I. Prise en main de l`oscilloscope - PCSI

TP d’électrocinétique 1 : Prise en main du matériel
I. Prise en main de l’oscilloscope
Rappels concernant le fonctionnement de l’oscilloscope
L’oscilloscope est un appareil permettant de mesurer des tensions, continues ou alternatives.
Deux ou 4 tensions peuvent être visualisées simultanément. Toutes les voies de l’oscilloscope
ont une référence commune : la masse correspondante à la prise de terre de l’alimentation. On
ne peut donc visualiser que des tensions ayant une référence commune à la terre.
Plusieurs réglages sont à effectuer :
-
Choix de la voie de synchronisation (Trigger -> source) et niveau de
synchronisation (Trigger -> level)
Il s’agit de déterminer quelle voie va servir de référence à l’affichage. Une fois la voie
spécifiée, l’oscilloscope va afficher le signal correspondant lorsque celui-ci atteint une
certaine valeur, appelée « niveau de synchronisation ». Ce mode d’affichage permet d’obtenir
une trace nette à l’écran.
1ère trace
2ème trace
2
Calibre vertical
1
0
-1
-2
4
8
12
16
20
24
28
32
Base de temps
36
40
44
48
52
56
60
Niveau de déclenchement
(synchronisation)
- Réglage des calibres
Il faut régler les échelles horizontales et verticales : la base de temps permet de fixer la durée
de balayage d’un carreau horizontalement, et les calibres des deux voies permettent de régler
la tension d’un carreau verticalement
- Choix du type de visualisation
Différents modes de visualisation existent :
o mode balayage : les tensions s’affichent périodiquement au cours du temps.
C’est le mode le plus utilisé pour visualiser des tensions périodiques stables.
o mode « mono-coup » (single): une seule trace à l’écran s’affiche. L’affichage
se bloque après.
1
o mode défilement (mode « roll »): l’oscillo affiche les tensions sans attendre la
consigne du niveau de déclenchement. Ce mode est particulièrement
intéressant pour visualiser les très basses fréquences, ou les tensions non
périodiques.
o mode XY : on affiche la tension en voie 2 (verticalement) en fonction de la
tension en voie 1 (horizontalement). La notion de temps n’apparaît plus
directement. Ce mode est utilisé généralement pour visualiser des
caractéristiques de transfert des composants.
-
Choix du couplage : chaque voie dispose de 3 couplages :
o couplage masse (GND) : la voie est court-circuitée. Ceci permet entre autre de
régler le zéro de la voie, autrement que par la visualisation de la flèche repérant
la référence de la voie, située sur les axes de l’écran.
o couplage DC : on visualise le signal avec sa composante continue. C’est le
couplage le plus utilisé.
o couplage AC : on ne visualise que la composante alternative. La composante
continue est filtrée. Ce couplage est intéressant quand on cherche à visualiser
une partie alternative de faible amplitude par rapport à une composante
continue. Mais le filtre introduit peut perturber la mesure en basse fréquence :
il ne faut pas l’utiliser en dessous de 100 Hz.
Manipulation
Relier un générateur basse fréquence (GBF) et l’oscilloscope. Régler le GBF afin d’obtenir
une tension sinusoïdale d’amplitude 1V et de fréquence 1 kHz.
 Mesurer : l’amplitude, la fréquence (à l’aide des curseurs et de la mesure
automatique).
Ajouter une composante continue de 1V. Placez-vous en mode DC, puis AC de
l’oscilloscope.
 Comparer les signaux
 Placez-vous ensuite à 20 Hz et visualiser les deux tensions en mode DC et AC.
Comparer les deux signaux et conclure.
Réaliser un circuit RC avec les valeurs suivantes : C = 10 nF et R = 10 k. Alimenter ce
circuit à l’aide d’une tension sinusoïdale d’amplitude 1V et de fréquence f=1.5 kHz.
 Visualiser : la tension aux bornes de l’ensemble et la tension aux bornes du
condensateur.
 Mesurer le déphasage entre les signaux. La tension aux bornes de C est-elle en avance
ou en retard ?
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II. Mesures temporelles à l’oscilloscope : étude de circuits
RC
A. Réponse à un échelon de tension
Préparation
On considère un circuit R-C de la figure suivante :
v
R
i
e(t)
R
e(t)
E
v
c
Fig. 1
La tension e(t) est un échelon de tension d’amplitude E. On posera =RC.






Ecrire l’équation différentielle satisfaite par la tension Vc. Quelle est l’équation
satisfaite par la charge portée par une des armatures (à définir) du condensateur ?
Exprimer alors la tension vC en fonction du temps, en supposant le condensateur
initialement déchargé.
Représenter les allures des tensions Vc et e.
Déterminer la valeur de Vc pour t = .
Quelle est l’expression du courant circulant dans le circuit ? On pourra reprendre
rapidement cette étude.
Comment réaliser en pratique un échelon de tension avec un générateur ?
Manipulation
Câbler un circuit RC avec les valeurs suivantes : C = 10nF et R = 10k, de façon à pouvoir
visualiser les tensions e et vC.




Evaluer directement la constante de tempstangente à l’origine).
Déterminer la valeur de par la méthode des 63 %.
Conclure
Comment peut-on visualiser le courant ?
B. Réponse à un signal périodique
On considère que le signal e(t) est un signal créneau, de période T, d’amplitude comprise
entre 0 et E, de rapport cyclique ½ :
0 pour t  [0; T / 2]
e(t ) 
E pour t  [T / 2; T ]
Indication :
Indication :
Le rapport cyclique est le rapport de
la durée de l’état haut sur la période.
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Préparation
 Que deviennent la tension vC et le courant i ? (aucun calcul n’est demandé)
 Représenter les allures de ces grandeurs dans les deux conditions suivantes :
o T >> 
o T << 
Manipulation
Reprendre le montage précédent et visualiser la tension Vc dans les deux cas mentionnés cidessus.
III.Détermination des impédances d’entrée et de sortie.
A. Impédance de sortie :
Préparation
On souhaite déterminer l’impédance de sortie Rout d’un montage. On modélise le montage
électronique par un générateur de Thévenin équivalent Vs et une résistance de Thévenin
équivalente Rout (qui correspond à l’impédance de sortie), comme c’est représenté sur la
figure suivante :
Rout
Vs
R
V
Fig. 5
En présence du potentiomètre R, déterminer le rapport V/Vs en fonction des éléments du
montage. Que vaut ce rapport pour R=Rout ?
En déduire une méthode simple pour déterminer la résistance Rout.
Manipulation :
A l’aide d’un potentiomètre déterminer l’impédance de sortie du GBF.
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B. Impédance d’entrée :
Préparation
On souhaite déterminer l’impédance d’entrée Rin d’un montage. On négligera l’impédance
interne du générateur. On considère le montage suivant :
R
Ve
Rin
Vin
Fig. 4
Déterminer le rapport Vin/Ve . Que vaut ce rapport lorsque R = Rin ? En déduire une méthode
simple de détermination de Rin.
Manipulation
Retrouver l’ordre de grandeur de l’impédance d’entrée de l’oscilloscope par cette méthode.
On se placera en continu ou en basse fréquence.
Complément : influence d’un appareil de mesure
L’oscilloscope est un appareil de mesure que l’on peut modéliser par un circuit parallèle R 0,
C0. Si l’on souhaite mesurer la tension fournie par un circuit (e, R), on a alors le montage
équivalent à la figure 2.
Pour les applications numériques, on prendra : R0= 1M, C0=25 pF . En basse fréquence, le
condensateur n’intervient pas : il est équivalent à un circuit ouvert.
Oscilloscope
V0
R
CO
e
0
0


R0
0
Déterminer le rapport V0/e en fonction de R0 et de R.
Faire l’application numérique dans les cas suivants :
o cas (a) : R = 1M
o cas (b) : R = 1k
 Dans quel cas la mesure faite à l’oscilloscope est-elle correcte ?
Manipulation
Mettre en œuvre ce montage et conclure.
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