Pratique de l’oscilloscope numérique
En 30 fichEs-outils
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Pierre Mayé
Pratique de l’oscilloscope numérique
En 30 fichEs-outils
Pierre Mayé
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© Dunod, 2015
5 rue Laromiguière, 75005 Paris www.dunod.com
ISBN 978-2-10-073865-6
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AVANT-PROPOS
Ces fiches de la collection « Cahiers techniques » sont consacrées aux oscilloscopes numériques. Elles sont destinées à tout utilisateur potentiel possédant quelques notions de base en génie électrique.
Le mode d’emploi de l’oscilloscope numérique est détaillé, ainsi que la description des principales mesures et visualisations qu’il est possible de réaliser. De nombreux
exemples, puisés dans des domaines d’application variés, permettent au lecteur de mettre en pratique ses connaissances.
Ces 30 fiches-outils sont des mémentos et ne constituent pas un cours sur les oscilloscopes numériques.
Les fiches-outils sont structurées en sections :
Objectif : précise l’objectif de la fiche ;
Repères : apporte les éléments techniques ;
Savoir-faire : détaille l’activité ;
En pratique : fournit des exemples.
Un index détaillé et intuitif clôt cet ouvrage.
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SOMMAIRE
4
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Avant-propos ....................................................................... 3
Les cahiers techniques, mode d’emploi ................................. 7
Présentation de l’oscilloscope numérique .............................. 8
Fiche 1
Liaisons entre un oscilloscope et le circuit à étudier ........................................... 14
Fiche 2
Masse et terre ..................................................... 28
Fiche 3
Mesure d’une tension continue ............................ 36
Fiche 4
Influence de la résistance d’entrée de l’oscilloscope .................................................. 40
Fiche 5
Visualisation d’une tension périodique ................. 44
Fiche 6
Mesure des paramètres d’une tension .................. 48
Fiche 7
Visualisation de plusieurs tensions périodiques .... 56
Fiche 8
Visualisation de la composante alternative d’une tension ...................................................... 60
Fiche 9
Utilisation d’une sonde atténuatrice .................... 68
Fiche 10
Influence de l’impédance d’entrée de l’oscilloscope .................................................. 74
Fiche 11
Utilisation d’une sonde compensée ...................... 82
Fiche 12
Visualisation d’une tension non périodique .......... 90
Fiche 13
Visualisation d’une tension modulée .................... 96
Fiche 14
Visualisation de la courbe d’un courant
à l’aide d’une résistance .....................................102
Fiche 15
Visualisation d’un courant variable
à l’aide d’une sonde de courant ..........................108
Fiche 16
Mesure de déphasage .........................................114
Fiche 17
Méthode de Lissajous .........................................120
Fiche 18
Relevé d’une caractéristique de transfert .............124
Fiche 19
Mesures de puissances .......................................128
Fiche 20
Utilisation du mode défilement ...........................134
Fiche 21
Mesure d’une amplification ................................136
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Sommaire
Sommaire
Fiche 22
Mesure d’une résistance d’entrée et d’une capacité d’entrée ..................................140
Fiche 23
Mesure d’une résistance de sortie .......................150
Fiche 24
Mesure d’une fréquence de coupure ...................154
Fiche 25
Relevé d’une courbe de réponse en fréquence .....162
Fiche 26
Mesure de la vitesse des ultrasons ......................166
Fiche 27
Mesure de la vitesse d’une onde
électromagnétique dans un câble .......................172
Fiche 28
Adaptation d’impédance dans un câble ..............180
Fiche 29
Utilisation de la synchronisation TV ....................186
Fiche 30
Analyse spectrale ................................................190
Index ................................................................................195
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LEs CaHIErs tECHnIquEs, modE d’EmpLoI
FICHE
FicHe 1
Mise en avant de l’objectif de la fiche
Une signalétique claire
Liaisons entre un osciLLoscope et Le circuit à étudier
Figure 1.1
Connecteur BNC d’une voie d’oscilloscope.
(figure 1.1).
BNC signifie Bayonet Neill-Concelman, du nom de ses inventeurs,
Paul Neill, des laboratoires Bell, et Carl Concelman, de la société
Amphenol.
La tension à observer est appliquée entre le conducteur central et le conducteur périphérique du connecteur BNC (figure 1.2).
Remarque
Il est également possible de visualiser d’autres grandeurs physiques comme les courants, mais seulement après les avoir converties en tensions.
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Objectifs
•
Décrire les moyens pouvant être utilisés pour relier un oscilloscope et le circuit à étudier.
•
Comparer les avantages et les inconvénients de ces différentes solutions.
R e p è r e s
Une partie
repères
pour définir
u
Figure 1.2
Tension appliquée à un connecteur BNC.
mesure d’une amplification
FicHe 21
L’amplification en tension A est le rapport de la valeur efficace V
S
tension de sortie à la valeur efficace V
E
de la tension d’entrée :
de la
A
=
V
S
V
E
S’agissant d’un rapport, on peut utiliser les amplitudes V valeurs efficaces :
SM
et V
EM
au lieu des
A
=
V
SM
V
EM
A
est un paramètre sans dimension.
L’amplification d’un amplificateur est strictement supérieure à 1.
remarque
Des compléments
Pour un atténuateur, on définit un d’information pour numérateur et dénominateur pour obtenir aller plus loin très voisine de celle qui est présentée ici.
Gain
On définit également le gain en tension
G
par :
G
=
20 lg
V
V
S
E
Le gain est une grandeur sans dimension, mais on lui attribue une unité, le décibel
(dB). Le gain d’un amplificateur est strictement positif.
s a v o i r - F a i r e remarque
Pour un atténuateur, on définit un paramètre similaire, mais en inversant numérateur et dénominateur pour obtenir dans ce cas un nombre supérieur strictement positif : c’est l’affaiblissement
(dont l’unité est également le décibel).
Une partie
Pour mesurer l’amplification d’un amplificateur, son entrée est reliée à un générateur de signaux et sa sortie est branchée sur une résistance de charge (ou laissée en l’air quand on mesure une amplification à vide).
savoir-faire qui détaille la mise en œuvre
Un oscilloscope bicourbe permet de visualiser les tensions d’entrée et de sortie de l’amplificateur (figure 21.2).
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FICHE 10
Tableau 10.1
Valeurs de Z
e
pour diverses fréquences f.
f (Hz)
Z e
(kΩ)
10
1 000
100
997
1 000
775
10 000
122
100 000
12,2
Nous constatons que le module de l’impédance d’entrée d’un oscilloscope relié par un câble coaxial diminue fortement avec la fréquence.
Quand on branche une voie d’oscilloscope entre deux points d’un circuit, il faut se préoccuper de l’éventuelle perturbation apportée. Dans
Des banques de nombreux cas, la réponse est immédiate (par exemple pour un branchement en sortie d’un circuit intégré) car le dipôle vu des points de de données pour aider problème de plus près.
au dimensionnement
Réduction de la bande passante
La bande passante d’un oscilloscope ne peut que rarement être exploitée en totalité car elle est réduite par l’effet de la liaison entre l’appareil et le circuit à étudier qui forme un filtre passe-bas.
La fréquence de coupure correspondante dépend non seulement de l’oscilloscope et du câble de liaison, mais aussi de l’impédance du générateur de Thévenin vu des points de mesure.
Considérons un oscilloscope de résistance d’entrée R
e
cité d’entrée C
e
relié par un câble coaxial de capacité C entre lesquels le signal à visualiser u interne R
t
(figure 10.3).
0
c
et de capa-
à des points
est disponible avec une résistance
R t
76
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u
0
C c
R e
C e
Figure 10.3
Schéma équivalent à un oscilloscope branché entre deux points.
Relevé d’une courbe de réponse en fréquence
FICHE 25
On mesure la différence de phase ϕ entre la tension de sortie et la tension d’entrée (c’est-à-dire le déphasage de la tension d’entrée par rapport à la tension de sortie), ce qui correspond à arg H.
On place les points correspondants sur la feuille de papier semi-logarithmique.
Pour chaque point de mesure, il faut vérifier que le niveau de l’entrée ne change pas quand on modifie la fréquence (dans le cas contraire, on retouche le réglage d’amplitude du générateur).
Des schémas clairs
Il reste à tracer les deux courbes à partir des points relevés.
et complets
E n p r a t i q u e
Reprenons comme exemple le filtre passe-bas du premier ordre déjà expérimenté dans la fiche 26
(figure 25.3).
Une partie En pratique
Après avoir balayé une large plage de fréquence, nous pour une application
100 kHz illustre bien le comportement du filtre.
n
E
R
C
Figure 25.3
Filtre passe-bas du premier ordre.
n
S
régulièrement à partir de 0 dB (le circuit est un filtre passe-bas) et que l’argument décroît de 0° à - 90° (figure 25.4).
0
G
(dB)
–10
–20
–30
–40 arg
H
(˚)
0
–20
–40
–60
–80
–100
100 1000 10000 100000
Figure 25.4
Diagramme de Bode du filtre passe-bas du premier ordre.
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PRéSENTATION dE
L’OSCILLOSCOPE NuMéRIquE
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Les oscilloscopes sont des appareils de visualisation des signaux électriques (tensions, courants) et de mesure de leurs paramètres : valeurs instantanées, valeurs efficaces, fréquences, déphasages...
Historique et évolution
Premières découvertes
Il est bien difficile de définir un inventeur de l’oscilloscope. Cet appareil découle de plusieurs découvertes de la fin du xix e
siècle :
Vers 1878, le physicien et chimiste britannique William Crookes
(1832-1919) invente le tube qui porte son nom. Ce dispositif expérimental est un élément fondamental dans la genèse de l’oscilloscope puisqu’il est à l’origine des tubes à rayons cathodiques.
En 1893, le physicien français André Blondel (1863-1938) conçoit un appareil permettant de visualiser l’image d’un signal périodique grâce à un procédé optique : l’oscillographe galvanométrique. D’autres dispositifs mécaniques et optiques apparaissent
à la même époque. Ces appareils d’emploi délicat ne concernent que des signaux lents.
Le physicien allemand Karl Ferdinand Braun (1850-1918) conçoit en 1897 un appareil souvent considéré comme l’ancêtre de l’oscilloscope cathodique. C’est alors surtout une curiosité scientifique.
Oscilloscope analogique
Perfectionné par de nombreux inventeurs, l’appareil de Braun est à l’origine des premiers oscilloscopes qui permettent la visualisation de signaux avec un tube cathodique vers 1930. L’oscilloscope est devenu véritablement un appareil de mesure à partir de la seconde guerre mondiale. Le dispositif s’est progressivement amélioré pour devenir l’outil de base de l’électronicien à partir des années 1960.
Une limite importante de l’oscilloscope analogique est de ne permettre que l’observation de tensions périodiques. Ce type d’appareil est aujourd’hui en voie d’extinction car il est supplanté par l’oscilloscope numérique qui offre des possibilités nettement plus étendues.
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