Réglage valeur moyenne

TP Cours : l’instrumentation électrique

A- Le générateur de basses fréquences ou G.B.F

1- Présentation

Signaux délivrés

Le GBF est un dipôle actif, source de tension capable de délivrer différents types de signaux : - un signal continu dont on peut faire varier l’amplitude.

- un signal triangulaire dont on peut faire varier l’amplitude, la fréquence et la valeur moyenne.

- un signal en créneaux (ou signal « rectangulaire ») dont on peut faire varier l’amplitude la fréquence et la valeur moyenne.

- un signal sinusoïdal dont on peut faire varier l’amplitude la fréquence et la valeur moyenne.

On peut aussi créer des signaux de fréquence variable (mode « Sweep » enclenché)

Ces signaux sont disponibles sur la sortie « OUTPUT 50 Ω » (50Ω représente la résistance de sortie du GBF) Les fréquences délivrées appartiennent à une plage comprise entre 0 Hz et quelques Méga Hertz (MHz).

Notons dès à présent qu’un signal de fréquence nulle (0 Hz) est un signal continu.

2- Gammes de fréquence

La touche « Freq » permet de choisir la fréquence f de travail. Si on le souhaite on peut plutôt régler la période f T=1.

3- Variations d’amplitude

La touche « Ampl » permet de choisir l’amplitude du signal. On peut régler la valeur maximale et la valeur minimale, ou bien la valeur crête à crête Vpp, ou encore la valeur efficace (RMS pour « root mean square », moyenne

quadratique).

4- Valeur moyenne du signal délivré ou Offset

La touche « Offset » permet de donner une valeur moyenne (ou composante continue) non nulle au signal délivré.

Cette valeur moyenne peut être positive ou bien négative, par défaut, elle est nulle.

5- Balayage en fréquence ou wobulation

Le GBF peut délivrer des signaux de fréquence variable (signaux wobulés). On y accède en enclenchant la fonction wobulation (Sweep). On peut alors régler la fréquence de départ (touche « Start ») du balayage, la fréquence d’arrivée (touche « Stop ») ainsi que la durée du balayage (donc la vitesse de balayage) par la touche

« Time ».

Les réglages concernent CH1 ou bien CH2

Sweep : Possibilité de créer un signal de fréquence variable (« balayage des fréquences)

Attention output doit être allumé pour que la voie 1 (CH1) soit active.

Le signal délivré est une sinusoïde Réglage

fréquence Réglage

amplitude Réglage valeur moyenne GBF utilisé :

Signal carré Signal triangulaire

Sortie CH2

Sortie CH1

B-L’oscilloscope numérique

Cet appareil est particulièrement utile en électricité, car il permet d’accéder à un grand nombre de renseignements sur le signal, comme sa forme, sa période, son amplitude, le temps de montée, le déphasage, la valeur efficace....

1- Description sommaire

Signal 2 (vert) Signal 1 (jaune) Signal 3 (violet)

= Signal 1 × _{Signal 2} issu du menu Math

Mesures sur les signaux (mesures de fréquences, d’amplitudes...).

Sélection signal 1 ou signal 2 pour les mesures ou pour le déclenchement par exemple.

Ecran

Menu déroulant très souvent utilisé pour naviguer (en tournant) et valider (en cliquant)

Auto Scale : bouton pratique pour cadrer automatiquement et correctement les signaux à l’écran Commandes

Pour valider

signal 1 Pour valider signal 2 ON/OFF

Horiz : Activer pour Passage en mode XY

Synchronisation et déclenchement du signal

Les voies allumées s’affichent à l’écran (cliquer pour éteindre ou allumer)

Opérations mathématiques sur les signaux

(addition, multiplication..)

Echelle automatique Echelle horizontale

(« nombre de seconde par carreau »)

Déplacement

« horizontaux » des signaux à l’écran

RUN/STOP : Pour figer une image à l’écran Activer les curseurs Déplacement des

curseurs. Cliquer pour valider et figer le curseur Oscilloscope utilisé :

signal 2 (vert) signal 1

(jaune)

mesures sur les signaux (fréquences, valeurs efficaces...)

Echelle verticale (nombre de Volts par carreau) Déplacements

« verticaux » des signaux à l’écran

Gestion à l’écran du signal mathématique issu de

« Math » Déplacement dans les

différents menus, (menu déroulant en tournant puis cliquer pour valider)

Niveau de déclenchement Valeurs

des mesures (périodes, fréquences, valeurs efficaces...) .

1-1 Remarque importante

Les paramètres d’échantillonnage correspondent aux réglages du signal à l’écran. Si nous n’avons pas un signal correctement affiché (par exemple moins d’une période à l’écran ou la valeur max qui « dépasse de l’écran »...) les mesures faites par l’oscilloscope numérique seront fausses.

1-2 Applications

a) En se servant de tout ce qui précède, générer et visualiser à l’oscilloscope un signal sinusoïdal d’amplitude 6V crête à crête et de fréquence 1250Hz.

On veut que le signal soit parfaitement centré à l’écran.

Vérifier que la fréquence indiquée par le GBF est bien celle indiquée par l’oscilloscope.

b) Vérifier que la valeur indiquée pour Umax devient fausse si le signal déborde de l’écran.

c) Régler correctement le signal à l’écran et vérifier que l’oscilloscope indique la bonne valeur efficace.

d) Revenir au signal du a) et ajouter 2V d’offset à ce signal. Vérifier que l’oscilloscope indique la bonne valeur moyenne.

e) En utilisant la wobulation interne du GBF réaliser un balayage lent de fréquence permettant d’obtenir un signal triangulaire d’amplitude crête à crête 4V dont la fréquence varie de 600 Hz à 1800Hz en 30 secondes.

f) Envoyer un signal sinusoïdal sur chacune des voies. Grâce à la fonction Math les multiplier entre eux.

Commenter le résultat.

2- Synchronisation

2-1 Balayage/ Synchronisation

Il faut que l’oscilloscope affiche régulièrement les tensions qu’il saisit et échantillonne.

L’idée de base est que la période du déclenchement de la saisie (et des calculs) doit être identique ou égale à un multiple entier de la période du signal observé.

Par exemple si l’oscilloscope reçoit un signal de période 1ms, il capte cette période (il se synchronise sur ce signal) et fait une saisie sur 1ms, 2ms, 3ms, 4ms... Ensuite, il recommence, la saisie et les calculs. Ainsi le signal affiché est stable à l’écran.

Par défaut il se synchronise sur le signal de la voie 1. Il affiche alors régulièrement plusieurs périodes du signal de la voie 1.

Si rien n’est envoyé en voie 1 et que l’on regarde le signal en voie 2 il est possible que la synchronisation soit mauvaise et que le signal à l’écran ne soit pas stable. On retiendra que le signal du GBF doit être envoyé en voie 1 pour que les signaux soient stables à l’écran.

On peut choisir le niveau de déclenchement du signal (niveau du signal pour lequel la saisie et l’échantillonnage commence). Par défaut il y a généralement déclenchement sur zéro volt sur front montant. Mais on peut changer le niveau et déclencher sur front descendant.

Bien que la voie 1 soit prioritaire par défaut, on peut aussi choisir une synchronisation à partir du signal de la voie 2.

Tout ceci se règle dans le menu « Trigger » (Level correspond au niveau de déclenchement)

2-2 Application : tester des notions avec par exemple, un signal sinusoïdal.

Le signal étudié ne doit pas

« déborder »

On doit observer au moins une période

3- Oscilloscope en bicourbe

Nous pouvons injecter 2 signaux, le premier sur CH1 et le second sur CH2 cela permettra de visualiser à la fois CH1 et CH2 en fonction du temps à l’écran mais aussi CH2 en fonction de CH1 (mode XY) le cas échéant.

On sélectionne l’un ou l’autre des deux signaux avec les boutons 1 et 2 (Voie actives à l’écran s’ils sont allumés).

Lorsque les deux voies sont actives, il peut se poser un problème de synchronisation.

En effet, si l’oscilloscope est synchronisé sur le signal de la voie 2, comment peut-il représenter aussi le signal de la voie 1 s’il est d’une période différente ?

3-1 Signal en voie 1 de période différente mais multiple de celle de la période du signal en voie 2 Mettre grâce au GBF un signal de fréquence f1 = 1000 Hz en voie 2 et un signal de fréquence f2 = 3000 Hz en voie 1.

Commenter.

On peut changer les rapports

2 1

f f ou

1 2

f

f tout en les gardant un multiple entier de la fréquence la plus faible pour la fréquence la plus grande.

Essayer avec f1 = 2000 Hz et f2 = 3000 Hz.

3-2 Signal en voie 1 de période différente et non multiple de celle de la période du signal en voie 2 Mettre grâce au GBF un signal de période 2000 Hz en voie 2 et un signal de période quelconque en voie 1.

Commenter.

4-Application 1 : circuits du premier ordre

4-1) Réaliser le circuit ci-contre :

(le GBF délivre une tension sinusoïdale de 1,00kHz).

a) Visualiser simultanément les deux courbes.

b) Vérifier que l’amplitude de us(t) (notée Us m) est celle attendue.

c) Vérifier que le déphasage entre ue(t) et us(t) est bien celui attendu.

d) Tester également la fonction XY.

4-2) Balayage en fréquence

a) Faire varier la fréquence manuellement de quelques Hz à quelques centaines de kHz en synchronisant tour à tour sur la voie 1 puis sur la voie 2. Conclure.

b) Faire varier la fréquence grâce au balayage (Sweep) en prenant comme fréquence moyenne la fréquence de coupure du filtre- Commenter.

c) Visualiser enfin le comportement en XY avec ce balayage.

10kΩ

22 nF GBF

CH1 CH2

ue us

4-3) Signal d’entrée rectangulaire

a) Faire en sorte que le GBF délivre des créneaux et visualiser les charges et décharges du condensateur.

Distinguer le cas des charges complètes et celui des charges incomplètes.

b) Grâce au balayage (Sweep) faire en sorte de visualiser tantôt des charges complètes, tantôt des charges incomplètes.

c) Remplacer le condensateur de 22nF par une boîte de condensateurs de capacité variable et étudier qualitativement l’effet des variations de C.

d) Que faire pour visualiser le courant électrique au cours de ces charges et décharges ? Réaliser l’expérience.

4-4) Circuit R, L.

a) On souhaite visualiser les charges et décharges en courant d’un circuit R,L série alimenté par des créneaux de tension. Donner un schéma du montage et le réaliser celui-ci en prenant R = 10 kΩ et L = 1,4 H.

b) Etudier le comportement du courant électrique dans un circuit RL série alimenté en sinusoïdal lorsque l’on fait varier la fréquence.

5-Application 2 : circuits du second ordre

On prend L = 42 mH, C = 1µF et R = 200 Ω.

5-1) Régime sinusoïdal

a) Réaliser le circuit ci-contre alimenté par e(t) sinusoïdal.

b) Réaliser un balayage en fréquence avec une fréquence initiale de 20 Hz et une fréquence finale de 5000 Hz, visualiser e(t) et uR(t).

c) Commenter.

5-2) Créneaux de tension

On prend L = 42 mH, C = 1µF et R = 20 Ω. a) Réaliser le circuit ci-contre où e(t) est un signal rectangulaire de fréquence assez faible pour pouvoir visualiser des charges et des décharges complètes du condensateur.

b) Mesurer la pseudo période grâce aux curseurs et commenter le résultat.

L C

e (t) = Em.cos(ωt) uR tension à l’image de i i

R

Voie 1 Voie 2

GBF

R L

e(t) C

uc(t) i

Voie 1 Voie 2

C Le multimètre numérique

1- Présentation

Un multimètre est un appareil électrique capable de mesurer les tensions et les courants en donnant tout aussi bien leurs valeurs moyennes que leurs valeurs efficaces.

La plupart des multimètres ont aussi une fonction Ohmmètre, ils permettent donc une mesure de la résistance d’un circuit « vue » entre les deux points sur lesquels est branché le Ohmmètre.

Rappelons qu’un ampèremètre doit être branché en série (entrée A ou mA et sortie COM) et un voltmètre doit être branché en parallèle (entrée V ou mV et sortie COM).

Il existe 3 types de multimètres. Par exemple pour mesurer une tension, on peut utiliser : -un voltmètre analogique magnétoélectrique (appareil à aiguille).

-un voltmètre numérique RMS (Root Mean Square). Ici le modèle AOIP.

-un voltmètre numérique TRMS (True Root Mean Square). Ici le modèle Fluke.

Les appareils analogiques, aujourd’hui obsolètes, sont peu utilisés, nous ne les étudierons pas ici.

Rappels :

- La valeur moyenne d’un signal périodique x(t) de période T est



>=

<

T

0

dt ) t ( T x

x 1 = xmoy

- La valeur efficace d’un signal périodique x(t) de période T est

>

<

=

=

=



T X 1 X

T

0 eff

2- Multimètre numérique RMS (Marque AOIP)

Le signal physique est numérisé à l’entrée de l’instrument qui comporte donc un convertisseur analogique / numérique.

Le signal x(t) est échantillonné et l’instrument calcule une approximation de la valeur efficace de l’ondulation :



=

T

0

moy

effond (x(t) x )²dt

T

X 1 .

Sur AC ce type de multimètre mesure donc la valeur efficace (mesure notée XAC) de l’ondulation du signal.

Sur DC ce type de multimètre mesure la valeur moyenne du signal (mesure notée XDC ce qui correspond à sa composante continue).

Remarque : pour retrouver la valeur efficace vraie d’un signal avec un dispositif RMS il faut faire l’opération :

Xeff= ²

DC 2

AC X

X + Notons que si le signal étudié est centré sur zéro, il n’a pas de valeur moyenne et Xeff = XAC. Enfin, signalons que si l’on s’intéresse à un signal continu, on utilisera toujours DC (la valeur du signal étant égale à sa valeur moyenne dans ce cas).

3- Multimètre numérique TRMS (Marque Fluke)

Il numérise le signal x(t) et calcule non la valeur efficace de l’ondulation comme le RMS, mais sa véritable valeur efficace : ⁼



T

0

dt )² t ( T x

X 1 aussi appelée valeur efficace vraie.

Il faut avec le modèle dont nous disposons appuyer simultanément sur AC et DC

Si on note XAC+DC la mesure obtenue en appuyant simultanément sur AC et DC nous avons donc, avec ce type d’appareil : Xeff =XAC+DC

Remarques :

* Comme pour un RMS simple, sur DC ce type de multimètre mesure la valeur moyenne du signal (mesure notée XDC ce qui correspond à sa composante continue).

* Comme pour un RMS simple, sur AC ce type de multimètre mesure la valeur efficace de l’ondulation du signal (mesure notée XAC).

4- Applications

4-1 On travaille sur le signal ci contre (fréquence 500Hz) :

a) Créer le signal et le visualiser à l’oscilloscope.

b) Donner les valeurs théoriques de sa valeur moyenne, de la valeur efficace de son ondulation et de sa valeur efficace vraie.

c) Donner les valeurs pratiques de sa valeur moyenne et de la valeur efficace de son ondulation et de sa valeur efficace grâce au multimètre RMS.

d) Donner les valeurs pratiques de sa valeur moyenne et de sa valeur efficace grâce au multimètre TRMS.

4-2 On travaille sur le signal ci contre (fréquence 500Hz) : a) Créer le signal et le visualiser à l’oscilloscope.

b) Donner les valeurs théoriques de sa valeur moyenne, de la valeur efficace de son ondulation et de sa valeur efficace vraie.

c) Donner les valeurs pratiques de sa valeur moyenne et de la valeur efficace de son ondulation et de sa valeur efficace grâce au multimètre RMS.

1V 4V

t -2V

+5V

t

t ue(V)

d) Donner les valeurs pratiques de sa valeur moyenne et de sa valeur efficace grâce au multimètre TRMS.

4-3 Valeurs efficaces mesurée par l’oscilloscope numérique

L’oscilloscope numérique réalise des mesures et des calculs il peut donc lui aussi être considéré comme un voltmètre numérique.

On veut savoir si l’oscilloscope numérique travaille en RMS ou en TRMS c’est à dire s’il indique la valeur efficace de l’ondulation ou bien la valeur efficace vraie.

a) Vérifier avec le signal ci-contre de fréquence 200 Hz.

b) Vérifier avec le signal ci-contre :

1V 3V

t ue

D La plaquette Labdeck

1- Présentation

C’est une plaque comportant des trous entre lesquels on peut positionner des dipôles ou des circuits plus complexes comme des amplificateurs opérationnels ou des multiplieurs par exemple.

Tous les trous situés sur une même demi-colonne (supérieure ou inférieure) sont reliés entre eux et sont donc au même potentiel, chaque demi-colonne est indépendante de toutes les autres (potentiels indépendants).

Tous les trous situés sur une ligne (supérieure ou inférieure ) sont reliés entre eux et sont donc au même potentiel. Chacune des 3 lignes est indépendantes des deux autres et de chacune des demi-colonnes.

2- Positionnement de dipôles

Exemple : on veut étudier le circuit ci dessous: Le câblage sur la plaque sera par exemple, le suivant :

Applications :

a) Vérifier la valeur de la résistance au multimètre puis réaliser le circuit et vérifier qu’il fonctionne.

b) Ajouter un potentiomètre en série avec la résistance et étudier l’influence des variations de résistance.

c) Etudier en régime sinusoïdal, la tension aux bornes du condensateur d’un circuit RLC série où R est uniquement la résistance du potentiomètre et la résistance interne de la bobine (on enlève la résistance de 1000Ω). On prendra L = 2,2 mH (composant de couleur bleue).

d) Etudier cette même tension lorsque le circuit est alimenté par des créneaux de tension.

On mesurera la pseudo période et le temps de relaxation dans le cas où la résistance du circuit est minimale.

3- Positionnement de circuits intégrés

Ils sont positionnés de part et d’autre des parties inférieure et supérieure afin que chaque connexion soit indépendante des autres.

Exemple ci-contre:

Plaque Labdeck Demi-colonnes de la

partie supérieure

Demi-colonnes de la partie inférieure 2 lignes supérieures indépendantes l’une de l’autre

Une ligne inférieure

A.O Multiplieur

La ligne inférieure sert souvent de ligne de masse Les deux lignes supérieures servent souvent pour l’alimentation des circuits intégrés. Par exemple l’une à +15V et l’autre à –15V 1000Ω

10 nF GBF

CH1 CH2

GBF

masse du GBF sortie

GBF

Oscilloscope condensateur

résistance

masse oscillo

voie 1 oscillo

voie 2 oscillo

masse oscillo