L'Oscilloscope

Certainement l'instrument le plus utile de votre collection. Pas énormément cher, donc accessible, il rend quantité de services.

Que fait-on avec un oscilloscope ?

Essentiellement, on visualise la forme des signaux sous observation et on mesure leur amplitude. Ces renseignements sont extrêmement utiles pour l'électronicien amateur ou pas .

Que voit-on précisément ?

Ceci ! Sur un écran souvent verdâtre ou bleuté apparaissent les signaux. La représentation est amplitude fonction du temps. Dans cette exemple, un signal sinusoïdal se développe sur l'écran. On note que l'écran est gradué (en cm) ce qui va nous permettre de faire des mesures. Nous pourrons bien sur mesurer l'amplitude du signal en V mais aussi sa période donc sa fréquence car comme nous l'avons dit tout ceci s'exprime en fonction du temps. Il suffira de mesurer la distance sur laquelle se développe un cycle.

Fonctionnement de l'oscilloscope :
Avant toute chose, il est bon de connaître succinctement le fonctionnement de l'oscilloscope. Nous nous limiterons au classique oscillo analogique, les modèle numériques étant d'une part hors de portée de nos bourses et d'autre part sensiblement différents dans le principe.

Le cœur de l'oscillo, le tube :

Sans lui, point de salut. Il est constitué d'une foultitude d'électrodes, nous ne verrons ici que les plaques de déviation. Imaginons que nous ayons un faisceau d'électrons (il sera matérialisé par un point sur l'écran) qui vienne à passer entre nos diverses plaques. Si nous appliquons une tension entre par exemple les plaques P3 et P4, notre faisceau va être dévié soit  vers le haut soir vers le bas, tout ceci dépendra de la polarité de la tension.

Si P3 est plus positive que P4, la déviation s'effectuera vers le haut, si c'est l'inverse, la déviation s'opérera vers le bas.
Nous pouvons répéter l'opération pour P1 et P2. En fonction de la polarité de la tension, le faisceau que nous allons appelé SPOT,(rappelons-le, nous verrons seulement un point) va se diriger soit vers la droite, soit vers la gauche.
Il va nous être extrêmement facile de dicter sa potion au spot en appliquant la tension judicieuse aux bonnes plaques. Une faible tension provoquera un petit déplacement, un tension excessive fera sortir le spot de l'écran.

La base de temps horizontale :

Nous souhaitons maintenant voir apparaître ceci sur notre écran (la trace verte foncé). Il s'agit du spot (le point) qui se déplace très rapidement de gauche vers droite, si rapidement que nous avons l'impression de ne voir qu'un trait. Qu'allons nous faire pour obtenir un résultat si magique ? C'est simple, nous allons appliquer aux plaques de déviation horizontale (qui sont en position verticale) une tension variable. Pourquoi variable ?

Parce que nous voulons démarrer à gauche, finir à droite, repartir à gauche etc. Voici quelle sera l'allure de cette tension :

Il s'agit de la classique et célèbre dent de scie. La tension, comme on le voit sur le dessin croît linéairement avec le temps provoquant le déplacement du spot. Arrivé à son maximum, le spot est à droite. La tension chute brusquement à zéro, le spot l'accompagne et revient en sens inverse. Et on repart pour un autre cycle...

Cette tension en dent de scie est élaborée dans la base de temps de l'oscilloscope. C'est un simple oscillateur avec un peu de mise en forme. Vous remarquerez sur le vôtre un gros bouton appelé "Base de temps". Il s'agit de la commutation de la fréquence de la base de temps car en fonction de la fréquence des signaux observés, il faudra augmenter ou diminuer la vitesse de balayage.
Entre la base de temps et les plaques de déviation horizontale, on intercale un amplificateur  car les plaques ont besoin d'un certain niveau pour provoquer le déviation du spot que la BdT n'est pas capable de fournir. On l'appellera l'ampli horizontal.

La déviation verticale :
Maintenant que notre spot se promène de la gauche vers la droite, nous aimerions bien le faire aussi grimper, pas n'importe comment quand même.
L'idée ici consiste à appliquer la tension variable (oui une tension continue n'est guère passionnante à observer) au plaques de déviation verticale.
Imaginons que nous ayons une tension sous forme de signaux carrés et imaginons que nous puissions nous synchroniser (nous allons voir comment). Imaginons également que nous changions d'échelle de temps et que nous puissions observer des phénomènes très très lentement.
Au début notre spot est à gauche sur l'axe médian, le signal carré est appliqué aux plaques verticales. Il provoque la montée du spot. Là le signal carré est stable, le spot sous l'action du balayage continue de se déplacer. L'amplitude du signal carré tombe à 0, le spot redescend en se déplaçant toujours et ainsi de suite. On constate que le spot donne une image ( au sens propre) de la tension appliquée au plaques verticales CQFD.

Naturellement on intercale entre le signal à visualiser et les plaques de déviation verticale un amplificateur appelé ampli vertical.

La synchronisation :
Vous avez tous observez au cinéma ou à la télé, dans les western les roues des chariots qui semblaient aller, en fonction de la vitesse soit dans un sens soit dans l'autre en raison de l'effet stroboscopique.
Pour un oscillo, si nous voulons une trace bien stable sur l'écran il faut une relation entière entre la période (ou fréquence) de la base de temps et celle du signal à mesurer. Comme il est impossible d'agir sur le signal à mesurer, on va agir sur la base de temps en la synchronisant sur le signal à mesurer. Quand on dit synchroniser, entendre qu'il existera un rapport entier entre T et T1, l'une pourra être multiple ou sous-multiple de l'autre.
Ceci sera réalisé par la synchronisation.
maintenant nous avons tous les éléments en main pour dessiner le schéma synoptique de l'oscilloscope.

Et voilà la bête. Tous les éléments que nous avons étudié se retrouvent ici. Vous remarquerez que le signal passe par un atténuateur qu'il convient de protéger en se positionnant sur le calibre le plus élevé quand on ne connaît pas la valeur de l'amplitude du signal

Quelques caractéristiques :

• Vous verrez souvent apparaître dans les publicité des choses comme : 2x20 MHz. Ceci indique que l'oscillo est un bi-courbe c'est à dire que l'on peut observer deux canaux simultanément (c'est bien commode d'observer le signal d'entrée d'un amplificateur et le signal de sortie) et que la bande passante de l'ampli vertical est de 20 MHz. Ceci vous garantit que pour tous les signaux dont la fréquence sera inférieure ou égale à cette valeur, l'étalonnage en tension de l'appareil sera correct.
  
• Les oscilloscopes comme toute chose possède une impédance d'entrée, celle-ci est très grande, pour ne pas perturber le circuit mesuré et se chiffre dans les MW
  
• Sur les oscillos haut de gamme, on trouve deux bases de temps. C'est très bien mais cela fait grimper considérablement le prix. L'avantage d'un tel système est que l'on peut en retarder l'une sur l'autre. Pour vos débuts un modèle simple conviendra parfaitement.
  

Quelles mesures peut-on pratiquer :

• Bien sur la mesure de tension dans la limite de la bande passante énoncée ci-dessus. L'atténuateur d'entrée porte une graduation qui dit par exemple 10V/cm. Cela signifie que toute déviation du spot d'un centimètre correspond à une amplitude de 10V. Comptez le nombre de centimètre sur l'écran, reportez vous à la valeur de l'atténuateur et faites l'opération.
  
• Mesure de fréquence ou du moins bonne approximation. Cette fois ci, comptez le nombre de centimètres pour réaliser un cycle complet. Reportez vous à la base de temps graduée en s/cm (ou des sous-multiples ms, µs) et faites le calcul sachant que f=1/t.
  
• Amplification: Mesurez l'amplitude du signal en entrée, même chose en sortie et divisez la sortie par l'entrée. Idem pour une atténuation
  
• Forme du signal bien sur. Vous pourrez observer toute variation de la forme du signal ou évaluer la linéarité d'un amplificateur. Attention toutefois, nous sommes ici dans le domaine temporel, pas fréquentiel, seul un analyseur de spectre peut vous renseigner.
  
• Mesure de réponse en fréquence en faisant varier la fréquence d'attaque d'un amplificateur et en notant les valeurs de sortie.
  

Bref, vous l'aurez compris, seule votre imagination vous limite.

Petite curiosité :
Avant de nous quitter, juste une petite curiosité appelée figure de Lissajous (je ne me souviens plus de l'orthographe exacte, j'espère ne pas trop écorcher son nom).

Si vous coupez le balayage (un point fixe apparaît en lieu et place du joli trait central) et que vous injectiez une fréquence F1 que l'entrée horizontale et une fréquence F2 sur l'entrée verticale, vous obtiendrez ceci en fonction du rapport de fréquence et de phase entre F1 et F2. C'est amusant et souvent utile.