TP 1 - MPSI, Lycée Pierre d`Ailly

MPSI
TP Physique 1
DESCRIPTION DE L'OSCILLOSCOPE
1-1 Organisation générale
On peut distinguer
- Le système de production, de déviation et de visualisation du faisceau d'électrons : le tube cathodique et les
électrodes qu'il contient, et l'écran.
- Les systèmes électroniques de commande qui se répartissent en trois groupes
Les amplificateurs d'entrée I et II,
La base de temps et la synchronisation (ou déclenchement).
Les boutons de commande associés à chacun de ces trois groupes sont toujours géographiquement
regroupés sur la face avant de l'oscilloscope et il importe de repérer rapidement ces regroupements.
1-2 Le tube cathodique et l'écran
1-2-1 Le tube cathodique
Le canon à électrons comprend différentes électrodes :
- La cathode, chauffée par un filament de tungstène parcouru par un courant alternatif, elle émet des
électrons par effet thermoélectronique.
- Le Wehnelt, de potentiel plus bas que la cathode, sert à rejeter une fraction variable des électrons, donc à
modifier l'intensité du faisceau, et par conséquent, la luminosité du "spot" (tache lumineuse sur l'écran).
(Commande "luminosité" ou "intensité").
- Les électrodes de focalisation, de potentiels plus élevés (de 2 kV par exemple) que la cathode, permettent
d'accélérer et de focaliser le faisceau d'électrons, c'est-à-dire, de le rendre filiforme (commande
"focalisation").

- Les plaques (horizontales) de déviation verticale créent un champ E quasi uniforme lorsqu'on leur applique
une tension y(t). Il en résulte une déviation du spot proportionnelle à cette tension d(t) = k y(t).
- De même pour les plaques (verticales) de déviation horizontale.
L'oscilloscope est donc un voltmètre instantané
Les boutons de réglage horizontal et vertical du spot actionnent des potentiomètres qui permettent
d'ajouter des tensions continues, réglables, aux tensions fournies par les amplificateurs qui sont appliquées
aux plaques de déviation. Ils servent à centrer le spot en l'absence de tension fournie par les amplis ou, au
contraire, de décaler le spot à volonté.
Les oscilloscopes sont en général "bicourbes"; ils possèdent deux entrées et permettent d'afficher
simultanément les tensions de sortie des deux amplificateurs en fonction du temps. Les meilleurs possèdent
deux canons à électrons, les autres possèdent un commutateur qui connecte les plaques de déviation verticale
alternativement aux deux amplificateurs avec une fréquence égale à celle de la base de temps (mode
"alterné") ou bien supérieure à celle-ci (mode "haché" ou "choppé").
1-2-2 L'écran
Il permet de voir l'endroit (spot) où le faisceau d'électrons frappe l'écran. I1 s'agit en général d'un
écran au phosphore, ce qui donne un temps de rémanence (de persistance de la trace lumineuse) convenable,
ni trop grand, ni trop faible.
Un spot trop lumineux et restant fixe détériore l'écran, ce qu'il faut absolument éviter !
Le pas du quadrillage de l'écran et la largeur du spot entraînent une incertitude de 1 ou 2 mm sur la
position de celui-ci . Pour une mesure de 1 cm, on a donc une incertitude relative de 10 ou 20 %. Celle-ci
chute à 1 ou 2 % pour une mesure de 10 cm (largeur et hauteur habituelles de l'écran). L'oscilloscope est
donc peu précis et il faut utiliser la plus large partie possible de l'écran (grâce à des calibres adaptés).
1-3 Les amplificateurs
1-3-1 Nécessité d'amplifier
Il faut environ 100 V pour dévier le spot de 1 cm sur l'écran. Une sensibilité aussi faible ne
conviendrait pas pour les tensions habituellement utilisées en électronique.
Les réglages des amplificateurs se font avec les boutons de "gain", "sensibilité" ou "calibre".
Le gain n'a la valeur affichée en V/cm (ou V/div car une division mesure 1 cm) que si le bouton de
décalibrage est bloqué dans sa position extrême, sinon on peut le faire varier de façon continue.
L'amplification d'un signal de faible niveau s'accompagne de l'amplification des parasites, il ne faut
pas s'en étonner quand on utilise les calibres les plus faibles.
1-3-2 La masse
Les deux amplificateurs sont alimentés par une même source de tension continue, ils ont donc borne
commune qui est la masse de l'oscilloscope.
Cette masse est en général reliée à une prise de terre, ce qui impose Vmasse = 0. Un conducteur
maintenu à un potentiel constant constitue un écran contre les parasites. Si on utilise un câble coaxial pour
relier l'oscilloscope au générateur BF (basse fréquence), l'armature extérieure relie alors la masse du
générateur BF à la terre, le signal est alors transporté sans parasites.
La présence de cette masse commune aux deux voies, reliée la terre, impose des contraintes sur les
branchements d'un circuit sur l'oscilloscope. Un dipôle placé entre deux points reliés à la masse serait en
effet court-circuité, ce qu'il faut bien sûr éviter.
1-3-3 Impédance d'entrée d'un oscilloscope
L'entrée de chaque amplificateur est équivalente vue du circuit où l'on branche l'oscilloscope à une
résistance d'entrée RE de l'ordre de 1 M en parallèle avec une capacité CE de quelques dizaines de pF.
L'impédance d'entrée de l'oscilloscope n'est donc pas infinie et l'oscilloscope perturbe donc le circuit
sur lequel il est branché.
Cependant, les valeurs de RE et de CE montrent que l'oscilloscope se comporte le plus souvent de
façon quasi idéale (on aurait alors RE = ∞ et CE = 0).
En courant continu, le courant passe dans RE, CE ne joue pratiquement aucun rôle. En courant
1
alternatif, le courant passe majoritairement dans RE tant que RE <
soit par exemple, pour RE = 1 M
CE
et CE = 50 pF, f < 3,2 kHz.
RE
CE
Oscillographe réel
Oscillographe idéal
1-3-4 Conséquences sur les mesures
Mesure d'une intensité
Pour mesurer un courant sur l'oscilloscope, on mesure la tension aux bornes d'une résistance R
connue traversée par le courant étudié. En courant continu ou à basse fréquence, la capacité CE n'intervient
RRE
pas et cette résistance est en fait remplacée par R en parallèle avec RE. soit
qui ne vaut à peu près
R  RE
que si R << RE. Pour RE = 1 M, il faut donc prendre R  10 k pour que l'erreur soit inférieure à 1 '%.
Temps de montée de l'oscilloscope
q
La charge du condensateur de capacité CE ne peut se faire instantanément, la tension d'entrée v =
CE
ne peut donc croître que de façon progressive, il en résulte une déformation des signaux créneaux. Le temps
de montée de la tension est en général de quelques 10 ns, on peut le plus souvent le négliger.
1-3-5 Bande passante d'un oscilloscope
Comme tous les amplificateurs, ceux de l'oscilloscope ont un comportement fréquentiel; leur réponse
dépend de la fréquence du signal d'entrée.
Pratiquement, tout signal sinusoïdal de fréquence supérieure la fréquence de coupure N0 de
l'amplificateur voit son amplitude réduite et déphasée. Actuellement N0 est en général de l'ordre de 20 MHz..
1-3-6 Déphasage parasite entre les deux voies
Chaque amplificateur déphase légèrement le signal appliqué mais, puisque les amplis sont distincts,
ces déphasages peuvent être différents. Il peut donc en résulter un déphasage sur l'écran entre les traces
laissées par deux signaux en concordance de phase. Ce déphasage éventuel se met facilement en évidence,
en entrant le même signal sur les deux voies.
1-3-7 Dérive du zéro
Sur certains oscilloscopes, on observe une dérive du zéro quand on change de calibre. Ceci est dû à
l'amplificateur qui n'est pas vraiment linéaire :
Soit u(t) la tension appliquée entre la masse et une entrée (canal I par exemple) de l'oscilloscope et
y(t) la tension appliquée aux plaques de déviation verticale. Soit G le gain (coefficient d'amplification) et Y0
la tension ajoutée grâce au potentiomètre de cadrage.
Si l'on a réglé le bouton de cadrage pour avoir y(t) = 0 quand u(t) = 0 (aucune déviation verticale), on
devrait avoir Y0 = 0 et y(t) = G u(t). En changeant le gain y'(t) = G' u(t) resterait nul pour u(t) = 0.
En fait, l'amplificateur introduit une tension de décalage VD et amplifie u(t) + VD donc on compense
en effectuant le cadrage par une tension Y0 non nulle : y(t) = G (u(t) + VD) + Y0 avec Y0 = – G VD.
Si l'on change le gain en G' on a y(t) = G' (u(t) + VD) + Y0 = G' (u(t) + VD) – G VD et y(t) n'est plus
nul pour u(t) = 0 ; il y a "dérive du zéro".
On peut en principe annuler VD grâce à un réglage interne, mais celui-ci est peu accessible.
1-4 Modes de couplage entre le circuit et l'oscilloscope
Pour chaque entrée de l'oscilloscope il existe trois modes de couplage possibles avec le circuit
1-4-1 Couplage GD (ground, terre ou zéro)
Le circuit n'est pas couplé à l'oscilloscope; l'entrée est mise à la masse. On a alors y(t) = 0 ,  u(t).
Ce couplage est utilisé lorsqu'on effectue le cadrage.
1-4-2 Couplage DC ( ~ )
Les bornes de l'amplificateur sont directement reliées au circuit. On a alors y(t) = G v(t) + Y0.
1-4-3 Couplage AC ( ~)
Une capacité de filtrage CF est intercalée en série entre le circuit et l'oscilloscope. Elle a pour effet de
supprimer la composante continue et les composantes de très basses fréquences du signal.
Ce couplage, compte tenu des valeurs de CF , RE et CE n'est efficace que pour des fréquences d'au
moins 10 Hz (la fréquence de coupure est d'environ 10 Hz).
On n'utilise le couplage AC que dans des cas particuliers. Par exemple, si l'on veut mettre en
évidence les ondulations, faibles, d'une tension redressée.
Si, par exemple, u(t) = U0 + U cos(2 N t + ) avec N = 50 Hz et U0 constante, la tension
amplifiée par l'oscilloscope sera v(t) = U cos(2  N t + ) et U0 sera la tension aux bornes du condensateur
de filtrage.
CF
AC
DC
RE
GD
CE
1-5 Base de temps et synchronisation
1-5-1 La base de temps
La base de temps sert à un déplacement horizontal du spot à vitesse constante, et un retour quasi
instantané.
II s'agit d'un générateur de tension en dents de scie de fréquence réglable, qui agit sur les plaques de
déviation horizontale, et dont l'amplitude est telle qu'elle amène le spot au bout de l'écran.
Le réglage de la période T0 de la base de temps se fait avec le bouton "vitesse de balayage" ou
"fréquence du balayage", un nombre de ms / div est affiché, il n'est exact que si la base de temps n'est pas
"décalibrée". Le "décalibrage" de la base de temps permet de faire varier la fréquence de balayage de façon
continue.
x(t)
T0
X
t
-X
1-5-2 La synchronisation
L'oscilloscope permet d'obtenir une trace stable pour une tension périodique, mais ceci nécessite une
synchronisation entre la base de temps et la tension.
Sans synchronisation, si l'élongation du signal étudie ne reprend pas la même valeur en variant dans
le même sens chaque fois que le signal revient gauche de l'écran, la trace sera démultipliée ou donnera une
impression de défilement (problème analogue à celui de la stroboscopie). La trace ne serait stable que pour
T0 multiple de T, période du signal.
La synchronisation consiste à introduire un temps d'attente à la fin de chaque dent de scie de la base
de temps, la dent de scie suivante ne se déclenchant que dans des conditions déterminées, toujours les
mêmes pour un "mode de déclenchement" déterminé.
x(t)
T0
θ
X
t
-X
Le mode de synchronisation le plus rudimentaire (et long à réaliser correctement) consiste à régler
manuellement le temps d'attente (avec le bouton "Hold off"). Il est en général plus pratique d'utiliser les
différents "modes de déclenchement".
1-5-3 Modes de déclenchement
Le déclenchement, peut être commandé par le signal du canal I ou par celui du canal II, il se fait à un
certain "niveau de déclenchement", que l'on peut régler manuellement ou qui se règle automatiquement
(position "auto"), il peut aussi être commandé par un signal extérieur, ou par le secteur (50 Hz) (position
"line" ou "mains" ou ~) ou encore par les signaux de balayage de télévision ("TV").
On peut aussi sur de bons oscilloscopes, choisir de commander le déclenchement par la partie
alternative (AC) du signal ou par le signal complet (DC)...
Dans la plupart des cas, le déclenchement automatique est le plus adapté, c'est celui que l'on choisira,
sauf dans des cas particuliers.
Lorsque l'amplitude d'un signal est faible, il est préférable de déclencher sur un signal de même
fréquence mais d'amplitude plus grande (déclenchement extérieur : on utilise le signal du générateur BF qui
alimente le circuit).
Le déclenchement peut se faire sur un front montant ou sur un front descendant (touche + / –).
Les possibilités sont donc en général très variées, mais, quel que soit le mode de déclenchement, on
n'oubliera pas qu'il est impossible d'obtenir une trace fixe pour un signal non périodique (sauf avec un
oscilloscope à mémoire). Si les deux signaux sont périodiques et que le rapport de leurs fréquences n'est pas
un nombre rationnel, il est impossible de synchroniser les deux signaux à la fois.
1-6 Différentes connexions des plaques de déviation
On a en général les possibilités suivantes
1-6-1 Avec un seul spot
XY : La tension yII(t) est appliquée aux plaques de déviation horizontale (plaque de gauche à la masse) et la
tension yI(t) aux plaques de déviation verticale (plaque du bas à la masse). La base de temps n'est pas
connectée.
Attention ! Si le spot est fixe trop longtemps, il y a risque de brûlure de l'écran.
Ch. I : La tension yI(t) est appliquée aux plaques de déviation verticale, la base de temps est appliquée aux
plaques de déviation horizontale. (Ch. I pour channel I c'est-à-dire canal I).
Ch. II . idem, mais avec yII(t).
1-6-2 Avec deux spots
Dual : Comme avec Ch. I et Ch. II, mais alternativement, en mode alterné.
Dual + Add : idem, mais en mode haché (ou choppé).
1-6-3 Opérateurs arithmétiques
Invert Ch.I : C'est la plaque supérieure qui est reliée à la masse lors de l'observation du signal yI(t),
Invert Ch.II : C'est la plaque supérieure qui est reliée à la masse lors de l'observation du signal yII(t),
fonctionne aussi en combinaison avec Dual.
Add : Permet d'observer yI(t) + yII(t). En combinaison avec Invert, permet d'observer la différence.
1-7 Rotation de la trace
En l'absence de signal, le spot doit balayer l'écran horizontalement, mais le champ magnétique local
(terrestre + autres) peut incliner cette trace. Une vis de réglage accessible (souvent à l'arrière de l'appareil)
permet de régler la compensation du champ magnétique local pour ramener la trace parallèle aux lignes
horizontales du quadrillage.
1-8 Conclusion
D'autres possibilités que celles décrites ici pour le Hameg HM 203-6 existent sur certains
oscilloscopes du lycée (testeur de composants, mémoire, phasemètre, fréquencemètre...). On les étudiera au
fur et à mesure de leur utilisation.
L'utilisation correcte et la mise en oeuvre rapide d'un oscilloscope nécessite
- Les connaissances minimales présentées dans ce polycopié.
- Leur adaptation aux différents oscilloscopes. Les dénomination des touches et boutons de commande sont
souvent variables d'un appareil à un autre.
On se référera donc à ce polycopié et s'il le faut, à la notice d'utilisation de l'appareil utilisé chaque
fois qu'un problème se posera.