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A la découverte de l'oscilloscope !

Résistance

Objectif : Comprendre le fonctionnement d'un oscilloscope en reliant ce que l'on observe sur l'écran à sa constitution interne. Le modèle correspondant à cette page est le Metrix OX 520B.

Plan :

1 : Regardons à l'intérieur !
2 : Comment préparer son oscilloscope pour les mesures ?
3 : Premières mesures en courant continu : Pourquoi le spot est-il dévié ?
4 : Quel est l'intérêt d'un balayage ?
5 : Glossaire

 


 

1 : Regardons à l'intérieur !

Rappel

L'extrait video te montre le principe général de fonctionnement d'une télévision noir et blanc. Un oscilloscope fonctionne sur un principe similaire, à la grande différence près que les bobines de déviation sont remplacées par des plaques de déviation. Elles sont invisibles car elles se situent à l'intérieur du tube cathodique (voir un oscilloscope démonté).

Le canon à électrons produit un fin faisceau   d’électrons qui vont percuter l'écran fluorescent, laissant apparaître un spot de couleur verte.

Les plaques de déviation dévient le faisceau quand on applique une tension entre les deux plaques horizontales (P1 et P2 ) ou les deux plaques verticales (P’1 et P’2 ).

Lorsqu'elle est en fonction, la base de temps applique une tension de balayage entre les deux plaques verticales permettant au spot de parcourir l’écran horizontalement
Le choix de la vitesse de balayage permet d'avoir un balayage du spot plus ou moins rapide.

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Questions                                               

1) Légende le schéma ci-dessus en plaçant un numéro devant chaque partie de l'oscilloscope : (sans les parenthèses)

canon à électrons                 spot
plaque de déviation             faisceau
écran fluorescent

2) Les plaques P2 et P’2 sont reliées à la masse. A quel potentiel sont-elles ? Pourquoi ?

3) Il suffit d’appliquer une tension entre P1 et P2 pour dévier le faisceau sur la verticale. Et si on applique une tension entre P’1 et P’2 , comment est dévié le faisceau ?

4) A quoi cela servirait-il d'appliquer une tension entre deux plaques ? Prévois le rôle de l'oscilloscope.

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2 : Comment préparer son oscilloscope pour les mesures ?

Pour apprendre à bien régler l'oscilloscope, il faut d'abord le dérégler complètement et essayer de retrouver la tension à visualiser ! Pour cela, voici ce que l'on peut faire :

1) Brancher l'oscilloscope aux bornes d'un générateur de 6V continu.
2) Proposer à un autre groupe de le dérégler.
3) Régler-le afin de visualiser la tension délivrée par ce générateur.

Il sera possible de s'aider des renseignements ci-dessous qui donnent, dans l'ordre, toutes les procédures utiles pour atteindre cet objectif.

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Mise en marche et réglages initiaux
- Placer les touches (24) et (27) en position basse soit GND : c'est la position réglage car aucune tension ne s'applique aux bornes de l'oscilloscope.

- Mettre le commutateur (15) en mode XY pour supprimer le balayage è le spot apparaît ; si non, passer à la suite.

- Augmenter l'intensité lumineuse avec le bouton (3) è le spot apparaît ; si non, choisir une intensité moyenne et passer à la suite.
ATTENTION ! NE JAMAIS LAISSER LE SPOT AVEC UNE INTENSITÉ TROP FORTE !

- Tourner les boutons (6) et (10) pour centrer le spot è le spot est centré.

- Tourner le commutateur (15) afin d'activer le balayage è une droite horizontale apparaît ; sinon retrouver la droite à l'aide du bouton (8).

- si ce n'est pas une droite stable, augmenter le coefficient de balayage ( avec le commutateur 15 ).
  si besoin est, régler l'intensité lumineuse et recentrer la droite
  è l'oscilloscope est prêt pour les mesures.

ATTENTION ! Il faudra, de temps en temps, se remettre en position réglage pour vérifier que la droite horizontale est bien centrée  !

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Branchement
- Utiliser de préférence la voie chaîne 2 pour faire les mesures, sauf indications contraires. Pour cela le commutateur (11) ne doit pas être sur OFF

- Brancher toujours l'oscilloscope en dérivation aux bornes d'un dipôle ( ou d'un ensemble de dipôles ) :

  • le fil rouge représentera l'entrée : l'enfoncer dans la borne rouge.
  • le fil noir représentera la sortie (ou masse) : l'enfoncer dans la borne noire.

Symbole normalisé d'un oscilloscope
(dans ce cas la voie A est utilisée aux bornes d'une résistance) :

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Pour les mesures
- Tourner le commutateur (11) pour utiliser la chaîne 2  ( ou le commutateur (5)  pour utiliser la chaîne 1 )

- Attention, le balayage n'est activé que si le commutateur (15) indique une valeur ! Placer devant  XY, le balayage est désactivé.

- Tourner le commutateur (15) pour régler le coefficient de balayage è l'oscillogramme est utilisable pour les mesures.

- Tourner le commutateur (11) ou (5) pour régler le coefficient de déviation verticale de la chaîne utilisée è la courbe est entière.

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3 : Premières mesures en courant continu : Pourquoi le spot est-il dévié ?

Le but, à travers ces expériences simples, est de voir à quoi est due la déviation de la droite représentant une certaine tension continue : On essaiera de relier cette observation à la constitution de l'appareil.
On remarquera qu'il est possible de changer l'échelle de l'oscillogramme en prenant bien conscience que (bien sûr !) on change pas dans ce cas la valeur de la mesure.
Manipulations Questions

Observons le phénomène en mode XY !

Réaliser le circuit ci-contre.

Vérifier que le générateur délivre 2 V précisément.

Brancher l’oscilloscope aux bornes de la résistance.

Choisir un coefficient de déviation verticale égal à 0,5 V/division.

Enclencher le mode XY.

Visualiser successivement la tension sur la chaîne 1 puis sur la chaîne 2 en plaçant les touches (24) puis (27) en position DC (position les mesures).


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1) Compléter le schéma en représentant symboliquement l'oscilloscope.

2) Lorsque l'on visualise une tension continue, que vois-tu sur l'écran (en mode XY) ? Pourquoi le point est-il dévié vers le haut sur la chaîne 2 ? (voir "Notion de tension")

3) Pourquoi la chaîne 2 est alors appelée Y. A quelles plaques de déviation correspond-elle ?

4) Même question pour la chaîne 1 qui est appelée X.

Visualisons une tension continue (avec le balayage activé) !

Enclencher le balayage en faisant la mesure sur la chaîne 2.

Trouver les bons réglages pour visualiser un oscillogramme utilisable : courbe ( ou droite ) stable et entière sur l’écran.


5) Comment est l’oscillogramme d’une tension continue (en mode balayage) ?

6) A quoi est due cette droite (en rapport avec l'observation précédente) ? (voir aussi plus bas "Quel est l'intérêt du balayage ?")

Une première mesure de la tension UAB

Lire ce qu'indique le bouton de déviation verticale.

Regarder de combien de carreaux, par rapport à l’axe horizontal, la droite  est-elle déviée.

7) Quelle est la relation donnant la valeur de la tension mesurée ?

8) Calculer cette tension UAB mesurée. Vérifier que cela correspond à la tension choisie précédemment.

9) Discuter de la précision de ta mesure.

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Quelle est l’influence du branchement de l’oscilloscope ?

Inverser le branchement des fils au niveau de l’oscilloscope.

Observer.

10) Quelle propriété de la tension est-elle illustrée par cette expérience ? (voir "Notion de tension") Elle montre que le branchement de l’oscilloscope a une importance.

11) En inversant les fils, on a en fait mesuré UBA . Quelle est donc sa valeur ?

Quelle est l’influence du coefficient de déviation verticale ?

Faire les mesures pour d’autres valeurs du coefficient kv de déviation verticale. Complète un tableau de ce type :

kv

5 V/div

1 V/div

2 V/div

nv

      

UAB

     
12) Si on change le coefficient kv de déviation verticale, que se passe-t-il ?

13) Comment évolue la droite quand on augmente le coefficient de déviation verticale ?

14) La tension mesurée varie-t-elle quand le coefficient de déviation verticale change ? Conclure.

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4 : Quel est l'intérêt d'un balayage ?

Manipulations Questions

Observons le balayage horizontal du spot !

Enclencher le balayage en faisant la mesure sur la chaîne 2. Visualiser alors la tension continue délivrée par un générateur de 6 V.

Baisser la vitesse de balayage jusqu'à 0,2 seconde par division. Observer.

NB : 0,2 seconde équivaut à 200 ms !

1) Expliquer pourquoi appelle-t-on " tension continue ", la tension visualisée par une droite horizontale sur l’oscilloscope.

2) Pour baisser la vitesse de balayage, faut-il choisir un coefficient de balayage plus grand ou plus petit ?

3) Que peut-on dire de la vitesse de balayage du spot ? En quoi l'oscilloscope est-il un chronomètre ?

4) Combien de temps met le spot pour parcourir la largeur de l'écran de gauche à droite ?

Que voit-on lorsque
la tension est alternative ?

Visualiser la tension alternative délivrée par un générateur de 6 V.

Effectuer les mesures nécessaires.

5) Que visualise-t-on ? Donner le nom de la courbe.

6) Quelles mesures pourrait-on réaliser pour décrire cette tension alternative ? Donner les calculs.

7) Désactiver le balayage et décrire. Comment expliquer cette observation ?

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5 : Glossaire

Constitution de l'appareil

Le canon à électrons est la partie se situant à l'opposée de l'écran fluorescent. A l'intérieur une tension très importante est appliquée entre une anode et une cathode. Les électrons sont ainsi arrachés de la cathode et se dirigent vers l'anode ; celle-ci, percée en son centre, laisse passé un faisceau d'électrons qui par divers systèmes ressort très fin.

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Le tube cathodique (d'une télévision comme d'un oscilloscope) est l'enceinte fermée entre le canon à électrons d'un côté et l'écran de l'autre.

Il y règne un vide poussé pour permettre aux électrons de circuler librement d'un bout à l'autre.

Comment interprétez-vous le symbole sur la boîte noire à droite du tube ?

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Les deux plaques de déviation  horizontales (P1 et P2 ) dévient le faisceau verticalement quand on applique une tension entre elles deux . En fait, chacune se charge différemment de l'autre ; celle chargée positivement attirera les électrons eux-mêmes chargés négativement.

Les deux plaques de déviation  verticales (P’1 et P’2 ) dévient le faisceau horizontalement selon le même principe.
Une différence : La base de temps peut appliquer, de manière automatique, une tension qui permettra au spot de balayer l'écran de gauche à droite

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La base de temps est un dispositif électronique qui applique une tension de balayage entre les deux plaques verticales. Le spot qui est la trace du faisceau sur l'écran, le parcoure, horizontalement, plus ou moins rapidement selon la vitesse de balayage choisie.

Le signal ci-contre, dit en dents de scie ou en rampes,  peut-être utilisé pour constituer une base de temps d'une oscilloscope.

Comment imaginez-vous que cette tension, appliquée aux plaques verticales, permettent au spot de balayer l'écran horizontalement ?

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Retour Retour

La face avant                                               

L'écran fluorescent est gradué en divisions (ou carreaux).

L'axe horizontal est celui du temps si le balayage est activé. Dans le cas contraire, en mode XY , c'est l'axe des X.
L'axe vertical est celui de la tension si le balayage est activé. Dans le cas contraire, en mode XY , c'est l'axe des Y.

Attention à la valeur d'une sous-division (représentée par un petit trait sur les deux axes) !

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Le coefficient de déviation verticale joue le rôle d'un calibre. Il est nécessaire de choisir le plus précis c'est-à-dire celui qui donnera la courbe la plus grande possible mais entière.

Attention, il ne change en aucun cas la valeur de la tension délivrée par le générateur !

Il s'exprime en volt / divisions : Il indique en fait le nombre de divisions  correspondant à la déviation du faisceau lorsque l'on applique une tension de 1 V.

UAB = kv . nv

UAB : la valeur maximale de tension mesurée entre les bornes A et B
kv : le coefficient de déviation verticale (lu sur l’oscilloscope)
nv : le nombre de divisions de déviation verticale (lu sur l’écran)

 

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Le coefficient de balayage permet de régler la vitesse de balayage du spot. Il est nécessaire de choisir le meilleur réglage pour visualiser une courbe avec le minimum de scintillement et qui soit entière.

Attention, il ne change en aucun cas la valeur de la fréquence de la tension délivrée par le générateur !

Il s'exprime en ms / divisions le plus souvent : Il indique en fait le nombre de divisions parcourues par le spot en une milliseconde.

t = kh . nh

t : la durée de parcours du spot
kh : le coefficient de balayage ou vitesse de balayage (lu sur l’oscilloscope)
nh : le nombre de divisions parcourues pendant la durée t (lu sur l’écran)

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Grandeurs mesurables et associées

Un oscillogramme est la courbe que l'on observe sur l'écran. Selon sa forme, on peut classer les tensions en plusieurs familles (voir ci-contre).

La période est la durée qui s'écoule entre deux positions identiques du spot décrivant la courbe. Elle se détermine bien sûr dans le cas d'une tension périodique.

Dans ce cas, c'est la durée entre deux valeurs identiques de la tension dans la même configuration.

Pour la visualiser, il suffit d'imaginer le motif, le plus petit qui soit, qui en se répétant recréé toute la courbe périodique.
Un exemple ci-contre montre en rouge ce motif. Il y a bien sûr une infinité de possibilités, à vous de choisir le plus commode.

T = kh . nh

T : la période
nh : le nombre de divisions correspondant à une période (lu sur l’écran)

 

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La fréquence est alors le nombre de fois que la tension prend une même valeur dans la même configuration.

Elle s'exprime en hertz noté Hz.

f = 1 / T

T : la période (exprimée en seconde, attention !)
 f : la fréquence

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L'amplitude de la tension est la valeur maximale que prend une tension périodique.

Attention, elle s'établit par rapport à l'axe des temps !

Umax = kv . nv

Umax : la valeur maximale prise par la tension périodique
nv : le nombre de divisions de déviation  maximale

La valeur efficace d'une tension sinusoïdale se mesure avec un voltmètre (en mode AC) ou se calcule à partir de l'amplitude déterminée sur l'oscillogramme.

Dans le cas d'une lampe, elle correspondant à la valeur de tension continue qu'il faudrait appliquée pour avoir le même éclairage.

u_efficace.gif (1071 octets)

Ueff : la valeur efficace de la tension sinusoïdale

De la même manière nous pouvons définir la valeur efficace de l'intensité du courant alternatif sinusoïdal.

La mesure de la valeur maximale de l'intensité se fait alors par l'intermédiaire d'une résistance R à choisir convenablement.

i_efficace.gif (1061 octets)

Ieff : la valeur efficace du courant alternatif sinusoïdal
Imax = R . Umax,résistance

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