Utilisation d`un oscilloscope - (Professeur)

Document du professeur 1/7
Niveau 3ème
Physique – Chimie
UTILISATION D’UN OSCILLOSCOPE
Programme : (BO spécial n°6 du 28 août 2008).
B - ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ET CIRCUITS ÉLECTRIQUES EN « ALTERNATIF »
B.1 - De la centrale électrique à l’utilisateur
Connaissances
Capacités
Commentaires
L’OSCILLOSCOPE ET/OU L’INTERFACE D’ACQUISITION, INSTRUMENT DE MESURES DE TENSION ET DE DURÉE
Que signifient les courbes affichées par un oscilloscope ou sur l’écran de l’ordinateur ?
Fréquence d'une tension périodique et unité,
Extraire des informations d'un oscillogramme
l’hertz (Hz), dans le Système international (SI). pour reconnaître une tension alternative
périodique.
Relation entre la période et la fréquence.
La tension du secteur est alternative. Elle est
sinusoïdale.
La fréquence de la tension du secteur en France
est 50 Hz.
Toute manipulation directe sur le secteur est
interdite.
Mesurer sur un oscillogramme la valeur
maximale et la période en optimisant les
conditions de mesure.
Pré requis de l’élève :
o L’élève sait ce qu’est une tension sinusoïdale.
o L’élève sait ce qu’est une tension alternative périodique.
o L’élève sait ce qu’est une tension continue.
Mots-clé
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Oscilloscope
Oscillogramme
Sensibilité verticale
Sensibilité horizontale
Balayage
Spot
Tension
Périodique
Période
Alternative
Continue
Liste de matériel
Poste élève
o Une alimentation collège
o Un oscilloscope
o Fils de connexion noirs
o Fils de connexion rouges
o Le logiciel OVAO
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Références
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Utilisation d’un oscilloscope (page 1)
Document du professeur 2/7
Remarques et astuces :
o Il faut bien régler l’oscilloscope avant de visualiser la tension afin de ne pas fausser la mesure.
o Attention à l’unité de la durée de balayage (milli ou microsecondes pour certaines tensions
visualisées).
o Le bouton « position » peut être utilisé afin de faciliter les mesures de périodes en permettant un
déplacement latéral de la courbe.
o Veiller à ce que le bouton d’intensité lumineuse ne soit pas réglé au minimum ce qui provoquerait
une disparition de la trace.
o A l’inverse, si la trace est trop lumineuse, l’écran de l’oscilloscope peut être endommagé.
o Veiller à ce que le bouton « niveau » soit tourné à gauche au maximum jusqu’au « clic ».
o Le logiciel OVAO est un oscilloscope virtuel qui permet d’obtenir des oscillogrammes qui peuvent
être vidéo projetés à l’ensemble de la classe. Les réglages sont semblables à ceux explicités dans
cette activité expérimentale.
Prolongements
o Médecine : Utilisation d’un oscilloscope en électrocardioscope - Electrocardiogramme
Le cœur est un organe constitué de fibres musculaires. Au cours du fonctionnement du cœur, chaque fibre
se comporte comme un générateur de tension variable.
Les variations de tension ainsi créées se propagent dans les tissus conducteurs. On les retrouve au niveau
des cellules de la peau où elles peuvent être détectées grâce à des électrodes.
Ces variations reflètent l’activité du cœur. Elles peuvent être visualisées sur l’écran d’un oscilloscope. On
peut aussi les enregistrer sur papier : le graphique obtenu est appelé électrocardiogramme (ECG).
Chaque motif élémentaire d’un électrocardiogramme correspond à un cycle complet de contractions et de
relâchements des deux oreillettes et des deux ventricules.
L’analyse d’un électrocardiogramme permet de vérifier la régularité du rythme cardiaque (nombre de
cycles par minute) et de déceler ainsi d’éventuelles anomalies cardiaques. Le document ci-dessous montre
l’ECG normal d’un être humain.
Cycle cardiaque
Cycle cardiaque
La durée d’un cycle cardiaque peut être obtenue en mesurant la distance séparant deux points identiques
les plus proches possible.
o Technique : Principe de fonctionnement d’un oscilloscope
Dans un tube scellé est réalisé un vide poussé. Grâce à un canon à électrons utilisant l’effet
thermoélectronique, et en mettant en œuvre des électrodes accélératrices et de focalisation, on fabrique un
pinceau d'électrons de vitesse horizontale atteignant 3.107m.s -1.
Ces électrons pénètrent dans un condensateur plan vertical selon l'axe central de celui-ci, parallèlement
aux plaques.
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Utilisation d’un oscilloscope (page 2)
Document du professeur 3/7
Si on applique sur ces plaques verticales une tension en dents de scie, le spot traverse l'écran avec une
vitesse constante. C'est le balayage. Une électrode spéciale permet d'éteindre le faisceau lors du retour
(très rapide) du spot à la fin de chaque balayage.
Après ces plaques verticales, le faisceau aborde un couple de plaques horizontales formant aussi
condensateur.
La tension « u(t) » à analyser, appliquée entre ces deux plaques horizontales, crée un champ électrique
r
r
r
vertical E qui soumet les électrons à une force verticale F = q. E et leur donne une trajectoire
parabolique. Quand ils quittent la zone d'influence de ce condensateur, ils suivent une trajectoire rectiligne
et arrivent sur la face avant du tube.
Une couche phosphorescente, souvent du platino-cyanure de baryum ou une « peinture » à base de
phosphore, est excitée au niveau de l'impact du faisceau et émet une lumière visible nommée "spot".
Electrodes où le signal
est connecté.
Plaques horizontales déviant
verticalement le faisceau
d’électrons.
Canon à électrons (anode
accélératrice et
focalisation)
Spot lumineux visible
sur l’écran.
Plaques verticales
déviant le faisceau
d’électrons
horizontalement.
Compétences qu’il est possible d’évaluer
Expérimentales
-
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Visualiser une tension à l’aide d’un oscilloscope.
Savoir régler un oscilloscope.
Identifier une tension continue et une tension alternative
sinusoïdale.
Identifier le « motif élémentaire » d’une tension alternative
sinusoïdale
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Document du professeur 4/7
Nom :
Prénom :
Classe :
Date :
Objectifs :
Physique – Chimie
UTILISATION D’UN OSCILLOSCOPE
- Visualiser une tension à l’aide d’un oscilloscope.
- Déterminer le « motif élémentaire » d’une tension alternative sinusoïdale.
- Régler le balayage de façon à obtenir un ou deux motifs élémentaires d’une tension
sinusoïdale sur l’écran de l’oscilloscope.
Activité 1 : Branchements et réglages préliminaires.
Un oscilloscope est un appareil électronique qui permet de visualiser l’évolution au cours du temps d’une tension
électrique. On obtient une courbe appelée oscillogramme.
L’axe vertical de l’oscillogramme constitue l’axe des tensions : l’échelle de cet axe est donnée par le bouton de
« sensibilité verticale » notée S.
L’axe horizontal de l’oscillogramme constitue l’axe du temps : l’échelle de cet axe est donnée par le bouton de
« durée de balayage » ou « base de temps » notée θ.
1. Réglage initial.
Brancher l’oscilloscope sur la prise du secteur et le mettre en marche en appuyant sur le bouton
marche/arrêt (bouton n°1).
- Enclencher le balayage en plaçant le bouton n° 6 sur 2 ms/div.
- Placer le sélecteur de tension (bouton n°2) sur la position 0.
- Régler la luminosité (bouton n°13) et la netteté (bouton de focalisation n°14) de la trace
de manière à ce qu’elle soit fine mais pas trop lumineuse.
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Document du professeur 5/7
- Positionner la trace sur la ligne horizontale centrale de l’écran en utilisant les boutons de position
(n° 9 et n° 11).
Les réglages initiaux sont alors terminés.
2. Branchement d’un générateur dans un cas général.
- Placer le sélecteur de tension (bouton n°2) sur la position
- Brancher le générateur délivrant la tension à étudier sur l’oscilloscope en reliant la borne positive
du générateur à la voie Y (n°3) et sa borne négative à la masse de l’oscilloscope (n°4) s’il s’agit
d’un générateur de tension continue ou indifféremment s’il s’agit d’un générateur de tension
alternative.
- Le bouton de couleur jaune (bouton n° 10) permet de modifier la
« sensibilité verticale S », c'est-à-dire l’échelle de l’axe vertical. Il
faut régler la sensibilité verticale pour que la déviation observée soit
maximale tout en gardant le spot dans les limites de l’écran.
Activité 2 : Visualiser une tension continue à l’aide d’un oscilloscope.
Relier les bornes d’un générateur de tension continue de valeur U = 6V à la voie Y (n°3) et à la masse
(n°4) de l’oscilloscope.
1. Visualisation sans balayage.
- Désactiver la vitesse de balayage (bouton n° 6) en plaçant ce sélecteur en position XY.
- Placer le sélecteur de tension (bouton n°2) sur la position 0.
- Vérifier que le spot est bien au milieu de l’écran. Si ce n’est pas le cas quels sont les
boutons que l’on doit utiliser ?
On place le spot au centre en utilisant les boutons de position (n° 9 et n° 11).
- Placer le sélecteur de tension (bouton n°2) sur la position
- Régler la sensibilité verticale sur S = 2V/div (bouton n°10).
- Le spot est-il fixe ou mobile ?
Le spot est fixe
- Le spot est-il au centre de l’écran de l’oscilloscope ?
Non, le spot n’est pas au centre de l’oscillogramme, il est décalé
verticalement.
Représenter sur le quadrillage ci-contre la trace observée sur l’écran de
l’oscilloscope.
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Document du professeur 6/7
2. Visualisation avec balayage.
Activer le balayage horizontal en réglant la durée de balayage en plaçant le sélecteur (bouton n° 6) sur la
position S = 0,5 s/div.
- Le spot est-il fixe ou mobile ?
Le spot est mobile : il se déplace horizontalement.
Modifier la durée de balayage (bouton n° 6) en plaçant ce sélecteur sur la position θ = 10 ms /div.
- Qu’observez-vous ?
On observe une ligne horizontale car le spot se déplace
très rapidement.
Représenter sur le quadrillage ci-contre la trace observée sur l’écran de
l’oscilloscope.
- La déviation verticale du spot a-t-elle été modifiée ?
Non, la déviation verticale du spot reste la même.
- Cette tension varie-t-elle au cours du temps ?
Non, car le spot ne se déplace pas verticalement au cours
du temps.
- Comment peut-on la qualifier ?
Ce type de tension est qualifié de tension continue.
Inverser les branchements aux bornes du générateur.
- Qu’observez-vous ?
On observe une ligne horizontale située à 3 carreaux en dessous de l’axe central, c’est à dire
symétriquement par rapport à la trace précédente par rapport à l’axe horizontal central.
Modifier la sensibilité verticale (bouton n° 10) en plaçant ce sélecteur sur la position S = 1V /div.
- La trace est-elle encore visible ?
Non, la trace disparaît de l’écran car le sélecteur a été réglé sur une sensibilité trop petite.
Activité 3 : Visualiser une tension sinusoïdale à l’aide d’un oscilloscope.
Relier les bornes d’un générateur TBF à la voie Y (n°3) et à la masse (n°4) de
l’oscilloscope.
1. Visualisation sans balayage
- Désactiver la durée de balayage (bouton n° 6) en plaçant ce sélecteur en position XY.
- Qu’observez-vous ?
On observe un déplacement vertical du spot
Représenter sur le quadrillage ci-contre la trace observée sur
l’écran de l’oscilloscope.
- Que peut-on en conclure ?
La tension varie au cours du temps.
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2. Visualisation avec balayage
Activer la durée de balayage (bouton n° 6) en plaçant ce sélecteur sur la position qui permet d’observer un
ou deux motifs élémentaires.
Régler la sensibilité verticale (bouton n°10) pour obtenir la courbe la
plus haute possible sans dépasser les limites de l’écran.
- Décrire la tension observée
On observe une tension alternative sinusoïdale
- Cette tension est – elle périodique ? Justifier la réponse.
Oui, la tension est périodique car on observe la répétition
d’un motif élémentaire
Représenter sur le quadrillage ci-contre la trace observée sur
l’écran de l’oscilloscope.
CONCLUSION :
Un oscilloscope permet de visualiser, sur un écran, l’évolution d’une tension au cours du temps.
La courbe obtenue s’appelle un oscillogramme.
Sur l’écran d’un oscilloscope branché aux bornes d’un générateur de tension continue, on observe :
- un point si le balayage n’est pas enclenché
- une ligne horizontale si le balayage est enclenché
Sur l’écran d’un oscilloscope branché aux bornes d’un générateur de tension alternative
sinusoïdale, on observe :
- un segment vertical si le balayage n’est pas enclenché
- une sinusoïde si le balayage est enclenché
Le générateur de collège délivre une tension de même forme que celle du secteur.
La tension du secteur est une tension alternative, sinusoïdale et périodique.
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Utilisation d’un oscilloscope (page 7)