Objectifs : Se familiariser avec différentes fonctions de l’oscilloscope.
Note : Il existe plusieurs sites Web où l’on décrit de façon très visuelle le fonctionnement d’un oscilloscope.
Manipulations expérimentales
Toutes ces manipulations sont réalisées avec un générateur de fonctions (Rigol, modèle DG1022), un oscilloscope (Tektronix, modèle TDS 20XX) et une série de câbles coaxiaux avec connecteurs appropriés.
Partie 1. Synchronisation sur CH1
— Utiliser le générateur de fonctions pour produire une sinusoïde de 10V (crête à crête) à une fréquence de 1 kHz.
— Brancher ce signal sur le canal 1 de l’oscilloscope.
— Régler la synchronisation en mode AUTO.
— Choisir la source de la synchronisation : CH1.
— Varier le niveau de synchronisation et observer son effet. Lorsque le niveau est à l’extérieur de la plage d’amplitude du signal l’affichage n’est pas stable mais apparait quand même.
— Régler la synchronisation en mode NORMAL et varier de nouveau le niveau de synchronisation. Vous observez maintenant que si la synchronisation ne se fait pas, l’affichage disparait.
— Revenir maintenant en mode AUTO et ajuster le niveau de synchronisation à environ 3V sur le front de montée.
— Diminuer maintenant l’amplitude du signal et observer la disparition de la synchro- nisation.
On utilisera le mode AUTO pour le reste des manipulations.
Partie 2. Synchronisation sur EXT
Afin d’éviter la perte de l’affichage lors d’une variation du niveau de signal ou encore lorsque vous changez l’échelle d’amplitude sur le CH1, on préfère synchroniser l’oscilloscope avec un signal externe. En effet, la majorité des sources possèdent une sortie de synchronisation.
Il s’agit simplement d’un signal qui a la même fréquence que le signal émis par la source mais dont la forme et surtout l’amplitude sont constantes peu importe la fréquence ou les
autres paramètres du signal de sortie (amplitude, durée, etc...). Généralement, les sorties de synchronisation donnent des ondes carrées de 0-5 volts (Note : c’est l’un des standards de tensions utilisées pour l’alimentation de circuits TTL : transistor-transistor logic)).
2.1 Visualisation du signal de synchronisation
— Brancher la sortie de synchronisation du générateur de fréquence RIGOL, située à l’arrière de l’appareil (SYNC OUT), sur le CH2 de l’oscilloscope.
— Activer la sortie SYNC OUT à l’aide du menu UTILITY suivi de SYNC ON.
— Ajuster la synchronisation sur le CH2 en mode AUTO.
— Varier la fréquence du générateur et observer que celle du signal de synchronisation varie de la même façon.
— Varier maintenant l’amplitude de sortie du générateur et observer que celle du si- gnal de synchronisation est toujours fixe. Vous pouvez maintenant varier à volonté l’amplitude du signal de sortie ou l’échelle d’amplitude du CH1 sans jamais perdre la synchronisation.
Vous voyez maintenant l’utilité d’un tel signal pour synchroniser l’oscilloscope. Cela explique pourquoi tous les oscilloscopes sont munis d’une entrée de synchronisation externe (EXT).
Cela est la clé pour réussir à visualiser un signal dont vous modifiez l’amplitude.
2.2 Utilisation de la synchronisation externe
— Brancher maintenant la sortie de synchronisation du générateur de fréquence sur l’entrée EXT TRIG de l’oscilloscope.
— Choisir l’entrée EXT dans le menu de la synchronisation et ajuster manuellement le niveau (TRIGGER LEVEL) pour obtenir une image stable du signal de sortie du générateur.
— Vous pouvez maintenant modifier à volonté tous les paramètres du signal de sortie sans jamais perdre la synchronisation.
Partie 3. Propriétés des canaux
— Utiliser maintenant un signal de 1 kHz et synchroniser en EXT.
— Le bouton CH1 MENU permet d’afficher ou d’enlever le signal de l’écran.
— Afficher le signal et observer à l’écran les paramètres pouvant être variés : couplage, limite bande, volts/div, sonde et inverser.
3.1 Couplage (masse, AC et CC)
— Commencer par sélectionner la masse. Vous voyez apparaitre une ligne qui vous dit où est le zéro de tension sur l’écran. Placer cette ligne au centre et revenir en mode CC.
— Varier maintenant le niveau du DC OFFSET sur le générateur de fonctions et ob- server le déplacement de votre signal à l’oscilloscope. Vous noterez que dans le mode CC « tout » le signal apparait sur l’écran.
— Passer maintenant en mode CA. Vous observez que l’image se place automatiquement au centre de l’écran. Essayer de varier le niveau du DC OFFSET du générateur et observer que l’oscilloscope replace toujours l’image au centre. Cela vient du fait que le mode CA ne laisse passer que les fréquences non nulles et coupe la partie CC du signal. Ce mode est particulièrement utilisé pour visualiser de petits signaux alternatifs superposés à un signal CC élevé.
3.2 Limite de bande
La limite de bande peut être restreinte pour filtrer les fréquences parasites très élevées.
D’habitude, on n’utilise jamais de limite de bande. Cela peut cependant devenir intéressant si l’on capte beaucoup de bruit de stations de radio ou autres émetteurs proches.
3.3 Volts/div (gros, fin)
On peut choisir le nombre de volts/div à l’aide du sélecteur situé juste au-dessous de CH1 MENU. Typiquement, on double la valeur des divisions verticales à chaque position du bouton. Cela est vrai seulement en choisissant l’option GROS dans le menu volts/div. En choisissant l’option FIN, on peut varier à volonté la valeur des divisions verticales. Ce mode est très rarement utilisé.
3.4. Sonde (1X, 10X, 100X, 1000X)
Le câble coaxial utilisé pour connecter un point particulier d’un circuit test (le contact extérieur du câble étant référencé à la masse) à l’entrée de l’oscilloscope est appelé une sonde de mesure. Certaines sondes de mesure, combinées à l’impédance d’entrée de l’oscilloscope, agissent comme un diviseur de tension : ÷10, ÷100 ou ÷1000. Ce type de sonde est utile pour limiter les distorsions de signaux AC induites par la réponse en fréquence de ce circuit de mesure. Si on utilise une sonde de mesure qui divise le signal par un facteur 10 alors on doit ajuster le bouton « Sonde » de l’oscilloscope à 10Xafin de multiplier ce signal par un facteur 10 et ainsi voir le signal réel à la sortie du circuit test. Si on utilise un câble coaxial standard comme sonde de mesure, on doit se placer en position1Xpour voir le signal réel à la sortie du circuit test.
3.5 Inverser (ON/OFF)
Cette touche permet d’inverser le signal à l’écran. Sur certains oscilloscopes on la retrouve dans le menu associé à un canal et sur d’autres à partir du menu associé à la touche
« MATH ».
Partie 4. Mode X-Y (figures de Lissajous)
Lorsque deux signaux possèdent des fréquences identiques, il est possible de déterminer la phase entre les deux à l’aide des figures de Lissajous. On utilise l’oscilloscope en mode X-Y.
La figure ci-dessous illustre les résultats attendus pour des signaux de la forme x=M·sin(ωt) et y=N ·sin(ωt+φ)
0Ο
45Ο
90Ο
Figure 1: Construction d’une figure de Lissajous.
On note que lorsque les signaux sont déphasés de 0o et de 180o, on obtient des droites à l’écran. Naturellement, la pente de ces droites dépend des gains respectifs utilisés sur les deux entrées de l’oscilloscope.
Pour les signaux de la forme x=M·sin(ωt) ety=N ·sin(ωt+φ), on peut déterminer la phase entre ces signaux en mesurant les amplitudesN etN·sin(φ) comme illustré ci-dessous.
Y
M X N
Nsinφ
Figure2: Mesure du déphasage entre deux signaux.
Pour des signaux n’ayant pas la même fréquence, on peut déterminer le rapport de ces fréquences à l’aide de telles figures, parfois très exotiques (c.f. Principles of electronic ins- trumentation A.J. Diefenderfer p.134).
4.1 Déphasage dans un circuit RC
Note : L’exemple de rapport de laboratoire, présenté dans les notes de cours de tra- vaux pratiques, porte sur cette expérience.
Soit le circuit suivant :
R
C VC
VS S
Figure 3: Déphasage dans un circuitRC.
S : source CA (Rigol DG1022) VS : oscilloscope (Tektronix-CH1) VC : oscilloscope (Tektronix-CH2)
R : 1 kΩ
C : 0.1 µF (ou 100nF)
Les données expérimentales du rapport de laboratoire ont été obtenues en utilisant l’oscil- loscope en mode X-Y pour l’évaluation du déphasage (φ= φC −φS) entre la tension aux bornes de la source et celle aux bornes du condensateur. Le déphasage a été mesuré en fonction de la fréquence, entre 100 Hz et 50 kHz.
Pour réaliser cette expérience et accéder au mode X-Y de l’oscilloscope, appuyer sur le bouton DISPLAY et choisir le mode X-Y.
ÉVALUATION SOMMATIVE
Vous n’avez pas de rapport à remettre pour ce laboratoire mais le moniteur évaluera votre capacité à bien rendre compte des réglages et des manipulations à faire pour réaliser cette expérience. En particulier, vous devrez expliquer :
— Le choix des différents réglages sur l’oscilloscope pour réaliser l’expérience : type de synchronisation, type de couplage des signaux, mode d’affichage, sélection #volts/div (gros ou fin) ;
— L’allure de votre figure de Lissajous.
Montrer que le déphasage suit bien le comportement théorique attendu en variant la fré- quence entre 100 Hz et 50 kHz et en expliquant l’effet sur la figure de Lissajous.
Avec la figure de Lissajous, déterminer la fréquence de coupure de ce filtre. Votre procédure est-elle précise ? Commenter.
Partie 5. Concept de la masse
La masse, ou mise à la terre (« ground »), dans un circuit électronique est un point de référence qui est électriquement relié au sol et qu’on dira, par définition, au potentielV = 0.
En pratique, au laboratoire, cette mise à la terre se fait par l’intermédiaire des prises murales du secteur, le troisième contact de la prise étant relié à une tige métallique enfoncée profondément dans le sol.
Plusieurs appareils du laboratoire ont une borne branchée automatiquement à la masse par le biais du cordon du secteur. Cette borne est habituellement identifiée par le symbole . Les appareils qui ne sont pas référencés à la masse sont dits« flottants». Lorsque plusieurs appareils dans un même circuit sont référencés à la masse, toutes les mesures de tension se
font par rapport à ce point. Les masses doivent toutes être branchées en un même point sinon il y aura un « conflit de masse ». Pour bien comprendre ce phénomène, nous allons reprendre l’exemple du diviseur de potentiel.
Réaliser le circuit suivant, en utilisant la source flottante (HP3311A) et R1 =R2 = 1 kΩ.
Dans ce cas, on doit avoir VR1=VR2.
1 R1
CH1 CH2
R2
VS 2
3
Figure 4: Montage utilisé pour le concept de masse.
ÉVALUATION SOMMATIVE DES APPRENTISSAGES AU LABORATOIRE
Vous n’avez pas de rapport à remettre pour ce laboratoire mais le moniteur évaluera votre niveau de compréhension du concept de masse.
— Expliquer où brancher la masse de l’oscilloscope afin de pouvoir mesurer la tension surR1 et R2 simultanément.
— Vérifier expérimentalement que vous avez bien obtenu ce résultat. Expliquer alors l’allure des deux signaux de tension obtenus surR1 etR2.
— Expliquer pourquoi on ne peut obtenir un tel résultat avec la source Rigol qui est référencée à la masse.
mars 2018
