L'oscilloscope
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.
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 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.
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 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!