Transcript Cour 5
L'oscilloscope
Qu’est ce qu’un oscilloscope?
A quoi sert-il?
Comment fonctionne-t-il ?
Qu’est ce qu’un oscilloscope?
L'oscilloscope est fondamentalement un dispositif de visualisation graphique - il trace la courbe d'un signal électrique. Dans la plupart des applications le graphe montre comment les signaux varient dans le temps : (y) l'axe vertical représente la tension et (x) l'axe horizontal représente le temps. L'intensité ou le spot s'appelle parfois l'axe de Z.(Voir Le Schéma 1.)Cette simple courbe peut nous indiquer beaucoup de choses sur le signal. On peut donner quelques exemples:
•
Détermination des valeurs du temps et de la tension du signal.
• Calcul de la fréquence d’un signal oscillant.
• Avoir une idée sur l’état du signal à différents points d’un circuit.
• Permet de déterminer le composant qui ne fonctionne pas normalement lorsqu’on a une distorsion du signal • Permet de trouver la partie continue et la partie alternative d’un signal.
• Permet de déterminer la quantité de bruit dans le signal.
Figure 1: les composantes X, Y, and Z d’une courbe
Un oscilloscope ressemble beaucoup à un petit téléviseur, sauf qu'il a une grille sur son écran et plus de commandes qu'une télévision. Le panneau avant d'un oscilloscope a normalement des unités de commande divisées en sections verticales, horizontales, et de déclenchement. Il y a également des commandes d'affichage et des connecteurs d'entrée
A quoi sert-il?
Les oscilloscopes sont utilisés par chacun des techniciens-réparateur de télévision aux physiciens. Ils sont indispensables pour n'importe qui fabrique ou répare des équipements électroniques.
L'utilité d'un oscilloscope n'est pas limitée au monde de l'électronique. Avec le capteur approprié, un oscilloscope peut mesurer toutes sortes de phénomènes. Un capteur est un dispositif qui crée un signal électrique en réponse aux stimulus, tels que le bruit, à l'effort mécanique, à la pression, à la lumière, ou à la chaleur physique. Par exemple, un microphone est un capteur. Un ingénieur des véhicules à moteur utilise un oscilloscope pour mesurer des vibrations de moteur. Un chercheur médical utilise un oscilloscope pour mesurer les ondes cérébrales. Les possibilités sont sans fin.
Données scientifiques recueillies par un oscilloscope Analogique et numérique Le circuit électronique peut être divisé en deux types :analogique et numérique. L'équipement analogique fonctionne avec des tensions continues variables, alors que le circuit digital fonctionne avec les nombres binaires discrets qui peuvent représenter des échantillons de tension. Par exemple, une plateau tourne disques conventionnelle est une unité analogique ;un lecteur de disque compact (CD) est un dispositif numérique.
Les oscilloscopes se présentent également sous forme analogiques et numériques. Un oscilloscope analogique fonctionne en appliquant directement la tension à mesurer à un faisceau d'électrons se déplaçant à travers l'écran de l’oscilloscope. La tension guide le faisceau en haut et en bas proportionnellement, traçant la forme du signal sur l'écran. Ceci donne une image immédiate sous forme de signal.
En revanche, un oscilloscope numérique prélève la forme du signal et emploie un convertisseur analogique-numérique (ou le CDA) pour convertir la tension à mesurer en information numérique. Il emploie alors cette information numérique pour reconstruire la forme du signal sur l'écran.
Pour beaucoup d'applications un oscilloscope analogique ou numérique suffira. Cependant, chaque type possède certaines caractéristiques uniques le rendant plus ou moins approprié aux tâches spécifiques. Les gens préfèrent souvent les oscilloscopes analogiques quand il est important de montrer les signaux rapidement variables en "temps réel" (ou dès qu’ils sont produit).
Les oscilloscopes numériques permettent de capturer et regarder les événements qui peuvent se produire seulement une fois. Ils peuvent traiter les données numériques d'un signal ou envoyer les données à un ordinateur pour traitement. En outre, ils peuvent stocker les données numériques du signal pour le visionnement postérieur et imprimer.
Comment fonctionne-t-il ?
Pour mieux comprendre les commandes d‘un oscilloscope, on doit avoir une idée sur la façon dont les oscilloscopes affichent un signal. Les oscilloscopes analogiques fonctionnent un peu différemment que les oscilloscopes numériques. Cependant, plusieurs des systèmes internes sont semblables. Les oscilloscopes analogiques sont légèrement plus simples dans le concept .
Les oscilloscopes analogiques Quand on relie une sonde d‘un oscilloscope à un circuit, le signal de la tension va aller à travers la sonde vers le système vertical de l'oscilloscope. un schéma fonctionnel simple qui montre comment un oscilloscope analogique affiche le signal pour le mesurer par la suite.
Schéma bloc d’un oscilloscope analogique Selon la façon dont on règlela sensibilité verticale (commande de volts/div), un atténuateur va réduire la tension du signal ou un amplificateur va augmenter la tension de signal.
Après, le signal va aller directement aux plaques mettaliques de déflexion verticale du tube cathodique. La tension appliquée à ces plaques de déflexion fait déplacer un spot.(un faisceau d'électrons frappant le phosphore à l'intérieur du tube crée le spot.) Une tension positive fait déplacer le spot vers le haut tandis qu'une tension négative le fait déplacer vers le bas.
Le signal va aller également au système de déclenchement(trigger system) pour commencer ou déclencher "un balayage horizontal."Le balayage horizontal est l'action du système horizontal faisant déplacer le spot à travers l'écran. Le déclenchement du système horizontal va pousser la base de temps
horizontale à faire déplacer
le spot à travers l'écran de gauche à droite dans un intervalle de temps spécifique. Ensemble, le balayage horizontal et la déflexion verticale trace un graphique du signal sur l'écran. Le déclenchement est nécessaire pour stabiliser un signal périodique. Il s'assure que le balayage commence au même point qu’un signal périodique, ayant pour résultat une image claire comme représenté sur le schéma
En conclusion, pour utiliser un oscilloscope analogique, on dois faire trois arrangements de base pour adapter un signal entrant : • L'atténuation ou l'amplification du signal. Employer la sensibilité verticale (volts/div) pour ajuster l'amplitude du signal avant qu'il soit appliqué aux plaques de déflexion verticale. • La base de temps. Employer la vitesse de balayage (sec/div) pour le temps par division représentée horizontalement à travers l'écran.
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Le déclenchement de l’oscilloscope. Utiliser le niveau de déclenchement pour stabiliser un signal périodique Enfin, le réglage du focus et de l’intensité nous permet d’obtenir un affichage claire et visible
Les oscilloscopes numériques Certains des systèmes qui composent les oscilloscopes numériques sont identiques à ceux des oscilloscopes analogiques; cependant, les oscilloscopes numériques contiennent les systèmes de traitement de données additionnels. (Voir Le Schéma ) Avec les systèmes supplémentaires, l'oscilloscope numérique rassemble des données du signal en entier puis l’affiche. Quand on relie une sonde entre un oscilloscope numérique et un circuit, le système vertical ajuste l'amplitude du signal, juste comme dans l'oscilloscope analogique.
Après, le convertisseur analogique-numérique (CAN) dans le système d'acquisition prélève le signal en points discrets à temps et convertit la tension du signal de ces points en valeurs numériques appelées des points échantillons. L'horloge échantillon du système horizontal détermine combien de fois les prises de CAN un échantillon. Le taux auquel l'horloge "marque" s'appelle le taux d'échantillon et est mesurée dans les échantillons par seconde.
Schéma block d’un oscilloscope numérique
Les points échantillon du CAN sont stockés dans la mémoire comme
points de signal
.
Selon les possibilités de l’oscilloscope, un traitement additionnel des points d’échantillonnage peut avoir lieu, permettant un meilleur affichage. Un pré
déclenchement
peut être disponible, permettant de voir les événements avant le point de déclenchement.
Fondamentalement, avec un oscilloscope numérique ou un oscilloscope analogique, on doit ajuster les sensibilités verticales, horizontales, et de déclenchement avant de prendre une mesure.
La différence fondamentale avec un oscilloscope analogique c’est qu’il n’y a pas de signal de base de temps. Le fonctionnement est identique à celui d’un système d’acquisition de données.
Pour une voie : u e MOT 1 Koctet mémoire 4 Koctet CAN AMPLI Réglage gain HORLOGE Ecriture de MOT dans la mémoire Réglage de T0 T0
Conversion analogique numérique : Le CAN est commandé par une HORLOGE de période T une ligne de la mémoire de données (4 Koctets).
0 programmable : à chaque front descendant de l’horloge (par exemple) une conversion analogique numérique est déclenchée et MOT, image numérique de la tension u e , est écrit dans la ligne de mémoire "sortie" du CAN : cette donnée est ensuite écrite dans Il y a ainsi une conversion analogique numérique pour chaque front descendant de l’horloge et toutes ces données sont écrites séquentiellement dans la mémoire de 4 Koctets.
On dispose ainsi d’environ 4000 images numériques de la tension u la mémoire : entre deux images numériques successives (échantillons du signal) la durée est de T 0 (période d’échantillonnage). On dispose ainsi de 4000 "photographies" du signal u e espacées d’une durée T 0 .
e empilées dans
La sélection de la zone de mémoire observée et le réglage du "prédéclenchement" : Comme sur un oscilloscope analogique on peut régler des conditions de pente et de seuil pour un signal : il ne s’agit pas d’une "synchronisation" ni d’un "prédéclenchement".
L’utilisateur peut choisir la pente du signal et la valeur du SEUIL (LEVEL). Avec le menu VISU la valeur du seuil (réglée avec le bouton LEVEL) est affichée en divisions : nous appellerons ces conditions les "conditions de déclenchement". Sur l’écran un seul Koctet de la mémoire est visualisé (1000 points). La zone observée est réglée par l’utilisateur (boutons ---> <----).
D’autre part l’utilisateur décide (PRETRIG, pas de 1 Ko) de la position, par rapport à la zone de mémoire observée, des "conditions de déclenchement".
EXEMPLE : u e +4V -4V T= 10µs conditions de ‘déclenchement’ : seuil + 2V pente > 0 t mémoire conditions de déclenchement au début de la zone observée (PRETRIG) on visualise le premier Koctet SUR L’ECRAN
ORGANISATION D’UNE ACQUISITION Pour observer le signal de l’exemple :
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Oscilloscope en position oscillo à mémoire (bouton MEM). • MODE SGL (une seule acquisition).
• Le signal est appliqué à CH1, on n’utilise pas de filtre (DC), on visualise CH1 seul (CH1), le gain de l’ampli CH1 est réglé à 2V/div (calibre affiché en bas de l’écran).
• Avec GND sur CH1, on règle le zéro de l’axe Y (index à droite de l’écran).
•
Période d’échantillonnage :
On veut observer deux périodes du signal soit une durée de 20µs : on règle la "base de temps" à 2µs/div.
Pour 10 divisions de l’écran la durée est bien de 20 µs. Puisqu’on observera 1000 points sur l’écran la durée T0 entre deux acquisitions est donc de 20/1000 µs = 20ns.
• Conditions de "déclenchement": Choix du signal pris en compte : on choisit ue (liaison CH1, DC (sans filtre)).
On choisit une pente positive et un seuil de +2V (LEVEL, affichage avec VISU : 1 div) : pas de VPP, pas d’AUTO.
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Choix de la zone mémoire observée :
On choisit de visualiser le premier Koctet (boutons ----> <----- )
Positionnement dans la mémoire des "conditions de déclenchement" :
Avec PRETRIG on positionne le témoin ‘T’ au début de la zone mémoire observée
.
•
Déclenchement de la saisie :
La saisie est déclenchée avec le bouton RUN.
Lorsque l’acquisition est déclenchée, la mémoire est écrite avec une période T 0 = 20ns.
Le système écrit les données dans la mémoire ET il teste les "conditions de déclenchement" (pente et seuil du signal testé).
Si lorsque la mémoire est "pleine" il n’a pas trouvé ces conditions, il continue à écrire les données dans la mémoire.
Les nouvelles données sont écrites dans la dernière ligne de la mémoire et
les anciennes données sont décalées d’un rang vers la gauche : la première donnée est perdue, c’est une "pile FIFO" (first in, first out : premier rentré, premier sorti) et on dispose, dans la mémoire, des 4 000 dernières mesures.
Toutes les données sont décalées d’un rang vers la gauche et la première donnée est éliminée écriture de la dernière donnée Lorsque les "conditions de déclenchement" sont trouvées, la saisie continue et les données se décalent vers la gauche jusqu’à ce que les données correspondant à ces conditions se trouvent dans la zone de mémoire sélectionnée par PRETRIG (‘T’). (Dans l’exemple choisi ces données doivent "remonter" jusqu’au début de la mémoire).
La saisie s’arrête alors, (on entend basculer un relais et le voyant RUN s’éteint) et la zone de mémoire sélectionnée est traduite sous forme graphique sur l’écran.