1 TP Electricité 1,2 –14 et 21 septembre 2009 Le but de cette

TP Electricité 1,2 –14 et 21 septembre 2009
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Le but de cette première manipulation d’électricité est d’étudier deux filtres passe-bas. Avant cela, on
va réviser tout ce qu’on doit savoir sur l’oscilloscope cathodique (et le GBF, les principaux composants
d’un montage,…) pour aborder dans de bonnes conditions les TP suivants.
On fait d’abord des rappels ; les questions théoriques et la manipulation proprement dites
commencent p.3. Il n’y a pas vraiment de compte rendu à faire pour cette partie.
L’OSCILLOSCOPE CATHODIQUE
A) RAPPELS
Oscilloscope OX8020 en mode analogique
1°) Présentation
Déviation horizontale
(base de temps)
L'oscilloscope
est
un
appareil
permettant de visualiser sur un écran
une tension électrique appliquée à
Electrodes de focalisation
l'entrée et de mesurer certains de ses
paramètres. La figure observée est
produite par un pinceau d'électrons
venant percuter l'écran en créant au
point d’impact une tache lumineuse
appelée "spot" (la grosseur du spot est
réglable à partir des circuits de
focalisation du pinceau). La déviation de
ce spot est assurée par deux paires de
Cathode
plaques commandées par les circuits de
Déviation verticale
la base de temps (déviation horizontale)
(signal d’entrée)
et la tension d'entrée (déviation
Figure 1
verticale) (figure 1).
L'oscilloscope permet de visualiser les variations au cours du temps d’un signal appliqué à deux
entrées notées X et Y, ou bien A et B, ou CH1 et CH2 suivant les appareils. Lorsque l’appareil est
réglé, les variations de la tension d’entrée au cours du temps s’affichent à l’écran.
L’abscisse du spot lumineux représente le temps, son ordonnée indique la valeur de la tension
d’entrée (à un facteur d’échelle près) à l’instant associé à l’abscisse.
2°) Etude des différents réglages:
a/ Cadrage :La commande d'entrée étant sur 0 ou Ground (GND) la position verticale du spot ou de la
trace peut se régler à l'aide du bouton POSITION  . Ce réglage étant fait, ramener la commande sur
AC ou DC. La position du « 0 volt » est choisie de façon arbitraire, pas forcément au centre de l’écran.
b/ Sensibilité : La commande de sensibilité agit sur le facteur de proportionnalité entre la valeur
d'entrée et la valeur de l’ordonnée affichée à l'écran. Attention, la commande n’est active que si le
réglage fin VAR est en position bloquée (bouton verrouillé en butée gauche ; le voyant correspondant
est alors éteint)
c/ Circuit d'entrée :Position 0 ou Ground, AC ou DC :
Ces trois modes d'entrées déterminent la position du commutateur. L'impédance d'entrée du montage
qui suit le commutateur est constituée d’une résistance de 1 M  en parallèle avec un condensateur
Borne X ou Y
de 25 pF.
Ecran
DC
L'entrée d'un oscilloscope se présente sous
la forme d’une fiche BNC dans laquelle peut
Circuit de commande
AC
s’enclencher un câble coaxial dont
de la déviation verticale
l'armature externe est reliée à la masse du
Ground
circuit que l’on teste et l'armature interne au
Tension
Tension
signal.
d’entrée ve
visualisée vY
Cette masse est souvent commune avec
celle de l'oscilloscope par conséquent :
ON NE PEUT IMPOSER DEUX MASSES DIFFERENTES A L'APPAREIL SANS PROVOQUER UN
COURT-CIRCUIT SUR LE MONTAGE ETUDIE.
d/ Synchronisation de la base de temps :
La base de temps crée la tension de commande du balayage horizontal du faisceau d'électrons. Afin
que l'image reste fixe à l'écran, le balayage horizontal doit être synchrone avec la période du signal
commandant le balayage vertical.
La base de temps produit une tension en dent de scie dont le démarrage est commandé par le circuit
de synchronisation :
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La base de temps peut se synchroniser sur trois signaux :
- les voies internes (entrées A ou B )
- le réseau d'alimentation ( 50 Hz )
- un signal externe appliqué sur l'entrée EXT.
Le signal choisi est comparé au niveau de déclenchement (tension continue réglable par le bouton
« level »). A chaque égalité, le comparateur déclenche la base de temps.
 Mode automatique : En l'absence de signal de commande, la base de temps fonctionne en
permanence, en présence d'un signal de niveau suffisant, la base de temps est synchronisée.
 Mode déclenché ou manuel: Ne fonctionne pas en l'absence de signal (pas de trace à
l'écran), démarre quand le signal atteint le niveau de déclenchement choisi.
Le réglage de la pente (slope) permet de synchroniser sur un front montant ou descendant.
e/ Fonctionnement bicourbe ou en X-Y : Pour visualiser en même temps les deux entrées (on parle de
mode bicourbe), on peut fonctionner en mode découpé (« chopped ») ou en mode alterné
(« alternate »).
Dans le premier cas, le spot passe successivement d'une voie à l'autre ; dans le second, il décrit un
balayage complet suivant les variations d’une entrée, puis le balayage immédiatement ultérieur suit
les variations de l’autre entrée. L’entrée du circuit de commande de la déviation verticale bascule
alternativement entre les deux voies d’entrée de l’oscilloscope.
La fonction Trigger permet le sélectionner la source de déclenchement interne, A ou B.
Le mode X-Y permet d'appliquer la voie CH1 en X et la voie CH2 en Y. On dit alors qu’on trace une
« courbe de Lissajous ».
3°) Mesures par curseurs (résumé)
En mode analogique, on peut effectuer des mesures par curseur. Les résultats sont affichés en bas à
droite de l’écran.
CURS
MEAS


VISU
SAVE
HARCOPY
READOUT
Appuyer sur la touche CURS. Un menu spécifique aux curseurs apparaît en bas de l’écran.
* Sélection du type de mesure :
La touche CURS permet de faire défiler le type de mesure :
 Off
pas de curseurs
 V
mesure de tension
 t
mesure de temps
 F
mesure de fréquence
 
mesure de phase
* Sélection de la référence :
La touche MEAS permet de choisir la référence CH1 ou CH2.
* Déplacement :
Les touches  et  permettent de déplacer le curseur sélectionné dans un sens ou dans l’autre, soit
verticalement, soit horizontalement selon le type de mesure et le mode d’affichage sélectionnés. Le
sens de déplacement est indiqué par des flèches dans le menu.
* Sélection du curseur :
La touche VISU permet de sélectionner C1, C2 ou C3 (dans le cas d’une mesure de phase). Le
curseur sélectionné est visualisé en trait plein et son déplacement devient possible par les touches 
et .
* Résultat des mesures :
Le résultat est affiché dans le menu des curseurs.
* Effacement du menu :
Appuyer sur HARCOPY référencée QUIT dans le menu.
Le résultat reste affiché. Pour le faire disparaître, faire Off dans le menu des curseurs.
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B) VERIFICATION DES REGLAGES
1°) Manipulation : mise en évidence des premiers réglages
A l’aide d'un GBF, voir l'effet sur le signal des fonctions suivantes : sensibilité, Auto-Manuel.
2°) Manipulation : mise en évidence des modes AC-DC ou Ground,
On envoie directement le signal du GBF sur l’oscilloscope et on observe son aspect sur l’écran.
a) En assimilant le dipôle d’entrée du circuit de déviation verticale à sa résistance d’entrée R (cf.
schéma p.1 où ve est la tension qu’on souhaite mesurer et vY la tension visualisée sur l’oscillo)),
C la capacité du condensateur
v
inséré en mode AC). Exprimer la fonction de transfert harmonique H  Y et reconnaître le type de
ve

filtre réalisé. Tracer qualitativement le diagramme de Bode G (dB)  f (log x) avec x 
;
c
1
exprimer c 
en fonction de R et de C et donner les propriétés de ce montage selon que

  c ou   c .
représenter en mode AC le circuit électrique équivalent. (On notera
b) Etablir l’équation différentielle satisfaite par la tension aux bornes du circuit de déviation verticale
en régime quelconque (pas nécessairement harmonique) ; en déduire qu’en régime périodique établi,
la valeur moyenne du signal affiché est nulle même si celle de la tension à mesurer ve ne l’est pas.
c) La tension à mesurer est maintenant un créneau alternatif de fréquence variable. Résoudre
l’équation différentielle satisfaite par la tension aux bornes du circuit de déviation verticale en régime
périodique lorsque   T soit f  f c , puis   T et   T . Relier ces conclusions à celles de
l’étude harmonique (5/2 : analyse de Fourier).
Conclure quant à l’intérêt de l’utilisation du mode AC ; quelles précautions doit-on prendre ?
d) On souhaite mesurer la capacité mise en série en mode AC. Observer le signal sur l’oscilloscope
quand on augmente sa fréquence. En déduire un ordre de grandeur de C .
e) Se placer en mode DC puis mesurer l'impédance d'entrée de l’oscilloscope par la méthode de la
« tension moitié ».pour plusieurs fréquences. Expliquer l'évolution de Z e en fonction de la fréquence.
Rappel de la méthode de la « tension moitié ».
Mesurer la tension crête à crête U2M indiquée par Y2
Y1
Y2
quand R = 0, puis chercher la valeur de R pour
R
laquelle Y2 indique une tension U’2 = U2M/2.
Montrer qu’on a alors R = Ze.
montage
GBF
Ve
u2
FILTRES DU PREMIER ET DU SECOND ORDRE
A) Comprendre: réaliser un montage utilisant oscillo, GBF, composants R, C, L.
B) Analyser: mettre en évidence les propriétés du filtre.
C) Valider : tracé des courbes asymptotiques, comparaison avec le modèle théorique.
D) Communiquer : commenter les courbes tracées, résumer sa démarche.
I - Filtre passe-bas du premier ordre
1°) Etude théorique : On veut réaliser un filtre passe bas du premier ordre avec une résistance R et
une capacité C. Proposer un montage convenable, choisir des valeurs pour R et C qui permettent
d’obtenir une fréquence de coupure f c 1kHz , indiquer sur un schéma les branchements de l’oscillo
nécessaires pour mesurer les tensions d’entrée et de sortie.
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Déterminer la fonction de transfert H ( j ) du montage en régime harmonique.
Y a-t-il une gamme de fréquences où le montage peut être qualifié d’intégrateur ? de dérivateur ?
2°) Tracé du diagramme de Bode. Réaliser ce montage.
Commencer par observer, en faisant varier la fréquence, mais sans faire de mesures précises,
l'existence d’une fréquence de coupure f c à la valeur souhaitée; pour cela on cherchera la fréquence
qui multiplie à peu près par
1
 0,7 l'amplitude maximale du signal.
2
Tracer soigneusement sur papier semi-logarithmique le diagramme de Bode en mesurant pour
chaque fréquence le rapport des amplitudes de vs et de ve et le déphasage entre ces signaux. Compte
tenu de la valeur de f c et de l’allure attendue pour le diagramme, déterminer les valeurs minimale et
maximale à donner à f ainsi que la répartition des mesures.
Déterminer précisément la « fréquence de coupure à - 3 dB » f c 
laquelle
G

Gmax
et  
.
4
2
c
2
, c’est-à-dire celle pour
3°) Effet du filtre sur un signal périodique triangulaire. On veut maintenant déterminer l’effet du filtre
sur un signal périodique non sinusoïdal; cette étude sera faite théoriquement dans le cours de Spé
(analyse de Fourier).
Ne rien changer au montage, mais faire délivrer par le GBF un signal triangulaire d’amplitude crêtecrête voisine de 1 V et de fréquence f . Observer la réponse du filtre dans les trois cas suivants:
*
f  f c ;
*
f  fc ;
*
f  f c
4°) Effet du filtre sur un signal périodique créneau: reprendre la même étude, en modifiant simplement
la forme du signal d’entrée.
Conclure qualitativement quant à l’effet du filtre sur le signal d’entrée.
1°) Etude théorique : Soit le montage ci-contre, en régime
harmonique. Déterminer que sa fonction de transfert peut s’écrire
sous la forme canonique : H ( j ) 
YB
YA
II - Filtre passe-bas du second ordre
1
x
1  x²  j
Q
avec

x
c
.
ve
R
C
Donner les valeurs de Q et d’ c . Montrer que c’est bien un filtre passe bas.
2°) Tracé du diagramme de Bode On réalise ce montage avec R = 1 k et C = 0,5 µF et
environ. Déterminer la valeur de c et trouver la valeur de R pour avoir Q = 0,7.
L = 0,1 H
Vérifier, en faisant varier la fréquence, l’allure de la courbe, selon que Q > 0,7 ou Q < 0,7. Tracer le
diagramme de Bode dans le cas où Q < 0,7.
Reprendre les courbes tracées avec le filtre passe-bas du premier ordre et comparer très
soigneusement les deux cas. Conclure.
3°) Effet du filtre sur un signal périodique : On veut reprendre l’étude faite avec les filtres du premier
ordre.
Commencer avec signal triangulaire: ne rien changer au montage, mais faire délivrer par le GBF un
signal triangulaire d’amplitude crête-crête voisine de 1 V et de fréquence f . Observer la réponse du
filtre dans les trois cas: *
f  f c ;
*
f  fc ;
*
f  f c
Faire ensuite de même avec le signal créneau. Conclure (qualitativement) quant à l’effet du filtre sur le
signal d’entrée.
vs