Retour en haut
Nous contacter Suivez-nous

Dossier d'électronique

L'oscilloscope

Dossier réalisé par Mr Prevost

Vous avez gagné à la loterie, ou reçu un héritage d'un oncle d'Amérique? Que faire de ce pactole inespéré? La tentation est forte, on s'en doute, d'investir dans l'appareil de vos rêves: un oscilloscope! Mais vous hésitez. Outre le prix (de l'ordre de 700 euros), la complexité de l'appareil donne à réfléchir. Et puis, un scope, est-ce vraiment utile?...

L'oscilloscope: comment ça marche?

L'oscilloscope est un appareil de mesure qui représente un signal électrique sous la forme d'une courbe (le plus souvent, variation de la tension en fonction du temps). Il existe des oscilloscopes "simple trace", encore appelés "mono courbes", "double trace" ou "à quatre traces", permettant d'étudier simultanément un, deux ou quatre signaux. Cet appareil sert surtout à visualiser l'allure d'un ou plusieurs signaux, plutôt qu'à prendre des mesures précises. Les appareils les plus récents, toutefois, sont dotés de performances très avantageuses dans le domaine de la mesure.

Le filament et la cathode de l'oscilloscope produisent une source d'électrons libres, que des grilles accélèrent et concentrent en un faisceau dirigé vers le fond phosphorescent d'un tube cathodique. Ce faisceau produit un spot, qui est déplacé sur l'axe X par les plaques de déviation horizontales, via l'amplificateur horizontal, et sur l'axe Y par les plaques de déviation verticales, via l'amplificateur vertical. Le faisceau semble donc dessiner une ligne continue, appelée trace. L'écran du tube est quadrillé par un graticule de 10 divisions horizontales et 8 verticales.

fonctionnement oscilloscope

Schéma de principe simplifié d'un oscilloscope. Le signal est présenté sur l'entrée CH1 (canal 1, channel en anglais), puis il est amplifié (ou atténué) grâce au réglage VOLTS/DIV. Le réglage TIME/DIV permet de faire varier la vitesse de balayage horizontal. Les réglages X-POS et Y-POS permettent de déplacer la trace par rapport aux axes.

La base de temps est le circuit qui déclenche le déplacement horizontal, ou balayage. Ce circuit synchronise le système en générant une impulsion chaque fois que la forme d'onde traverse une certaine valeur de réglage de la tension. Le commutateur de la base de temps (TIME/DIV) permet de choisir le temps de balayage du spot d'une division verticale à la suivante.

Soit par exemple une base de temps de 1 ms/division et une forme d'onde qui se répète de manière identique toutes les trois divisions. La période de cette onde est donc de 3 ms et sa fréquence de 333 Hz.

De même que la base de temps permet d'étalonner l'axe horizontal de l'oscillogramme, l'atténuateur vertical permet l'étalonnage de l'axe vertical. On peut donc effectuer des mesures de tension sur cet axe.

Si par exemple le gain de l'atténuateur vertical (VOLT/DIV) est réglé de sorte qu'un signal de 10 mV crête-à-crête fasse dévier le spot d'une division verticale et si on compte 6 divisions entre la crête supérieure et la crête inférieure de la trace, on mesure une tension de 60 mV crête-à-crête.

L'oscilloscope à double trace permet d'effectuer des mesures simultanées sur deux signaux de deux circuits différents. Pour obtenir la double trace, on utilise soit le mode "hachage" (CHOP en anglais), en basse fréquence, soit le mode "alternat" (ALT), en haute fréquence.

En mode hachage, les deux signaux d'entrée sont appliqués alternativement, pendant un très bref instant, aux plaques de déviation, donc plusieurs fois au cours d'un même balayage. En mode alternat, la commutation du signal A au signal B n'a lieu qu'une fois qu'un balayage complet est effectué. La commutation d'un mode à l'autre est en général automatique.

Parmi les nombreuses caractéristiques à considérer dans le choix d'un modèle, on citera:

la largeur de bande ou bande passante de l'amplificateur vertical, qui renseigne sur les fréquences auxquelles on peut observer des formes d'ondes sans déformation

le temps de montée de l'amplificateur vertical, qui précise le temps mis par l'amplificateur pour passer de 10% à 90% d'une variation verticale; à 20 MHz, le temps de montée doit être d'environ 18 ns

la sensibilité de l'amplificateur vertical, qui précise la valeur, en tension, du plus petit signal pouvant être observé (valeur type comprise entre 1 mV/division et 10 mV/division)

la base de temps, ou vitesse du balayage; pour un modèle 20 MHz, la vitesse la plus rapide est en général comprise entre 0,1 et 0,5 µs/division.

Le prix d'un modèle économique double trace 20 MHz se situe aux alentours de 535 euros. Des modèles plus performants et plus sophistiqués, avec testeur de composants, interface de liaison PC, etc., coûtent plus de 610 euros, voire davantage. On trouve cependant des "mono-courbes" de bonne qualité pour moins de 300 euros, sondes et accessoires inclus. Ces modèles simples, dont la bande passante se limite à 5 ou 10 MHz, sont d'excellents outils d'apprentissage.

Un modèle mono-courbe d'oscilloscope

L'illustration ci-dessous représente un oscilloscope mono-canal (1 voie) d'entrée de gamme, destiné à la maintenance, aux laboratoires de travaux pratiques des écoles et aux débutants. Sa bande passante est de 10 MHz.

oscilloscope 1 voie

On reconnait à gauche l'écran et son graticule, délimitant 10 divisions horizontales et 8 verticales.

Le bouton rouge, en haut à gauche, tient lieu de bouton Marche/arrêt (sur "Marche", une petite DEL s'allume) et de réglage de l'intensité lumineuse.

Les deux boutons centraux permettent, respectivement, le réglage de la sensibilité verticale (Volts/div) et de la vitesse de balayage horizontale (time/div), selon une séquence 1-2-5. La sensibilité verticale est de 10 mV à 5 V par division; la vitesse de balayage est de 0,1 seconde à 0,2 µs par division.

Les embases au bas de l'appareil servent au branchement des sondes, la tension d'entrée maximale étant de 250 V efficace. L'entrée de gauche est l'entrée Y (verticale), celle du milieu est GND et celle de droite permet une synchronisation externe.

Un commutateur autorise divers modes de couplages pour l'entrée Y: AC, GND et DC. Un autre commutateur permet de choisir le type de déclenchement du balayage horizontal: interne, TV (impulsions synchrones) et externe, lorsque le déclenchement est provoqué par un signal sur l'entrée prévue à cet effet (embase de droite).

Un appareil de ce type, certes un peu désuet, convient amplement pour se familiariser avec l'oscilloscope et observer bon nombre de signaux issus des montages expérimentaux d'un lycéen ou d'un amateur!

Une alternative intéressante: l'oscilloscope sur PC

Un oscilloscope numérique 1 voie à 12 MHz, pouvant aussi servir d'analyseur de spectre et d'enregistreur de signaux transitoire, le tout pour environ 175 euros sondes comprises, est-ce possible? Oui!

Il s'agit en fait d'un module "scope" qui se raccorde à un ordinateur compatible PC par l'intermédiaire du port LPT (imprimante). Une fois le boîtier branché, l'ordinateur se transforme ipso facto en oscilloscope, avec une interface très proche d'un appareil normal, la différence étant que les commandes s'effectuent à la souris. Qui plus est, cette solution originale permet d'enregistrer les écrans obtenus sur disque dur.

Si vous disposez d'un "vieux" PC (sous Windows 95, quand même), voilà une alternative intéressante: le recycler, à moindre coût, en oscilloscope! L'ensemble, il est vrai, ne sera pas très facile à déplacer, mais c'est là, pour ainsi dire, son seul défaut. (Ceci dit, on peut débrancher le module et le rebrancher sur un autre PC...).

Le "PC-scope" est réalisé par une société belge bien connue et distribué en VPC et en boutiques spécialisées. Il existe en deux versions: 2 voies à 50 MHz (environ 500 euros) ou 1 voie à 12 MHz (environ 175 euros).

Un oscilloscope, est-ce vraiment utile?

Un oscilloscope moderne est sans doute un instrument assez intimidant de prime abord... Sa face avant présente un nombre impressionnant de boutons de réglages, repérés par des inscriptions peu explicites. Il n'y a pourtant pas lieu de s'inquiéter: il suffit de lire la notice du fabricant pour maîtriser la bête...

L'oscilloscope, on l'a dit, est très certainement le plus utile des instruments à la disposition de l'électronicien, aussi bien au laboratoire qu'à l'atelier. Son rôle consiste pour l'essentiel à tracer une courbe V/t, c'est-à-dire celle d'une tension (sur l'axe Y) évoluant dans le temps (sur l'axe X). Cette courbe, l'opérateur peut la visualiser à loisir, en temps réel, sur l'écran. On voit donc exactement ce qui se passe dans les entrailles du condensateur ou du circuit intégré, comme si on lui faisait passer une radiographie!

Dans la pratique, l'oscilloscope prouvera toute son utilité lorsqu'on s'en servira pour comparer des signaux à l'entrée et à la sortie d'un bloc fonctionnel, en s'assurant que ces signaux sont conformes à ceux que l'on attend. On peut ainsi tester un montage complexe, en procédant bloc par bloc.

Ajoutons qu'un oscilloscope moderne est assurément un appareil "surdimensionné" pour un débutant ou un amateur, qui n'utilisera peut-être jamais certaines fonctions avancées. La complexité de l'appareil est donc plus apparente que réelle, puisqu'on pourra tout simplement ignorer les nombreuses fonctions destinées à des opérateurs chevronnés.

X/Y

A droite du bouton POWER, on trouve un bouton à 2 positions désigné X-Y. Ce bouton est dans sa position normale lorsqu'il n'est pas enfoncé. Il est enfoncé dans certains cas particuliers, par exemple pour tracer la caractéristique d'un composant

X-POS

Le bouton X-POS permet un déplacement latéral de la trace.

HOLD OFF

Le bouton HOLD OFF permet d'introduire un délai par rapport au moment de déclenchement. Dans la majorité des cas, un débutant se contentera de laisser ce réglage au minimum.

TV SEP

Le réglage TV-separation peut occuper trois positions. Il est utilisé lorsqu'on désire travailler sur un poste de télévision. Attention! La présence de tensions très élevées dans les postes de télévision rend cette opération dangereuse. Elle est donc strictement réservée à des personnels qualifiés. La position correcte de ce réglage est donc OFF

TIME/DIV

Voici maintenant l'un des réglages essentiels de l'oscilloscope: le rotacteur TIME/DIV. Il permet de faire varier le temps de balayage de 0,2 seconde à 0,5 µs.

Si on choisit un réglage de 0,2 s/DIV, le spot mettra 2 secondes pour franchir les 10 divisions. Sur la position 0,1 s/DIV, il ne mettra que 1 seconde. A partir d'une valeur de 10 ms/DIV, le spot n'est plus visible de manière ponctuelle: il laisse la place à une ligne continue, ceci en raison de la persistence rétinienne.

TRIG

Le commutateur en bas, à gauche de TIME/DIV, permet de choisir entre différentes options de déclenchement (TRIGGER). D'une manière générale, la position adéquate sera AC.

Les autres positions (DC, HF pour High Frequency, LF pour Low Frequency et ~ pour une fréquence de 50 Hz) ne sont utilisées que pour des mesures qui ne présentent pas d'intérêt pour un débutant.

La DEL rectangulaire TRIG s'illumine lorsqu'un point de déclenchement a été détecté.

AT/NORM

A droite de TIME/DIV, on trouve un groupe de boutons qui permettent de synchroniser l'affichage du scope avec le signal qu'on désire étudier.

Lorsque AT/NORM n'est pas enfoncé, le déclenchement est automatique. C'est la position la plus courante.

Si on enfonce AT/NORM, on utilise alors le bouton LEVEL pour visualiser le signal.

Le bouton EXT n'est enfoncé que si le déclenchement est provoqué par un signal externe présenté sur l'entrée TRIG INP (trigger input). Dans tous les autres cas, ce bouton ne doit pas être enfoncé.

En résumé, on met le scope sous tension à l'aide du bouton M/A, on laisse X-Y en position OUT (pas enfoncé), HOLD-OFF au mini, TV-SEP sur OFF, TRIG sur AC, AT/NORM sur OUT (pas enfoncé), et il ne reste plus qu'à choisir le réglage de TIME/DIV. Ce n'était donc pas si sorcier...

Passons à présent à la partie inférieure du panneau de contrôle :

Y-POS

Chaque voie possède un réglage Y-POS, respectivement Y-POS I et Y-POS II. Ce bouton permet, à l'instar de son homologue X-POS, de déplacer la trace verticalement, vers le haut ou vers le bas. S'agissant d'un signal alternatif, on ajustera Y-POS de manière à ce que la ligne centrale de l'écran corresponde à 0 V.

Si on visualise deux signaux simultanément, les deux réglages sont indépendants.

INVERT

Lorsque le bouton INVERT est enfoncé, le signal correspondant est inversé, de bas en haut, à l'écran. Voilà qui ressemble assez à un gadget...

CH I

En bas de façade, on trouve les prises BNC des entrées CH I et CH II. C'est là que sont connectés les signaux d'entrée, à l'aide des sondes. Les petites prises sur le côté fournissent des entrées supplémentaires 0 V ou GROUND.

VOLTS/DIV

Chaque voie possède un réglage indépendant de l'échelle verticale, à savoir celle des VOLTS / DIV. Il s'agit là d'un réglage de première importance, sur lequel on sera très souvent amené à intervenir. Les positions vont de 20 V à 5 mV par division.

DC/AC/GND

Un commutateur à glissière DC/AC/GND permet de choisir, pour chaque voie:

DUAL

Au centre, en bas du panneau de contrôle inférieur, se trouve un groupe de trois boutons qui permettent de choisir quelle(s) trace(s) sera ou seront visible(s) à l'écran. On peut ainsi obtenir 8 affichages différents: un seul signal (CH1 ou CH2), les deux simultanément, l'un après l'autre, etc. Se reporter à la notice de l'appareil.

 

Pour finir, il nous reste à voir les trois fonctions disponibles en bas de façade, sous l'écran :

X-MAG

Lorsque le bouton X-MAG est enfoncé, l'échelle horizontale est multipliée par 10. Si par exemple TIME/DIV est réglé sur 1 ms/div, l'échelle passe 0,1 ms/div.

CAL

Ces deux sorties CAL délivrent des signaux carrés d'amplitude 0,2 V et 2 V à 50 Hz, respectivement. Ces signaux sont utilisés pour vérifier que le scope est correctement calibré.

component tester

Certains scopes, comme celui-ci, sont dotés d'un testeur de composants, qui permet l'affichage de la caractéristique d'un composant. Pour ce faire, on enfonce le bouton. Dans tous les autres cas, ce bouton ne doit pas être enfoncé. Se reporter à la notice de l'appareil.

Voilà, nous avons fait le tour des commandes et réglages disponibles. Force est de reconnaître que l'abondance des boutons et curseurs, effrayante pour un néophyte, cache en réalité une relative simplicité dès lors qu'on entend se limiter aux fonctions les plus courantes...

Utiliser un oscilloscope

Mise en route

Nous allons à présent mettre le scope sous tension et apprendre à nous en servir...

Tout d'abord, il convient de s'assurer que tous les réglages sont en position correcte; c'est une bonne habitude à prendre, surtout si l'appareil est utilisé par d'autres personnes. La "position correcte" est celle indiquée dans le mode d'emploi de l'appareil. Le plus souvent, les boutons sont sortis (pas enfoncés), les interrupteurs à glissière en position haute et les réglages fins en position centrale.

Placez maintenant les rotacteurs TIME/DIV sur la position 1 V/DIV et VOLTS/DIV sur 0,2 s/DIV, soit sa plus petite valeur de réglage.

On allume la machine en appuyant sur le gros bouton POWER. La DEL-témoin verte s'illumine et, au bout d'un instant, un spot lumineux traverse l'écran.

Essayez les contrôles Y-POS I, INTENSITY et FOCUS. Ajustez ces réglages de manière à bien centrer le spot au milieu de l'écran. Le spot doit être lumineux mais pas éblouissant, et aussi net que possible.

Voyez maintenant l'effet produit lorsque le rotacteur TIME/DIV passe de la position 0,2 s/DIV à une vitesse de balayage supérieure. Le spot traverse l'écran de plus en plus vite.

Le réglage VOLTS/DIV du canal 1 détermine, on l'a dit, l'échelle de l'axe vertical, celui des volts. Placez-le sur 1 V/DIV: chaque division verticale correspond alors à une tension de 1 volt. Assurez-vous que Y-POS I est bien centré, que INVERT (si votre modèle dispose de ce bouton) est en position normale, que le curseur AC/DC/GND est sur AC, et que les trois boutons de réglage CH1/CH2, DUAL et ADD ne sont pas enfoncés. Dans cette configuration, on ne visualise que la trace du signal 1.

Test de calibration

calibration

Nous allons à présent vérifier le calibrage du scope, en utilisant la source interne CAL prévue à cet effet (elle se trouve sous l'écran).

Pour cela, nous allons d'abord relier la fiche BNC de la sonde à l'entrée CH1 (on l'enfonce, puis on tourne à droite).

L'autre extrémité du câble de la sonde se divise en deux fils, un rouge et un noir, terminés par des pinces "crocodile".

La pince crocodile du fil rouge doit être reliée à la connexion CAL du bas, repérée 2 V. La pince du fil noir n'est pas connectée.

Ce test consiste, ni plus ni moins, à présenter sur l'entrée CH1 un signal carré dont l'amplitude est de 2 V et la fréquence 50 Hz. Utilisez les réglages VOLTS/DIV et TIME/DIV pour obtenir une représentation fidèle du signal, comme ci-dessous:

écran (calibration)

Vous pouvez affiner l'affichage en manipulant légèrement les boutons Y-POS 1 et X-POS. Observez l'effet (et l'utilité) de ces réglages. N'oubliez pas que les axes gradués vous permettent de mesurer des valeurs précises (amplitude en volts, fréquence ou période)!

Utiliser les sondes

Une sonde est un câble coaxial (similaire à un câble TV), terminé à une extrémité par une fiche type BNC, et à l'autre par deux fils, un rouge et un noir, reliés à des pinces crocodiles ou parfois à des pointes de touche.

sonde

Le connecteur BNC doit être inséré dans la prise du scope (CH1 ou CH2, selon le cas); on pousse, puis on tourne. La pince croco du fil noir doit être reliée à 0 V ou GND. On utilise ensuite la pointe de touche (ou la pince croco du fil rouge, suivant ce qui s'avère le plus pratique) pour tester les différents points du circuit.

Une bonne manière de se familiariser avec l'oscilloscope consiste à tester un circuit connu, de préférence très simple, par exemple un 555 monté en multivibrateur. Il est ainsi aisé de comparer le résultat obtenu à l'écran (forme d'onde, amplitude, fréquence...) et celui obtenu par le calcul. On aura alors tout intérêt à faire varier un paramètre (valeur de R, ou de C) pour observer son influence.

Lorsqu'on aura bien compris les notions de base avec affichage d'une seule trace, on exploitera au mieux les possibilités de l'appareil en affichant deux traces simultanément.

scope: 2 traces

Affichage de deux traces simultanément. On peut ainsi comparer deux signaux.

L'expérience aidant, le recours au "scope" deviendra bien vite une seconde nature...

Réagir sur ce dossier d'électronique

A lire aussi

Actualité électronique

Suivez-nous !

©2001-2024 lelectronique.com par Tours'nCréa - Tous droits de reproduction et de représentation réservés

Partenaires : Choisir aspirateur | Jeremy Express Plomberie Paris