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Rémy Mallard explique

les oscilloscopes pour les anciens & modernes

débutants

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Rémy Mallard explique

les oscilloscopes anciens et modernes pour les débutants

publitronic


● Droits de reproduction © 2019 – Publitronic - Elektor International Media Toute reproduction ou copie, même partielle, de ce livre, et sur quelque support que ce soit, sans l’accord écrit de l’éditeur, est interdite. Le code de la propriété intellectuelle du 1er juillet 1992 interdit expressément la photocopie à usage collectif sans autorisation des ayants droit. No part of this book may be reproduced, in any form or means whatsoever, without permission in writing from the publisher. While every precaution has been taken in the preparation of this book, the publisher and author assume no responsability for errors or omissions. Neither is any liability assumed for damages resulting from the use of the information contained herein. La protection du droit d’auteur s’étend aux illustrations, y compris aux circuits imprimés et aux projets y relatifs. En conformité avec l’article 30 de la Loi sur les brevets, les circuits mentionnés ne peuvent être exécutés qu’à des fins particulières ou scientifiques et non pas dans ou pour une entreprise ; ces exécutions et/ou applications se font en dehors de toute responsabilité de l’éditeur. Conformément au droit d’auteur, ce copyright ne s’applique pas à certains schémas reproduits dans ce livre à titre de citation et d’illustration des propos et de la démarche intellectuelle de l’auteur, avec l’aimable autorisation des ayants droit.

L’éditeur remercie d’avance le lecteur qui prendra la peine de lui signaler les erreurs éventuelles qui auront échappé à sa vigilance (écrire à redaction@elektor.fr).

● ISBN 978-2-86661-208-5 1e édition — 1er tirage - novembre 2019 Maquette : www.d-vision.nl | Julian van den Berg | Imprimé aux Pays-Bas par Wilco


Contents Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Chapitre 1 • Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1 – Qu’est-ce qu’un oscillo­scope ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2 – Fonctionnement de base d’un oscillo­scope analogique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2.1 – Synoptique (bloc-diagramme) général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2.2 – Tube électronique (tube cathodique, CRT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.2.3 – Amplificateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.2.4 – Base de temps et balayage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.2.5 – Double base de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.2.6 – Les alimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.2.7 – Oscillo­scopes spéciaux (bicourbes, à mémoire, vidéo) . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.2.7.1 – Les oscillo­scopes bicourbes (2 voies) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.2.7.2 – Les oscillo­scopes à mémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.2.7.3 – Les oscillo­scopes « vidéo » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.3 – Caractéristiques de base d’un oscillo­scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.3.1 – Sensibilité et échelle verticale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.3.2 – Base de temps, balayage et échelle horizontale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.3.3 – Bande passante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

1.3.4 – Caractéristiques spécifiques aux oscillo­scopes numériques . . . . . . . . . . . . 49

1.3.4.1 – Fréquence d’échantillonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

1.3.4.2 – Nombre de bits et nombre effectif de bits (oscillo­scope numérique) 53

1.3.4.3 – Capacité/profondeur mémoire (oscillo­scope numérique) . . . . . . . . 54

1.3.4.4 - Taux de rafraîchissement (oscillo­scope numérique) . . . . . . . . . . . . 58

Chapitre 2 • Sondes d’oscillo­scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.1 – Qu’est-ce qu’une sonde ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.2 – Sécurité de l’utilisateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.3 – Sonde de tension passive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.3.1 – Impédance et capacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

2.3.2 – Limite en fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

2.3.3 – Limite en tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

2.3.4 – Influence du fil de masse de la sonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.3.5 – Quand utiliser une sonde passive 1:10 ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

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Oscilloscope 2.4 – Sonde de tension active . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.5 – Sonde de tension différentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

2.5.1 – Limite en tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

2.5.1.1 – Gain et atténuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

2.5.1.2 – Plage de tension différentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.5.1.3 – Plage de tension en mode commun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

2.5.1.4 – Tension maximale admissible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2.5.1.5 – Taux de réjection en mode commun (CMRR) . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2.5.2 – Limite en fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

2.5.3 – Isolation galvanique complète . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

2.6 – Autres types de sondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

2.6.1 – Sonde HT (Haute Tension) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

2.6.2 – Sonde de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

2.6.3 – Sonde de champ proche et sonde de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

2.7 – Types de connecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.8 – Choix d’une sonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Chapitre 3 • Choix d’un oscillo­scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.1 – Pas trop vite, papillon... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.2 – Analogique ou numérique ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.3 – Oscillo­scopes de laboratoire, portatifs… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.3.1 – Oscillo­scope de laboratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.3.2 – Oscillo­scopes portatifs ou « de terrain » (avec écran) . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.3.3 – Oscillo­scopes basés sur PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.3.4 – Autres types d’oscillo­scopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.3.4.1 – Oscillo­scope-tablette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.3.4.2 – Oscillo­scope pour ordinateur, tablette et téléphone . . . . . . . . . . . 105

3.3.4.3 – Oscillo­scope-stylo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.3.4.4 – Oscillo­scopes en kit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.3.4.5 – Oscillo­scopes logiciels intégrés aux simulateurs de circuits électroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

3.3.4.6 – Fabriquer soi-même son oscillo­scope ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

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3.3.5 – DSO, MSO, DPO, MDO, DSO (bis)… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108


3.4 – Évaluation des besoins de l’utilisateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3.4.1 – Lieu d’utilisation ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

3.4.2 – Nombre de signaux à visualiser en même temps ? . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

3.4.3 – Tension maximum appliquée à l’entrée de l’oscillo­scope ? . . . . . . . . . . . . 116

3.4.4 – Fréquence maximale des signaux à visualiser ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

3.4.5 – Nature des signaux à visualiser (variables ou répétitifs) ? . . . . . . . . . . . . 117

3.4.6 – Affichage des signaux dans le domaine fréquentiel ? . . . . . . . . . . . . . . . 117

3.5 – Évaluation des performances d’un oscillo­scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

3.5.1 – Performances générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

3.5.1.1 – Bande passante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

3.5.1.2 – Fréquence (ou taux) d’échantillonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

3.5.1.3 – Résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

3.5.1.4 – Profondeur mémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

3.5.1.5 – Mémoire segmentée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.5.1.6 – Rafraîchissement-écran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.5.2 – Résolution d’affichage et type d’écran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.5.3 – Ergonomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.5.4 – Autres « petits détails » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

3.6 – Mise à jour du matériel ou du logiciel (oscillo­scope numérique) . . . . . . . . . . . . 123

3.6.1 – Du logiciel… des bogues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

3.6.2 – Mises à jour officielles et non officielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

3.6.3 – Maintenance et vérification métrologique (recalibrage) . . . . . . . . . . . . . . 124

3.7 – Oscillo­scope d’occasion : une bonne affaire ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 3.8 – Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Chapitre 4 • Configuration de l’oscillo­scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.1 – Installation et position d’utilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.2 – Prise en main et visualisation d’une trace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.2.1 – Prise en main - Aucune trace visible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4.2.2 – Prise en main - Trace visible, mais trait horizontal fixe . . . . . . . . . . . . . . 131

4.2.3 – Prise en main - Trace visible, signal carré (signal CAL) ou presque sinus (signal doigt) : youpi ! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

4.2.4 – Réglages à la mise en route . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

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Oscilloscope 4.3 – Calibrage d’une sonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

4.3.1 – Réglage LF (Low Frequency, basse fréquence) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

4.3.2 – Réglage HF (High Frequency, haute fréquence) . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.4 – Modes de couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.4.1 – Couplage DC (continu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.4.2 – Couplage AC (alternatif) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.4.3 – Autres modes de couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

4.4.3.1 – Couplage « GND », « GD », « 0 » (masse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

4.4.3.2 – Filtrage HF / HF Reject (réjection haute fréquence) . . . . . . . . . . 141

4.4.3.3 – Filtrage BF / LF Reject (réjection basse fréquence) . . . . . . . . . . . 142

4.4.3.4 – Invert (inversion de polarité) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

4.5 – Modes de déclenchement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

4.5.1 – Déclenchement manuel (NORM, NORMAL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.5.2 – Déclenchement automatique (AT, AUTO, AUTO SETUP) . . . . . . . . . . . . . 150

4.5.3 – Déclenchement mono (MONO-COUP, ONE-SHOT, SINGLE) . . . . . . . . . . . 150

4.5.4 – Source et pente de déclenchement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

4.5.5 – Autres types de déclenchement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

4.5.5.a – Déclenchement Vidéo TV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

4.5.5.b – Déclenchement sur signal externe (EXT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

4.5.5.c – Déclenchement sur arrivée secteur (LINE) . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

4.5.5.d – Largeur d’impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

4.5.5.e – Intervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

4.5.5.f – Nombre d’impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

4.5.5.g – Motifs numériques (Patern) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

4.5.5.h – Runt Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

4.5.6 – HOLD-OFF (inhibition) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

4.5.7 – Mode Roll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

4.6 – Réglages essentiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.6.1 – Réglage de la sensibilité d’entrée (échelle verticale) . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.6.2 – Réglage de la base de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

4.7 – Visualisation simultanée de plusieurs signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

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4.7.1 – Affichage de traces séparées (oscillo­scope analogique) . . . . . . . . . . . . . 168


4.7.1.1 – Affichage de deux signaux en mode découpé (CHOP) . . . . . . . . . 168

4.7.1.2 – Affichage de deux signaux en mode alterné (ALT ou DUAL MODE) 169

4.7.2 – Affichage de traces combinées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

4.7.2.1 – Affichage de deux signaux en mode Addition . . . . . . . . . . . . . . . 170

4.7.2.2 – Affichage de deux signaux en mode Soustraction . . . . . . . . . . . . 172

4.7.3 – Affichage de traces calculées évoluées (autres que A+B ou A-B) . . . . . . . 173

4.8 – Utilisation des curseurs (marqueurs) de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 4.9 – Fonctions « spéciales » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

4.9.1 – Choix de l’impédance d’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

4.9.2 – Ajout d’une tension de décalage par l’oscillo­scope . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

4.9.3 – Voies isolées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Chapitre 5 • Mesures élémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5.1 – Mesure d’une tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

5.1.1 – Mesure d’une tension continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

5.1.2 – Mesure d’une tension alternative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

5.1.3 – Mesure d’une tension continue de décalage (offset) . . . . . . . . . . . . . . . . 197

5.1.4 – Mesure de tensions de très faible valeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

5.2 – Mesures temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

5.2.1 – Mesure d’un intervalle de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

5.2.2 – Mesure d’une période . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

5.2.3 – Mesure d’une fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

5.2.4 – Mesure d’un rapport cyclique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

5.2.5 – Mesure de déphasage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

5.2.6 – Mesure d’un temps de montée ou de descente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Chapitre 6 • Mesures et fonctions évoluées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 6.1 – Avertissements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 6.2 – Mesure de la tension du secteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

6.2.1 – Mesure avec une sonde différentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

6.2.2 – Mesure avec un transformateur d’isolement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

6.2.3 – Mesure avec un optocoupleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

6.3 – Mesures dans une alimentation secteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

6.3.1 – Mesure sur une alimentation secteur linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

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6.3.2 – Mesure sur une alimentation secteur à découpage . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

6.3.3 – Mesure sur alimentation secteur sans transformateur . . . . . . . . . . . . . . 230

6.4 – Mesure de bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.5 – Mesure en XY et figures de Lissajous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

6.5.1 – Mesure de déphasage entre deux signaux périodiques . . . . . . . . . . . . . . 239

6.5.2 – Affichage des caractéristiques d’un dipôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

6.6 – Valeurs calculées et traces calculées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

6.6.1 – Valeurs calculées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

6.6.2 – Courbes calculées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

6.7 – Analyse de protocole et décodage de données série (I2C, SPI, UART, etc.) . . . . 249

6.7.1 – Vérification de la validité électrique des signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

6.7.2 – Décodage de données série (généralités) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

6.7.3 – Décodage de données série I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

6.7.3.1 – Décodage manuel de données série I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

6.7.3.2 – Décodage automatique de données série I2C avec Picoscope 2204 . 257

6.7.3.3 – Décodage automatique de données série I2C avec Rigol DS1054Z 259

6.7.4 – Décodage de données série de données SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

6.7.4.1 – Décodage manuel de données série SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

6.7.4.2 – Décodage automatique de données série SPI avec Picoscope 3204D-MSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

6.7.4.3 – Décodage automatique de données série SPI avec Rigol DS1054Z . 265

6.7.5 – Décodage de données série UART/RS232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

6.7.5.1 – Décodage manuel de données série UART/RS232 . . . . . . . . . . . . 267

6.7.5.2 – Décodage automatique de données série UART/RS232 avec Picoscope 2204 ou 3204 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

6.7.5.3 – D  écodage automatique de données série UART/RS232 avec Rigol DS1054Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

6.7.6 – Décodage de données série sur bus différentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

6.8 – Analyse spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 6.9 – Mesures et fonctions spécifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

6.9.1 – Mesure de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

6.9.2 – Mesure d’impédance d’un dipôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

6.9.3 – Mesure de bande passante (réponse amplitude-fréquence) . . . . . . . . . . . 281

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6.9.3.1 – Mesure de bande passante en mode point par point . . . . . . . . . . 283

6.9.3.2 – Mesure de bande passante en mode wobulation . . . . . . . . . . . . . 284

6.9.4 – Mesure de jitter (gigue) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

6.9.5 – Diagramme de l’œil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

6.9.6 – Totaliseur/compteur d’événements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

6.9.7 – Générateur de fonction intégré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

6.9.8 – Interface de communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

6.9.9 – Écran tactile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

6.9.10 – Contrôle par la voix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

6.9.11 – Enregistrement des données (traces-écrans et configuration) . . . . . . . . 294

6.9.11.1 – Enregistrement des courbes affichées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

6.9.11.2 – Enregistrement de la configuration de l’oscillo­scope . . . . . . . . . 295

6.9.12 – Vérification d’une télécommande à infrarouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

6.9.13 – À la découverte de signaux inconnus… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

Chapitre 7 • Exercices (et solutions) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 7.1 – Exercice 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 7.2 – Exercice 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 7.3 – Exercice 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 7.4 – Exercice 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 7.5 – Exercice 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 7.6 – Exercice 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 7.7 – Exercice 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 7.8 – Exercice 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 7.9 – Exercice 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 7.10 – Exercice 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 7.x – Solution des exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

7.x.1 – Solution de l’exercice 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

7.x.2 – Solution de l’exercice 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

7.x.3 – Solution de l’exercice 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

7.x.4 – Solution de l’exercice 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

7.x.5 – Solution de l’exercice 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

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7.x.6 – Solution de l’exercice 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

7.x.7 – Solution de l’exercice 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

7.x.8 – Solution de l’exercice 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

7.x.9 – Solution de l’exercice 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

7.x.10 – Solution de l’exercice 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

Chapitre 8 • Les générateurs de signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 8.1 – Caractéristiques principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

8.1.1 – Technologie employée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

8.1.2 – Type de signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

8.1.3 – Fréquence du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

8.1.4 – Amplitude du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

8.1.5 – Types de sortie et protections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

8.1.6 – Caractéristiques propres aux générateurs numériques . . . . . . . . . . . . . . 320

8.1.7 – Modulations (AM, FM, sweep) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

8.1.8 – Choix d’un générateur de signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

8.2 – Utilité (et utilisation) d’un générateur de signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

8.2.1 – Mesure de bande passante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

8.2.2 – Mesure de distorsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

8.2.3 – Stimulus avec signaux non permanents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

8.2.4 – Validation du comportement d’un étage logique ou analogique . . . . . . . . 329

8.2.5 – Vérification des protections d’un circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

8.2.6 – Simulation de capteurs analogiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

Annexe 1 • Sécurité électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Annexe 2 • Numérisation d’un signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 A2.1 – Pourquoi numériser un signal analogique ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 A2.2 – Conversion analogique numérique (numérisation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 A2.3 – Fréquence d’échantillonnage (en hertz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 A2.4 – Quantification (en bits) et résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 A2.5 – Conversion numérique analogique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 Annexe 3 • Glossaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 Annexe 4 – Détournements inavouables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

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A4.1 – Transformer un téléviseur en oscillo­scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 A4.2 – Transformer un oscillo­scope en téléviseur… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 A4.3 – Transformer un oscillo­scope en phasemètre audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 A4.4 – Transformer un oscillo­scope en analyseur de spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Annexe 5 • P  hotographie des oscillogrammes sur oscillo­scope analogique . . . . . 359 Annexe 6 • Fabriquer soi-même une sonde ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 A6.1 – Fabriquer soi-même une sonde passive ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 A6.2 – Fabriquer soi-même une sonde active ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 A6.3 – Fabriquer soi-même une sonde différentielle ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Annexe 7 • Petits trucs cachés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Bande passante ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Dans le haut de la bande passante… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Dans le bas de la bande passante… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 En-dehors de la bande passante… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Résolution verticale ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Résolution supérieure à 8 bits avec CAN 8 bits ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Taux de rafraîchissement (update rate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Tension d’entrée maximale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Autres... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Limitation de bande passante automatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Limitation de bande passante par logiciel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Annexe 8 • Liens utiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

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Remerciements

Remerciements • À Elektor, pour leur confiance renouvelée. • À la société OVIO France, pour le sérieux de leur service après-vente et la licence de décodage des données série, gracieusement accordée pour l’oscillo­scope Rigol DS1054Z acheté chez eux. • À la société Digital Vision, pour le généreux don de leurs oscillo­ scopes vidéo Tektronix. • À la société PicoTech pour le prêt de leur sonde différentielle. • À Édouard, pour ses relectures attentives et remarques constructives. • À Marie-Christiane, pour son aide dans les corrections et pour sa maison au bord de l’eau qui m’ont aidé à mieux organiser les chapitres de ce livre. À moi-même, pour m’être laissé aller à mes envies.

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Chapitre 1 • Introduction L’oscillo­scope est un objet fascinant. Non seulement il permet de voir la forme de signaux invisibles à l’œil humain, mais en plus il nous apprend des tas de choses difficiles à imaginer. Longtemps réservé aux laboratoires et services après-vente, il est désormais accessible pour une somme modique. Ce qui le rend accessible même au débutant, qui aura de plus en plus de mal à trouver une excuse pour ne pas l’avoir sur un coin de l’établi. J’avais 16 ans, le jour où je me suis lancé dans la construction d’un oscillo­scope proposé en kit par l’institut Electroradio (Oscillo­scope 70 avec tube cathodique DG7-32). À cette époque, on ne parlait pas d’Internet, mais l’électronique qui n’en finissait pas de grandir était montrée comme LE métier d’avenir : toutes les revues d’électronique y consacraient de pleines pages de publicité. L’appareil avec lequel j’allais faire connaissance, avec son écran rond et vert qui me regardait comme un œil douteux, fonctionnait avec des tubes (lampes) et de hautes tensions. Des hautes tensions qui auraient pu me faire peur et me décourager. Mais je n’étais pas plus effrayé que lors de la construction de mon premier stroboscope avec son tube à éclat au xénon, qui lui aussi nécessitait une tension élevée. J’ai assemblé les pièces de l’oscillo­scope, en suivant scrupuleusement les indications données dans le manuel qui l’accompagnait. Et, je dois bien le reconnaître, sans comprendre la moitié ni même le quart de ce que je faisais. À la première mise sous tension de l’oscillo­scope, qui ne se fit pas sans appréhension, une courbe rectiligne horizontale est apparue à l’écran. J’étais fier de moi, l’appareil n’avait pas explosé. Mais ma réjouissance fut de courte durée. En appliquant un signal sinusoïdal à l’entrée de l’oscillo­scope, la courbe affichée présentait un tassement de plus en plus marqué sur la partie droite de l’écran. La courbe était certes lumineuse et stable, mais un oscillo­scope digne de ce nom n’a pas le droit de détériorer à ce point une simple sinusoïde. J’ai tout de suite mis en cause mon câblage, je devais avoir fait une erreur lors de l’assemblage des composants. J’ai donc démonté entièrement l’appareil, pour le reconstruire en repartant de zéro. Et après remontage, le même problème réapparut. Ce jour-là, j’éprouvais une grande déception. Car je ne savais pas comment fonctionnait l’appareil, et j’étais bien incapable de localiser le problème. Alors je l’ai mis de côté, pour l’offrir plus tard à un ami, que le défaut (que j’avais bien sûr signalé) ne gênait pas. Il devait sans doute savoir où chercher… Cette première expérience avec un oscillo­scope m’a déçu, mais ne m’a nullement découragé. Après tout, quand j’ai débuté en électronique, neuf montages sur dix que je fabriquais ne fonctionnaient pas (et j’aime bien le répéter). Il est clair qu’aujourd’hui, j’aurais été en mesure de remettre moi-même en état cet oscillo­scope récalcitrant. Surtout avec la panoplie d’oscillo­scopes analogiques et numériques qui peuplent maintenant mon atelier... Je pense pouvoir comprendre la frustration, les questions ou même la peur que peut éprouver un débutant devant un oscillo­scope, car moi-même les ai vécues, face à un appareil fonctionnel. Pour celui qui débute, l’oscillo­scope peut, au premier abord, laisser présager une incroyable complexité, tant par son fonctionnement que par son utilisation. Ce sentiment est normal, il y a beaucoup de boutons de réglage (et pourtant parfois pas assez, je développerai ce point plus tard). Mais cette complexité n’est qu’apparente, et après avoir compris les bases de son fonctionnement, l’usage de l’appareil s’en trouve simplifié et l’on ne peut plus s’en passer.

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Chapitre 1 • Introduction

Tout au long de ce livre, j’ai essayé de me remettre à la place du débutant, en oubliant les réflexes que j’ai acquis au fil du temps. Ce n’est pas à moi de dire si j’ai réussi ce pari. Mais si j’en crois un vieil adage, peu importe si la flèche de l’arc arrive au centre de la cible, le principal est qu’elle s’envole. Alors j’espère que tout comme moi, vous prendrez et poursuivrez votre envol, quels que soient les obstacles à affronter. Je souhaite toujours à mes élèves de faire le maximum d’erreurs, et je vous le souhaite à vous aussi. Mais s’il vous plaît, respectez les précautions d’usage et les avertissements parsemés ici ou là. Je serais sincèrement peiné d’apprendre que vous avez explosé avec votre établi.

1.1 – Qu’est-ce qu’un oscillo­scope ? Pour bien comprendre tout ce qui sera dit dans cet ouvrage — et avant même d’aborder les détails qui caractérisent les oscillo­scopes numériques, un petit rappel sur la structure d’un oscillo­scope analogique est nécessaire. Un courant électrique résulte d’un phénomène lié au mouvement des électrons. Et du fait de la petite taille des électrons, on ne peut pas compter sur nos yeux pour suivre leurs mouvements. Cela est terriblement frustrant, surtout pour ceux qui s’intéressent de près à l’atome. Heureusement arriva le jour (il n’y a pas si longtemps que ça, puisque cela se passait au vingtième siècle) où d’ingénieuses personnes mirent au point un appareil électronique qui permettait, grâce à un écran cathodique, d’examiner la forme d’une tension électrique – ou du courant électrique que cette tension provoquait – dans un circuit. L’oscillo­scope était né. Un oscillo­scope n’est ni plus ni moins qu’un appareil qui permet de visualiser (sur un écran) l’évolution dans le temps d’un signal électrique. Il permet aussi de visualiser une grandeur autre qu’un signal électrique (pression d’air, température ou courant, par exemple) dès l’instant où cette grandeur est préalablement convertie en une tension. Cela concerne donc tous les domaines électriques et électroniques, mécaniques, des mondes analogique et numérique. Quand on débute en électronique, on pense avant tout à l’oscillo­scope de l’électronicien. Mais le champ d’application d’un oscillo­scope est très vaste : le radar de surveillance aérienne et le microscope électronique en sont tous deux dérivés. Le signal qu’on souhaite observer est affiché sur un écran sous la forme d’une trace lumineuse appelée oscillogramme, comme celle montrée en figure 1.1.a.

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Figure 1.1.a – Tracé lumineux d’oscillo­scope (oscillogramme) qui dans le cas présent montre un signal électrique alternatif de forme triangulaire. L’affichage du signal à observer se fait en deux dimensions : hauteur (échelle verticale) et largeur (échelle horizontale). L’écran est quadrillé en plusieurs zones d’égale largeur, chaque portion verticale ou horizontale du quadrillage s’appelle une division (div). La division de l’écran en petites parties permet de faciliter la lecture des paramètres « largeur » et « hauteur » du signal affiché. Sur la figure 1.1.b, l’écran est divisé verticalement en huit parties égales, et est divisé horizontalement en dix parties égales.

Figure 1.1.b – Écran d’oscillo­scope avec divisions horizontales et verticales. Les marques de divisions forment une grille appelée graticule. Le nombre de divisions peut différer d’un oscillo­scope à l’autre. Remarque : le nombre de divisions verticales et horizontales peut varier selon le modèle d’oscillo­scope.

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Chapitre 1 • Introduction

L’échelle verticale renseigne sur l’amplitude du signal électrique qu’on souhaite visualiser. Elle est exprimée en volts par division (V/div). Nous verrons plus loin (au chapitre Configuration de l’oscillo­scope) que cette unité « V/div » peut exprimer des millivolts, des volts ou des dizaines de volts. En d’autres termes, ce qui sépare deux divisions verticales ne fait pas forcément référence à « 1 V par division ». L’échelle horizontale renseigne sur la portion de temps pendant laquelle le signal est observé. Elle est exprimée en secondes par division (s/div). Nous verrons plus loin que cette unité « s/div » peut exprimer des nanosecondes, des microsecondes, des millisecondes ou des secondes, voire des dizaines de secondes. En d’autres termes, ce qui sépare deux divisions horizontales ne fait pas forcément référence à « 1 seconde par division ». Remarques : • Sur les premiers oscillo­scopes, les divisions étaient appelées « cm » et la notice indiquait une sensibilité « par cm » (100 uV/cm à 20 V/cm pour l’oscillo­scope HP 140A, par exemple). Chaque division pouvait correspondre à une distance de 1 cm… ou n’importe quelle autre valeur (0,72 cm par division sur le HP 1744A, par exemple). Au fil du temps, le terme « div » (division) allait devenir de plus en plus approprié puisque le terme « cm » devait obligatoirement faire référence à une longueur de 1 cm, valeur à laquelle tous les fabricants n’avaient pas forcément envie de se plier. • L’utilisation classique d’un oscillo­scope permet de montrer l’évolution d’une grandeur en fonction du temps. Mais un oscillo­scope doté de deux entrées peut aussi parfois montrer l’évolution d’une grandeur par rapport à l’évolution d’une autre grandeur (composition de signaux, courbe de Lissajous, mode XY, cela sera vu plus loin). • L’oscillo­scope est avant tout un appareil de contrôle et non un appareil de mesure. Mais s’il est suffisamment performant et dès lors que l’on connaît ses limites, on peut l’utiliser pour effectuer des mesures. Finalement, un « contrôle » peut parfois être considéré comme une mesure de faible précision. Dans le domaine amateur, une précision de mesure de 5 % est généralement suffisante. Il existe de nombreux types de signaux électriques dans la nature et dans le laboratoire du technicien. Ces signaux peuvent posséder des caractéristiques très différentes : amplitude faible ou élevée, fréquence basse ou élevée, forme simple ou complexe. Le signal électrique délivré par un corps humain et mis en évidence par un électrocardiogramme ou encéphalogramme (avec électrodes et gel conducteur) n’a pas beaucoup de rapport avec la tension secteur 230 V délivrée par EDF/ERDF. Pourtant, il s’agit dans les deux cas de signaux électriques qui évoluent dans le temps, chacun à leur manière, et qu’on peut visualiser sur un écran d’oscillo­scope (exemple de signal issu d’un électrocardiogramme en figure 1.1.c).

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Figure 1.1.c – Les impulsions électriques liées à l’activité d’un cœur humain peuvent être observées sur un oscillo­scope. Il en va de même d’une source de tension alternative délivrée par un fournisseur d’électricité domestique. Dans les deux cas, on peut visualiser un signal électrique qui évolue dans le temps à une vitesse lente (que l’œil humain peut suivre) ou à une vitesse élevée (que l’œil humain ne peut pas suivre). Pour qu’un oscillo­scope puisse afficher ces différents types de signaux de manière correcte, il lui faut disposer de réglages permettant de s’y adapter. Premièrement, il lui faut un réglage de « sensibilité » qui permet d’amplifier ou atténuer le signal qu’on souhaite visualiser. Quand ce réglage est bien ajusté et que la trace lumineuse prend la place adéquate sur la verticalité de l’écran, on peut voir avec précision des signaux de faible amplitude (quelques millièmes de volt par exemple) ou des signaux de forte amplitude (plusieurs dizaines de volts). Deuxièmement, l’oscillo­scope doit disposer d’un réglage de la « vitesse de balayage » qui permet de donner à la trace lumineuse la « place idéale » sur la largeur de l’écran. Avec ces deux réglages, l’oscillo­scope est quasiment prêt pour montrer avec précision la manière dont évoluent des signaux quelconques, qu’ils soient de fréquence basse ou élevée. Nous reviendrons bien sûr en détail sur ces deux réglages « hauteur/amplitude » et « largeur/vitesse » qui reposent sur des concepts fondamentaux. L’oscillo­scope est un appareil très souvent utilisé en électronique, car il permet de voir des signaux électriques en divers points d’un montage, ce que ne permet pas un simple multimètre. Il est l’outil idéal de celui qui conçoit ou dépanne un circuit. Ce n’est pas pour rien qu’on a donné à l’oscillo­scope le surnom « œil de l’électronicien ». Remarque : certains oscillo­scopes, en plus de jouer le rôle de « visualiseur de signaux », peuvent également jouer le rôle de « générateur de signaux ». Nous verrons plus loin en quoi une telle option/extension peut être utile.

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1.2 – Fonctionnement de base d’un oscillo­scope analogique Un oscillo­scope analogique « de base » est relativement simple à fabriquer. En simplifiant à l’extrême, il se résume à : • un tube cathodique pour l’affichage, • à un étage d’amplification en tension (pour pouvoir visualiser des signaux de faible amplitude), • à un circuit oscillateur délivrant un signal en forme de rampe (dent de scie). Ce chapitre décrit comment l’oscillo­scope fonctionne. Il ne décrit pas comment faire une mesure, cela sera expliqué aux chapitres Mesures élémentaires et Mesures avancées.

1.2.1 – Synoptique (bloc-diagramme) général Le synoptique simplifié de la figure 1.2.1.a permet de voir les blocs fonctionnels (sous-ensembles) qui constituent la base d’un oscillo­scope analogique.

Figure 1.2.1.a – Synoptique général d’un oscillo­scope analogique, avec son amplificateur en tension, son système de synchronisation et sa base de temps qui délivre un signal périodique en forme de rampe. L’amplificateur d’entrée permet d’appliquer un signal d’amplitude suffisante au tube cathodique. Ce dernier en effet fonctionne avec (et nécessite) des tensions élevées. Le générateur de rampes (fournisseur officiel des dents de scie) permet de « dire » au tube à quel endroit de l’écran il doit afficher le signal à visualiser, à un instant donné. Ce générateur peut délivrer des rampes de plusieurs façons : • en permanence, les unes à la suite des autres, et sans tenir compte de la nature du signal à visualiser. Ce mode est dit AUTOMATIQUE ou LIBRE (free) ;

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• en synchronisme avec le signal à visualiser. Dans ce cas, on parle de mode NORMAL, c’est le mode le plus utilisé en situation… normale ; • En synchronisme avec un signal externe dont la forme peut être différente du signal à visualiser. En fonction du mode sélectionné, l’affichage de la trace peut être stable ou instable. Ces différents modes seront expliqués au chapitre Configuration de l’oscillo­scope, paragraphe Modes de déclenchement. Pour résumer : la position verticale du « spot » sur l’écran (point lumineux qui sert à dessiner une « trace ») dépend de l’amplitude du signal d’entrée et des réglages de l’amplificateur de tension. Sa position horizontale dépend quant à elle de la tension du signal en forme de rampe (dent de scie) issu du générateur de base de temps. Nous verrons plus précisément à quoi se rapportent les mots « spot » et « trace » au paragraphe Tube électronique.

1.2.2 – Tube électronique (tube cathodique, CRT) CRT = Cathode Ray Tube = tube à rayon cathodique (ou tube cathodique) Quand on fait chauffer à rouge un métal dans le vide, un nuage d’électrons s’en échappe. La densité de ce nuage d’électrons dépend du métal utilisé. Le tungstène par exemple fait partie des métaux et alliages qui produisent une grande densité d’électrons. Le fonctionnement du tube cathodique repose sur ce principe. Une cathode émissive (qui émet des électrons) est chauffée par un filament qui en est totalement isolé d’un point de vue électrique, car il ne sert que pour le chauffage (on parle de cathode à chauffage indirect). Cela a pour effet de libérer une grande quantité d’électrons qui s’ils frappent une surface fluorescente (par exemple du sulfure de zinc) provoquent une illumination (les électrons qui avaient acquis une certaine quantité d’énergie cinétique se trouvent brutalement stoppés dans leur course, et le « choc » provoque une émission de photons). Le problème avec ces électrons « libres », c’est qu’ils partent dans tous les sens autour de la cathode : si l’on place un écran fluorescent en face de la source d’électrons, peu d’entre eux viennent le frapper. La luminosité est dans ces conditions faible et « aléatoire », et forme une sorte de brouillard lumineux. Ce qu’on cherche à faire pour contourner ce problème de dispersion non souhaité, c’est concentrer les électrons pour que la majorité d’entre eux frappent l’écran sur une zone restreinte et bien définie, pour créer un point lumineux (« spot » qui deviendra une trace si on le fait bouger). Pour atteindre cet objectif, on attire les électrons (qui possèdent une charge négative) à l’aide d’une tension positive appliquée sur une surface appelée Anode, laquelle est placée juste après la cathode. Ce premier ensemble, qui forme un canon à électrons, fonctionne malheureusement trop bien et l’on se retrouve avec une grande quantité d’électrons qui viennent frapper l’écran sur une petite surface. Le point d’impact forme alors un point lumineux intense, tellement intense qu’il peut brûler la surface fluorescente… ce qui bien sûr n’est pas le but. Pour limiter de manière contrôlée la densité du faisceau d’électrons, on place une petite grille entre la cathode qui émet les électrons et l’anode qui les attire. Cette grille, appelée grille de wehnelt, est portée à un potentiel négatif ajustable, qui peut aller de 0 V à quelques dizaines de volts. Comme la tension appliquée sur cette grille est

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négative, cela a pour conséquence de freiner le flux d’électrons (charges négatives contre négatives, il y a conflit). Ainsi, plus la tension appliquée sur la grille de wehnelt est élevée, et plus la quantité d’électrons qui arrivent vers l’anode (et donc sur l’écran) est faible. Notons au passage que cette grille de wehnelt assure aussi un rôle de protection de la cathode, en empêchant un retour vers elle d’ions positifs qui la vieilliraient prématurément. Un peu de mal à suivre ? C’est normal, je ne vous ai pas encore suggéré de regarder la figure 1.2.2.a.

Figure 1.2.2.a – Vue simplifiée d’un tube électronique. Sous l’effet de la chaleur provoquée par le filament, la cathode émet un grand nombre d’électrons, un peu dans tous les sens. Ces électrons sont concentrés (canalisés) grâce à l’anode, et forment un faisceau étroit dont on peut faire dévier la trajectoire à l’aide de plaques de déviation. Le faisceau atterrit finalement sur l’écran fluorescent, qui émet un point lumineux appelé spot. Ce spot, si on le déplace sur l’écran, permet de dessiner une trace lumineuse. Maintenant que nous avons trouvé un moyen de concentrer le flux d’électrons (et de le modérer si nécessaire), il nous reste à trouver comment le diriger vers la partie de l’écran qui nous intéresse. Pour cela, rappelons qu’un faisceau d’électrons est sensible aux champs électriques et magnétiques. Si l’on approche un aimant d’un tube cathodique en cours de fonctionnement, la trajectoire du faisceau d’électrons est déviée (le faisceau est repoussé ou attiré selon le pôle - Nord ou Sud - de l’aimant présenté) et le point lumineux se déplace sur l’écran. En déplaçant l’aimant à gauche, à droite, en haut et en bas de l’écran, on se rend compte que le faisceau (et donc le point lumineux) suit son mouvement. Eh bien la voilà notre solution ! Plaçons des plaques conductrices supplémentaires dans le tube, à la suite de l’anode, et soumettons ces plaques à des tensions électriques de valeur contrôlée. Ces tensions électriques provoquent des champs électrostatiques d’autant plus intenses que les tensions sont élevées. Ces champs électrostatiques sont alors en mesure de faire dévier le faisceau d’électrons dans le plan vertical ou dans le plan horizontal. Il n’est donc pas très surprenant d’appeler ces plaques des plaques de déviation. Remarques : • les plaques de déviation qui sont situées plus près de la cathode ont une influence plus grande que celles qui sont plus éloignées. Leur sensibilité (quantité de déviation du faisceau d’électrons en fonction de la tension) est donc différente. En pratique, cela ne pose pas de problèmes particuliers, car ces différences de sensibilité se compensent facilement.

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• dans un téléviseur avec tube cathodique, la déviation du faisceau peut être obtenue par des champs magnétiques créés par des bobines (appelées bobines de déviation, on parle dans ce cas de déflexion magnétique). Notons au passage que la déviation causée par des bobines de déflexion est moins rapide que celle obtenue par des plaques de déflexion électrostatique, car une bobine s’oppose naturellement au passage du courant (celui-là même qui donne naissance au champ magnétique). Pour résumer : • la cathode émet des électrons en désordre ; • la grille de wehnelt et l’anode (ou les anodes) permettent de concentrer et d’accélérer le faisceau d’électrons pour l’envoyer vers la surface fluorescente de l’écran (on peut dire que les anodes jouent le rôle de « lentilles » électrostatiques, ces premiers éléments forment un canon à électrons) ; • les plaques de déviation permettent de modifier la trajectoire du faisceau d’électrons, et donc de placer le point lumineux où l’on veut sur l’écran. Retenons tout de suite que si l’on applique la même tension à deux plaques de déviation parallèles (plaques horizontales ou plaques verticales) leur action se compense et le faisceau n’est pas dévié. Pour provoquer une déviation, il faut une différence de potentiel entre les deux plaques de la paire horizontale ou entre les deux plaques de la paire verticale. • les électrons qui frappent l’écran perdent leur énergie et poursuivent leur chemin dans la couche de graphite qui recouvre l’écran et qui est portée au potentiel de l’anode. À ce moment, il y a émission de rayons X, dont la plus grosse partie est retenue par du plomb situé dans le verre de l’écran (il faut bien protéger l’utilisateur, qui s’il est en bonne santé n’a pas besoin d’être radiographié à tout bout de champ). Si aucune tension n’est appliquée sur les plaques de déviation, alors le faisceau d’électrons arrive en plein centre de l’écran et forme un point lumineux (spot) fixe. Si une tension est appliquée sur les plaques de déviation horizontale alors que les plaques de déviation verticale restent « neutres », alors le faisceau d’électrons – et donc le point lumineux sur l’écran – se décale vers la gauche ou la droite. Si une tension est appliquée sur les plaques de déviation verticale alors que les plaques de déviation horizontale restent « neutres », alors le faisceau d’électrons – et donc le point lumineux sur l’écran – se décale vers le haut ou le bas. En appliquant en même temps une tension sur les plaques de déviation horizontale et une tension sur les plaques de déviation verticale, on peut déplacer le point lumineux à n’importe quel endroit de l’écran.

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En fin de compte, et pour profiter de ces caractéristiques dans un mode d’utilisation « oscilloscope », la tension appliquée aux plaques de déviation verticale sera une image fidèle de l’amplitude du signal qu’on souhaite visualiser, et la tension appliquée aux plaques de déviation horizontale évoluera toujours de la même manière, en forme de rampe (cette fameuse rampe de la base de temps qui est ou non répétitive, et dont nous aurons l’occasion de reparler en détail). Remarques : • Quand le spot se déplace, il forme une trace. L’intensité lumineuse du spot ou de la trace est directement liée à la densité du faisceau d’électrons et de la vitesse de son déplacement (plus il va vite sur l’écran, et moins la trace est lumineuse). La luminosité dépend également de la « vitesse d’écriture » du tube (donnée communiquée par le fabricant) qui renseigne sur la vitesse à ne pas dépasser pour que le faisceau d’électrons dessine correctement la trace. Ordre de grandeur de la « vitesse d’écriture » : 1500 à 2000 cm/µs. • Sur certains vieux oscillo­scopes, on pouvait choisir en option le type de tube. Par exemple avec l’oscillo­scope HP 140A, quatre types de tubes étaient disponibles : tube P2 pour usage normal, tube P7 pour longue persistance, tube P11 pour effacement rapide de la trace et tube P1 ou P31 par défaut. La rémanence de la trace qui détermine le temps d’extinction de la trace une fois le faisceau d’électrons passé est généralement comprise entre 100 ms et 1 seconde. Important : l’absence de balayage horizontal et vertical provoque l’affichage d’un spot (point) lumineux à un endroit fixe de l’écran, ce qui peut l’endommager de façon irrémédiable par brûlure. Si l’écran affiche un point fixe, il faut rapidement baisser l’intensité du faisceau (par le biais du réglage de luminosité) et réactiver le balayage horizontal (vérifier en particulier que le mode XY n’est pas activé, nous verrons plus loin à quoi sert ce mode). Astuce : les mises en route et arrêts d’un oscillo­scope analogique stressent le tube cathodique. Plutôt que d’éteindre l’appareil à l’heure du déjeuner, il vaut mieux le laisser allumé et diminuer au maximum la luminosité de la trace. Si au réglage minimum de luminosité la trace apparaît encore, on peut la décaler hors de l’écran, en haut ou en bas. Pour augmenter la durée de vie du tube (qui à l’usage se fatigue et finit par devenir moins lumineux), il faut régler l’intensité du spot au minimum requis. L’idée est d’avoir une trace à l’écran, pas d’éclairer son laboratoire. Remarque : le tube cathodique d’un oscillo­scope analogique (CRT, Cathode Ray Tube) est du même type que celui qui équipe un téléviseur ou un moniteur informatique avec écran cathodique (CRT). Le mode d’utilisation de la déviation du faisceau d’électrons diffère, car on ne cherche pas à dessiner la même chose sur l’écran (trace sur l’oscillo­scope et image sur le téléviseur). Mais si on le désire, on peut transformer un oscillo­scope en téléviseur, ou transformer un téléviseur en oscillo­scope. Ce point sera abordé à la fin du livre.

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Compensation du champ magnétique terrestre Nous avons vu que le faisceau d’électrons peut être plus ou moins dévié de sa trajectoire sous l’effet d’un champ magnétique. Le champ magnétique terrestre peut exercer une influence non négligeable sur le faisceau d’électrons. À cause de lui, une trace qui devrait être parfaitement rectiligne à l’écran peut ne pas l’être. Pour limiter au maximum l’influence du champ magnétique terrestre, le tube cathodique est entouré par une enveloppe de protection généralement en mu métal (matériau qui offre un blindage très efficace, mais qui est aussi très coûteux). La protection apportée par une telle enveloppe n’est cependant pas suffisante, et une petite déviation parasite du faisceau peut subsister, en fonction de la position de l’oscillo­scope sur la table de travail (et donc de sa position géographique terrestre). Certains oscillo­ scopes mettent à disposition un réglage destiné à compenser l’éventuel décalage de la trace, ce réglage peut par exemple être appelé TR (Trace Rota­ tion). Quand il existe, il peut se trouver sur la face avant ou à l’arrière de l’appareil. Voir exemples en figure 1.2.2.b.

Figure 1.2.2.b – Le réglage de « rotation de trace » (TR = Trace Rotation) sur les oscillo­scopes analogiques permet de compenser l’influence du champ magnétique terrestre sur la position de la trace affichée à l’écran. Remarque : sur un oscillo­scope numérique avec écran plat LCD, TFT ou OLED (sans faisceau d’électrons), la trace ne peut pas être déviée à cause du champ magnétique terrestre. Un tel réglage de compensation TR est donc inutile et partant inexistant.

1.2.3 – Amplificateurs Le signal qu’on souhaite visualiser ne possède que rarement une amplitude suffisante pour permettre une déviation notable du faisceau d’électrons dans le tube cathodique. Si on l’injectait tel quel sur les plaques de déviation verticale, la trace lumineuse ne s’écarterait pas ou s’écarterait très peu de sa position centrale. Pour s’adapter à des sources de tension dont l’amplitude peut varier dans de grandes proportions, l’oscillo­scope est doté d’un amplificateur en tension précédé d’un atténuateur ajustable par l’utilisateur. Avec ces deux éléments (atténuateur et amplificateur), on peut disposer d’une tension « normale et suffisante » pour piloter les plaques de déviation verticale du tube cathodique, et ceci avec un signal à observer (appliqué à l’entrée de l’oscillo­scope) d’une amplitude de quelques millivolts ou de plusieurs volts.

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L’étage d’entrée de l’oscillo­scope permet en outre de disposer d’une impédance d’entrée fixe et de valeur élevée, en général de 1 MΩ en parallèle avec une capacité de quelques picofarads ou dizaines de picofarads (pF). Nous verrons très bientôt que ces deux paramètres « impédance d’entrée » et « capacité d’entrée » jouent un rôle important dans la validité d’une mesure. Remarque : un jour, l’auteur eut l’occasion de travailler avec un technicien qui lui avoua avoir déconnecté l’amplificateur d’entrée de son oscillo­ scope pour injecter un signal HF (Haute Fréquence) directement aux bornes des plaques de déviation verticales (ledit signal HF provenait d’une sonde de contrôle en sortie d’un émetteur TV). Cela permettait, affirmait-il, de s’affranchir de la limitation de la bande passante de l’amplificateur d’entrée. Le signal affiché n’était pas stable, mais cela lui importait peu. Après avoir « étalonné » son oscillo­scope ainsi modifié, cet ami pouvait dire si l’amplitude du signal HF ainsi « mesuré » était ou non correcte. Cela rappela à l’auteur une modification qu’il avait effectuée sur un téléviseur noir et blanc pour le transformer en oscillo­ scope géant (point discuté en annexe 4).

1.2.4 – Base de temps et balayage La « quantité de déviation horizontale » (degré de déplacement horizontal) du faisceau d’électrons dans le tube cathodique est directement lié à la valeur de la tension qu’on applique sur les plaques de déviation horizontale. L’action qui consiste à déplacer de manière automatique le point lumineux de la gauche vers la droite de l’écran s’appelle le balayage. Sans balayage, le faisceau d’électrons n’est pas dévié de sa trajectoire rectiligne dans le tube, et l’oscillo­scope ne peut afficher aucune trace dans le plan horizontal (mais il le pourrait dans le plan vertical). Tout au plus montre-t-il dans ce cas un point lumineux sans grand intérêt, qui, rappelons-le, présente en outre un danger potentiel de brûlure pour la surface fluorescente de l’écran. C’est ce que montre la figure 1.2.4.a.

Figure 1.2.4.a – Si l’on ne fait pas dévier le faisceau d’électrons ni dans le sens vertical (aucune tension à l’entrée de l’oscillo­scope) ni dans le sens horizontal (pas de balayage), cela se traduit par un point lumineux fixe au centre de l’écran. Point qui ne présente guère d’intérêt et risque de brûler le revêtement fluorescent.

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Le balayage (horizontal) consiste à appliquer sur les plaques de déviation horizontale, une tension en forme de rampe rectiligne montante, en commençant par une valeur minimale et en terminant par une valeur maximale. Quand les plaques de déviation horizontale reçoivent la tension minimale, le faisceau d’électrons est dévié sur « la gauche » et le spot (point lumineux) se retrouve complètement à gauche de l’écran (le plus à gauche possible, tout en restant visible). Quand les plaques de déviation horizontale reçoivent la tension maximale, le faisceau d’électrons est dévié sur « la droite » et le spot se retrouve complètement à droite de l’écran (là encore en restant visible). En faisant varier la tension de déviation horizontale d’une manière fluide et régulière (signal en forme de rampe rectiligne montante), le spot se déplace de gauche à droite à une vitesse constante. Remarque : à partir d’une certaine vitesse de déplacement du spot et du fait de la rémanence du tube, on ne voit plus un point qui se déplace, mais un trait lumineux. Une fois le spot arrivé à l’extrémité droite de l’écran, il peut retourner à gauche de façon très rapide. Pour cela, il suffit de faire redescendre d’un coup la tension de commande de déviation horizontale (à ce moment-là, on éteint le faisceau d’électrons pour ne pas voir le point lumineux retourner à son point de départ). Si juste après cela la tension de déviation horizontale recommence son cycle de montée rectiligne, alors on obtient un signal électrique en forme de dent de scie et le spot se déplace une nouvelle fois sur l’écran de la gauche vers la droite, voir figure 1.2.4.b. Ce mode de balayage régulier et sans interruption, dans lequel le spot effectue en permanence des va-et-vient sur l’écran, est appelé mode automatique (nous verrons au chapitre qui traite des modes de déclenchement que le terme AUTO peut avoir plusieurs significations).

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Figure 1.2.4.b – Dans un mode de fonctionnement « automatique », la tension appliquée sur les plaques de déviation horizontale du tube cathodique de l’oscillo­scope augmente linéairement d’un minimum à un maximum, puis redescend brutalement à son minimum avant de repartir pour un cycle de croissance linéaire. Ce type de signal, composé d’une succession de rampes montantes, est appelé dent de scie à cause de sa forme caractéristique. La vitesse de déplacement du spot (temps que met la dent de scie pour passer de sa valeur minimale à sa valeur maximale) est définie par la valeur de la base de temps. Si l’utilisateur règle celle-ci à 10 ms/div (10 millisecondes par division) et si l’écran est divisé en 10 parties égales dans le sens de la largeur, cela signifie que le spot mettra 100 ms pour parcourir toute la largeur de l’écran (10 ms x 10 divisions). Si sur la même machine l’utilisateur règle la base de temps à 100 us/div (100 microsecondes par division), cela signifie que le spot mettra 1 ms pour parcourir toute la largeur de l’écran (100 us x 10). À retenir : la durée représentée par une division horizontale n’est pas toujours la même, puisqu’elle varie en fonction du réglage de la base de temps ajustée par l’utilisateur. Sur l’écran d’un oscillo­scope analogique simple (exempt d’informatique embarquée), on peut afficher une courbe, mais pas la valeur en cours de la base de temps. Pour cette raison, l’utilisateur doit garder en tête la valeur de la base de temps actuellement sélectionnée. Sur les appareils récents, la valeur de la base de temps est (ou peut être) affichée en clair à l’écran.

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Le déplacement du spot de gauche à droite peut être lent ou rapide, au choix de l’utilisateur. S’il est suffisamment rapide, alors la trace prend l’allure d’un trait fixe comme on peut le voir en figure 1.2.4.c.

Figure 1.2.4.c – Une fois le balayage activé, le spot (point lumineux) se déplace de gauche à droite, à une vitesse plus ou moins élevée et qui dépend du réglage de la base de temps. Si le spot se déplace vite et de manière répétée (mode automatique) on voit un trait « fixe » et non plus un point en déplacement. Remarque  : quand le balayage est moyennement lent, on peut observer une sorte de « scintillement » gênant pour l’œil. Sur certains appareils, il est possible de limiter cette gêne grâce à un réglage de durée de persistance de la trace lumineuse, qui quand il est bien ajusté permet de conserver l’ancienne trace à l’écran jusqu’à l’arrivée de la suivante (ce réglage permet aussi de visualiser plus confortablement des événements qui arrivent occasionnellement et qui apparaissent donc moins lumineux que le reste). Ce problème n’existe pas avec les oscillo­ scopes numériques, dont l’écran est exempt de rémanence (rémanence qui toutefois peut être simulée avec une option de persistance logicielle). Quand on allume un oscillo­scope, et en admettant que les réglages soient ceux « de base », alors on a toutes les chances de voir un tel trait lumineux. Ce dernier confirme que la fonction de balayage est active. Si maintenant on applique à l’entrée de l’oscillo­scope une tension continue de valeur fixe (prélevée sur une pile par exemple), la trace lumineuse se déplace verticalement (vers le haut ou vers le bas, selon la polarité de la source de tension) et reste à sa nouvelle position tant que la source de tension est présente et ne change pas de valeur. Le degré d’éloignement de la trace par rapport au centre de l’écran dépend de l’amplitude de la tension appliquée à l’entrée de l’oscillo­scope, mais aussi du réglage de l’échelle verticale (à ce stade, il se peut que ce réglage ne permette pas un grand déplacement de la trace, ou au contraire que la trace sorte complètement de l’écran. Nous y reviendrons, bien sûr). Si la tension appliquée à l’oscillo­scope est positive par rapport à la masse, la trace lumineuse se décale vers le haut de l’écran. Voir figure 1.2.4.d.

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Figure 1.2.4.d — Si l’on applique une tension continue positive sur l’entrée de l’oscillo­ scope, le trait lumineux se décale vers le haut de l’écran. Le degré de décalage par rapport au centre de l’écran dépend de la valeur de la tension d’entrée et du réglage effectué sur l’échelle verticale (nombre de volts par division). Si la tension est négative par rapport à la masse, alors la trace lumineuse se décale vers le bas de l’écran, voir figure 1.2.4.e. Là encore, le degré d’éloignement de la trace par rapport au centre de l’écran dépend de la tension appliquée à l’entrée de l’oscillo­scope et du réglage de l’échelle verticale.

Figure 1.2.4.e – Si l’on applique une tension continue négative sur l’entrée de l’oscillo­scope, le trait lumineux se décale vers le bas de l’écran. Le degré de décalage par rapport au centre de l’écran dépend de la valeur de la tension d’entrée et du réglage effectué sur l’échelle verticale. Pour visualiser une tension continue, le réglage de la base de temps n’a pas vraiment d’importance. En effet, le spot reste au même endroit sur le plan vertical (à la même hauteur). En revanche pour observer un signal qui évolue dans le temps comme c’est le cas par exemple d’un signal alternatif, il faut correctement ajuster la valeur de la base de temps. Le réglage « idéal » de celle-ci se fait en fonction de la fréquence du signal d’entrée à observer. Plus la fréquence est élevée, et plus la valeur de la base de temps doit être faible. Cela se comprend aisément : sur un même intervalle de temps, un signal de fréquence élevée

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Chapitre 1 • Introduction

possède plus de périodes (motifs de variation d’un signal répétitif) qu’en possède un signal de fréquence faible. Et ce qu’on cherche à voir en général, c’est une ou plusieurs périodes du signal. Nous découvrirons plus loin une formule simple qui permet de déterminer grossièrement la valeur de la base de temps à adopter, en fonction de la fréquence du signal à observer (cela n’est bien sûr utile que si l’on a déjà une idée de la fréquence dudit signal). Remarque : la notion de période s’applique à un signal qui présente des motifs de variation répétitifs. Certains signaux dont l’amplitude évolue dans le temps ne sont pas périodiques, c’est le cas par exemple du bruit blanc qui par nature est aléatoire. Les données numériques véhiculées sur une liaison série UART/RS232 ou USB, malgré la multiplicité des changements d’état, ne peuvent pas non plus être considérées comme des signaux périodiques. Si l’on observe un signal qui évolue dans le temps avec une base de temps trop courte (en regard de la vitesse d’évolution du signal à observer), on n’en verra qu’une partie, et l’on risque peut-être de rater des choses intéressantes. La figure 1.2.4.f montre un tel cas de figure, où la valeur de la base de temps est choisie « trop courte » par rapport à la fréquence du signal observé.

Figure 1.2.4.f – Si la valeur de la base de temps est trop petite par rapport à la vitesse d’évolution du signal à observer, on risque de rater des informations. Ici, un signal sinusoïdal de fréquence 50 Hz est visualisé avec une base de temps de 1 ms/div (12 ms en pleine largeur d’écran puisqu’il y a 12 divisions horizontales). Si un tel réglage ne permet pas de voir une période complète du signal à observer, il permet néanmoins de faire un « zoom » sur une partie bien précise, ce qui peut aussi être le but. Sur la figure 1.2.4.f, le signal à visualiser est de forme sinusoïdale et possède une fréquence de 50 Hz. Si le but était de visualiser au moins une période complète dudit signal, c’est raté. En revanche, si le but était de voir ce qui se passait au moment où la sinusoïde passe par la valeur 0 V (zoom sur cette zone précise) alors la valeur de la base de temps peut être considérée comme pertinente.

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Oscilloscope

À retenir : le réglage de la base de temps dépend principalement de la vitesse d’évolution du signal qu’on veut observer, mais il dépend aussi de ce qu’on cherche à visualiser (vision globale, ou zoom sur une partie précise). Si maintenant on observe le même signal sinusoïdal de 50 Hz avec une valeur de base de temps trop élevée, les informations recueillies deviennent trop nombreuses et sont tellement resserrées à l’écran qu’il devient difficile ou impossible d’en voir les détails. Dans ce cas de figure, on ne peut pas observer avec précision une période isolée du signal, c’est ce que montre la figure 1.2.4.g (notons toutefois qu’avec un oscillo­scope numérique doté d’une fonction de zoom, cette affirmation serait fausse, car on pourrait regarder dans le détail une partie de la trace acquise, en la grossissant après coup).

Figure 1.2.4.g – Si la valeur de la base de temps est trop grande par rapport à la vitesse d’évolution du signal à observer, trop de « choses » sont affichées en même temps et l’on ne distingue pas les détails. Ici, un signal sinusoïdal de fréquence 50 Hz est visualisé avec une base de temps de 500 ms/div (6 s en pleine largeur d’écran puisqu’il y a 12 divisions). C’est tellement serré, qu’on ne peut même pas voir la forme du signal. Quand on veut observer quelques périodes d’un signal périodique (qui se répète), il est préférable de choisir une valeur de base de temps qui est « en rapport » avec la période dudit signal. Voir exemple en figure 1.2.4.h, où cette fois la base de temps est réglée à 5 ms/div (60 ms pour la pleine largeur d’écran).

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Chapitre 1 • Introduction

Figure 1.2.4.h – Avec une valeur de base de temps correctement choisie, on peut voir le signal à observer avec un degré de détails « idéal ». Ici, un signal de fréquence 50 Hz est visualisé avec une base de temps de 5 ms/div (60 ms en pleine largeur d’écran puisqu’il y a 12 divisions). Comme une fréquence de 50 Hz correspond à une période de 20 ms, on peut voir 3 périodes complètes du signal à observer (3 x 20 ms = 60 ms). Au chapitre Utilisation de l’oscillo­ scope, nous verrons comment choisir correctement la valeur de la base de temps en fonction de la fréquence (et de la période) du signal à observer, bien sûr quand on la connaît. Mais nous avons déjà compris que pour voir au moins une période complète du signal à observer, il faut que la fenêtre de temps d’affichage (qui est elle-même liée à la base de temps de l’oscillo­scope) soit égale ou supérieure à la période dudit signal. Souvent, on « tournera le bouton » jusqu’à ce que la forme affichée soit conforme à ce qu’on veut voir. C’est une façon de faire « peu technique », mais si pratique et rapide, qu’on aurait tort de s’en priver. Parlons maintenant un peu de la stabilité des courbes affichées à l’écran. L’idée d’un balayage constant et régulier obtenu par un signal de commande en dents de scie est bien sympathique, mais dans les faits il pose problème. Pourquoi ? Imaginez qu’on veuille observer un signal périodique sinusoïdal de fréquence F = 1 kHz (cette valeur est arbitraire, l’explication qui va suivre est vraie pour n’importe quelle fréquence). La période T d’un signal de fréquence F = 1 kHz est de 1 ms (T = 1/F) ce qui signifie qu’on retrouve le même motif de variation toutes les millisecondes (le motif dure le temps d’une période). Fixons la base de temps de l’oscillo­scope à 200 us/div (là encore, il s’agit d’une valeur relativement arbitraire, qui devrait normalement permettre de voir quelques périodes de notre signal) et observons ce qui se passe, sachant que l’écran est divisé en 12 divisions (il faut 2,4 ms au spot pour parcourir la totalité de l’écran). Admettons qu’au premier balayage, l’écran commence par dessiner la sinusoïde au moment où elle monte et que (toujours à ce moment précis) sa tension est égale à 0 V. On obtient un premier tracé qui montre ce qui s’est passé sur une durée de 2,4 ms. Comme cette durée de balayage et d’observation n’est pas un multiple entier de la période du signal à observer, le balayage suivant va commencer alors que la sinusoïde n’était pas encore revenue à un point de tension de valeur 0 V (à cet instant précis, on ne se trouve pas à la fin d’une

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Oscilloscope

période). Le deuxième tracé sera donc différent de celui obtenu au premier balayage, et les deux courbes affichées successivement ne se superposent pas. Imaginez maintenant ce qui se passe à chaque nouveau balayage si le tracé ne commence pas au même endroit de la sinusoïde : cela conduit à une belle anarchie lumineuse, et le résultat final n’est pas du tout exploitable, comme le montre l’exemple typique de la figure 1.2.4.i.

Figure 1.2.4.i – Observation d’un signal sinusoïdal de fréquence 1000 hertz avec une base de temps déclenchée en permanence (mode automatique) et non synchronisée sur le signal à observer. La superposition de plusieurs tracés consécutifs se traduit par un fouillis de courbes qu’on ne peut pas exploiter. La seule déduction qu’on peut tirer dans le cas présent est que le signal à observer est de type sinusoïdal. Pour expliquer cela plus en détail, observons les trois écrans de la figure 1.2.4.j. Ces trois écrans collés l’un contre l’autre montrent trois tracés consécutifs qui seraient effectués à la suite l’un de l’autre, sans tenir compte du signal qu’on veut observer.

Figure 1.2.4.j – Ces trois écrans représentent trois « prises de vue » effectuées à la suite, sans tenir compte de la tension du signal à observer qui permettrait de décider du moment où doit commence l’affichage de la trace. Chaque début de trace (chaque balayage) commence à un endroit différent du motif répétitif du signal à observer.

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Chapitre 1 • Introduction

Les trois écrans accolés de la figure 1.2.4.j montrent les « prises de vue » d’un point de vue temporel sur une ligne de temps horizontale (on néglige ici le temps mort entre chaque trace). Déplaçons maintenant ces trois écrans et mettons-les en regard l’un de l’autre sur un mode vertical, comme montré en figure 1.2.4.k. Cela permet de mieux se rendre compte de l’effet dévastateur de ces superpositions non contrôlées.

Figure 1.2.4.k – Si l’on superpose les trois « prises de vue » (plusieurs balayages consécutifs posés sur un même écran), les tracés ne collent pas ensemble et ce qu’on voit finalement n’est guère exploitable. C’est ce genre de problème qui avait été mis en évidence sur la figure 1.2.4.i. Le problème est ici évident, il est lié au fait que chaque trace ne commence pas à un même endroit du motif répétitif. Il peut être résolu par un moyen simple qu’on appelle déclenchement synchronisé. Le rôle de ce déclenchement est de ne plus laisser le balayage se faire de manière permanente et automatique (libre) avec un signal de commande périodique en dent de scie, mais de démarrer le balayage (de démarrer une nouvelle dent de scie) à un instant bien précis qui « colle » avec le signal à visualiser. En procédant ainsi, chaque nouveau tracé peut démarrer à un instant remarquable du signal à observer, par exemple quand il repasse par zéro volt. Ainsi avec notre sinusoïde de 1 kHz, on peut s’assurer que chaque tracé (chaque balayage) démarre précisément quand : • la tension est en train de monter ou de descendre (pente - ou sens d’évolution du signal à observer) et • que cette tension atteint une certaine valeur (seuil de déclenchement).

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Oscilloscope

Index A ACK 257 acquittement 261 adaptateur BNC-banane 62 ADC 49, 334 addition 170 Address 258 aléatoires 313 ALT 40, 169 analyse spectrale 357 analyseur de protocole 255 analyseur logique 255 anti-repliement de spectre 339 Arbitrary Waveform Generator 314 ASCII 259 asymétrique 253 atténuateur 317 atténuation 78 autobaud 253 AWG 314 B balayage 26, 284 bande passante 45, 48, 118 base de temps 28, 44, 165 batteries 254 BIR 286 Bit Error Rate 286 Blackman 277 bogues 123 bruit 231 C câble blindé 62 CAL 128 calibrage 134 calibre de l'échelle verticale 162 CAN 49, 273, 334 canon à électrons 21 capacité 73 CE 254, 260 chargeurs 254 Chip Enable 254 Chip Select 254

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choix d'une sonde 94 choix d'un oscilloscope 96 CHOP 40, 168 Clock 253 CLOCK 260 CMRR 88 CNA 334 communication 292 compensation 69, 135 composante continue 197 condensateur 244 convertisseur analogique/numérique 49 couplage AC 139, 202 couplage DC 138 Coupling 137, 155 courant électrique 16 CPHA 261 CPOL 261 crochet rétractable 62 CS 254, 260 curseurs 174 D DAC 334 Data 253, 254, 258 Data- 273 Data+ 273 décalage 316 décalibrage 44, 45 déclenchement automatique 150 déclenchement EXT 159 déclenchement LINE 159 déclenchement manuel 144 déclenchement mono-coup 150 déclenchement synchronisé 36 découpage 229 déphasage 214, 239 derating 78 déviation horizontale 26 différentiel 273 diode 240, 245 dipôle 240 division 17 DMX 273


Index

double base de temps 37 DPO 108 DSO 108 durée d'une impulsion 204 DUT 283 E échelle horizontale 17 échelle verticale 17 écran cathodique 16 EDGE 155 électrons 16 ENOB 54 Entrée de modulation d’intensité 355 entrée Z 354 ergonomie 121 Ethernet 249, 273, 292 EXT TRIG 155 F Fast Fourrier Transform 276 fenêtre 277 FFT 276 fiche banane 62 fiche BNC 62 fonction 311 fréquence 30, 204 fréquence d'échantillonnage 119 fréquence d'échantillonnage 49 fréquence d’échantillonnage équivalente 53 G galvanique 227 générateur 311 GPIB 292 H Hamming 277 Hanning 277 HEXA 259 HF Reject 141 HOLD-OFF 161 horloge 253, 285 HP-IB 292

I 249, 255 I2C Idle 261 IEEE-488 292 impédance 278 impédance d'entrée 43, 176 inductance 245 inhibition 161 instabilité 285 interface 292 Invert 142 isolation 227 J jitter 285 L LAN 292 LED 240 Lissajous 235, 239 loupe 45 M maintenance 124 marqueur 174 MATH 259 MDO 108 mémoire segmentée 121 mémoire tampon 120 mesure d'une période 208 mise à jour 123 mises à jour 123 MISO 260 Mixed-Sweep 37 mode alternat 169 mode de couplage 137 mode hachage 168 mode Roll 161 monophasé 223 MOSI 260 MSO 108 MSSP 256 N NACK 257 noise 313

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Oscilloscope

nombre effectif de bits 54 non-acquittement 261

RS232 RS485

O optocoupleur 227 oscillogramme 16 oscilloscope 16 oscilloscopes à mémoire 40 oscilloscopes bicourbes 40 overshoot 135

S saw 312 SCL 255, 256 SDA 255, 260 SDIO 260 sécurité 64, 223 sensibilité 19, 42, 43 Shannon 337 sinus 312 Slave Select 254 SLOPE 155 SLT 223 SMBUS 254 sonde 60 sonde active 80, 362 sonde basse impédance 74 sonde de champs proche 93 sonde de contact 93 sonde de courant 91 sonde de tension différentielle 81 sonde différentielle 82, 363 sonde haute tension 90 sonde passive 65, 360 soustraction 172 spectre 274 SPI 249 spot 22 square 312 SS 254, 260 stairs 313 suroscillations 64 sweep 284 symétrique 253 synchronisation 36 système d'exploitation 123

P pente du déclenchement 155 périodes 31 phase 285 Phase Loop Lock 285 phasemètre 356 pince crocodile 62 PLL 285 pointe de touche 62 précision 127 probe 60 Probe Adjust 128 Probe Comp 128 profondeur de mémoire 49 profondeur mémoire 54, 120 protocoles 254 puissance 277 pulse 312 R raie 275 RAM 314 ramp 312 rampe 312 random 313 rapport cyclique 204, 212 reconnaissance vocale 293 Rectangle 277 réglage de compensation 71, 135 réglage du calibre horizontal 167 rémanence 27 résistance 240 résolution 49, 53, 119 résolution d'affichage 121 ROM 314

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249, 266 249, 273

T taux d'échantillonnage 49 taux de rafraîchissement 121 taux de réjection en mode commun 88 Taux d’Erreur Binaire 286 TEB 286 téléviseur 354


Index

temps de descente 217 temps de montée 217 tension de décalage 176 tension d'offset 197 testeur de composant 245 TIE 285 Time Interval Error 285 Trace Rotation 25 traces calculées 173 trames 250 transformée rapide de Fourrier 276 transistor 240 triangle 312 TRIG 155 Trigger 137, 155 TRIG IN 155 triphasé 223 tube cathodique 21 U UART 266 undershoot 135 USB 249, 273 USB-Device 293 USB-Host 293 V vitesse de balayage voie isolée

19 177

W wehnelt 21 window 277 wobbulation 284 wobulation 282, 284 X X-Mag 45 XY 235, 356 Z Z-MOD 355

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Rémy Mallard explique

les oscilloscopes anciens & modernes pour les débutants Ce qui se passe en électronique est par définition invisible à l’œil nu. L’instrument qui permet précisément de rendre visibles les signaux électriques, celui par le truchement duquel les effets de l’électronique se manifestent à nous, c’est l’oscilloscope.

Rémy Mallard est un touche-àtout. Depuis ses débuts, sa passion pour les techniques sonores et les disciplines artistiques n’a cessé de grandir. Après une carrière chez TDF comme expert technique dans le domaine de la radio, il propose un service d’aide à la conception électronique et informatique, prête sa voix pour des documentaires, ses oreilles pour soigner les bandes son, et donne des cours de maintenance et de techniques audio dans des écoles supérieures d’audiovisuel et cinéma. Son mot d’ordre ? Partager ses connaissances. ISBN 978-2-86661-208-5

37,50 €

Éditeur : Publitronic SARL Diffusion : Géodif

Hélas, quand on commence à faire de l’électronique, c’est souvent sans oscilloscope. Et l’on en est réduit à tâtonner, aussi bien physiquement que mentalement. Le jour où l’on goûte à la visualisation des signaux sur un écran, c’est une révélation. Plus personne ne souhaite se priver de cet enchantement. Pas de retour en arrière. En électronique, si l’on veut progresser dans le plaisir et dans la compréhension, il faut un oscillo. Commence alors une période d’interrogation : comment choisir ? Et à peine cette question-là aura-t-elle trouvé sa réponse, il en viendra une ribambelle d’autres que l’on peut résumer en une seule : comment se servir de l’oscilloscope de telle sorte que ce qu’il affiche corresponde bien à la réalité des signaux ? Dans ce livre, Rémy Mallard, répond clairement à ces questions. Il donne aussi de nombreuses informations pour aider son lecteur à élucider lui-même de nouveaux mystères qui ne manqueront pas de surgir. Ceux qui le connaissent déjà comme l’auteur d’un livre sur l’électronique dont le titre est un programme à lui tout seul : L’électronique pour les débutants qui sèchent les cours mais soudent sans se brûler les doigts, ainsi que d’un livre d’initiation à la programmation des microcontrôleurs PIC, savent qu’ils trouveront ici un ouvrage utile, qu’ils rouvriront souvent.

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Les oscilloscopes anciens & modernes pour les débutants (extrait)  

Ce qui se passe en électronique est par définition invisible à l’oeil nu. L’instrument qui permet précisément de rendre visibles les signaux...

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