Description du matériel de laboratoire

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LEnsE
Laboratoire
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SupOptique
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Filière
par l’apprentissage
Filière
par l’apprentissage
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2
Table des matières
Les câbles
4
L’alimentation continue
4
Le multimètre numèrique
Affichage de 2 valeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Utilisation en dB-mètre / fréquence-mètre . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
5
Les Générateurs de fonction Basse Fréquence
6
L’oscilloscope
Déclenchement du balayage de l’oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . .
Modes de couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
7
7
La plaquette de câblage
9
Comment imprimer l’écran de l’oscilloscope
10
Guide de survie pour ARDUINO
Description de la carte . . . .
Logiciel Arduino . . . . . . .
Structure d’un programme . .
Entrées / Sorties numériques .
Entrées analogiques . . . . . .
Liaison série et affichage . . .
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11
12
12
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Amplificateurs linéaires intégrés et diodes
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Code couleur des résistances
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Les câbles
Vous disposez de câbles monofilaires de différentes longueurs et de différentes couleurs et de câbles
coaxiaux.
Les câbles coaxiaux comportent deux conducteurs : un fil conducteur central pour le signal, et
l’enveloppe qui doit être mise à la masse. Pour les
connecteurs de type “banane“ cf. figure ci-contre.
Masse
Signal
L’alimentation continue
Les alimentations dont vous disposez sont des alimentations double ou triple
isolées. Elles peuvent fonctionner en source de tension ou en source de courant.
Les trois alimentations sont indépendantes (tension et courant réglables indépendamment) et aucune borne n’est reliée en interne à la terre, elles peuvent donc être
mises en série pour créer par exemple une alimentation du type [−15 V 0 V +15 V].
4
Le multimètre numérique
Le multimètre permet de mesurer des courants et tensions moyens (modes DC =)
et efficaces (modes AC v), des fréquences, des valeurs de résistances.
Il dispose d’un double affichage permettant de suivre par exemple à la fois :
— la tension et le courant,
— ou la tension et la fréquence pour un diagramme de Bode.
Affichage de 2 valeurs :
1. Sélectionner la première information que vous souhaitez afficher.
2. Appuyer sur 2ND puis sélectionner la seconde information que vous souhaitez afficher.
Utilisation en dB-mètre / fréquence-mètre (Bode) :
1. Régler le multimètre pour mesurer une tension efficace (bouton V ∼ )
puis appuyer sur dB .
2. Placer le signal d’entrée du circuit en entrée du multimètre, et étalonner
à 0 dB pour cette valeur de tension en appuyant sur REL .
3. Brancher ensuite le signal de sortie du circuit sur le multimètre, l’appareil
affiche ainsi directement le gain en dB.
4. En appuyant sur 2ND puis sur FREQ , afficher simultanément la fréquence du signal.
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Les Générateurs de fonction Basse Fréquence
Ces générateurs peuvent délivrer des tensions sinusoïdales, triangulaires ou
rectangulaires, ainsi que différents types de signaux modulés (AM, FM...).
Il est possible de régler la fréquence du signal, son amplitude et sa valeur moyenne
ou bien sa période, sa valeur minimale et sa valeur maximale.
Il est enfin possible de générer une rampe de fréquence à l’aide de la fonction
Sweep . Cette fonction est très utile pour connaître le comportement en fréquence
d’un système (image du diagramme de Bode).
Il faut régler le type de rampe Linear ou Log , la fréquence initiale Start ,
la fréquence finale Stop , le temps de balayage Sweep Time et le déclenchement
Trigger Setup (Mode interne Int puis DONE )
L’oscilloscope
Vous avez à votre disposition des oscilloscopes numériques, avec une bandepassante de 40 MHz. Ces oscilloscopes sont reliés aux ordinateurs par une liaison
USB. Les copies d’écran peuvent être réalisés à l’aide du logiciel EasyScope (voir
page 10).
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Déclenchement du balayage de l’oscilloscope
Pour que l’affichage soit utile à l’observateur il est nécessaire de synchroniser
l’affichage (ou la mise en mémoire) du signal à chaque itération. Dans le cas contraire
le signal est brouillé, un exemple est donné Figure 1.
Figure 1 – Exemple d’affichage obtenu à l’écran de l’oscilloscope sans synchronisation avec le signal.
L’affichage doit donc être synchronisé sur les variations du signal à visualiser. Pour cela, un circuit de déclenchement (trigger) détecte quand la valeur du signal
passe par une valeur seuil avec une pente de signe donné (seuil de déclenchement ou
trigger level et trigger slope pour la pente) réglables par l’utilisateur.
L’inconvénient de ce fonctionnement est qu’en l’absence de signal (ou dans le
cas d’un signal d’amplitude plus faible que le seuil), il n’apparaît aucune courbe à
l’écran.
Les oscilloscopes disposent donc de plusieurs modes de fonctionnement pour la
base de temps :
— Le mode déclenché ou normal (triggered), c’est le fonctionnement décrit précédemment
— le mode automatique qui génère un signal de déviation horizontale même en
l’absence de signal (ou signal d’amplitude plus faible que le seuil du trigger)
— enfin un troisième type de déclenchement est disponible : modes vidéo (lignes
et trames) pour l’étude de signaux vidéos.
Pour tout affichage à l’écran de l’oscilloscope, il faut choisir et régler le mode
synchronisation :
— mode : automatique (monocoup exceptionnellement !)
— source : voie 1, 2, secteur (50 Hz EDF) ou signal externe.
Modes de couplage
Tous les oscilloscopes possèdent deux possibilités de couplage d’entrée : AC (capacitif) ou DC. Le couplage DC est direct, le couplage AC filtre les basses fréquences
du signal (cf. Figure 2), à utiliser avec circonspection et seulement après une pre7
mière visualisation du signal en mode DC. Ne jamais utiliser le mode AC pour visualiser un signal basse fréquence !
Figure 2 – Mode de couplage de l’entrée de l’oscilloscope.
Rappel : L’oscilloscope permet de visualiser une différence de potentiel par rapport à la masse. Pour visualiser une tension différentielle, utiliser la somme
des voies A et B inversée.
À retenir
L’utilisation de l’oscilloscope nécessite impérativement de régler :
1 . Le mode et la source de synchronisation du balayage,
2 . le couplage d’entrée adéquat.
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La plaquette de câblage
Le support de la plaquette comprend aussi des connecteurs “ banane ”, aucun de
ces connecteurs n’est relié à la plaquette, vous devrez donc, le cas échéant réaliser
les connexions souhaitées à l’aide de petits fils comme sur la figure précédente.
Il vous est conseillé de soigner l’organisation des composants sur la plaquette
et de choisir la couleur des fils en fonction du signal qu’ils véhiculent (Rouge pour
l’alimentation positive, Noir pour la masse, etc.).
Attention : ces plaquettes de câblages ne permettent d’étudier que des signaux de
fréquence inférieure au Mégahertz.
Attention les lignes horizontales sont
« coupées » au milieu de la plaquette
9
Comment imprimer l’écran de l’oscilloscope
1. Lancer le logiciel EasyScope en cliquant sur l’icône sur le bureau :
2 Sur la fenêtre sui s’ouvre :
(a) Sélectionner Connect
(b) Puis DSO bitmap
3 Sélectionner Refresh.
4 Imprimer par Copy et insérer l’image dans un document texte (type Word).
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ARDUINO : Kit de survie
Description de la carte
La carte Arduino Uno est une carte de prototypage rapide de systèmes. Elle est
basée sur un microcontroleur Atmel cadencé à 16 MHz et possédant 32 ko de mémoire programme et 2 ko de mémoire RAM.
Elle possède :
— un port USB : pour pouvoir la relier à l’ordinateur et permettre ainsi sa programmation
— des entrées analogiques : pour pouvoir récupérer des signaux provenant de
capteurs analogiques
— des entrées/sorties numériques : pour pouvoir récupérer des signaux numériques ou contrôler des systèmes numériques
Certaines sorties numériques permettent de générer des signaux modulés en largeur d’impulsions (MLI ou Pulsed Width Modulation PWM). Elles sont repérées par
le symbole s̃ur la carte.
! ATTENTION !
La carte Arduino Uno admet des tensions comprises entre 0 et 5 V.
Toute tension négative ou supérieure à 5 V peut entrainer sa destruction.
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Logiciel Arduino
Pour pouvoir programmer la carte Arduino Uno et pouvoir la faire
intéragir avec son environnement, il faut utiliser le logiciel Arduino.
La fenêtre principale du logiciel Arduino se décompose en 3 zones
distinctes : la zone des menus, la zone d’édition du code et la zone de
rapport d’erreurs lors de la compilation du code et du téléversement vers la cible.
Structure d’un programme
Il y a deux parties distinctes dans un programme pour Arduino (voir figure
précédente) : la fonction void setup() qui constitue la partie initialisation et qui
n’est exécutée qu’une seule fois lors de la mise sous tension de la carte (ou une
remise à zéro), la fonction void loop() qui exécute son code de manière infinie.
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Entrées / Sorties numériques
Définir une broche en entrée ou en sortie Les broches d’entrées/sorties de la carte
Arduino sont configurées par défaut en entrée. Pour gérer la direction des broches,
il faut utiliser la fonction suivante où le paramètre int[broche] correspond au numéro
de la broche à configurer :
1 pinMode ( i n t [ b r o c h e ] , INPUT ) ; / / b r o c h e en e n t r e e
2 pinMode ( i n t [ b r o c h e ] , OUTPUT) ;
/ / b r o c h e en s o r t i e
Mettre une broche au niveau haut ou au niveau bas Pour mettre une sortie au
niveau logique haut (’1’ ou 5 V ) ou au niveau logique bas (’0’ ou 0 V), il faut utiliser
la fonction suivante où le paramètre int[broche] correspond au numéro de la broche
à modifier :
1 d i g i t a l W r i t e ( i n t [ b r o c h e ] , HIGH ) ; / / b r o c h e a 1
2 d i g i t a l W r i t e ( i n t [ b r o c h e ] , LOW) ;
/ / broche a 0
Lire une entrée numérique Il est possible de lire une valeur numérique (’0’ ou
’1’) sur les entrées de la carte Arduino. Pour cela il faut utiliser la fonction suivante
où le paramètre int[broche] correspond au numéro de la broche à venir lire :
1 int a ;
2 a = d i g i t a l R e a d ( int [ broche ] ) ;
La valeur lue sur la broche sera alors stockée dans la variable a dans cet exemple.
Appliquer un signal carré de rapport cyclique paramétrable Le carte Arduino
génère un signal modulé en largeur d’impulsion (MLI ou Pulsed Width Modulation
- PWM) à une fréquence d’environ 1 kHz sur les broches 3, 5, 6, 9, 10 et 11 avec
la fonction suivante où le paramètre int[broche] correspond au numéro de la broche
à modifier et le paramètre int[valeur] est une valeur comprise entre 0 et 255 correspondant au rapport cyclique souhaité (entre 0 et 100 %) :
1 analogWrite ( int [ broche ] , int [ valeur ] ) ;
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Entrées analogiques
Lire une entrée analogique La carte Arduino Uno possède 6 entrées analogiques
numérotées de A0 à A5. Elles sont reliées à un convertisseur analogique/numérique
qui renvoie un code numérique sur 10 bits (de 0 à 1023).
Pour pouvoir lire une entrée analogique, il faut utiliser la fonction suivante où le
paramètre int[broche] correspond au numéro de la broche à lire :
1 int a ;
2 a = analogRead ( i n t [ broche ] ) ;
Liaison série et affichage
Le programme écrit et compilé par l’ordinateur, à l’aide du logiciel Arduino,
est téléversé dans la carte par une liaison série de type RS232. Cette liaison peut
également être utilisée pour transmettre d’autres types d’information depuis la carte
vers l’ordinateur ou inversement.
On peut par exemple l’utiliser pour afficher des messages de débugage depuis la
carte vers l’ordinateur.
Initialiser la liaison série Afin de faire fonctionner cette liaison série, il faut l’initialiser à l’aide de la fonction suivante où le paramètre int[baud] correspond à la
vitesse de transmission entre la carte et le PC :
1 S e r i a l . b e g i n ( i n t [ baud ] ) ;
La valeur par défaut est 9600 bauds. La carte Arduino Uno est capable de transmettre des informations jusqu’à 115 200 bauds.
Afficher un message dans la console Le logiciel Arduino possède un outil appelé Moniteur Série (disponible via le menu Outils / Moniteur Série). Il permet
d’afficher tout ce qui arrive sur la liaison série de l’ordinateur et de transmettre des
caractères à la carte.
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Une autre fenêtre s’ouvre alors.
Pour afficher un message ou une valeur à l’écran, il faut utiliser la fonction suivante :
1 S e r i a l . p r i n t ( " message " ) ;
2 Serial . println ( valeur ) ;
La fonction print affiche sans saut de ligne alors que la fonction println affiche le texte suivi d’un saut de ligne.
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Amplificateurs linéaires intégrés et diodes
Amplificateur Opérationnel TL071 / LM741 / µA741 +VCC
−VCC
Diode 1N4148 Code couleur des résistances
COULEUR
1er ANNEAU
2eme ANNEAU
MULTIPLICATEUR
TOLERANCE
NOIR
MARRON
ROUGE
ORANGE
JAUNE
VERT
BLEU
VIOLET
GRIS
BLANC
OR
ARGENT
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
10
100
1k
10K
100K
1M
10M
1%
2%
0,50%
0,25%
0,10%
0,1
0,01
5%
10%
270 kΩ
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