Oscilloscopes

Oscilloscopes – Présentation

Le multimètre est l'outil indispensable par excellence pour tous ceux qui analysent et réparent des circuits électriques. Cependant, dès que des mesures plus sophistiquées sont nécessaires, un oscilloscope est souvent employé. Un oscilloscope permet de mesurer un plus grand nombre de caractéristiques des signaux électriques.

Comme la plupart des instruments, la complexité des oscilloscopes a progressé avec l'avènement de la technologie numérique. Mais un modèle analogique donne une représentation plus pédagogique de leurs principes de fonctionnement et des informations fournies par un oscilloscope connecté à un circuit électrique.

 

Principes de fonctionnement

Pour comprendre les principes du fonctionnement d'un oscilloscope, il est plus facile de prendre un modèle simple. Nous prendrons donc un modèle analogique. Précisons toutefois que certains aspects expliqués ici sont représentés de manière beaucoup plus simple sur un modèle numérique que sur un modèle analogique. Mais comme un oscilloscope numérique affiche uniquement les valeurs des mesures, et qu'un oscilloscope analogique donne une représentation graphique des signaux il constitue un meilleur outil pour expliquer leurs principes de fonctionnement.

Un oscilloscope est normalement connecté à un circuit par une pince ou un fil conducteur. Dans la plupart des cas, les broches positives et négatives sont contenues dans la même sonde. Ces dispositifs offrent donc une utilisation très pratique.

La masse est connectée à un point d'ancrage approprié sur le circuit et la pince est connectée à un point du circuit où le signal électrique doit être mesuré. Lorsque les sondes sont en place, l'écran affiche une forme d'onde.

Sur un modèle ancien, l'oscilloscope est doté d'un écran à tube cathodique. Sur ce type d'écran qui ressemble à un ancien écran de télévision, la trace a la teinte verte traditionnelle.

Des lignes forment une grille superposée sur l'affichage. Elle sert de repère pour faciliter la lecture des tracés affichés. La valeur des intervalles affichés peut être ajustée avec les commandes de l'oscilloscope.

D'autres commandes de l'oscilloscope servent à agrandir ou réduire les dimensions de l'affichage (ces ajustements n'ont aucun effet sur les valeurs électriques). La forme d'onde peut ainsi être avancée ou reculée pour permettre l'analyse plus précise d'une portion spécifique. L'intervalle de temps du diagramme peut être modifié. Un seul cycle ou plusieurs cycles de l'onde peuvent être affichés simultanément.

La ligne affichée sur l'écran de l'oscilloscope est appelée une trace. La trace peut représenter une onde sinusoïdale, en dent de scie, triangulaire ou carrée, indiquant le comportement de la tension sur le circuit pendant une période déterminée. En augmentant la valeur des incréments de la grille, l'utilisateur peut zoomer sur une partie de l'onde. En diminuant la valeur des intervalles, les tensions peuvent être mesurées avec une grande précision.

Sur un écran d'oscilloscope ordinaire, les axes X et Y centraux sont représentés par de très petits tirets, autorisant donc des mesures particulièrement précises. Pour obtenir des mesures précises, la partie intéressante de l'onde est centrée sur les axes les plus finement gradués, où les mesures sont effectuées.

Les divisions verticales affichées représentent les incréments de la tension. Les divisions horizontales représentent les intervalles de temps. Dans la plupart des cas, les lignes centrales représentent une valeur de tension nulle. Les lignes sous l'axe X central représentent les valeurs de tension négative. Les lignes au-dessus de cette ligne représentent les valeurs de tension positive. Ces dispositifs sont donc particulièrement utiles pour mesurer des courants alternatifs.

Les intervalles de temps sont généralement très flexibles. La plupart d'entre eux permettent de mesurer des intervalles de .55 µs, et d'autres modèles mesurent des intervalles encore plus courts.

L'utilisateur peut ralentir le cycle de mesure pour observer le balayage. Le balayage est le processus qui permet de tracer la ligne à l'écran, de gauche à droite. Dans la plupart des cas pendant la prise de mesure, l'onde est affichée sous une forme statique, que l'utilisateur peut zoomer ou dézoomer, pouvant aussi étendre ou rétrécir la période affichée.

Les différentes formes d'ondes mesurables avec un oscilloscope permettent de mesurer les propriétés électriques. Par exemple, une onde sinusoïdale allant d'une tension positive à une tension négative indique un courant alternatif. Une onde carrée qui va de zéro à une pointe de tension, puis chute à zéro, représente simplement un circuit mis hors tension, ou un composant dans un dispositif numérique. Les ondes triangulaires sont similaires aux ondes carrées. Les ondes en dents de scie représentent la combinaison d'une onde carrée et d'une onde triangulaire.

 

À l'intérieur d'un oscilloscope

Les oscilloscopes sont des appareils complexes, mais les électroaimants situés de chaque côté de l'écran sont les composants les plus importants d'un modèle à tube cathodique. Le tube cathodique projette des électrons sur la paroi interne de l'écran. Elle est revêtue d'une substance qui émet une lumière verte sous l'impact des électrons. Les électroaimants de chaque côté de l'écran attirent les électrons d'un côté ou d'un autre, ce qui crée la trace.

 

Oscilloscopes numériques

Comme les multimètres numériques, les oscilloscopes numériques ont largement remplacé les oscilloscopes analogiques. Les oscilloscopes numériques offrent des fonctions de mesure élargies et plus pratiques, avec l'avantage d'être beaucoup plus portables que les modèles analogiques. Comme les écrans à tube cathodique et d'autres équipements analogiques encombrants, les oscilloscopes analogiques sont habituellement fixés de manière permanente dans les laboratoires et ateliers. Par contre, les oscilloscopes numériques sont souvent très portables.

Un oscilloscope numérique n'affiche pas directement le signal électrique mesuré, à l'instar d'un modèle analogique. Dans un oscilloscope numérique, le signal analogique est converti en signal numérique par un convertisseur A/N et les données sont affichées à l'écran.

Comme d'autres dispositifs numériques, les oscilloscopes numériques prennent un échantillon du signal et affiche les données correspondantes. Dans certains cas, les développeurs peuvent avoir besoin d'un oscilloscope analogique, simplement parce qu'ils souhaitent voir directement le signal et pas seulement un échantillon. Mais dans certains cas, les oscilloscopes numériques offrent des fonctionnalités plus pratiques, de meilleurs prix, et des mesures mieux adaptées aux besoins de la plupart des applications.

Les oscilloscopes numériques apportent en outre des avantages spécifiques concernant les données. Certains de ces appareils sont équipés de connexions USB. Elles permettent de transférer les données directement sur un ordinateur pour y être analysées. Si les oscilloscopes numériques ne permettent pas d'examiner directement les signaux électriques, ils offrent la possibilité de stocker les données capturées ce qui les rend particulièrement utiles dans de nombreuses applications.

Certains modèles numériques modernes affichent aussi les informations obtenues par la lecture de l'écran d'un oscilloscope analogique. Par exemple, la tension du signal peut être simplement affichée à l'écran, donnant à l'utilisateur l'option d'examiner le tracé pour obtenir des informations spécifiques et des relevés précis d'autres valeurs. Les mesures sont donc beaucoup plus rapidement accessibles.

Les oscilloscopes numériques peuvent aussi effectuer des opérations mathématiques. Par conséquent, l'opérateur n'a plus besoin de s'en charger manuellement, ce qui réduit les risques d'erreur dans les mesures. Grâce à leur portabilité, leur facilité d'utilisation et leur prix économique, les oscilloscopes numériques sont des équipements très courants dans les environnements industriels et d'ingénierie électrique. Mais certaines situations peuvent nécessiter les avantages des deux types d'oscilloscopes A et N, ce qui explique pourquoi des oscilloscopes analogiques sont encore couramment employés pour des applications d'ingénierie.

 

Deux en un

Certains modèles d'oscilloscopes intègrent les entrées analogiques et numériques. Ils sont fabriqués par des entreprises telles que Tektronix, LeCroy et Pico Technology. Habituellement, ils sont dotés de deux ou quatre canaux analogiques et un grand nombre de canaux numériques, leur donnant donc une extrême flexibilité. Certains modèles sont des appareils conçus pour être fixés sur des établis et, pour les modèles les plus avancés, ce sont des instruments chers qui offrent une haute précision, répondant aux besoins des applications les plus exigeantes.

Les spécifications de la partie numérique de ces oscilloscopes sont identiques à celles d'un oscilloscope uniquement numérique. La bande passante détermine la fréquence des signaux à mesurer avec l'oscilloscope A/N. Le taux d'échantillonnage détermine la fréquence à laquelle l'instrument peut échantillonner les propriétés électriques de l'échantillon.

Avec un oscilloscope A/N, un ingénieur travaillant sur un circuit peut étudier avec une grande précision les propriétés d'un signal, comme il le ferait avec un oscilloscope analogique. Mais grâce aux canaux numériques, il peut aussi capturer les données, les analyser avec le logiciel de son choix et exploiter toutes les autres fonctions de l'oscilloscope numérique. Dans de nombreux environnements industriels, d'ingénierie, de recherche et de développement, un oscilloscope A/N est une excellente solution comparée à l'achat de deux types d'oscilloscopes séparés.

Mais lorsque les mesures doivent être prises sur le terrain, un oscilloscope numérique peut être le premier choix, un oscilloscope analogique étant uniquement utilisé dans certaines circonstances en atelier ou laboratoire. Achetés séparément ou combinés en un seul dispositif, les oscilloscopes numériques et analogiques offrent des avantages distinctifs. Bien qu'il s'agisse du même type d'instrument, chacun joue un rôle spécifique dans le monde de l'ingénierie moderne.

 

Accessoires

Un choix d'accessoires accompagne les oscilloscopes. Par exemple, les grands oscilloscopes fixes nécessitent des systèmes de montage conçus pour assurer leur sécurité et leur facilité d'utilisation. Divers types de sondes sont disponibles et permettent d'utiliser des oscilloscopes sur différents types de circuits pour obtenir des mesures précises et fiables. Les oscilloscopes portables sont souvent alimentés par un pack batterie rechargeable, qui peut être remplacé, garantissant une performance fiable.

Le logiciel joue un rôle important et plutôt nouveau dans la sélection des oscilloscopes. Le logiciel permet d'analyser de multiples façons sophistiquées les données capturées par un oscilloscope numérique. Il permet à l'ingénieur d'effectuer des mesures et de les analyser sans avoir à faire le travail mathématique. Le logiciel fait donc gagner beaucoup de temps et améliore la précision globale des mesures. En général, un logiciel d'oscilloscope est conçu pour fonctionner avec des modèles d'oscilloscope spécifiques.

Pour les oscilloscopes portables, des boîtiers et des sondes supplémentaires sont généralement conseillés, facilitant la préparation de conditions imprévisibles pouvant être rencontrées dans une usine ou autres environnements inhabituels. Un grand nombre d'accessoires sont disponibles pour ces outils de mesure, qui jouent un rôle fondamental dans les travaux d'ingénierie et de dépannage électrique.

 

Pourquoi sont-ils aussi utiles ?

Le comportement d'une tension pendant un intervalle de temps est la mesure la plus basique réalisée par un oscilloscope, mais ce n'est qu'une de ses utilisations. Pour analyser des circuits, les oscilloscopes mesurent la capacitance et l'induction, recherchent des irrégularités et des bruits dans les signaux électriques, ainsi qu'un grand nombre de variables que les ingénieurs ont besoin de quantifier avec précision.

Un oscilloscope est un instrument de mesure beaucoup plus dynamique qu'un multimètre numérique. Un multimètre numérique affiche une seule valeur. Par exemple, si vous branchez un multimètre numérique sur un circuit ayant une tension totale de 5 V, cet instrument affichera la valeur 5 V, ou autre valeur très proche. Par contre, un oscilloscope affiche la tension traversant le circuit, mais aussi des informations sur le comportement de cette tension, à la fois prévisibles et imprévisibles, pendant des durées variables.

Examinant une onde sinusoïdale, les ingénieurs peuvent obtenir des informations extrêmement précises grâce aux mesures réalisées, pour dépanner des circuits et concevoir des circuits avec précision. Un atelier électronique ne peut pas être complet sans un oscilloscope. Depuis la conception de circuits en passant par le diagnostic jusqu'à la réparation, ce sont des outils indispensables. Les oscilloscopes numériques offrent une solution totalement nouvelle et sont devenus plus flexibles et plus puissants que jamais.