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TP oscilloscope et GBF Ce TP est évalué à l'aide d'un questionnaire moodle. Objectif : ce travail a pour buts de manipuler l’oscilloscope et le GBF. A l’issu de celui-ci, toutes les fonctions essentielles de ces deux appareils auront été vues grâce à des manipulations variées. 1 Généralités Oscilloscope (cliquez pour agrandir) 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. 2 Réglages de base 2.1 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).

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TP oscilloscope et GBFCe TP est évalué à l'aide d'un questionnaire moodle.

Objectif : ce travail a pour buts de manipuler l’oscilloscope et le GBF. A l’issu de

celui-ci, toutes les fonctions essentielles de ces deux appareils auront été vues

grâce à des manipulations variées.

1 Généralités

Oscilloscope

(cliquez pour agrandir)

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.

2 Réglages de base2.1 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).

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INTENSITY: positionné en butéedroite;POSITION: positionnés à mi-course;HOLDOFF: positionné en butéegauche;LEVEL: positionné à mi-course;VAR: positionné en butéegauche;DELAY: positionné en butéegaucheFOCUS: positionné à mi-course

On utilise ensuite les boutonsINTENSITY et FOCUS afin de rendreles traces laissées par le spot fineset lumineuses.

Figure 1 - Réglage de l'intensité et dufocus

Réaliser ces réglages.

2.2 Réglage du zéro

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

Avec le bouton 6 ou 8, onsélectionne la position ALT(alterné) permettant d’obtenirles traces des deux voies àl’écran ;On utilise ensuite les boutons27 et 32 pour sélectionner laposition GND (ground) surchaque voie ;On ajuste alors la position destraces pour qu’elles soient aumilieu de l’écran, à l’aide despotentiomètres POSITION (5 et9).

Réaliser ces réglages.

Figure 2 - Cadran de réglage destensions

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3 Mesures et visualisations de tensions3.1 Cas d’une tension continue

3.1.1 Visualisation

1. Régler l’alimentation stabilisée pour qu’elle délivre une tension de .

Alimentation stabilisée(cliquez pour agrandir)

2. Mesurer la valeur exacte de la tension continue fournie par le générateur à l’aide du multimètre Metrix calibre .

Multimètre Metrix(cliquez pour agrandir)

3. Prévoir l’allure de l’oscillogramme obtenu sur l’écran de l’oscilloscope (ledessiner précisément) si on branche le générateur de tension continue de

sur la voie 1. On sait que la sensibilité verticale est réglée sur /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 del’oscilloscope, un fil rouge pour relier l’autre borne;Observer uniquement la voie 1 en modifiant le réglage du bouton 6 ou 8sur 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 basde l’écran de l’oscilloscope.

5. Quelle est l’incertitude de la mesure de cette tension avec le multimètre ?On donne la précision constructeur pour le calibre :

.6. Quelle est l’incertitude de la mesure de cette tension avec l’oscilloscope

réglé sur le calibre ?7. Quel est l’appareil de mesure le plus précis pour mesurer une tension

continue ?8. 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 conviennentou non.

9. Que se passe-t-il si on passe en position AC (bouton 32) ? Justifier enrappelant la signification du "AC" et du "DC" (regarder la notice), d’abord enanglais puis fournir une explication de ces termes en français. Revenir enposition DC.

3.1.2 Mesures

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

Figure 3 - Boutons de mesures

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

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 appuyantà ce niveau sur MEAS, on change le "CH1" en "CH2" pour effectuer unemesure sur l’autre voie).Appuyer sur HARDCOPY pour quitter.Appuyer maintenant sur MEAS puis sélectionner " " (valeurmoyenne).

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 uncalibre plus grand.

Noter la mesure donnée par l’oscilloscope dans chaque cas et conclurequant au choix du calibre le plus adapté.

3.2 Cas d’une tension sinusoïdale

3.2.1 Réglage d’une tension sinusoïdale, étape par étape

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

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Voici les principales zones de réglages du GBF à connaître :

Figure 4 - Principales zones de réglages du GBF

GBF

(cliquez pour agrandir)

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.

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Manipulation

1. Brancher la sortie OUTPUT duGBF (Vérifier ce branchement àla voie 1 de l’oscilloscope àl’aide d’un fil noir pour relier lesmasses et d’un fil rouge pourl’autre borne ;

2. Régler la voie 1 de l’oscilloscopeen position AC, avec le bouton32 ;

3. Régler le GBF sur une tensionsinusoïdale ;

4. Régler la gamme de fréquence(bouton) puis la fréquence(potentiomètre) afin quel’afficheur digital indique unefréquence de 400Hz.

5. Régler la base de temps,appelée aussi le balayage,(bouton 18 sur la figure ci-contre) afin de visualiser 3périodes complètes du signal àl’écran ;

6. Avec les fonctions de mesuresautomatiques de l’oscilloscope,afficher la tension crête-crête(" ") du signal, puis ajustercette tension à 12V à l’aide dupotentiomètre LEVEL du GBF.

7. Ajuster la sensibilité verticale(calibre) pour que le signal soitoptimisé à l'écran

8. Dessiner l'oscillogrammeobtenu sur le compte-rendu.

Figure 5 - Cadran de réglage du temps

Remarque

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

7. A l’aide des mesures automatiques, vérifier que (noter les valeurs).

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3.2.2 Quelques mesures

Utilisation des mesures automatiques

1. Mesurer à l’oscilloscope la fréquence, la période et la valeur moyenne "" du signal. Noter les valeurs obtenues. Commenter la valeur moyenne

obtenue.2. Mesurer " " pour ce signal. Comparer la valeur obtenue avec la

grandeur . Comment appelle-t-on en français ?

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 lescurseurs de tension (curseurs horizontaux). Au dessus du bouton CURS, surl’écran, doit apparaître " ".

2. Un des curseurs doit être en pointillés, c’est celui que vous pouvez déplacerà l’aide des deux flèches READOUT. Le "nom" de ce curseur, C1 ou C2, estindiqué sur l’écran au dessus du bouton VISU. Un appui sur ce boutonpermet de changer C1 pour C2.

3. Placer le curseur C1 au niveau des crêtes négatives du signal ; placer lecurseur C2 au niveau des crêtes positives et noter la valeur en volts indiquéesur l’écran au dessus du bouton SAVE. Comparer avec la valeur crête-crête

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.

3.2.3 Composante continue et composante alternative

Revenons à la notion de couplage des entrées, c’est à dire au réglage en positionAC ou DC. Quelle position faut-il choisir ? Le point de départ de cettemanipulation est la tension sinusoïdale précédente de fréquence 400 Hz etd’amplitude 6V .

1. Utiliser la fonction de mesures automatiques de l’oscilloscope pour afficherla valeur moyenne " " 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’oscilloscopeindique . Observer l’écran de l’oscilloscope

4. Compléter le paragraphe :La tension visualisée ici (bouton DC OFFSET enclenché) comporte unecomposante ............ et une composante ..............Le couplage DC laissepasser la ........... du signal, la valeur ............. mesurée est donc non ...........(égale à la tension de décalage introduite avec le bouton DC OFFSET).Lecouplage 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 quiobservé ici.

6. Ré-enfoncer le bouton DC OFFSET afin de supprimer la tension de décalage.

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3.2.4 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. Utiliser le bouton 19 ou 20 afin de régler la source de déclenchement sur

"CH2". Que se passe t-il ?

2. 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.

3.3 Cas d’un signal créneau avec offset

Utiliser le GBF et l’oscilloscope pour régler et visualiser une tension créneau

d’amplitude , de tension de décalage de et de fréquence . Choisir

le meilleur calibre de sensibilité verticale et une base de temps permettant

d’observer 2 périodes à l’écran.

Notez les calibres utilisés.

4 Mesures de déphasages

4.1 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( ) : cela signifie que

lorsque l’amplitude des oscillations est maximum, la vitesse est minimum (nulle),

que lorsque la vitesse est maximum, l’amplitude est minimum (nulle).

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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 +

par rapport à la vitesse, le pic

de la courbe d’amplitude est à

gauche de celui de la courbe de

vitesse.

Figure 6 - Notion de déphasage :déphasage de

Figure 7 - Notion de déphasage :déphasage nul

Figure 8 - Notion de déphasage :déphasage de

Attention, ici, on parle de valeurs particulières de déphasage, mais celui-ci peut

prendre n’importe quelle valeur entre et . 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.

4.2 Réalisation et réglage du montage étudié

Composants, montage et réalisation

de celui-ci

(cliquez pour agrandir)

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En premier lieu, brancher le GBF seulà l’oscilloscope et le régler de façonà ce qu’il délivre une tensionsinusoïdale d’amplitude (detension crête-crête , defréquence .

Réaliser ensuite le montage RLC ci-contre en veillant à relier tous lespoints au potentiel 0V (la masse)avec des fils noirs, et utiliser des filsrouges pour les autres connexions.Utiliser les boîtes à décade blanchesen les réglant pour avoir ,

et . ;

Pour un montage réussi, s’occuperen dernier lieu du branchement del’oscilloscope.

Figure 9 - 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 dutemps, on utilisera le réglage ALT grâce au bouton 6 ou 8 (l’oscilloscope afficheles voies 1 et 2 en mode alterné, lors d’un balayage il affiche la voie 1, lors dubalayage suivant la voie 2).

Remarque

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

4.3 Utilisation du mode XY de l’oscilloscope

Ce mode permet d’afficher sur l’oscilloscope le graphe de la voie 2 en fonctionde la voie 1.Dans ce mode, il n’y a donc plus le temps, le cadran de la figure 5 nenous 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 tensionde la voie 2, le mode XY est intéressant : à chaque valeur particulière dedéphasage, une figure facilement identifiable se dessine sur l’écran :

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Figure 10 - Déphasage nul

Figure 11 - Déphasage de

Figure 12 - Déphasage de

Manipulation

Se placer en mode XY sur l’oscilloscope, les calibres des deux voies seront réglésà . Observer alors l’écran de l’appareil tout en tournant le bouton defréquence du GBF (se placer sur la gamme ).

Noter vers quelle valeur tend la fréquence pour que le déphasage tende vers0.

Noter vers quelle valeur tend la fréquence pour que le déphasage tende vers . Noter la valeur de fréquence qui correspond à un déphasage est égale à .

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

Vérifier que la valeur indiquée est bien de environ, au signe près, pour ladernière mesure.

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4.4 La méthode des neufs carreaux

Mesures de déphasage

(cliquez pour agrandir)

4.4.1 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, on calcule le

déphasage obtenu. Ici :

Figure 13 - Cadran de réglages dutemps

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ÉTAPES 1 ET 2

ÉTAPE 3

ÉTAPES 4 ET 5

Figure 14 - 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

20car on a réglé cette base de temps de façon à ce qu’une demi-période

(180de phase) corresponde à 9 carreaux, donc 1 carreau correspond à

.

4.4.2 Manipulation

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.

5 Courbes de Lissajous (facultatif)

Figures de Lissajous

(cliquez pour agrandir)

5.1 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 (section [XY] page ), les deux segments et l’ellipse

obtenus sur l’écran étaient des courbes de Lissajous.

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5.2 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 :

Figure 15 - Exemple de courbe deLissajous

5.3 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. Dessiner l’oscillogramme obtenu.

6. Compter les nombres de points de contact comme décrit dans la section

[util] page et vérifier q’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.