Visualisation des signaux electriques oscilloscope

VISUALISATION DES SIGNAUX ELECTRIQUES
OSCILLOSCOPE CATHODIQUE ANALOGIQUE
INTRODUCTION
L'oscilloscope est le plus polyvalent des appareils de mesures électroniques. Il peut permettre simultanément de
visualiser et de mesurer une différence de potentiel électrique qui peut être la "traduction" par l'intermédiaire d'un
capteur, de la grandeur expérimentale (signal) à laquelle on s'intéresse.
L'utilisation la plus courante est la visualisation sur l'écran de la courbe représentative y = f(t) d'un signal y
variable avec le temps.
Constitution d'un oscilloscope
Un oscilloscope comporte :
- Un tube cathodique comprenant un canon à électrons, des systèmes de déflexion et un écran fluorescent
- Des amplificateurs
- Une base de temps
- Un dispositif de synchronisation
Chacun de ces éléments fonctionne avec une alimentation interne à l'oscilloscope.
I - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE L'OSCILLOSCOPE
I.1 - Production du faisceau électronique
Le tube cathodique dans lequel règne un vide poussé constitue l'organe de base de l'oscilloscope. Les
électrons émis par une cathode chaude sont dosés par une grille de commande (wehnelt) puis focalisés et accélérés
par des anodes A1 et A2 en direction d'un écran fluorescent : l'impact du faisceau d'électrons sur l'écran crée une
petite tache lumineuse : le spot (figure 1).
Canon à électrons
Wehnelt
(luminosité)
Filament
Concentration
chauffé Cathode
Accélération
A1
A2
Plaques de
déflexion
verticale
Plaques de
déflexion
horizontale
Ecran
fluorescent
Spot
Y
X
Figure 1. Schéma du tube cathodique
I.2 - Déviation du faisceau électronique
Le déplacement du spot dans deux directions perpendiculaires est obtenu par déflexion du pinceau d'électrons
par deux paires de plaques, l'une de déflexion verticale (Y), l'autre de déflexion horizontale (X).
Supposons qu'en l'absence de tensions appliquées aux 2 paires de plaques, le spot occupe la position O sur
l'écran. Si une tension V est alors appliquée aux plaques Y (figure 2), les électrons, soumis à une force
électrostatique F = -eE proportionnelle à V (F = eV/d) sont déviés verticalement (vers le haut si V > O).
+++++++++++
D
d
V
0
- - - - - - - - - - - -
Figure 2.
On montre que la déviation est proportionnelle à V :
D = kV
k étant une constante spécifique du tube cathodique.
D'autre part, la vitesse de déplacement des électrons étant grande, toute variation de V se répercute quasi
instantanément sur la position du spot.
Remarque : Le cadrage du spot est obtenu par application de tensions continues, règlables à l'aide des boutons de
cadrage.
II - LES AMPLIFICATEURS
II.1 - Les commutateurs de sensibilité
Avec un tube cathodique conventionnel, une tension de 1V appliquée aux bornes des plaques Y entraîne une
déviation verticale d'environ 1 mm. Les tensions dont on dispose sont en général insuffisantes pour obtenir des
déviations notables du spot. Il faut donc les amplifier (ou les atténuer si elles sont trop grandes) à l'aide d'un
amplificateur de gain G.
A un signal d'entrée v correspond alors un signal de tension Gv appliquée aux plaques* et la déviation
observable sur l'écran est telle que :
D(cm) = kGv(volts)
*signal en fait appliqué aux plaques : Gv + Vo ; Vo = signal constant de cadrage
La valeur du gain ne présente pas d'intérêt pour l'utilisateur qui peut sélectionner différentes valeurs du
rapport v/D - exprimé en volt/cm ou volt/div - à l'aide d'un commutateur.
Ces indications, qui représentent des sensibilités et non des calibres, permettent de mesurer directement des
tensions.
L'oscilloscope se comportant comme un voltmètre, il est donc nécessaire que son impédance d'entrée soit
assez grande (cf § II.3).
II.2 - Mode de liaison à l'entrée ( ou couplage du circuit d'entrée )
Le signal d'entrée v est appliqué entre 2 bornes dont l'une est à la masse. La deuxième borne est reliée à
l'amplificateur par l'intermédiaire d'un commutateur.
- Pour la position 1 du commutateur (notation : = ou DC), la transmission directe du signal est assurée.
- Pour la position 2 du commutateur (notation : ~ ou AC), il y a élimination de la composante continue et
des fréquences très basses du signal : on visualise toujours un signal de valeur moyenne nulle.
- En position 3 du commutateur (notation : 0 ou GND), l'amplificateur, fermé sur la masse à l'entrée, délivre
un signal nul permettant le positionnement du spot ou de la trace.
= DC
Figure 3
AC
0 GND
1
2
3
Ampli
II.3 - Bande passante et impédance d'entrée
a/ Liaison continue =
La bande passante pour l'entrée = est égale à celle de l'amplificateur.
La bande passante à -3 dB est comprise entre O et quelques MHz (figure 4a).
b/ Liaison alternative ~
La bande passante à -3 dB pour l'entrée ~ est comprise entre quelques Hz (N1), la valeur supérieure N2 étant
inchangée par rapport au cas précédent (figure 4b)
.
Les signaux variables de faible fréquence doivent être appliqués à l'entrée =.
G
G
- 3 dB
- 3 dB
a
b
0
N2
N
Figure 4. Bande passante de l'oscilloscope
a. pour l'entrée continue =
0
N1
N2
N
b. pour l'entrée alternative ~
L'impédance d'entrée de l'amplificateur est constituée d'une résistance R de grande valeur
(1 MΩ
généralement) en parallèle avec une capacité Cp de 25 à 50 pF selon les modèles (ou les voies). Cette impédance
dépend de la fréquence du signal appliqué. Ainsi pour R = 1 MΩ et
Cp = 30 pF, elle est sensiblement égale à 1
MΩ en basse fréquence, mais n'excède pas 53 kΩ à 100 kHz et 1 kΩ à 5 MHz. Même si un signal reste
correctement visualisé, la mesure de sa d.d.p. est de plus en plus sujette à l'erreur au fur et à mesure que la
fréquence augmente.
Remarque.
Ne pas confondre la capacité Cp avec la capacité C du commutateur d'entrée : l'impédance d'entrée est
indépendante du mode de liaison et de la position du commutateur de sensibilité.
III - BALAYAGE ET SYNCHRONISATION
III.1 - Principe de la visualisation d'un signal v(t) en fonction du temps
La caractérisation des variations d'un signal v(t) exige l'obtention, sur l'écran, de sa représentation graphique
en fonction du temps. Sur l'écran comme sur une feuille de papier, cette représentation nécessite deux axes de
référence : un axe vertical des tensions et un axe horizontal des temps, gradués tous deux linéairement
(représentation classique).
La transformation de l'axe horizontal en axe des temps est réalisée en imposant au spot un mouvement
rectiligne uniforme. Le balayage répétitif de l'écran de la gauche vers la droite est obtenu à partir d'un générateur
interne appelé base de temps qui envoie sur les plaques X une d.d.p. variant linéairement avec le temps et
s'annulant périodiquement.
III.2 - Balayage
La base de temps fournit une tension Vb dite en "dents de scie" (figure 5a) appliquée aux plaques de
déflexion horizontale.
Entre les instants t1 et t1 + Tb, la tension Vb croît linéairement, et la déviation horizontale du spot,
proportionnelle à Vb, est proportionnelle au temps : le spot a un mouvement horizontal rectiligne uniforme de la
gauche vers la droite de l'écran.
Au temps t1 + Tb, la tension Vb décroît brusquement tandis qu'une tension négative est appliquée au wehnelt,
supprimant le faisceau d'électrons donc la trace de retour. A l'instant t2 le wehnelt est de nouveau polarisé
positivement, le spot réapparaît dans sa position initiale et la séquence décrite précédemment recommence.
V
b
a
t
t1
t1 + Tb
t
Tb
t2 + Tb
2
v
B
B
A
A
b
t
D
C
T
E
F
c
D
C
E
F
Figure 5.
Un commutateur de balayage permet de règler la durée de balayage. Chaque division horizontale de l'écran
étant parcourue par le spot dans le même temps, ce commutateur est gradué en durée/div permettant ainsi la lecture
directe des temps.
Considérons le cas où un signal sinusoïdal de période T est appliqué en Y, alors qu'un signal en dents de scie
de durée Tb est appliqué en X (figures 5a et 5b). Les tracés AB, CD, EF correspondant aux balayages successifs,
ne sont pas superposables et l'image perçue sur l'écran est inextricable (figure 5c).
III.3 - Principe de la synchronisation : balayage déclenché
Le chevauchement ou le défilement des images sera évité si l'on parvient à faire démarrer la base de temps donc le balayage - lorsque le signal passe par un même point (point de déclenchement choisi comme référence, tel
que A, figure 6); le balayage est alors synchronisé avec le signal v(t).
La synchronisation exige une source de déclenchement qui peut être :
- interne : la base de temps est déclenchée par le signal v(t) à visualiser
- externe : la base de temps est déclenchée par un signal autre.
IV. DESCRIPTION DU BALAYAGE DECLENCHE
IV.1 - Synchronisation interne
C'est le mode de fonctionnement le plus utilisé.
Dans le dispositif de déclenchement, un comparateur compare une tension continue VS appelée seuil de
déclenchement (trigger level) à la tension v(t). Le balayage n'est déclenché que lorsque v(t)=VS.
Vb
t
t1
Tb
t’1
t’’1
t2
t
t
Tb
v
VS
A
C
B
D
t
A, C
B,D
Figure 6
Sur l'exemple montré figure 6, le spot décrit le graphe représentatif du signal entre t1 et t'1, disparaît pour
retourner à sa position d'origine (en t"1) et réapparaît, après un temps d'attente t, lorsque le signal atteint la valeur
seuil. En outre, pour lever toute ambiguïté sur le moment du déclenchement, on choisit le front montant ou
descendant du signal (+ ou -), c'est à dire que l'on fait un choix entre A et A'.
A l'instant t2, la dent de scie suivante est alors déclenchée , ... ainsi de suite. L'image obtenue sur l'écran paraît
fixe pour une fréquence de répétition du balayage supérieure à environ 25 fois/seconde (persistance rétinienne).
On peut sélectionner deux modes de synchronisation interne :
a/ mode réglable ( "NORM")
Le seuil de déclenchement est réglable continûment sur toute la hauteur de l'écran, par un potentiomètre.
Ce mode de synchronisation, très souple, est plus particulièrement destiné à l'observation de phénomènes de
faible fréquence de répétition ou non périodiques. Mais il présente des inconvénients pour l'observateur non averti
:
- Le balayage ne démarre pas si |VS| est supérieure à l'amplitude de v(t) : il n'y a alors aucune image sur
l'écran.
- Il n'y a pas de balayage si aucune tension n'est appliquée en Y : la "trace" n'est donc pas visible.
b/ Mode automatique
Le principe de fonctionnement demeure le même, mais :
- Le seuil de synchronisation n'est pas règlable ou l'est dans une plage telle que VS reste toujours inférieur à
l'amplitude Vm de v(t).
- En l'absence de signal en Y, le déclenchement a lieu après un certain temps d'attente, si bien qu'une trace
apparaît toujours sur l'écran (si le cadrage est correct).
- La synchronisation n'est effective que pour une fréquence du signal supérieure à 20 Hz environ.
Remarque .
Le mode réglable est souvent appelé mode déclenché par opposition au mode automatique. Dans les deux cas,
il y a pourtant bien déclenchement du balayage.
IV.2 - Synchronisation externe
Les considérations précédentes restent valables, mais le déclenchement est réalisé par un signal extérieur,
vext(t), généralement synchrone du signal v(t) à étudier. Ce signal vext(t) est appliqué sur une entrée séparée
marquée synchronisation externe (external trigger).
V - UTILISATION DE L'OSCILLOSCOPE EN X-Y
Un oscilloscope peut être utilisé pour tracer la courbe représentative d'une fonction y = f(x). Dans ce cas,
l'appareil est commuté en X-Y, c'est à dire que :
- Un signal est appliqué sur l'entrée Y
- Un deuxième signal est appliqué à l'entrée X : la base de temps de l'oscilloscope est alors inopérante.
VI -OSCILLOSCOPE BICOURBE
Un oscilloscope bicourbe ou double trace possède deux amplificateurs verticaux indépendants, désignés la
plupart du temps par voie A et voie B. Chacune de ces voies peut être employée séparément ou en association avec
l'autre voie.
Pour des raisons de coût, un oscilloscope conventionnel ne possède qu'un seul canon à électrons. Bien qu'il
n'y ait qu'un faisceau électronique, la visualisation simultanée de deux signaux vA(t) et vB(t) est obtenue en
envoyant successivement sur les plaques Y les signaux en provenance des voies A et B. L'observation simultanée
des deux tracés est possible grâce à la rémanence du tube et la persistance rétinienne.
La liaison entre les voies A et B et les plaques Y est réalisée par commutation électronique (fig. 7).
Voie A
Ampli A
Plaques Y
Voie B
Ampli B
Module de commutation
Figure 7.
Selon la fréquence, on distingue deux modes de commutation.
- Mode découpé (chopped). En basse fréquence, au cours d'un balayage, le spot passe un grand nombre de
fois d'une courbe à l'autre, chacune étant décrite en pointillés. Le spot est éteint lors de la commutation d'une voie à
l'autre, et l'observateur ne distingue pas le découpage (fréquence de découpage de l'ordre de 500 kHz) (figure 8a).
-Mode alterné. Pour des signaux de fréquence suffisamment grande, le signal de la voie A est tracé pendant
un balayage complet. Au balayage suivant, c'est le signal de la voie B qui est représenté sur l'écran (figure 8b).
Le changement de mode est généralement automatique selon la durée de balayage sélectionnée. Il est manuel
sur certains appareils.
A
A
2
1
b
a
B
3
4
B
Figure 8
- Mode ADD. Cette fonction permet de représenter la somme algébrique des signaux de la voie 1 et de la voie
2.
- Position INVERT CH 2. Dans cette position, la représentation de la voie 2 est inversée (déphasée de p).
VII- MODULATION Z
Il est parfois possible de moduler l'intensité du spot sur l'écran - voire obtenir l'extinction - par un signal
extérieur appliqué à l'entrée Z. Cette entrée est reliée à un amplificateur qui commande l'électrode d'effacement du
tube cathodique (wehnelt).
VIII - SCHEMA DE PRINCIPE D'UN OSCILLOSCOPE A 2 VOIES
Ce schéma général (figure 9) regroupe les différents modules décrits précédemment, à la différence près que
ce qui a été désigné sous le terme amplificateur est en réalité composé d'un préamplificateur et d'un étage
amplificateur final à gain fixe.
Cadrage YA
Entrée
Voie A
=
•
0
10 mV/div
20 V/div
Préampli A
Commutation
Cadrage YB
X
Entrée
Voie B
=
•
0
10 mV/div
20 V/div
Ampli Y
Préampli B
YA YB Ext
Synchro
Ext
X-Y
Ampli X
Ampli synchro
Extérieure
Focalisation
Luminosité
Cadrage X
Déclenchement
Base de
temps
+ niveau
- seuil
Ampli Z
Alimentation
H.T.
Alimentation
base de temps
ampli
Entrée Z
Figure 9