l`oscilloscope
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L’OSCILLOSCOPE. Un oscilloscope permet de visualiser les variations d'une tension en fonction du temps. Mais son utilisation est plus générale : la plupart des phénomènes physiques qui varient rapidement au cours du temps peuvent être étudiés grâce à un oscilloscope. Il existe en effet toutes sortes de capteurs permettant de convertir une grandeur physique en tension : - un microphone convertit une onde sonore en tension variable ; - des électrodes placées sur le corps humain fournissent une tension variable, qui permet de suivre les battements du coeur (électrocardiogramme) … 1. PRINCIPE. • Le canon à électrons. Une plaque métallique, la cathode, chauffée par un filament émet des électrons. On applique une haute tension entre la cathode et l’anode : les électrons, chargés négativement, sont attirés et accélérés par l'anode, ils traversent l'anode et à la sortie, on obtient un faisceau d'électrons. • L’écran fluorescent. L’écran est recouvert d'une substance fluorescente qui émet de la lumière sous l'impact des électrons : la tache lumineuse obtenue est appelée le spot. • Les plaques de déviation. Quand un faisceau d"électrons passe entre 2 plaques reliées aux bornes + et - d'un générateur, il subit une déviation : les électrons chargés - sont attirés par la plaque + et repoussés par la plaque -. Les 2 plaques XX' sont les plaques de déviation horizontales ; Les 2 plaques YY' sont les plaques de déviation verticales. • Les circuits électroniques. - Pour dévier un faisceau d'électrons, il faut appliquer une tension élevée entre les deux plaques : les tensions étudiées doivent être amplifiées par un amplificateur de tension. - Lors d'une utilisation normale, la déviation horizontale est provoquée par un dispositif de balayage, appelé aussi base de temps. 2. CARACTERISTIQUES D'UNE TENSION VARIABLE. Prenons l'exemple d'une tension alternative sinusoïdale : • Cette tension est dite alternative car elle est tantôt positive (alternance positive), tantôt négative (alternance négative), ce qui signifie que la borne du générateur branchée sur l'entrée de l'oscilloscope est alternativement positive et négative. • Cette tension est dite sinusoïdale car la forme de la courbe est une sinusoïde (fonction sinus ou cosinus). • Cette tension est périodique car la courbe est constituée par la répétition du même motif. Par définition, on appelle : période T la durée au bout de laquelle la tension retrouve la même valeur ; fréquence f le nombre de périodes par seconde ; amplitude Um la valeur maximale de la tension. - Sur l'écran de l'oscilloscope, on détermine la période T à l'aide de la sensibilité horizontale. Pour la figure ci-dessus, la période correspond à 4 divisions horizontales : 1 div ……………… 4div .……………... Donc la période de cette tension est T = ………… - On calcule la fréquence f à l'aide de la relation T est la période exprimée en secondes (s) f= où f est la fréquence exprimée en hertz (Hz) Ici T = 2 ms = ……..………. d'où f = ……………………………. - Sur l'écran de l'oscilloscope, on détermine l’amplitude Um à l'aide de la sensibilité verticale. Pour la figure ci-dessus, l'amplitude correspond à 2 divisions verticales : 1 div ……………….. 2 div ……………….. Donc l'amplitude de cette tension est Um = ………… On utilise parfois la tension crête à crête notée Ucc qui représente la différence entre la valeur maximale de la tension et sa valeur minimale. Pour la figure ci-dessus, la tension crête à crête correspond à 4 divisions verticales : Ucc = …………………… (on vérifie que Ucc = ……..Um) 3. UTILISATION. 2.1. Description des commandes. L'oscilloscope permet de visualiser 2 tensions simultanément : c'est un oscilloscope bicourbe, qui possède 2 entrées notées YA et YB. Commandes générales (en haut à gauche) - Mettre l'appareil sous tension avec le bouton (1) ; - Régler la luminosité de la trace avec le bouton (2) et la finesse de la trace avec le bouton (3). Déviation horizontale (en haut à droite) • On distingue : - le bouton de cadrage horizontal (4) permettant de centrer la trace ; - le bouton de réglage de la sensibilité horizontale (7) qui permet de régler la vitesse du balayage : horizontalement, 1 carreau correspond à la valeur indiquée par ce bouton. On peut ainsi mesurer la période d'un signal. - le bouton de réglage fin de la vitesse de balayage (6) : si ce bouton n'est pas à « zéro » (à fond à gauche), les valeurs indiquées par le bouton de sensibilité horizontale sont fausses ! - les autres boutons concernent la synchronisation du balayage horizontal. Pour une utilisation courante, tous les boutons (6) à (12) doivent être sortis, le bouton (5) NIVEAU étant à « zéro ». Déviation verticale (en bas, voie A à gauche, voie B à droite) • Une série de 5 boutons permet de sélectionner les signaux visualisés : - Le bouton YA (13) permet de visualiser la tension de l'entrée YA en fonction du temps ; - Le bouton YB (17) permet de visualiser la tension de l'entrée YB en fonction du temps ; - Le bouton DUAL (15) permet de visualiser simultanément les tensions des entrées YA et YB ; - Le bouton ADD (16) permet de visualiser la somme des tensions des 2 entrées (YA + YB) en fonction du temps (la sensibilité verticale doit être la même sur les deux entrées YA et YB). - Le bouton XY (14) permet de visualiser la tension de l'entrée YB en fonction de la tension de l'entrée YA. • Pour chacune des voies YA et YB, il existe : - un commutateur d'entrée à 3 positions (18) et (24) : Position : seule la composante alternative est transmise, la composante continue est bloquée ; Position : elle correspond à une utilisation normale permettant de visualiser les tensions continues et alternatives ; Position 0 : la tension observée est nulle, ce qui permet de régler le zéro. - un bouton de cadrage vertical (20) et (21) permettant de déplacer verticalement la trace. Réglage du zéro : on place le commutateur d'entrée sur la position 0 et on aligne la trace (à l'aide du bouton de cadrage) avec la ligne centrale de l'écran ; on remet ensuite le commutateur d'entrée sur la position . - un bouton de réglage de la sensibilité verticale (19) et (23) permettant de fixer l'amplitude du signal observé sur la voie concernée (l'amplitude de la tension est égale au nombre de carreaux qu'elle occupe multiplié par le coefficient de déviation exprimé en V ou en mV). - un bouton supplémentaire -YB (22) permettant d'observer l'opposée de la tension observée sur la voie YB. 2.2. Expériences. Étude du balayage (déviation horizontale) - Choisir le balayage le plus lent. Qu'observe-t-on ? ……………………………………………………………….. - Augmenter progressivement la vitesse de balayage et chercher la valeur limite pour laquelle l’oeil distingue encore le déplacement du spot. Noter cette valeur : ………………………………………………………………… - Calculer le temps T que met le spot pour parcourir la largeur de l'écran (soit 10 cm). T = ………………………. - Qu'observe-t-on si on augmente la vitesse de balayage ? ………………………………………………………….. Le phénomène observé est dû à la persistance rétinienne. Quelle est la durée minimale entre 2 images pour que l'oeil puisse les distinguer ? ………………………………... Étude d'une tension continue (déviation verticale) - Brancher une pile aux bornes de l'entrée YA : la borne (-) sur la masse (borne noire) et la borne (+) sur l'entrée (borne rouge). Qu'observe-t-on ? ……………………………………………………………………………………. - Mesurer la déviation verticale pour 2 valeurs de la sensibilité verticale. ………………………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………………………... En déduire la valeur de la tension aux bornes de la pile. ………………………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………………………... Quelle est la valeur de la sensibilité verticale permettant d'obtenir la mesure la plus précise ? …………………….. - Inverser les branchements de la pile. Qu'observe-t-on ? …………………………………………………………... Etude d'une tension variable - Brancher le GBF aux bornes de l'oscilloscope. Relier la masse du GBF à la masse de l'oscilloscope et la sortie du GBF sur l'entrée de l'oscilloscope. - Régler le GBF : sélectionner la forme triangulaire, une fréquence de l'ordre de 1,5 kHz et une amplitude de l'ordre de 1,5 V. - Régler l'oscilloscope : choisir une sensibilité horizontale de 1 ms / div et une sensibilité verticale de 0, 5 V / div. Dessiner la figure observée sur l'écran de l'oscilloscope. - Mesurer : - l’amplitude Umax = ……………. - la tension crête à crête Ucc= ……………. - la période T = .……………. - la fréquence f = …………….. L’OSCILLOSCOPE. Un oscilloscope permet de visualiser les variations d'une tension en fonction du temps. Mais son utilisation est plus générale : la plupart des phénomènes physiques qui varient rapidement au cours du temps peuvent être étudiés grâce à un oscilloscope. Il existe en effet toutes sortes de capteurs permettant de convertir une grandeur physique en tension : - un microphone convertit une onde sonore en tension variable ; - des électrodes placées sur le corps humain fournissent une tension variable, qui permet de suivre les battements du coeur (électrocardiogramme) … 1. PRINCIPE. • Le canon à électrons. Une plaque métallique, la cathode, chauffée par un filament émet des électrons. On applique une haute tension entre la cathode et l’anode : les électrons, chargés négativement, sont attirés et accélérés par l'anode, ils traversent l'anode et à la sortie, on obtient un faisceau d'électrons. • L’écran fluorescent. L’écran est recouvert d'une substance fluorescente qui émet de la lumière sous l'impact des électrons : la tache lumineuse obtenue est appelée le spot. • Les plaques de déviation. Quand un faisceau d"électrons passe entre 2 plaques reliées aux bornes + et - d'un générateur, il subit une déviation : les électrons chargés - sont attirés par la plaque + et repoussés par la plaque -. Les 2 plaques XX' sont les plaques de déviation horizontales ; Les 2 plaques YY' sont les plaques de déviation verticales. • Les circuits électroniques. - Pour dévier un faisceau d'électrons, il faut appliquer une tension élevée entre les deux plaques : les tensions étudiées doivent être amplifiées par un amplificateur de tension. - Lors d'une utilisation normale, la déviation horizontale est provoquée par un dispositif de balayage, appelé aussi base de temps. 2. CARACTERISTIQUES D'UNE TENSION VARIABLE. Prenons l'exemple d'une tension alternative sinusoïdale : • Cette tension est dite alternative car elle est tantôt positive (alternance positive), tantôt négative (alternance négative), ce qui signifie que la borne du générateur branchée sur l'entrée de l'oscilloscope est alternativement positive et négative. • Cette tension est dite sinusoïdale car la forme de la courbe est une sinusoïde (fonction sinus ou cosinus). • Cette tension est périodique car la courbe est constituée par la répétition du même motif. Par définition, on appelle : période T la durée au bout de laquelle la tension reprend la même valeur ; fréquence f le nombre de périodes par seconde ; amplitude Um la valeur maximale de la tension. - Sur l'écran de l'oscilloscope, on détermine la période T à l'aide de la sensibilité horizontale. Pour la figure ci-dessus, la période correspond à 4 divisions horizontales : 1 div 0,5 ms 4div 4 O,5 = 2ms Donc la période de cette tension est T = 2 ms - On calcule la fréquence f à l'aide de la relation f= 1 T où T est la période exprimée en secondes (s) f est la fréquence exprimée en hertz (Hz) Ici T = 2 ms = 2 . 10-3 s d'où f = 1/T = 500 Hz - Sur l'écran de l'oscilloscope, on détermine l’amplitude Um à l'aide de la sensibilité verticale. Pour la figure ci-dessus, l'amplitude correspond à 2 divisions verticales : 1 div 0,2 V 2 div 2 0,2 = 0,4 V Donc l'amplitude de cette tension est Um = 0,4 V On utilise parfois la tension crête à crête notée Ucc qui représente la différence entre la valeur maximale de la tension et sa valeur minimale. Pour la figure ci-dessus, la tension crête à crête correspond à 4 divisions verticales : Ucc = 4 x 0,2 = 0,8 V (on vérifie que Ucc = 2 Um) 3. UTILISATION. 3.1. Description des commandes. L'oscilloscope permet de visualiser 2 tensions simultanément : c'est un oscilloscope bicourbe, qui possède 2 entrées notées YA et YB. Commandes générales (en haut à gauche) - Mettre l'appareil sous tension avec le bouton (1) ; - Régler la luminosité de la trace avec le bouton (2) et la finesse de la trace avec le bouton (3). Déviation horizontale (en haut à droite) • On distingue : - le bouton de cadrage horizontal (4) permettant de centrer la trace ; - le bouton de réglage de la sensibilité horizontale (7) qui permet de régler la vitesse du balayage : horizontalement, 1 carreau correspond à la valeur indiquée par ce bouton. On peut ainsi mesurer la durée d'un signal. - le bouton de réglage fin de la vitesse de balayage (6) : si ce bouton n'est pas à « zéro » (à fond à gauche), les valeurs indiquées par le bouton de sensibilité horizontale sont fausses ! - les autres boutons concernent la synchronisation du balayage horizontal. Pour une utilisation courante, tous les boutons (6) à (12) doivent être sortis, le bouton (5) NIVEAU étant à « zéro ». Déviation verticale (en bas, voie A à gauche, voie B à droite) • Une série de 5 boutons permet de sélectionner les signaux visualisés : - Le bouton YA (13) permet de visualiser la tension de l'entrée YA en fonction du temps ; - Le bouton YB (17) permet de visualiser la tension de l'entrée YB en fonction du temps ; - Le bouton DUAL (15) permet de visualiser simultanément les tensions des entrées YA et YB ; - Le bouton ADD (16) permet de visualiser la somme des tensions des 2 entrées (YA + YB) en fonction du temps (la sensibilité verticale doit être la même sur les deux entrées YA et YB). - Le bouton XY (14) permet de visualiser la tension de l'entrée YB en fonction de la tension de l'entrée YA. • Pour chacune des voies YA et YB, il existe : - un commutateur d'entrée à 3 positions (18) et (24) : Position : seule la composante alternative est transmise, la composante continue est bloquée ; Position : elle correspond à une utilisation normale permettant de visualiser les tensions continues et alternatives ; Position 0 : la tension observée est nulle, ce qui permet de régler le zéro. - un bouton de cadrage vertical (20) et (21) permettant de déplacer verticalement la trace. Réglage du zéro : on place le commutateur d'entrée sur la position 0 et on aligne la trace (à l'aide du bouton de cadrage) avec la ligne centrale de l'écran ; on remet ensuite le commutateur d'entrée sur la position . - un bouton de réglage de la sensibilité verticale (19) et (23) permettant de fixer l'amplitude du signal observé sur la voie concernée (l'amplitude de la tension est égale au nombre de carreaux qu'elle occupe multiplié par le coefficient de déviation exprimé en V ou en mV). - un bouton supplémentaire -YB (22) permettant d'observer l'opposée de la tension observée sur la voie YB. 3.2. Expériences. Étude du balayage (déviation horizontale) - Choisir le balayage le plus lent. Qu'observe-t-on ? ……………………………………………………………….. - Augmenter progressivement la vitesse de balayage et chercher la valeur limite pour laquelle l’oeil distingue encore le déplacement du spot. Noter cette valeur : ………………………………………………………………… - Calculer le temps T que met le spot pour parcourir la largeur de l'écran (soit 10 cm). T = ………………………. - Qu'observe-t-on si on augmente la vitesse de balayage ? ………………………………………………………….. Le phénomène observé est dû à la persistance rétinienne. Quelle est la durée minimale entre 2 images pour que l'oeil puisse les distinguer ? ………………………………... Étude d'une tension continue (déviation verticale) - Brancher une pile aux bornes de l'entrée YA : la borne (-) sur la masse (borne noire) et la borne (+) sur l'entrée (borne rouge). Qu'observe-t-on ? ……………………………………………………………………………………. - Mesurer la déviation verticale pour 2 valeurs de la sensibilité verticale. ………………………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………………………... En déduire la valeur de la tension aux bornes de la pile. ………………………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………………………... Quelle est la valeur de la sensibilité verticale permettant d'obtenir la mesure la plus précise ? …………………….. - Inverser les branchements de la pile. Qu'observe-t-on ? …………………………………………………………... Etude d'une tension variable - Brancher le GBF aux bornes de l'oscilloscope. Relier la masse du GBF à la masse de l'oscilloscope et la sortie du GBF sur l'entrée de l'oscilloscope. - Régler le GBF : sélectionner la forme triangulaire, une fréquence de l'ordre de 1,5 kHz et une amplitude de l'ordre de 1,5 V. - Régler l'oscilloscope : choisir une sensibilité horizontale de 1 ms / div et une sensibilité verticale de 0, 5 V / div. Dessiner la figure observée sur l'écran de l'oscilloscope. - Mesurer : - l’amplitude Umax = ……………. - la tension crête à crête Ucc= ……………. - la période T = .……………. - la fréquence f = …………….. TD : L’ELECTROCARDIOGRAMME. Un électrocardiogramme est un graphique obtenu au cours d'un examen médical. Il permet au médecin d'étudier le fonctionnement du coeur. Afin d'assurer la circulation sanguine, le muscle cardiaque est régulièrement excité, ce qui provoque sa contraction. La figure 1 représente une portion de fibre musculaire cardiaque au repos. Elle et chargée positivement à sa surface. Lorsqu'une excitation atteint la fibre en se propageant (de gauche à droite sur la figure), les charges électriques en surface s'inversent : elles sont négatives sur la partie excitée de la fibre musculaire (fig. 2). Les spécialistes appellent ce phénomène la dépolarisation. Lorsque la fibre est entièrement dépolarisée (fig. 3), le phénomène inverse (fig. 4) se produit : on dit que la fibre se repolarise pour se retrouver (fig. 5) dans la situation initiale, au repos. Le coeur est donc le siège de phénomènes électriques la tension entre 2 points du muscle cardiaque varie en permanence. Lorsqu'on étudie les variations de tension entre 2 électrodes placées sur la corps humain, tout se passe comme si on « regardait » le coeur suivant une direction donnée. C’est ainsi que l'on dispose plusieurs électrodes sur le corps pour « regarder » le coeur suivant plusieurs directions. L’électrocardiogramme est constitué par plusieurs courbes représentant ces variations de tension. L’analyse de celles-ci permet au médecin de diagnostiquer d'éventuelles anomalies de fonctionnement. La figure ci-contre représente une portion de l'une de ces courbes. - La partie P de la courbe traduit l'excitation des oreillettes. - La partie PQ correspond à l'intervalle de temps séparant la fin de l'excitation des 2 oreillettes du début de l'excitation des ventricules. - La partie QRS correspond à l'excitation simultanée des 2 ventricules. - La partie ST traduit la dépolarisation complète des ventricules, suivie par la repolarisation de ceux-ci. Questions. 1. Déterminer, sur l'enregistrement, la durée de la phase d'excitation des oreillettes ainsi que la valeur maximale de la tension mesurée. 2. De la même façon, déterminer la durée de la phase d'excitation des ventricules. 3. Déterminer le nombre de battements du coeur par minute.
