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TP d'électronique P1 n°1
• Mesures aux voltmètres et utilisation de l’oscilloscope
• Thévenin-Norton en pratique
Programme abordé
1) Mesures aux voltmètres et utilisation de l’oscilloscope a) Recherche du type de fonctionnement des voltmètres
b) Mesure de la bande passante du voltmètre numérique et du voltmètre à aiguille c) Mesure d’une valeur efficace
d) Influence de la résistance d’entrée du voltmètre à aiguille sur la mesure.
e) Influence de la capacité d’entrée du voltmètre à aiguille sur la mesure.
2) Générateurs équivalents de Thévenin et de Norton en pratique Remarques importantes
• Le "Guide de TP et projets d’électronique" contient un grand nombre d’informations nécessaires à cette séance de TP.
• Il est fondamental de bien lire l’énoncé avant de répondre aux questions
1) Mesures aux voltmètres et utilisation de l’oscilloscope
a) Recherche du type de fonctionnement des voltmètres
On cherche à déterminer le type de fonctionnement des 2 voltmètres disponibles : le voltmètre à aiguille et le voltmètre numérique. Les 2 principaux types de voltmètres existants sont : 1) par redressement et 2) par calcul. On sait que les voltmètres fonctionnant par redressement ne donnent la valeur efficace vraie que pour les tensions sinusoïdales. La connaissance du type des voltmètres est donc indispensable pour savoir si un appareil est adéquat pour une mesure donnée.
Q1(pratique). En s'aidant de l'oscilloscope, régler le générateur de fonctions pour qu'il génère une tension sinusoïdale d'amplitude 4V crête-à-crête, de fréquence environ 5kHz. Mesurer cette tension à l'aide des 2 voltmètres et indiquer les valeurs mesurées. Comparer avec la valeur réelle.
Cette expérimentation permet-elle de connaître le type des voltmètres ?
Q2(théorique). Donner l'expression de la valeur efficace d'un signal carré sans composante continue. Calculer l'application numérique pour un signal carré compris entre –2V et +2V.
Q3(p). Sur le générateur de fonctions, actionner le commutateur permettant de sélectionner la forme du signal, pour générer une tension carrée d’amplitude égale à celle de la question précédente (à l’aide de l’oscilloscope). Indiquer comment on peut s’assurer que cette tension ne comporte pas de composante continue. Décrire ce réglage en détails.
Q4(p). Injecter cette tension tour à tour dans chacun des 2 voltmètres. Indiquer les valeurs mesurées. Peut-on maintenant déduire leur type de fonctionnement ? Si oui, le faire.
Q5(p). Le voltmètre numérique est-il du type True RMS ? Justifier la réponse.
Oct. 2000
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b) Mesure de la bande passante du voltmètre numérique et du voltmètre à aiguille
Un appareil de mesure possède une bande passante, c'est à dire une plage de fréquences pour lesquelles il est opérationnel et indique donc une valeur correcte. Ces fréquences sont comprises entre une valeur limite inférieure et une limite supérieure. Il est important de connaître la bande passante d'un appareil de mesure pour savoir si la valeur qu'il affiche est correct ou non, à la fréquence du signal mesuré. On cherche la bande passante correspondant à une baisse de 4% (valeur que l’on définit arbitrairement) de la valeur affichée par rapport à la valeur réelle.
Q6(p). Au moyen d’un câble BNC-BNC, injecter une tension sinusoïdale issue du générateur de fonctions, d’amplitude constante (au moins 1V efficace pour que le bruit superposé soit négligeable), dans le voltmètre numérique Hameg. Faire varier la fréquence, de la valeur minimale à la valeur maximale, l’amplitude de la tension à la sortie du générateur restant constante. Indiquer les différentes commandes du générateur utilisées pour obtenir la tension recherchée, ainsi que les valeurs minimale et maximale de la fréquence que ce générateur peut générer. Relever la bande passante de ce voltmètre en précisant la procédure suivie.
Q7(p). De la même manière, décrire précisément la mesure de la bande passante du voltmètre à aiguille Philips PM2554. Est-il possible de mesurer la limite haute de cette bande (justifier la réponse) ? Vérifier au préalable que lorsqu’aucune tension n’est appliquée au voltmètre, son aiguille est bien sur zéro (préciser comment le réglage du zéro mécanique peut être effectué).
Q8(p). Lorsque l’on souhaite mesurer l’amplitude d’une tension de fréquence donnée, indiquer le critère de choix entre les deux voltmètres, à partir des résultats des deux questions précédentes.
c) Mesure d’une valeur efficace
On souhaite mesurer la valeur efficace d’un signal comportant une composante continue. Il s’agit d’un cas plus général que le cas correspondant aux questions Q1 à Q5.
Q9(th). Visualiser le signal TRIG. OUT du générateur de fonction à l’oscilloscope. Quelles sont les caractéristiques de ce signal (et notamment la valeur de sa composante continue) ? Rappeler l’expression donnant la valeur efficace d’un signal comportant une composante continue.
Appliquer cette expression au signal TRIG. OUT. Montrer que 2 mesures sont nécessaires pour obtenir sa valeur expérimentale.
Q10(p). Indiquer quel(s) voltmètre(s) doi(ven)t être utilisé(s) pour cette mesure, et sur quelle position (AC ou DC). Effectuer les mesures de la valeur moyenne et de la valeur efficace, les décrire, et comparer avec la valeur théorique (cette mesure sera effectuée à la fréquence de 5kHz).
d) Influence de la résistance d’entrée du voltmètre à aiguille sur la mesure.
Le but de cet expérimentation est de montrer qu'un appareil de mesure peut avoir une influence sur le fonctionnement d'un montage, et fausser la mesure. Il faut donc toujours penser à cette perturbation éventuelle lors d'une mesure, et connaître son origine pour mieux l’éviter. Pour cette expérimentation on utilisera une plaquette à contacts.
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Q11(th). Réaliser un pont diviseur de tension avec 2 résistances R1 et R2 de 1,5MΩ. Le voltmètre est équivalent à sa résistance d'entrée en parallèle avec sa capacité d'entrée (voir figure ci-dessous). Calculer la valeur théorique de la tension au point A, en considérant le montage à vide, c’est à dire Re et Ce équivalents à des circuits ouverts (Re ≡ ∞ et l’impédance de C : ZCe≡
∞, c’est à dire Ce=0, car l'impédance d'un condensateur est définie par ZC=1/jCω, avec ω=2πf).
Montrer que cette valeur est indépendante de la valeur des résistances quand elles sont égales.
Q12(p). Mesurer cette tension au moyen du voltmètre à aiguille (tension d'entrée : 1V efficace ; fréquence : 5kHz) et de la sonde en position x1. Comparer avec la valeur théorique et expliquer ce résultat.
Q13(th). Recommencer le calcul théorique en ne prenant en compte que la résistance d’entrée du voltmètre (=1MΩ), en plus de R1 et R2. En effet, à la fréquence à laquelle la mesure est effectuée, l'impédance d'entrée du voltmètre peut être considérée comme égale à sa résistance d’entrée Re (indiquer pourquoi en raisonnant sur l’impédance de la capacité Ce).Représenter ce montage à 3 résistances par un schéma équivalent (schéma équivalent dans lequel ne restent plus que 2 résistances). Comparer la valeur calculée de le tension en A avec la valeur mesurée à la question précédente.
Q14(p). Recommencer la mesure de la question Q12 avec R1=R2=1,5kΩ. Préciser la valeur théorique de la tension au point A. Conclure sur l’influence de Re sur la mesure, selon la résistance de sortie du montage entre les 2 points de mesure.
e) Influence de la capacité d’entrée du voltmètre à aiguille sur la mesure.
Q15(th). On règle maintenant la fréquence du générateur sur 1MHz. On utilise toujours le même montage avec R1=R2=1,5kΩ. Après avoir relevé la valeur de la capacité d’entrée indiquée sur la face avant du voltmètre, calculer l’impédance d'entrée de ce dernier à la nouvelle fréquence de travail. Montrer que Re peut toujours être négligée. Calculer la valeur théorique de la nouvelle tension au point A.
Q16(p). Mesurer cette tension et comparer avec sa valeur théorique. Conclure (en détaillant la réponse) sur l'importance de prendre en compte la fréquence de travail dans toute mesure.
Q17(th). Quelle condition doit remplir l'impédance d’entrée d’un voltmètre ou d'un oscilloscope, pour que la perturbation de la mesure effectuée soit la plus faible possible dans le plus grand nombre de situations possibles ? Quelles conditions doivent remplir leur résistance et leur capacité d’entrée ?
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2) Générateurs équivalents de Thévenin et de Norton en pratique
On considère le générateur de la figure ci-dessous, formé par le générateur de fonctions (décomposable en sa force électromotrice E0 et sa résistance interne R0, égale à 50Ω) et 2 autres résistances R1 et R2 formant un pont diviseur de tension (ce montage est identique à celui de la figure précédente ; seules les valeurs des résistances ont changé)
Q18(th). Déterminer par calcul théorique les valeurs de la f.é.m. ETh et de la résistance interne RTh du générateur équivalent de Thévenin du circuit complet, vu de ses bornes de sortie A et B.
Q19(p). Déterminer les valeurs expérimentales de ETh et RTh, en décrivant les mesures. Pour cette dernière on utilisera une résistance de charge R (non représentée sur la figure) et un voltmètre. Citer une 2e méthode de mesure utilisant un ampèremètre, et une cause possible d’erreur de mesure avec cette 2e méthode.
Q20(th). Montrer que le générateur que constitue le circuit complet est plutôt un générateur de tension qu’un générateur de courant, et qu’il est à peu près équivalent au générateur de fonctions.
