Analyseur d'oscillogrammes. Applications en spectroscopie hertzienne

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Analyseur d’oscillogrammes. Applications en

spectroscopie hertzienne

Maurice Buyle-Bodin, Jean Rosset

To cite this version:

32 A.

ANALYSEUR D’OSCILLOGRAMMES. APPLICATIONS EN SPECTROSCOPIE

HERTZIENNE

Par MAURICE BUYLE-BODIN et JEAN

_ROSSET,

Laboratoire

_{d’Électrostatique}

et de _Physique du Métal (C. N. R. S.)

et Laboratoire de Haute _Fréquence de la Faculté des Sciences, Grenoble.

Résumé. 2014 Grâce à _l’emploi des _transistors, on réalise un _{montage simple} destiné à extraire

l’amplitude du _signal sur les _plaques de déflexion verticale d’un _{oscillographe cathodique} I en un point choisi et _repéré sur _{l’écran, quel que soit} le _type de _balayage utilisé et sa _fréquence de répé-tition.

Le _signal extrait _{peut alors,} selon le besoin être : soit _moyenné sur _{plusieurs passages afin}

d’améliorer le _{rapport signal} sur bruit ; soit conservé inchangé pour en étudier l’évolution au cours

du _temps. Dans les deux cas le deuxième _{enregistreur peut} être aussi bien un oscillographe

catho-dique II _{qu’un enregistreur} à _plume.

En _{spectroscopie} hertzienne ce _{montage constitue,} soit un _{moyen d’améliorer le rapport}

signal-sur-bruit, soit un _procédé d’étude des _temps de relaxation. Sans transformation il réalise un détec-teur de _phase dit « lock-in ».

Abstract. 2014 A

simple

gate circuit using transistors _permits the extraction of the instantaneous value of the voltage on the y-deflection plates of a _{cathode ray tube,} for an _{arbitrary point} of the trace, independently of the _type of sweep and of its frequency.

The _signal obtained can either be used _directly, for instance to observe its variation with _time,

or _averaged over a _great number of _cycles to _improve the _signal/noise ratio. In both cases the

recording apparatus can be a second C-R _oscilloscope or a _{pen recorder.}

Especially in _{radiospectroscopy,} this circuit can be used to _improve the _{signal/noise ratio,} to

measure relaxation time, or as a « _lock-in » _phase detector.

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 20, AVRIL 1959, PAGE

Pour l’étude de différents

_phénomènes

visualisés

à

_{l’oscillographe cathodique}

il est souvent

néces-daire d’améliorer le

rapport

signal/bruit

ou de

pouvoir

mettre en évidence la loi d’évolution d’une

partie

de la

_figure

observée. Différents

_procédés

ont été

_proposés

- leur

technique

est

_classique

en résonance nucléaire -

qui

présentent

le défaut

d’exiger

une

_{importante complication}

du

_montage

et d’interdire souvent la visualisation

_permanente.

du

_phénomène

_global.

_{Nous proposons} ici un

mon-tage

simple

qui,

en

_reprenant

la tension liée à

l’ordonnée d’un

_point

de

_l’image

de

_{l’oscillographe}

(point

choisi

_grâce

à une

_porte

_{repérée ’en}

_position

sur

l’image),

_permet

son

_analyse

au

_gré

de

l’utili-sateur. Nous décrirons d’abord cet

_analyseur

en vue d’un _usage

_général

et montrerons ensuite

quelles applications

en

_{spectroscopie}

hertzienne nous en avons obtenu.

I.

Analyseur

d’oseillogrammes.

- Le schéma de

montage

(fig.

1)

se

_signale

immédiatement

_par

l’emploi

systématique

de diodes et triodes à cristal. Outre l’économie

_appréciable

que l’on réalise sur

la

_place

et la

_{consommation,}

les transistors sont tout à fait

_adaptés

au

_montage

car on les utilise

soit en commutateur où ils ont un meilleur

ren-dement que les

tubes,

soit en

amplificateur

du

type

collecteur commun

(semblable

au

cathode-FiG.l.

33 A

follower)

où le choix des conditions de

fonctionne-ment est très

_souple.

On

_conçoit

_que, dans ce

montage

le choix du

_type

de transistor à

_jonction

utilisé soit assez

large.

a)

GÉNÉRATION DU SIGNAL DE COMMANDE DE LA PORTE. --- Le

signal

à

_l’origine

de la

_porte

est

fourni par la

comparaison

aux bornes de deux

diodes,

de la tension de

_balayage

_X,

avec une

tension de référence U. Une batterie annexe assure un

_décalage

réglable

entre les

_{polarisations}

des deux diodes

_et,

_par

_suite,

une

_largeur

de

_porte,

mesurée en

balayage

horizontal de

_{l’oscillographe}

_I,

indépendante

de sa

_position

sur l’écran.

Ce

_système

a

_l’avantage

de fournir une

_porte

repérée

en

_position

et

_largeur

selon une échelle

linéaire sur le

_balayage

horizontal. Or on

_s’arrange

toujours

pour que la

position

du

_spot

sur l’écran

soit reliée linéairement au

_paramètre

_physique

(fréquence

par

exemple)

qui

situe le

_phénomène

observé. Le

_système

_proposé

conserve donc cette

linéarité.

Pour

_{l’enregistrement}

de l’évolution d’une

_partie

de

_{l’oscillogramme}

I on fixera la tension de

ré-férence U. Par

_contre,

une

_analyse

continue de

cet

_{oscillogramme, exigera}

une tension U

conti-nuellement

_variable,

en liaison avec le

balayage

horizontal

de l’écran d’un deuxième

oscillo-graphe

II aux

_plaques

de déviations verticales

duquel

on

_appliquera

la tension continue obtenue

après intégration (voir

plus

loin).

b)

MISE EN FORME DE LA TENSION DE

COM-MANDE DE LA PORTE. - Celle-ci est

obtenue

par

une cellule de dérivation

(capacité-résistance)

dans

laquelle

le rôle de la résistance est assuré _par la

diode base-émetteur du

_premier

transistor

_Tl.

Il

en résulte à l’entrée

de

Tl

un créneau

_négatif

convenable _pour un sens de parcours de la tension

Xi ;

l’autre sens donnant à l’entrée de

_Tl

un

signal

dont la forme laisse à désirer

(mauvaise dérivation);

cela n’a

_guère

_{d’importance puisque}

la

_polarisation

de base choisie _pour

_Tl

_{fait que} ce

_{signal n’y}

est

pas

amplifié.

Le transistor

_{T 1}

transmet alors au transistor

_T2,

convenablement

_polarisé,

un courant de base

_qui

le _{commande par} tout ou rien. Une diode dans

le circuit de base de

_T2

évite la

_perturbation

de

son fonctionnement sous l’action de créneaux

po-sitifs _par

_trop

_importants.

FIG. 2.

e)

CIRCUIT « PORTE ». - La

figure

2a

_exprime

la constance de

_{l’amplitude}

et de la

_largeur

du créneau de la tension collecteur de

_T2

tout le

long

de l’axe horizontal de

_{l’oscillographe}

I. C’est d’ailleurs ce

balayage

horizontal à 50 Hz

qui

a

servi de source de tension

_X1.

On obtient un fonctionnement correct

_jusque

vers les extrémités du

balayage

où

l’amplitude

des créneaux chute

_rapidement

sans la moindre

gêne

pour

l’utilisateur, puisqu’il

s’agit

de

_parties

sans intérêt de

_{l’oscillogramme}

_I,

_parties

que l’on

peut

fort bien situer hors des limites visibles de l’écran.

La variation en créneaux de la tension du col-lecteur de

_{T 2}

_correspond

_{pour la} résistance r du

circuit vu entre collecteur et masse à une

varia-tion

_brusque

_{de ri (15}

000 ohms

_environ)

à r2 = 500 ohms _en dehors du créneau

(on

tient

compte

ici de

_{l’adjonction}

du circuit suivant : entrée de

_T8).

Le circuit

_porte

consiste en la mise en série

à

_partir

de

_{Y, (sortie}

de

_{l’amplificateur}

ver-tical de

_{l’oscillographe}

_I)

d’une résistance R de 100 000 ohms et de la résistance variable r

une source

d’iznpéclance

ici

négligeable,

on aura une

_{tension el}

ou e2 aux bornes du collecteur selon

la valeur de r. L’efficacité d’une telle

_porte

est

exprimée

par :

.

On vérifie aisément l’ordre de cette efficacité

sur la

figure

2b pour

laquelle

nous avons

_pris

comme

tension

_Y,

la tension alternative

_provenant

d’un

générateur

basse

_{fréquence .}

Nous avons choisi ici le

_montage

de

_porte

dite

«

_{parallèle »}

à cause de sa linéarité : le

signal

n’est

pas transmis à travers le

transistor-porte

et celui-ci

se

_comporte

comme une

_simple

résistance variable ce

_qui

garantit

une

_réponse

correcte du

_système.

d)

CONSTANTE DE TEMPS. -

Ayant

maintenant extrait le

_signal

du

_premier

_{oscillogramme}

en une

position repérée

on

_peut

soit étudier son

évolu-tion soit en chercher une valeur _moyenne afin

d’éliminer le bruit

_qui

l’affecte.

_Toujours,

dans ce dernier _cas,

_et,

parfois

dans le

_premier,

si l’évo-lution est suffisamment

_lente,

on doit

emma-gasiner

le

_signal

obtenu sur

_plusieurs

_{passages de}

l’oscillogramme

I.

Pour obtenir des constantes de

_temps

suffi-santes sans

_{exiger trop}

d’énergie

du

_système

«

_porte

_», nous avons constitué un ensemble de deux

transistors

_T3

et

_{T4 qui présente}

à la base de

_T3

une forte

_impédance

_(voisine

de 100 000

_ohms).

Ces transistors montés en collecteur commun

garantissent

de

_plus

une transmission linéaire du

signal.

Dans le circuit émetteur de

_{T 4}

une résis-tance variable de 1

_megohm

et un condensateur

de 2 micro-farads créent une constante de

_temps

dont le maximum

avoisine

2 secondes. Pour une

intégration

plus

poussée

on

_reporte

une constante

de

_{temps plus}

_importante

dans la chaîne

ampli-ficatrice suivante ce

_qui

se réalise aisément _par

l’adjonction

d’une forte

_capacité

sur les

_plaques

verticales du deuxième

_{oscillographe}

II. Bien

entendu,

pour les mesures de

_temps

d’évolution d’un

_signal,

on

_{prendra toujours}

une constante

de

_temps

inférieure à celle de l’évolution selon

une

technique

bien connue _{pour les} détecteurs. La sortie est

_prise

sur l’émetteur de

_{T 4}

_à-partir

d’une tension de référence

_réglable

_{qui permet}

de fonctionner correctement au

_voisinage

du

po-tentiel nul pour autant _que

_{l’impédance}

d’entrée de l’instrument de mesure

_{(oscillographe}

_II)

a une valeur suffisamment élevée.

Nous avons _pu vérifier avec

_précision

la

linéa-rité de ce

_système

en

_prenant

comme test

_l’analyse

d’une droite obtenue sur

_{l’oscillographe}

1 à l’aide de

_balayages

horizontaux et verticaux en

_phase.

Marquage

de

_position.

- Un

analyseur

de ce

type exige

le

_repérage

de la

_position

et de la

lar-geur de la

porte

directement sur

_{l’oscillogramme}

analysé

1. On le réalise

_simplement

par le

ren-forcement de la luminosité du

_spot

_par

_{l’injection}

d’une

_impulsion

de tension

_positive

sur la

_grille

de

_{Wehneit W1}

du

_premier

_{oscillographe.}

Le tran-sistor

_T5

a _pour rôle de fournir cette

_impulsion.

La même tension

_appliquée

à la

_grille

de Weh-nelt

_W2

de

_{l’oscillographe}

II

_permet,

de la même

façon,

d’accentuer la luminosité au

_point

utile sur

l’écran II

_lorsqu’on

étudie l’évolution d’un

_signal

I.

Enfin,

nous devons faire _{remarquer que le}

dis-positif

décrit étant

_prévu

_{pour des}

_fréquences

de

balayage

voisines de 50 Hz nous obtenons un

fonc-tionnement satisfaisant de 20 Hz à 200 Hertz

environ. Mais rien ne

_s’oppose

à ce _que ce _montage

soit

_prévu

_pour un fonctionnement correct avec

des

_{balayages X,}

à des

_{fréquences approchant}

les 10 kHz.

II.

_Applications

en

_{spectroscopie}

hertzienne.

-a)

AMÉLIORATION DU RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT DES RAIES DE RÉSONANCE. - Parmi les

procédés

préconisés

pour faciliter l’étude des raies

de ,

réso-nance

_{figure l’intégration}

_{photographique}

de

l’os-cillogramme.

Dans le trait

_épaissi

par le bruit au cours de

plusieurs

passages du

spot,

il est aisé de

_repérer

sur un cliché la

_ligne

_{moyenne et} d’en extraire

un

_signal

faible. Le défaut évident de ce

_système

réside dans la nécessité d’attendre le

développe-ment de la

_pellicule

_{pour avoir} une idée

_précise

du résultat.

La méthode

_{d’intégration}

_électrique

ici

utilisée

permet

de visualiser immédiatement la

_ligne

moyenne de

_{l’oscillogramme original}

et,

par

suite,

d’améliorer le

_{rapport signal}

sur bruit. Les

couples

de

_figures

_3a,

3b et

_3c,

3d illustrent les résultats

obtenus _pour une constante de

_temps

d’intégra-tion d’une dizaine de

_{secondes ;}

les vues 3a et 3b

montrent la raie de résonance

_{quadrupolaire}

de

85Cl dans le

_{paradichlorobenzène}

obtenue sur les deux

_{oscillographes.}

Les vues 3c et 3d

corres-pondent

à cette raie

_décomposée

sous l’influence

d’un

_champ

_magnétique.

b)

ÉTUDE

DU TEMPS DE RELAXATION D’UNE

RÉSONANCE. - On

peut

mesurer avec une bonne

approximation

les

_temps

de relaxation

_spin-milieu

des résonances nucléaires en observant le

_temps

d’établissement de

_{l’équilibre}

des raies de

réso-nance soit

après

une saturation de la résonance

(suppression

du

_balayage

de

_champ

_magnétique

ou du

balayage

de

fréquence),

soit

_après

une dé-’

saturation

_{complète obtenue}

en

_déplaçant

la

fréquence

de l’oscillateur suffisamment loin de la

fréquence

de résonance. Ce

_procédé

est

particuliè-rement intéressant dès que le

temps

de relaxation

spin-milieu

est

_largement

_supérieur

à l’inverse de

35 A

FIG. 3.

En fixant la

_position

de la

_porte

sur

l’oscillo-g-ramme I et en

_balayant

linéairement le deuxième

oscillographe

à écran

rémanent,

nous obtenons sur celui-ci la courbe d’évolution en fonction du

temps

de

_{l’amplitude}

du

_signal

de résonance.

Nous illustrons ces mesures faites sur le

paradi-chlosobenzène _par le cliché 4a

_{(77 OK)}

et le cliché 4b

(température

voisine de 65

_OK).

Les traits

_qui

hachent ces clichés sont liés aux _passages du

ba-layage

XI

tous les

_1/50e

de seconde sur la courbe

de résonance. Le

_balayage

du deuxième

oscillo-graphe

étant

de

la sorte étalonné en

_temps,

les

photographies

fournissent

_rapidement

une mesure

du

_temps

de relaxation.

c)

FONCTIONNEMENT EN « LOCK-IN n. -

Malheu-reusement le

_système

_employé

_{ici pour accroître}

le

_{rapport signal}

sur bruit n’améliore nullement

la fidélité du

_dispositif

de détection des

_{résonances ;}

or, on _{sait que les raies} obtenues en visualisation

directe

_(donc

_balayage

_large)

sont souvent

diffé-rentes des raies

_théoriques

_exprimant

la relation

entre

_{l’absorption}

et la

_fréquence

_(ou

le

_champ

magnétique).

Ces défauts

_proviennent

autant du fonctionnement même de l’oscillateur-détecteur

que de celui de la chatne

amplificatrice,

ces

der-niers défauts étant les

_plus

faciles à

_corriger.

Pour

accroltre la fidélité du

_système

détecteur

de résonance et _{aussi pour bénéficier d’une} amé-lioration substantielle du

_rapport

_{signal/bruit,}

on

utilise

_{classiquement}

un

balayage

étroit de

fré-quence

(ou

de

champ)

en

_prévoyant

un

ampli-ficateur sélectif et un détecteur de

phase

(«

lock-in

_»).

On _{remarquera que le}

_montage

décrit

_peut

per-mettre la réalisation immédiate d’un « lock-in »

puisqu’il

constitue _par lui-même un détecteur

synchrone

à «

_{porte »}

réglable

en

_phase

et durée.

Il faut alors réduire l’excursion de

_fréquence

(ou

de

_{champ magnétique)}

à une

_amplitude

_petite

de-vant la

_largeur

de la raie et associer un

balayage

lent de la

_fréquence

_(ou

du

_champ)

au

balayage

horizontal du deuxième

_{oscillographe.}

Sur l’écran de celui-ci se décrit alors la courbe dérivée de la

raie de résonance. Le

_{rapport signal}

sur bruit obtenu de la sorte est

_{naturellement}

_comparable

à celui résultant du mode

_d’emploi

_précédent,

seule la fidélité dans la

_{transcription}

de

la raie de

résonance est améliorée. Rien n’interdit d’ailleurs de

_parfaire

ce résultat à l’aide d’un circuit sélec-tif accordé sur la

fréquence,

de

balayage

et

placé

avant l’entrée du

_premier

_{oscillographe.}

d)

CONCLUSION: - Les

_principaux

_avantages

du

_système

décrit sont sa

simplicité,

sa sûreté de

fonctionnement et sa

généralité d"emploi :

en effet

il

_s’adapte

immédiatement à tout

montage-eompor-tant une visualisation sur

oscillographe.