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).
Spot
Ecran
fluorescent
Plaques de
déflexion
horizontale
Plaques de
déflexion
verticale
Y
X
Filament
chauffé
Cathode
Wehnelt
(luminosité)
Concentration
Accélération
Canon à électrons
A1
A2
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
V
D
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.
Ampli
1
2
3
= DC
AC
0 GND
Figure 3

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 =.
0
N
N2
- 3 dB
G
a
0
N
N2
- 3 dB
G
b
N1
Figure 4. Bande passante de l'oscilloscope
a. pour l'entrée continue = 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
v
t
t
t1 + Tb
t
2
t2 + Tb
Tb
t1
T
A
B
C
D
E
F
a
b
A
C
E
B
D
F
c
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 :