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Instrumentation électronique
Le cours d’électrocinétique donne lieu à de nombreuses études expérimentales : tracé de caractéristiques statique et dynamique de dipôles, étude des régimes transitoire et sinusoïdal forcé, étude de filtres linéaires avec tracé du diagramme de Bode associé… Ces manipulations font appel à divers composants et appareils. Le but de ce premier TP d’électronique est de vous familiariser avec ces appareils, qui sont de deux types : les sources de puissance, destinées à produire des tensions et des courants, et les instruments de mesure, qui permettent de caractériser la réponse des circuits. Au laboratoire sont utilisées essentiellement deux sources de puissance : le générateur basses fréquences (ou GBF) permet de produire des signaux périodiques dans le temps (tension en créneau pour l’étude des régimes transitoires, tension sinusoïdale pour l’étude du RSF…), tandis que l’alimentation stabilisée engendre des tensions et des courants continus, permettant en particulier d’alimenter les composants actifs tel que l’amplificateur opérationnel. Les instruments de mesure se répartissent également en deux catégories : l’oscilloscope permet de visualiser des tensions dépendant du temps, tandis que les multimètres réalisent diverses mesures en régime variable ou continu (tension, intensité, caractéristique de dipôle).
1. Le générateur basses fréquences Le générateur basses fréquences ou GBF est l’appareil utilisé en TP pour produire des signaux périodiques de fréquence, de forme et d’amplitude variable.
Variation de l’amplitude
de sortie
On/Off
Forme du signal généré
Variation de la grandeur sélectionnée proportionnelle à la vitesse de rotation de l'encodeur.
Variation de la tension continue
Variation de la fréquence
Variation des gammes de fréquences
Sortie principale sur
prise BNC Sortie TTL
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1.1. Mise en forme du signal
Diverses commandes permettent de définir le signal délivré par le GBF : -‐ le bouton Ampl LEVEL contrôle l’amplitude du signal délivré par le GBF, c’est-‐à-‐dire la valeur maximale atteinte par le signal. -‐ la fréquence est ajustable à l’aide du bouton FREQ de quelques mHz à quelques MHz. -‐ quatre formes sont généralement disponibles pour le signal : sinusoïdal, créneau, triangle ou tension continue. -‐ l’ajout au signal d’une tension continue, appelé fond continu ou offset, à l’aide du bouton OFFSET. La tension n’est alors plus centrée sur une valeur nulle mais sur une tension continue réglable.
Expérience : Générer et visualiser à l’oscilloscope (utilisée pour cette expérience en mode AUTO) : -‐ une tension continue de −2,3 𝑉 -‐ une tension sinusoïdale de fréquence 750 Hz, d’amplitude 3,1 V et d’offset 1,2 V -‐ une tension triangulaire de fréquence 1,2 kHz, de valeur maximale 7,2 V et de valeur minimale 3,2 V.
1.2. Sorties du GBF Le générateur présente deux sorties qui ne doivent pas être confondues : la sortie MAIN OUT délivrant un signal que l’on peut mettre en forme (1) et la sortie TTL OUT délivrant un signal en créneau d’amplitude fixée à 5 V (2).
• Mesure de la résistance de la sortie principale (MAIN OUT) du GBF
La sortie principale (50 Ω ou Main Out) est la borne de sortie qui délivre un signal dont on peut régler les caractéristiques (forme, fréquence, amplitude, décalage) présentées dans le paragraphe précédent. C’est donc la sortie qui sera utilisée quasi-‐systématiquement pendant les séances de TP. Cette sortie du GBF se modélise par un générateur réel de tension, délivrant une tension e, appelée tension à vide, et possédant une résistance interne 𝑅! de l’ordre de 50 Ω.
Préparation : Exprimer la tension 𝑢! aux bornes de la résistance 𝑅 en fonction de 𝑅, de la résistance interne du GBF et de la tension à vide. En déduire l’expression de 𝑅! en fonction de R, e et 𝑢!.
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Expérience : Régler le GBF pour qu’il délivre une tension continue dont le niveau est réglable à l’aide du bouton décalage (OFFSET). Relier l’entrée du multimètre directement à la sortie du GBF et mesurer la valeur de la tension à vide e. Puis sans toucher aux réglages du GBF, réaliser le circuit de droite avec une résistance R de l’ordre de 50 Ω. Mesurer la valeur de la tension 𝑢! aux bornes de R. En déduire une mesure de la résistance interne 𝑅! du GBF. On caractérisera les incertitudes de mesure à l’aide de la notice technique du multimètre.
Mesure Incertitude
𝑒 (V) ⇒ 𝑅! = ± Ω 𝑢! (V)
Commentaire : Afin que le fonctionnement du circuit que l’on branche à la sortie d’un GBF ne soit pas affecté par la résistance de sortie de celui-‐ci, on veillera toujours à choisir pour le circuit des résistances dont les ordres de grandeur sont grands devant la résistance de sortie du GBF.
1.3. Production d’un signal modulé en fréquence
La plupart des GBF possèdent une entrée de modulation en fréquence qui permet de modifier continûment la fréquence du signal de sortie : on dit qu’on réalise un balayage de la fréquence du GBF. Lorsqu’on applique une tension positive à cette entrée, on augmente la fréquence par rapport au réglage effectué avec les commandes du générateur ; inversement, l’application d’une tension de modulation négative diminue la fréquence du signal de sortie.
Les graphes représentés ci-‐dessous montrent l’allure de la tension de sortie obtenue en appliquant un signal en créneau et un signal en dent de scie à l’entrée de modulation. La modulation par une tension en dent de scie (une rampe) permet d’obtenir un signal de sortie dont la fréquence augmente linéairement avec le temps entre deux valeurs extrêmes. On dit alors que le signal est wobulé. Ce type de modulation permet d’étudier la réponse fréquentielle d’un circuit (filtres linéaires par exemple).
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2. L’oscilloscope numérique
L’oscilloscope est un appareil de mesure indispensable à l’électronicien. Il permet immédiatement de se rendre compte du contenu du signal (composante continue, alternative, bruit...), et d’estimer ses caractéristiques en tension (amplitude, tension crête à crête..) et en temps (période, déphasage...).
Remarque importante : que les mesures à l’oscilloscope soient faites par simple lecture des carreaux, à l’aide des curseurs ou de manière automatique, la précision est d’autant meilleure que l’affichage à l’écran est bien réglé : le signal doit donc remplir au maximum l’écran de l’oscilloscope.
2.1. Oscilloscope analogique -‐ Oscilloscope numérique
Un signal analogique est un signal qui varie de façon continue dans le temps. Un signal qui varie de manière discontinue, représenté par un certain nombre de valeurs discrètes, est dit numérique.
Un oscilloscope analogique est constitué d’un tube cathodique sous vide, dans lequel se trouvent un canon à électron, des électrodes d’accélération, de focalisation et de déflexion, et un écran fluorescent. Le faisceau d’électron est focalisé puis accéléré par un premier jeu d’électrodes, avant d’être dévié par deux paires d’électrodes (plaques horizontales et verticales). Cette déviation est proportionnelle à la tension imposée aux électrodes. La tension visualisée est généralement appliquée aux plaques contrôlant la déviation verticale, après avoir été préalablement amplifiée. Les électrons arrivent enfin sur un écran luminescent.
L’oscilloscope numérique effectue quant à lui une conversion analogique-‐numérique du signal électrique étudié. Le signal est d’abord échantillonné par un certain nombre de points de mesure, donnant les valeurs discrètes du signal numérique. Le signal est ensuite numérisé par codage des valeurs discrètes. Il existe différents types de codage : par exemple, le codage binaire code sur deux niveaux, de valeurs 1 ou 0 selon qu’il y ait ou non une tension (donc une valeur discrète non nulle) alors que le codage 8 bits code sur 28 = 256 niveaux.
L’intérêt de l’oscilloscope numérique par rapport à l’oscilloscope analogique est la possibilité du traitement du signal, ainsi que dans la réalisation de certaines opérations mathématiques, telles que la mesure d’une valeur moyenne, l’intégration ou la dérivation du signal, l’addition de deux signaux, la transformée de Fourier…
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2.2. Présentation de l’oscilloscope numérique
L’oscilloscope est un voltmètre permettant de visualiser des phénomènes électriques et en particulier des phénomènes électriques périodiques. Tout comme le voltmètre, il se connecte en parallèle aux bornes du dipôle où on souhaite évaluer la tension électrique.
Bouton multifonctionnel
Menu de mesures automatiques
Boutons réglages voie sélectionnée
Acquisition des mesures
Déclenchement de la base de temps
Choix du signal a afficher
Entrées Réglages écran
Ses deux bornes ne sont pas équivalentes : c’est un instrument de mesure polarisé. En mode balayage, les graduations horizontales représentent le temps et les graduations verticales représentent la tension. En mode XY, on représente la tension appliquée à l’une des entrées en fonction de la tension appliquée à une autre entrée.
2.2.1 Base de temps et synchronisation
Le plus souvent, les signaux étudiés au cours des TP d’électronique seront périodiques et de fréquence supérieure à 30 Hz. L’affichage du signal au cours d’un unique balayage d’écran n’est alors pas perceptible et le spot lumineux doit parcourir l’écran plusieurs fois par seconde pour être observé.
• La base de temps
Le balayage est réalisé en appliquant une tension interne à l’oscilloscope, en dents de scie, entre les plaques verticales (de déviation horizontale). La durée de la rampe est contrôlée par la base de temps (bouton T/DIV) et détermine la durée d’un balayage d’écran.
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Telle quelle, cette rampe ne permet cependant pas de visualiser correctement un signal. En effet, si la période de la rampe n’est pas un multiple de celle du signal étudié, les différents balayages de l’écran ne sont pas synchronisés. Le signal semble alors défiler ou se démultiplier à l’écran.
Il est donc nécessaire de synchroniser le signal.
• La synchronisation
Pour éviter cela, les balayages ne s’enchaînent pas directement. Entre deux dents de scie, le spot marque un temps d’arrêt, le balayage ne démarrant que lorsque la tension visualisée dépasse une certaine valeur appelée tension de seuil. Celle-‐ci est commandée par le bouton de niveau Level. Ce principe est illustré par le schéma suivant, pour lequel la tension de seuil est nulle.
• Mode de fonctionnement de la base de temps
Il existe quatre modes principaux de fonctionnement de la base de temps : -‐ Le mode Normal qui permet d’obtenir les meilleures performances de déclenchement en fonction
de la fréquence. Son principal inconvénient est qu’il n’y a pas de balayage en l’absence de signal d’entrée ou si le niveau de déclenchement est mal choisi.
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-‐ Le mode Auto qu’il est conseillé d’utiliser au moins initialement. Son principal avantage est qu’il y a toujours balayage même en l’absence de signal d’entrée. Selon les appareils, le niveau de déclenchement est réglable ou fixé par l’oscilloscope. -‐ Le mode Unique, qui ne capture et n’affiche qu’un seul balayage d’écran. Il permet de capturer des
signaux transitoires qui sont mémorisés par l’oscilloscope.
2.2.2 Traitement du signal d’entrée
Avant d’être affichées à l’écran, les tensions appliquées aux entrées de l’oscilloscope font l’objet d’un traitement puis d’une amplification.
• Mesure de la résistance d’entrée de l’oscilloscope
Comme tout instrument de mesure, l’oscilloscope perturbe le circuit sur lequel il est connecté. Pour visualiser la tension aux bornes d’un dipôle quelconque D, on le branche en parallèle avec l’oscilloscope : ce dernier détourne alors une petite partie du courant qui traversait initialement le dipôle. Entre les bornes d’entrée de l’oscilloscope, le circuit d’amplification du signal est équivalent à l’association en parallèle d’une résistance très élevée 𝑅! , appelée impédance d’entrée de l’oscilloscope, et d’un condensateur de très faible capacité 𝐶! .
Pour les appareils usuels, la résistance d’entrée 𝑅! est de l’ordre de 1 MΩ et la capacité d’entrée 𝐶! de l’ordre de 25 pF. Ces valeurs permettent de négliger l’influence de l’oscilloscope dans la plupart des montages électriques.
Préparation : Dans le cas où l’oscilloscope est branché en série avec un GBF délivrant une tension continue E et une résistance R, exprimer la tension 𝑈! à l’entrée de l’oscilloscope (aux bornes de 𝑅!) en fonction de E, R et 𝑅! (on néglige ici la résistance interne du GBF, ainsi que la capacité interne 𝐶! de l’oscilloscope). En déduire l’expression de 𝑅! en fonction de 𝑈! ,𝐸 𝑒𝑡 𝑅.
Expérience : Régler le GBF de manière à ce qu’il délivre une tension continue E d’environ 5 V. Relier directement l’entrée de l’oscilloscope à la sortie du GBF et régler l’oscilloscope. Mesurer la valeur de la tension E. Puis, sans toucher aux réglages précédents du GBF, ajouter une résistance R de l’ordre de 1 MΩ en série entre le GBF et l’oscilloscope. Mesurer la valeur de la tension 𝑈! à l’entrée de l’oscilloscope. En déduire la valeur de l’impédance d’entrée 𝑅! de l’oscilloscope.
Mesure Incertitude
𝐸 (V) ⇒ 𝑅! = ± Ω 𝑈! (V)
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Commentaire : Afin que la mesure que l’on effectue à l’oscilloscope ne soit pas affectée par la résistance interne de celui-‐ci, on veillera toujours à choisir pour le circuit des résistances dont les ordres de grandeur sont faibles devant la résistance d’entrée de l’oscilloscope.
• Filtrage du signal d’entrée
Le signal qui est appliqué aux deux entrées de l’oscilloscope peut faire l’objet d’un traitement avant d’être amplifié.
Il existe différents modes de traitement : -‐ En mode Ground GND, le signal n’est pas transmis à l’étage d’amplification, qui est alors relié à la
masse. Ce mode permet de régler le zéro de la tension affichée. -‐ En mode Direct Coupling DC (couplage direct), le signal est directement transmis à l’étage
d’amplification. C’est le mode d’affichage à utiliser par défaut. En mode Alternative Coupling AC (coupage alternatif), le signal est transmis à l’étage
d’amplification via un condensateur de forte capacité 𝐶! (de l’ordre de quelques dizaines de nF). Ce condensateur de couplage permet d’éliminer la composante continue de la tension observée (c’est en fait un filtre passe-‐haut). A l’écran celle-‐ci apparaît donc centrée sur la position du zéro.
Il faut toujours se placer spontanément en couplage DC au départ afin d’observer le signal dans son intégralité. Le couplage AC ne doit être utilisé que dans le but de supprimer un décalage constant, après s’être assuré de son innocuité (fréquence suffisante, forme du signal).
• Bande passante
Comme tout instrument de mesure, l’oscilloscope voit ses capacités de fonctionnement restreintes à des signaux d’entrée dont les fréquences sont comprises entre une fréquence minimale et une fréquence maximale, en raison des effets de filtrage qui peuvent intervenir à l’entrée de l’appareil (pour la fréquence minimale) et des limitations en rapidité de l’électronique de l’appareil (pour la fréquence maximale). L’oscilloscope possède une bande passante large (typiquement de quelques mHz à quelques dizaines de MHz en mode DC, et de 10 Hz à quelques dizaines de MHz en mode AC) pour que les signaux soient retransmis dans les mêmes conditions (amplification, déphasage…) quelle que soit leur fréquence.
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3. Multimètre numérique
3.1. Présentation Un multimètre est un appareil destiné à fournir des mesures de tension (fonctionnement en voltmètre), d’intensité (fonctionnement en ampèremètre), de résistance (fonctionnement en ohmmètre), et parfois même de capacité et d’inductance.
La plage de valeurs que le signal est susceptible de prendre est déterminée par le calibre C, qui doit être supérieur à la valeur que l’on cherche à mesurer. Lorsque le calibre est inférieur à la valeur de mesure, le multimètre sature et affiche un message d’erreur. Sur un multimètre numérique, le calibre C désigne la borne supérieure d’un intervalle centrée sur zéro. Par exemple, un calibre de 5 V désigne une plage de mesures sur l’intervalle :
−5 V,+5 V
• Voltmètre
Le voltmètre mesure des tensions (ou différences de potentiel). Il se connecte en parallèle aux bornes de la branche où on souhaite mesurer la tension.
Attention ! Comme la tension est une grandeur algébrique, les deux bornes du voltmètre ne sont pas équivalentes. Le voltmètre mesure la différence de potentiel entre la borne rouge et la borne noire.
Une légère intensité traverse le voltmètre, ce qui entraîne une perturbation du circuit sur lequel le voltmètre est branché. La résistance d’entrée d’un voltmètre est donc choisie la plus élevée possible (de l’ordre de 10 MΩ), afin de limiter au maximum le passage du courant dans le voltmètre.
• Ampèremètre
L’ampèremètre mesure des courants électriques. Il se connecte en série dans la branche où on souhaite mesurer l’intensité du courant. L’intensité est mesurée en prenant la tension aux bornes d’une très faible résistance interne à l’appareil. Cette tension modifie également le comportement du circuit dans lequel on réalise la mesure. Pour minimiser cette erreur d’insertion, on utilise une résistance aussi faible que possible (en général inférieure à 1 Ω).
• Ohmmètre
L’ohmmètre injecte dans le dipôle dont on veut connaître la résistance, un courant continu d’intensité I connue et prélève la tension U à ses bornes. Il est primordial, pour mesurer une résistance à l’ohmmètre, de déconnecter le dipôle concerné du reste du circuit.
Expérience : Prendre des résistances de 50 Ω et 1 MΩ Mesurer leur résistance à l’ohmmètre. Utiliser la notice pour évaluer l’erreur commise sur ces mesures.
Mesure (Ω) Incertitude (Ω)
𝑅 = 50 Ω ⇒ 𝑅 = ± Ω 𝑅 = 1 MΩ ⇒ 𝑅 = ± Ω
Réévaluer les résistances internes de l’oscilloscope et du GBF à l’aide de ses nouvelles valeurs (plus précises).
