une représentation fidèle du signal, comme ci-dessous:
.               .

Vous pouvez affiner l'affichage en manipulant légèrement les boutons "Y-POS 1" et "X-POS". Observez l'effet (et l'utilité) de ces réglages. N'oubliez pas que les axes gradués vous permettent de mesurer des valeurs précises (amplitude en volts,fréquence ou période)!

Utiliser les sondes

Une sonde est un câble coaxial (similaire à un câble TV), terminé à une extrémité par une fiche type BNC, et à l'autre par deux fils, un rouge et un noir, reliés à des pinces crocodiles ou parfois à des pointes de touche.

Le connecteur BNC doit être inséré dans la prise du scope (CH1 ou CH2, selon le cas); on pousse, puis on tourne. La pince croco du fil noir doit être reliée à 0 Vou GND. On utilise ensuite la pointe de touche (ou la pince croco du fil rouge,suivant ce qui s'avère le plus pratique) pour tester les différents points du circuit.

Une bonne manière de se familiariser avec l'oscilloscope consiste à tester un circuit connu, de préférence très simple, par exemple un 555 monté en multivibrateur. Il est ainsi aisé de comparer le résultat obtenu à l'écran (forme d'onde, amplitude, fréquence...) et celui obtenu par le calcul. On aura alors tout intérêt à faire varier un paramètre (valeur de R, ou de C) pour observer son influence.

Lorsqu'on aura bien compris les notions de base avec affichage d'une seule trace, on exploitera au mieux les possibilités de l'appareil en affichant deux traces simultanément.

.                     .
Affichage de deux traces simultanément. On peut ainsi comparer deux signaux.

6. Complément relatif aux tensions alternatives.

Tension de crête.

On appellera tension de crête ou tension maximale, l'excursion en tension dans le sens positif ou négatif.

L'amplitude de cette tension , notée U_max est toujours positive, mesurée en volts.

Le calibre de la déviation verticale  est C_y = 2 V/div. le nombre de carreaux lu sur le graticule  est n_y = 2,8 divisions, la tension de crête vaut :

U_max = C_y × n_y = 2 × 2,8 = 5,6 V.

L'oscilloscope permet de mesurer la tension de crête à crête (Ucàc) qui vaut 2 x Umax qui est la tension de crête.

Si nous connectons maintenant un voltmètre à la même source, nous lisons une tension de 3,5 volts.

La nette différence constatée entre la tension de crête et la tension lue sur le voltmètre, montre que les deux appareils ne mesurent pas la même chose.

Tension efficace.

Sur la durée de l'alternance positive, la tension est tantôt inférieure , tantôt supérieure à la valeur indiquée par le voltmètre. Les effets de la tension varient sur cette alternance et le voltmètre indique une moyenne, une sorte de tension continue qui aurait les mêmes effets et que l'on appelera pour cela tension efficace U_{eff .}

A retenir :

Umax   = Ueff

Tension efficace et tension maximale (tension de crête)  sont liées par la relation :

LES FORMULES

Uefficace = tension de crête / racine de 2 = tension de crête / 1,41

Uefficace = tension de crête à crête /  (2 x racine de 2) = tension de crête à crête / 2,82

Ceci n'est valable que pour des tensions sinusoîdales.

EXERCICES :

Les réponses sont visibles en appuyant le bouton gauche de la souris tout en survolant la zone réponse.

Exercice 1 :

Reproduire la présente configuration de l'oscilloscope sur la simulation.

Q1 = Quelle est la tension du signal ?

Réponse : En déplaçant la trace sur l'écran avec le bouton "X-Pos", amener la crête du signal sur l'axe du graticule. Le calibre "Volt/Div." choisi étant 1V/div,  la lecture montre :

2 carreaux = 2V +0,2V ce qui nous donne 2,2V

Q2 = Déterminer sa fréquence.

Réponse : Ramener la trace dans sa position initiale (X-Pos à midi). Le calibre choisi de la BdT étant de 1ms/Div. l'on observe que le signal occupe 8 carreaux.

La durée du signal est donc de 8 ms soit 0,008s.

En électronique on préfére utiliser la fréquence, notée f,  qui est l'inverse de la période, et qui se mesure en Hertz

Suivant la formule de la fréquence (en Hertz) en fonction de la la période (en secondes) (T=1/f => f=1/T) l'on obtient 1/0.008s = 125Hz

Q2= 0,008s =125Hz

Exercice 2:

Dans l'exercice 1 nous avons utilisé le signal disponible sur le cable Bleu.

Vous allez maintenant reproduire l'expérience avec les cables marron, violet et orange dont les signaux ont des caractéristiques différentes.

Réponse : Les mêmes que les votres si vous avez bien pigé cette gymnastique cérébrale!

Exercice 3 :

à suivre !

L'expérience aidant, le recours au "scope" deviendra bien vite une seconde nature...