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Commun

M. GUITARD M.ROTY M. THIERIOT

L'OSCILLOSCOPE


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Introduction

L'oscilloscope est un outil qui permet de visualiser des tensions et de mesurer différentes grandeurs telles l'amplitude ou la période d'une tension alternative.

Tous les oscilloscopes fonctionnent de la même manière et présentent les mêmes réglages : seule l'ergonomie peut être différente d'un modèle à l'autre.

Nous présentons ici un modèle d'oscilloscope, le Metrix OX 520 B.

 


Plan

1 - Réglages de préparation
2 - Branchements, obtention d'une courbe exploitable et mesures
3 - Glossaire

Rédacteur : NT

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1 - Réglages de préparation

 

Placer les touches (24) et (27) en position basse soit GND (GROUND : terre en anglais) : 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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2 - Branchements et obtention d'une courbe exploitable 

 

Branchements

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) :

 

Tourner le commutateur (5)  pour utiliser la voie 1 ou le commutateur (11) pour utiliser la voie 2.

Attention, le balayage n'est activé que si le commutateur (15) indique une valeur ! Placé 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.

 

 

Étude d'une tension alternative périodique

L'oscillogramme permet de mesurer l'amplitude et la période d'une tension périodique.

Mesure de l'amplitude :

Elle est égale au produit du nombre nv de divisions verticales lu à l'écran lorsque la courbe atteint son maximal par le coefficient de déviation verticale kv indiqué par le commutateur (11) ou (5).

Mesure de la période :

C'est la durée qui sépare deux passages successifs de la courbe par la même valeur et " dans le même sens " , croissant ou décroissant. C'est, par exemple, la durée qui sépare deux maxima successifs.

Elle est égale au produit nh du nombre de divisions horizontales lu à l'écran entre deux maxima successifs par le coefficient de balayage kh indiqué par le commutateur (15).

 

Exemple

Oscillogramme

Réglages

  • coefficient de déviation verticale : 0,1 V/div
  • coefficient de balayage : 20 msdiv

Calculs

Amplitude : U = 1,5 x 0,1 = 0,15 V

Période : T = 2 x 20 = 40 ms

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3 - 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 ?

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.


Schéma simplifié

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  

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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'un oscilloscope.

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

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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).

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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

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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.

Ueff : la valeur efficace de la tension sinusoïdale

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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.

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

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