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TP oscilloscope et GBF

Objectif : ce travail a pour buts de manipuler l’oscilloscope et le GBF, deux appareils que vous serez souvent amener à manipuler. A l’issu de celui-ci, toutes les fonctions essentielles de ces deux appareils auront été vues grâce à des manipulations variées.

Généralités

  • L’oscilloscope est un instrument qui permet de mesurer des tensions en fonction du temps. Ainsi, il peut s’apparenter à un voltmètre et doit être branché en dérivation.
  • Avec cet instrument, on peut mesurer deux tensions simultanément : pour chaque voie, il y aura toujours un fil noir et un fil rouge à brancher. Les fils noirs sont reliés à la masse de l'instrument qui doit être la même que celle du circuit à étudier.
  • Lors de l’étude d’un circuit quelconque, on procède de la manière suivante :
    • Si la source de tension (GBF par exemple) doit être réglée, on la relie dans un premier temps toute seule à l’oscilloscope afin de procéder à son réglage ;
    • On réalise ensuite le montage à étudier sans faire intervenir l’oscilloscope ;
    • Puis en dernier lieu, on connecte les deux voies de l’oscilloscope afin de mesurer les tensions voulues.

Réglages de base

Réglages initiaux, qualité des traces

Avant d’allumer l’oscilloscope, on vérifie le réglage de base des boutons situés en haut de l’appareil : (attention, il faut tourner les boutons pour repérer où se trouve la mi-course car celle-ci diffère d’un bouton à l’autre).

  • INTENSITY : positionné en butée droite ;
  • POSITION : positionnés à mi-course ;
  • HOLDOFF : positionné en butée gauche ;
  • LEVEL : positionné à mi-course ;
  • VAR : positionné en butée gauche ;
  • DELAY : positionné en butée gauche ;
  • FOCUS : positionné à mi-course.
image
Réglage de l'intensité et du focus

On utilise ensuite les boutons INTENSITY et FOCUS afin de rendre les traces laissées par le spot fines et lumineuses.

Réaliser ces réglages.

Réglage du zéro

L’oscilloscope étant un appareil de mesure, on réalise le zéro avant toute autre manipulation.

  • Avec le bouton 6 ou 8, on sélectionne la position ALT (alterné) permettant d’obtenir les traces des deux voies à l’écran ;
  • On utilise ensuite les boutons 27 et 32 pour sélectionner la position GND (ground) sur chaque voie ;
  • On ajuste alors la position des traces pour qu’elles soient au milieu de l’écran, à l’aide des potentiomètres POSITION (5 et 9).

Réaliser ces réglages.

image $\label{cadrantension}$
Cadran de réglage des tensions

Mesures et visualisations de tensions

Cas d’une tension continue

Visualisation

  1. Régler le générateur de tension pour qu’elle délivre une tension de \(6\,\mathrm{V}\).
  2. Mesurer la valeur exacte de la tension continue fournie par le générateur \(6\,\mathrm{V}\) à l’aide du multimètre Metrix calibre \(50\,\mathrm{V}\).
  3. \(\spadesuit\) Prévoir l’allure de l’oscillogramme obtenu sur l’écran de l’oscilloscope (le dessiner précisément) si on branche le générateur de tension continue de \(6\,\mathrm{V}\) sur la voie 1. On sait que la sensibilité verticale est réglée sur \(2\,\mathrm{V}\)/div.
  4. Réaliser la mesure de la tension du générateur à l’oscilloscope en respectant les consignes suivantes :
    • Utiliser un fil noir pour relier les masses du générateur et de l’oscilloscope, un fil rouge pour relier l’autre borne ;
    • Observer uniquement la voie 1 en modifiant le réglage du bouton 6 ou 8 sur CH1 ;
    • Vérifier que la voie 1 est réglée en position DC, avec le bouton 32 ;
    • Régler la sensibilité verticale avec le bouton 34 : celle-ci s’affiche en bas de l’écran de l’oscilloscope.
  5. \(\spadesuit\) Quelle est l’incertitude de la mesure de cette tension avec le multimètre ? On donne la précision constructeur pour le calibre \(50\,\mathrm{V}\): 0,1% valeur affichée \(\pm 2\,\mathrm{mV}\).
  6. \(\spadesuit\) Quelle est l’incertitude de la mesure de cette tension avec l’oscilloscope réglé sur le calibre \(2\,\mathrm{V/div}\) ?
  7. \(\spadesuit\) Quel est l’appareil de mesure le plus précis pour mesurer une tension continue ?
  8. \(\spadesuit\) Le calibre "2V/div" de l’oscilloscope est-il le mieux adapté pour visualiser cette tension ? Justifier la réponse en prenant d’autres exemples de calibres (Noter les observations à l’écran) et en expliquant pourquoi ils conviennent ou non.
  9. \(\spadesuit\) Que se passe-t-il si on passe en position AC (bouton 32) ? Justifier en rappelant la signification du "AC" et du "DC" (regarder la notice), d’abord en anglais puis fournir une explication de ces termes en français. Revenir en position DC.

Mesures

L’oscilloscope possède des fonctions de mesures automatiques, les boutons se situent sous l’écran de l’oscilloscope :

image
Boutons de mesures

Chacun de ces boutons permet de rentrer dans un mode, des commandes apparaissent alors en bas de l’écran, chacune peut être sélectionnée en appuyant sur le bouton situé à la verticale en bas de celle-ci. Utilisons ces commandes :

  1. Il est possible de mesurer la tension continue visualisée :
    • Appuyer sur le bouton CURS, vérifier qu’à droite du "off" est indiqué "CH1" : cela indique que la mesure portera sur cette voie (en appuyant à ce niveau sur MEAS, on change le "CH1" en "CH2" pour effectuer une mesure sur l’autre voie).
    • Appuyer sur HARDCOPY pour quitter.
    • Appuyer maintenant sur MEAS puis sélectionner "\(V_{\text{avg}}\)" (valeur moyenne).
      \(\spadesuit\) Noter la valeur obtenue.
  2. Tout en restant sur cette mesure automatique, changer la sensibilité verticale (bouton 34 figure 2) : passer sur un calibre plus petit puis sur un calibre plus grand.
    \(\spadesuit\) Noter la mesure donnée par l’oscilloscope dans chaque cas et conclure quant au choix du calibre le plus adapté.

Cas d’une tension sinusoïdale

Réglage d’une tension sinusoïdale, étape par étape

But : Régler le GBF de façon à ce qu’il fournisse une tension sinusoïdale de fréquence 400 Hz d’amplitude 6V.

Voici les principales zones de réglages du GBF à connaître :

image
Principales zones de réglages du GBF

Réglages initiaux du GBF

  • les boutons LEVEL, SYMMETRY et DC OFFSET sont positionnés à mi-course ;
  • les boutons poussoirs -20 dB ne doivent pas être enfoncés.

Manipulation

  1. Brancher la sortie OUTPUT du GBF (Vérifier ce branchement) à la voie 1 de l’oscilloscope à l’aide d’un fil noir pour relier les masses (les bornes noires de chaque appareil) et d’un fil rouge pour l’autre borne ;
  2. Régler la voie 1 de l’oscilloscope en position AC, avec le bouton 32 ;
  3. Régler le GBF sur une tension sinusoïdale ;
  4. Régler la gamme de fréquence (bouton poussoir) puis la fréquence (potentiomètre) afin que l’afficheur digital indique une fréquence de 400Hz.
  5. Régler la base de temps, appelée aussi le balayage, (bouton 18 sur la figure ci-contre) afin de visualiser 3 périodes complètes du signal à l’écran ;
  6. Avec les fonctions de mesures automatiques de l’oscilloscope, afficher la tension crête-crête
    ("\(V_{\text{PP}}\)") du signal, puis ajuster cette tension à 12V à l’aide du potentiomètre LEVEL du GBF.
  7. Ajuster la sensibilité verticale (calibre) pour que le signal soit optimisé à l'écran.
  8. $\spadesuit$ Dessiner l'oscillogramme obtenu sur le compte-rendu.
image
Cadran de réglage du temps

Important, à retenir :

L’amplitude d’une tension sinusoïdale correspond à sa valeur maximale. Sa valeur crête-crête correspond à l’intervalle de tension entre sa valeur minimale et sa valeur maximale.

  1. \(\spadesuit\) A l’aide des mesures automatiques, vérifier que \(V_{\mathrm{max}} + |V_{\mathrm{min}}| = V_{\mathrm{PP}}\) (noter les valeurs).

Quelques mesures

Utilisation des mesures automatiques

  1. \(\spadesuit\) Mesurer à l’oscilloscope la fréquence, la période et la valeur moyenne "\(V_{\mathrm{avg}}\)" du signal. Noter les valeurs obtenues. Commenter la valeur moyenne obtenue.
  2. \(\spadesuit\) Mesurer "\(V_{\mathrm{rms}}\)" pour ce signal. Comparer la valeur obtenue avec la grandeur \(\dfrac{V_{\mathrm{max}}}{\sqrt{2}}\). Comment appelle-t-on \(V_{\mathrm{rms}}\) en français ?
  3. Vérification au voltmètre: lorsque l'on branche un générateur de tension sinusoïdale à un voltmètre correctement réglé, il fournit systématiquement "\(V_{\mathrm{rms}}\)". Vérifier cela avec le multimètre MX553.

Utilisation des curseurs

L’oscilloscope dispose aussi d’une fonction "curseurs" qui peut être intéressante.

  1. Appuyer sur le bouton CURS (figure 3) deux fois pour faire apparaitre les curseurs de tension (curseurs horizontaux). Au dessus du bouton CURS, sur l’écran, doit apparaître "\(\Delta V\)".
  2. Un des curseurs doit être en pointillés, c’est celui que vous pouvez déplacer à l’aide des deux flèches READOUT. Le "nom" de ce curseur, C1 ou C2, est indiqué sur l’écran au dessus du bouton VISU. Un appui sur ce bouton permet de changer C1 pour C2.
  3. \(\spadesuit\) Placer le curseur C1 au niveau des crêtes négatives du signal ; placer le curseur C2 au niveau des crêtes positives et noter la valeur en volts indiquée sur l’écran au dessus du bouton SAVE. Comparer avec la valeur crête-crête \(V_{\mathrm{PP}}\) que vous avez réglée.
  4. De la même manière, utiliser judicieusement les curseurs temporels (curseurs verticaux) pour déterminer le plus précisément possible la période du signal.

Composante continue et composante alternative

Revenons à la notion de couplage des entrées, c’est à dire au réglage en position AC ou DC. Voyons quelle position il faut choisir. Le point de départ de cette manipulation est la tension sinusoïdale précédente de fréquence 400 Hz et d’amplitude 6V .

  1. Utiliser la fonction de mesures automatiques de l’oscilloscope pour afficher la valeur moyenne "\(V_{\text{avg}}\)" du signal.
  2. Avec le bouton 32 (figure 2), passer au couplage DC.
  3. Utilisons un bouton encore inconnu du GBF : DC OFFSET. Le tirer puis le faire tourner dans le sens des aiguilles d’une montre jusqu’à ce que l’oscilloscope indique \(V_{\mathrm{avg}} = 2\,\mathrm{V}\). Observer l’écran de l’oscilloscope
  4. \(\spadesuit\) Compléter le paragraphe :
    La tension visualisée ici (bouton DC OFFSET enclenché) comporte une composante ............ et une composante .............. Le couplage DC laisse passer la ........... du signal, la valeur ............. mesurée est donc non ........... (égale à la tension de décalage introduite avec le bouton DC OFFSET). Le couplage AC ne laisse passer que la composante .............., la valeur ............. mesurée est donc ..............
  5. Vérifier que les réponses fournies à la question sont conformes à ce qui observé ici.
  6. Ré-enfoncer le bouton DC OFFSET afin de supprimer la tension de décalage.

Histoire de synchronisation ...

Cette manipulation permet de comprendre comment l’oscilloscope synchronise les signaux reçus. Repartir du signal sinusoïdal réglé au paragraphe 3.2.1.

  1. \(\spadesuit\) Utiliser le bouton 19 ou 20 afin de régler la source de déclenchement sur "CH2". Que se passe t-il ?
  2. \(\spadesuit\) Expliquer pourquoi l’oscilloscope n’arrive pas à déclencher et donc à fixer le signal visualisé.

En effet, pour une visualisation optimale, l’oscilloscope doit synchroniser le déclenchement du balayage avec le ou les signaux à visualiser. Le mieux est de lui demander de synchroniser sur un signal stable : ici on choisit le signal du GBF, le même que celui que l’on veut visualiser.

Dans le cas où on utilise les deux voies pour acquérir deux signaux, on règle cette synchronisation sur le signal le plus stable des deux à visualiser. Et si aucun n’est stable, on peut utiliser une source de synchronisation externe. C’est ce à quoi sert la prise 23 (figure 2) que l’on utilisera en réglant (bouton 19 ou 20) la synchronisation sur EXT.

Cas d’un signal créneau avec offset

Utiliser le GBF et l’oscilloscope pour régler et visualiser une tension créneau d’amplitude \(4\mathrm{V}\), de tension de décalage de \(2\mathrm{V}\) et de fréquence \(1,3\,\mathrm{kHz}\). Choisir le meilleur calibre de sensibilité verticale et une base de temps permettant d’observer 2 périodes à l’écran.
\(\spadesuit\) Notez les calibres utilisés.

Mesures de déphasages

Qu’est-ce qu’un déphasage?

Le déphasage est une notion que l’on ne rencontre pas seulement en électricité :

Par exemple dans l’étude d’un oscillateur comme le pendule simple, on remarque que la vitesse et l’amplitude sont déphasées de 90$^\circ$ (\(\pi/2\)) : cela signifie que lorsque l’amplitude des oscillations est maximum, la vitesse est nulle, que lorsque la vitesse est maximum, l’amplitude est nulle.

Ainsi, si on trace sur un graphique la courbe de vitesse et d’amplitude en fonction du temps, on obtient la figure ci-contre.

Dans ce cas, on dit même que l’amplitude est en avance (déphasage positif) de phase de +\(\pi/2\) par rapport à la vitesse, le pic de la courbe d’amplitude est à gauche de celui de la courbe de vitesse.

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Notion de déphasage : déphasage de $\pi/2$
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Notion de déphasage : déphasage nul
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Notion de déphasage : déphasage de $\pi$

Attention, ici, on parle de valeurs particulières de déphasage, mais celui-ci peut prendre n’importe quelle valeur entre \(-\pi\) et \(\pi\). D’autre part, précisons qu’un déphasage se mesure entre deux signaux synchrones, c’est à dire de même fréquence.

On se propose ici de mesurer les déphasages entre la tension d’entrée et la tension de sortie à l’aide de plusieurs méthodes, nous allons prendre comme support un circuit électrique classique : le circuit RLC.

Réalisation et réglage du montage étudié

Attention, le montage de la vidéo ci-dessus n'est pas le même que le montage ci-contre !

En premier lieu, brancher le GBF seul à l’oscilloscope et le régler de façon à ce qu’il délivre une tension sinusoïdale d’amplitude \(6\,\mathrm{V}\) (de tension crête-crête \(12\,\mathrm{V}\)), de fréquence $100\,\mathrm{Hz}$.

Réaliser ensuite le montage RLC ci-contre en veillant à relier tous les points au potentiel 0V (la masse) avec des fils noirs, et utiliser des fils rouges pour les autres connexions. Utiliser les boîtes à décades blanches en les réglant pour avoir \(R=500\,\mathrm{\Omega}\), \(C = 0.1\,\mathrm{\mu F}\) et \(L=0.2\,\mathrm{H}\). ;

Pour un montage réussi, s’occuper en dernier lieu du branchement de l’oscilloscope.

image
Circuit RLC série

Régler l’oscilloscope afin d’obtenir une visualisation optimale des deux signaux : ajuster les sensibilités verticales en conséquence.

En ce qui concerne l’affichage des deux voies en même temps, la plupart du temps, on utilisera le réglage ALT grâce au bouton 6 ou 8 (l’oscilloscope affiche les voies 1 et 2 en mode alterné, lors d’un balayage il affiche la voie 1, lors du balayage suivant la voie 2).

Remarque

Ce mode convient pour la plupart des fréquences, toutefois, lorsque les fréquences sont faibles (inférieures à 100 Hz), on enclenche le mode CHOP (lors du même balayage, l’oscilloscope affiche les deux voies).

Utilisation du mode XY de l’oscilloscope

Ce mode permet d’afficher sur l’oscilloscope le graphe de la voie 2 en fonction de la voie 1.Dans ce mode, il n’y a donc plus le temps, le cadran de la figure 5 ne nous sera pas utile (il est d’ailleurs sans effet dans ce mode).

Lorsque l’on travaille sur le déphasage entre la tension de la voie 1 et la tension de la voie 2, le mode XY est intéressant : à chaque valeur particulière de déphasage, une figure facilement identifiable se dessine sur l’écran :

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Déphasage nul
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Déphasage de \(\pi/2\)
image
Déphasage de \(\pi\)
Déphasage Déphasage Déphasage

Manipulation

Se placer en mode XY sur l’oscilloscope, les calibres des deux voies seront réglés à \(2\,\mathrm{V/div}\). Observer alors l’écran de l’appareil tout en tournant le bouton de fréquence du GBF (se placer sur la gamme $10\,\mathrm{kHz}$).

\(\spadesuit\) Noter vers quelle valeur tend la fréquence pour que le déphasage tende vers 0.
\(\spadesuit\) Noter vers quelle valeur tend la fréquence pour que le déphasage tende vers \(\pi\).
\(\spadesuit\) Noter la valeur de fréquence qui correspond à un déphasage est égale à \(\pi/2\).

Notons que l’oscilloscope possède une fonction automatique de mesure de déphasage. On peut vérifier la valeur de \(\pi/2\) obtenue précédemment : Se placer en mode temporel (bouton 6 ou 8 en position ALT). Appuyer sur le bouton MEAS puis sur HARDCOPY ("More") deux fois ; choisir la mesure de phase, bouton SAVE ("\(\phi\)").

Vérifier que la valeur indiquée est bien de $90^{\circ}$ environ, au signe près, pour la dernière mesure.

La méthode des neufs carreaux

Théorie

Cette méthode consiste à mesurer précisément le déphasage entre deux signaux en utilisant les graduations de l’écran de l’oscilloscope.

Son intérêt principal est de permettre la mesure de déphasage sur n’importe quel oscilloscope, même s’il ne dispose pas de la fonction de mesures automatiques.

On travaille avec le circuit de la figure 9, la voie 1 est la tension aux bornes du GBF, la voie 2 celle aux bornes du condensateur. L’oscilloscope permettant la visualisation des deux voies en mode normal (bouton 6 ou 8 sur ALT), voici les étapes à suivre pour mesurer un déphasage :

  • étape 1 : On règle la base de temps (bouton 18 ci-contre) afin de visualiser une demi-période du signal GBF (voie 1) sur tout l’écran ;
  • étape 2 : On ajuste le réglage à l’aide du bouton 16 : la demi-période du signal GBF doit s’étaler exactement sur 9 divisions (si ce n’est pas possible, il faut revoir le réglage de l’étape 1) ;
  • étape 3 : On augmente la sensibilité verticale des deux voies afin que les traces soient plus verticales ;
  • étape 4 : On compte le nombre de divisions qui séparent les deux signaux ;
  • étape 5 : Sachant qu’une division correspond à un déphasage de 20$^\circ$, on calcule le déphasage obtenu. Ici : \(\phi = 4.5 \times 20 = 90^{\circ}\)
image
Cadran de réglages du temps

étapes 1 et 2

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étape 3

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étapes 4 et 5

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Les étapes de la méthodes des neufs carreaux

Remarques

  • Rappelons que le déphasage calculé précédemment est positif si on considère qu’il s’agit du déphasage de la tension du GBF (voie 1) par rapport à la tension aux bornes du condensateur (voie 2) ; la voie 1 étant en avance sur la voie 2.
  • Lorsque l’on actionne le bouton 16 ("var"), on dit que l’on décalibre la base de temps : cela signifie que l’on ne peut plus se fier à l’indication du bouton 18, même si celui-ci est réglé sur 2ms/div, on ne sait pas combien vaut une division puisque l’on a décalibré.
  • Par contre, nous savons qu’une division correspond à un déphasage de 20$^\circ$ car on a réglé cette base de temps de façon à ce qu’une demi-période (180$^\circ$ de phase) corresponde à 9 carreaux, donc 1 carreau correspond à \(\dfrac{180}{9} = 20^\circ\).

Manipulation

\(\spadesuit\) A l’aide de la méthode des neufs carreaux, déterminer la valeur du déphasage entre la tension du GBF et la tension aux bornes du condensateur à la fréquence de 500Hz. Calculer l'incertitude à 95% sur cette mesure en estimant une plage de valeurs acceptables.

Courbes de Lissajous (facultatif)

Définition

Les courbes de Lissajous sont des courbes de type y=f(x) où y et x sont des fonctions sinusoïdales du temps.

Ainsi, nous les avons déjà rencontrées dans ce TP : lorsque l’on a parlé de déphasage et de mode XY, les deux segments et l’ellipse obtenus sur l’écran étaient des courbes de Lissajous.

Utilisation

Ici, nous allons travailler sur deux signaux non déphasés issus de deux GBF, l’objectif sera de comparer les fréquences des deux signaux à l’aide du mode XY et donc des figures de Lissajous.

Pour comparer les fréquences entre les signaux visualisés sur X (voie 1) et Y (voie 2), il faut s’occuper des points de contact de la courbe avec un rectangle virtuel qui engloberait le tracé. Voici un exemple :

Sur le côté inférieur (ou supérieur) du rectangle, il y a trois points de contact ; sur le côté gauche (ou droit), il y a deux points de contact :

Les fréquences des deux signaux envoyés sur X et sur Y vérifie :

\begin{equation}\dfrac{\mathrm{freq}(\mathrm{Y})}{\mathrm{freq(\mathrm{X})}}=\dfrac{3}{2}\end{equation}

image
Exemple de courbe de Lissajous

Manipulation

  1. Régler (à l’aide des deux voies de l’oscilloscope) les deux GBF mis à votre disposition pour qu’ils délivrent tous deux des signaux sinusoïdaux d’amplitude 6V.
  2. Régler la fréquence de celui qui est relié à la voie 1 à 200 Hz.
  3. Régler la fréquence de celui qui est relié à la voie 2 à 400 Hz.
  4. Passer en mode XY, régler les sensibilités verticales des voies 1 et 2 afin d’optimiser la visualisation.
  5. \(\spadesuit\) Dessiner l’oscillogramme obtenu.
  6. \(\spadesuit\) Compter les nombres de points de contact comme décrit dans la section précédente et vérifier qu’ils sont en rapport avec les fréquences des signaux.
  7. Changer le réglage du GBF relié à la voie 2 pour porter sa fréquence à 600 Hz, vérifier que la technique fonctionne.

Annexe : liste de matériel

  • Un générateur de tension permettant de délivrer 6V ;
  • Un oscilloscope Metrix OX8020 ;
  • Un multimètre Metrix 553 (ou 579) ;
  • Deux générateurs de basses fréquences (GBF) Metrix GX 240 ou 245 ;