Prendre une mesure d'oscilloscope

Un oscilloscope numérique est, bien sûr, beaucoup plus parfait qu'un électronique conventionnel, il vous permet de vous souvenir des formes d'onde, peut se connecter à un ordinateur personnel, a un traitement mathématique des résultats, des marqueurs d'écran et bien plus encore. Mais avec tous les avantages, ces appareils de nouvelle génération ont un inconvénient important - c'est un prix élevé.

C'est elle qui rend l'oscilloscope numérique inaccessible à des fins amateurs, bien qu'il existe des oscilloscopes de «poche» valant seulement quelques milliers de roubles, qui sont vendus sur Aliexpress, mais il n'est pas particulièrement pratique de les utiliser. Eh bien, juste un jouet intéressant. Par conséquent, alors que nous parlerons de mesures à l'aide d'un oscilloscope électronique.

Sur le thème du choix d'un oscilloscope à utiliser dans un laboratoire à domicile sur Internet, vous pouvez trouver un nombre suffisant de forums. Sans nier les avantages des oscilloscopes numériques, il est conseillé dans de nombreux forums d'opter pour des oscilloscopes domestiques simples, de petite taille et fiables C1-73 et C1-101 et similaires, que nous avons rencontrés précédemment dans cet article.

À un prix assez abordable, ces appareils vous permettront d'effectuer la plupart des tâches de radio amateur. En attendant, familiarisons-nous avec les principes généraux des mesures à l'aide d'un oscilloscope.

Figure 1. Oscilloscope S1-73

Qu'est-ce qu'un oscilloscope mesure

Le signal mesuré est envoyé à l'entrée du canal de déviation verticale Y, qui a une grande résistance d'entrée, généralement 1MΩ, et une petite capacité d'entrée, pas plus de 40pF, ce qui permet d'introduire une distorsion minimale dans le signal mesuré. Ces paramètres sont souvent indiqués à côté de l'entrée du canal de déviation verticale.

Figure 2. Oscilloscope C1-101

Une impédance d'entrée élevée est typique des voltmètres, il est donc sûr de dire que l'oscilloscope mesure la tension. L'utilisation de diviseurs d'entrée externes vous permet de réduire la capacité d'entrée et d'augmenter l'impédance d'entrée. Il réduit également l'influence de l'oscilloscope sur le signal étudié.

Il convient de rappeler qu'il existe des oscilloscopes spéciaux à haute fréquence, dont l'impédance d'entrée n'est que de 50 Ohms. Dans la pratique de la radio amateur, ces appareils ne trouvent pas d'application. Par conséquent, nous nous concentrerons davantage sur oscilloscopes universels conventionnels.

Bande passante du canal Y

L'oscilloscope mesure des tensions dans une très large gamme: des tensions continues aux tensions d'une fréquence suffisamment élevée. L'oscillation de tension peut être très diversifiée, allant de dizaines de millivolts à des dizaines de volts, et lors de l'utilisation de diviseurs externes jusqu'à plusieurs centaines de volts.

Il convient de garder à l'esprit que la bande passante du canal de la déviation verticale Y db pas moins de 5 fois supérieure à la fréquence du signal à mesurer. C'est-à-dire que l'amplificateur de la déviation verticale doit passer au moins la cinquième harmonique du signal étudié. Cela est particulièrement nécessaire lors de l'étude des impulsions rectangulaires qui contiennent de nombreuses harmoniques, comme le montre la figure 3. Seulement dans ce cas, une image avec une distorsion minimale est obtenue à l'écran.

Figure 3. Synthèse d'un signal rectangulaire à partir de composants harmoniques

En plus de la fréquence fondamentale, la figure 3 montre les troisième et septième harmoniques. À mesure que le nombre d'harmoniques augmente, sa fréquence augmente: la fréquence de la troisième harmonique est trois fois plus élevée que la fondamentale, la cinquième harmonique est cinq fois, la septième est sept, etc. En conséquence, l'amplitude des harmoniques supérieures diminue: plus le nombre d'harmoniques est élevé, plus son amplitude est faible. Ce n'est que si l'amplificateur du canal vertical sans trop d'atténuation peut manquer les harmoniques supérieures que l'image de l'impulsion sera rectangulaire.

La figure 4 montre la forme d'onde d'un méandre avec une bande passante Y de canal insuffisante.

Figure 4

Le méandre avec une fréquence de 500 KHz ressemble à ceci sur l'écran d'un oscilloscope OMSh-3M avec une bande passante de 0 ... 25 KHz. Comme si des impulsions rectangulaires étaient passées à travers un circuit RC intégrateur. Un tel oscilloscope a été produit par l'industrie soviétique pour des travaux de laboratoire dans les cours de physique dans les écoles. Même pour des raisons de sécurité, la tension d'alimentation de cet appareil n'était pas de 220, mais seulement de 42 V. Il est absolument évident qu'un oscilloscope avec une telle bande passante permettra d'observer un signal avec des fréquences ne dépassant pas 5 kHz avec presque aucune distorsion.

Pour un oscilloscope universel conventionnel, la bande passante est le plus souvent de 5 MHz. Même avec une telle bande, vous pouvez voir un signal jusqu'à 10 MHz et plus, mais l'image reçue à l'écran ne vous permet de juger que de la présence ou de l'absence de ce signal. Il sera difficile de dire quoi que ce soit sur sa forme, mais dans certaines situations, la forme n'est pas si importante: par exemple, il y a un générateur d'ondes sinusoïdales, et il suffit juste de s'assurer qu'il y a ou non cette onde sinusoïdale. Une telle situation est illustrée à la figure 4.

Les systèmes informatiques et les lignes de communication modernes fonctionnent à des fréquences très élevées, de l'ordre de centaines de mégahertz. Pour voir de tels signaux haute fréquence, la bande passante de l'oscilloscope doit être d'au moins 500 MHz. Une bande aussi large «augmente» vraiment le prix de l'oscilloscope.

Un exemple est l'oscilloscope numérique U1610A montré non sur la figure 5. Sa bande passante est de 100 MHz et le prix est de près de 200 000 roubles. D'accord, tout le monde ne peut pas se permettre d'acheter un appareil aussi cher.

Figure 5

Ne laissez pas le lecteur considérer cette image comme une publicité, car toutes les coordonnées du vendeur ne sont pas peintes: une capture d'écran similaire pourrait apparaître à la place de cette image.

Types de signaux étudiés et leurs paramètres

Le type d'oscillation le plus courant dans la nature et la technologie est une sinusoïde. Il s'agit de la même fonction longue souffrance Y = sinX, qui se déroulait à l'école lors des cours de trigonométrie. De nombreux processus électriques et mécaniques ont une forme sinusoïdale, bien que d'autres formes de signaux soient souvent utilisées dans la technologie électronique. Certains d'entre eux sont illustrés à la figure 6.

Figure 6. Formes de vibrations électriques

Signaux périodiques. Caractéristiques du signal

Un oscilloscope électronique universel vous permet d'étudier avec précision les signaux périodiques. Si, sur l'entrée Y, vous envoyez un vrai signal sonore, par exemple un phonogramme musical, alors des rafales scintillantes au hasard seront visibles à l'écran. Naturellement, il est impossible d'étudier un tel signal en détail. Dans ce cas, l'utilisation d'un oscilloscope de stockage numérique vous aidera, ce qui vous permettra d'enregistrer la forme d'onde.

Les oscillations représentées sur la figure 6 sont périodiques, répétées après un certain laps de temps T. Ceci peut être considéré plus en détail sur la figure 7.

Figure 7. Fluctuations périodiques

Les oscillations sont représentées dans un système de coordonnées à deux dimensions: la contrainte est mesurée le long de l'axe des ordonnées et le temps est mesuré le long de l'axe des abscisses. La tension est mesurée en volts, le temps en secondes. Pour les vibrations électriques, le temps est souvent mesuré en millisecondes ou microsecondes.

En plus des composantes X et Y, la forme d'onde contient également la composante Z - intensité, ou simplement luminosité (figure 8). C'est elle qui allume le faisceau pendant le temps du faisceau avant et s'éteint le temps du coup de retour. Certains oscilloscopes ont une entrée pour contrôler la luminosité, qui est appelée entrée Z. Si vous appliquez une tension d'impulsion d'un générateur exemplaire à cette entrée, vous pouvez voir les étiquettes de fréquence sur l'écran. Cela vous permet de mesurer plus précisément la durée du signal le long de l'axe X.

Figure 8. Trois composantes du signal étudié

Les oscilloscopes modernes ont, en règle générale, des balayages calibrés dans le temps qui permettent une synchronisation précise. Par conséquent, l'utilisation d'un générateur externe pour créer des balises n'est pratiquement pas nécessaire.

Au sommet de la figure 7 se trouve une onde sinusoïdale. Il est facile de voir qu'il commence au début du système de coordonnées. Pendant le temps T (période), une oscillation complète est effectuée. Puis tout se répète, la période suivante. Ces signaux sont appelés périodiques.

Les signaux rectangulaires sont représentés sous l'onde sinusoïdale: méandre et impulsion rectangulaire. Ils sont également périodiques avec la période T. La durée de l'impulsion est notée τ (tau). Dans le cas d'un méandre, la durée de l'impulsion τ est égale à la durée de la pause entre les impulsions, juste la moitié de la période T. Par conséquent, le méandre est un cas particulier d'un signal rectangulaire.

Droit et taux de droit

Pour caractériser les impulsions rectangulaires, un paramètre appelé rapport cyclique est utilisé. Il s'agit du rapport de la période de répétition d'impulsions T à la durée d'impulsion τ. Pour le méandre, le rapport cyclique est égal à deux, - la valeur est sans dimension: S = T / τ.

Dans la terminologie anglaise, c'est tout le contraire qui est vrai. Là, les impulsions sont caractérisées par le rapport cyclique, le rapport de la durée d'impulsion au rapport cyclique: D = τ / T. Le facteur de remplissage est exprimé en %%. Ainsi, pour le méandre, D = 50%. Il s'avère que D = 1 / S, le rapport cyclique et le rapport cyclique sont mutuellement inverses, bien qu'ils caractérisent le même paramètre d'impulsion. La forme d'onde du méandre est représentée sur la figure 9.

Figure 9. Forme d'onde du méandre D = 50%

Ici, l'entrée de l'oscilloscope est connectée à la sortie du générateur fonctionnel, qui est indiquée immédiatement dans le coin inférieur de la figure. Et ici, un lecteur attentif peut poser une question: «L'amplitude du signal de sortie du générateur 1V, la sensibilité de l'entrée de l'oscilloscope est de 1V / div. Et l'écran affiche des impulsions rectangulaires d'une magnitude de 2V. Pourquoi?

Le fait est que le générateur fonctionnel génère des impulsions rectangulaires bipolaires par rapport au niveau 0V, sensiblement les mêmes qu'une sinusoïde, avec des amplitudes positives et négatives. Par conséquent, des impulsions d'une portée de ± 1 V sont observées sur l'écran de l'oscilloscope. Dans la figure suivante, nous modifions le cycle de service, par exemple, à 10%.

Figure 10. Moment rectangulaire D = 10%

Il est facile de voir que la période de répétition des impulsions est de 10 cellules, tandis que la durée des impulsions n'est que d'une cellule. Par conséquent, D = 1/10 = 0,1 ou 10%, comme le montrent les réglages du générateur. Si vous utilisez la formule pour calculer le rapport cyclique, vous obtenez S = T / τ = 10/1 = 1 - la valeur est sans dimension. Ici, nous pouvons conclure que le rapport cyclique caractérise l'impulsion beaucoup plus clairement que le rapport cyclique.

En fait, le signal lui-même est resté le même que sur la figure 9: une impulsion rectangulaire avec une amplitude de 1 V et une fréquence de 100 Hz. Seul le facteur de remplissage ou le cycle d'utilisation change, c'est comme si quelqu'un était plus familier et plus pratique. Mais pour la commodité de l'observation de la figure 10, la durée du balayage est divisée par deux par rapport à la figure 9 et est de 1 ms / div. Par conséquent, la période du signal prend 10 cellules sur l'écran, ce qui permet de vérifier assez facilement que le rapport cyclique est de 10%. Lorsque vous utilisez un oscilloscope réel, la durée de balayage est sélectionnée à peu près la même.

Mesure de tension d'impulsion rectangulaire

Comme mentionné au début de l'article, l'oscilloscope mesure la tension, c'est-à-dire différence de potentiel entre deux points. En règle générale, les mesures sont prises par rapport à un fil commun, la masse (zéro volt), bien que cela ne soit pas nécessaire. En principe, il est possible de mesurer des valeurs de signal minimum à maximum (valeur de crête, crête à crête). Dans tous les cas, les étapes de mesure sont assez simples.

Les impulsions rectangulaires sont le plus souvent unipolaires, ce qui est typique de la technologie numérique. La mesure de la tension d'une impulsion rectangulaire est illustrée à la figure 11.

Figure 11. Mesure de l'amplitude d'une impulsion rectangulaire

Si la sensibilité du canal de déviation verticale est de 1V / div, alors il s'avère que la figure montre une impulsion avec une tension de 5,5V. Avec une sensibilité de 0,1 V / div. La tension ne sera que de 0,5 V, bien que sur l'écran les deux impulsions se ressemblent exactement.

Quoi d'autre peut être vu dans une impulsion rectangulaire

Les impulsions rectangulaires représentées sur les figures 9, 10 sont tout simplement idéales car elles sont synthétisées par Electronics WorkBench. Et la fréquence d'impulsion n'est que de 100 Hz, par conséquent, les problèmes de "quadrature" de l'image ne peuvent pas se produire. Dans un appareil réel, à un taux de répétition élevé, les impulsions sont quelque peu déformées, tout d'abord, diverses surtensions et rafales apparaissent en raison de l'inductance d'installation, comme le montre la figure 12.

Figure 12. Impulsion rectangulaire réelle

Si vous ne faites pas attention à ces "bagatelles", alors l'impulsion rectangulaire ressemble à celle illustrée à la figure 13.

Figure 13. Paramètres d'une impulsion rectangulaire

La figure montre que les bords d'attaque et de fuite de l'impulsion n'apparaissent pas immédiatement, mais présentent des temps de montée et de descente et sont quelque peu inclinés par rapport à la ligne verticale. Cette pente est due aux propriétés de fréquence des microcircuits et des transistors: plus le transistor de fréquence est élevé, moins il y a de «fronts» d'impulsions. Par conséquent, la durée d'impulsion est déterminée par le niveau de 50% de la plage complète.

Pour la même raison, l'amplitude de l'impulsion est déterminée par le niveau de 10 ... 90%. La durée d'impulsion, ainsi que la tension, sont déterminées en multipliant le nombre de divisions de l'échelle horizontale par la valeur de division, comme le montre la figure 14.

Figure 14.

La figure montre une période d'une impulsion rectangulaire, légèrement différente du méandre: la durée d'une impulsion positive est de 3,5 divisions de l'échelle horizontale, et la durée de la pause est de 3,8 divisions. La période de répétition des impulsions est de 7,3 divisions. Une telle image peut appartenir à plusieurs impulsions différentes avec des fréquences différentes. Tout dépendra de la durée du balayage.

Supposons une durée de balayage de 1 ms / div. Ensuite, la période de répétition des impulsions est de 7,3 * 1 = 7,3 ms, ce qui correspond à la fréquence F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428 KHz ou 143 Hz. Si la durée de balayage est de 1 µs / div, alors la fréquence s'avérera mille fois plus élevée, à savoir 143KHZ.

En utilisant les données de la figure 14, il n'est pas difficile de calculer le rapport cyclique de l'impulsion: S = T / τ = 7,3 / 3,5 = 2,0857, il s'avère presque comme un méandre. Rapport cyclique Rapport cyclique D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 ou 47,9%. Il est à noter que ces paramètres ne dépendent en aucun cas de la fréquence: le rapport cyclique et le rapport cyclique ont été calculés simplement par divisions sur la forme d'onde.

Avec des impulsions rectangulaires, tout semble clair et simple. Mais nous avons complètement oublié la sinusoïde. En fait, la même chose est là: vous pouvez mesurer des tensions et des paramètres de temps. Une période d'onde sinusoïdale est illustrée à la figure 15.

Figure 15. Paramètres d'onde sinusoïdale

Evidemment, pour la sinusoïde représentée sur la figure, la sensibilité du canal de déflexion verticale est de 0,5 V / div. Les paramètres restants peuvent être facilement déterminés en multipliant le nombre de divisions par 0,5 V / div.

L'onde sinusoïdale peut également être une autre, qui devra être mesurée avec une sensibilité, par exemple, 5 V / div. Ensuite, au lieu de 1V, vous obtenez 10V. Cependant, sur l'écran, l'image des deux sinusoïdes est exactement la même.

Le moment de la sinusoïde montré est inconnu. Si nous supposons que la durée de balayage est de 5 ms / div, la période sera de 20 ms, ce qui correspond à une fréquence de 50 Hz. Les nombres en degrés sur l'axe du temps indiquent la phase de la sinusoïde, bien que cela ne soit pas particulièrement important pour une seule sinusoïde. Plus souvent, il est nécessaire de déterminer le déphasage (directement en millisecondes ou microsecondes) au moins entre deux signaux. Cela est mieux fait avec un oscilloscope à deux faisceaux. La procédure à suivre sera indiquée ci-dessous.

Comment mesurer le courant avec un oscilloscope

Dans certains cas, la mesure de l'amplitude et de la forme du courant est requise. Par exemple, le courant alternatif traversant un condensateur est en avance sur la tension de ¼ de période. Ensuite, une résistance avec une petite résistance (dixièmes d'Ohm) est incluse dans le circuit ouvert. Cette résistance n'affecte pas le fonctionnement du circuit. La chute de tension aux bornes de cette résistance montrera la forme et l'ampleur du courant traversant le condensateur.

Un ampèremètre de jauge similaire est disposé à peu près de la même manière, qui sera inclus dans la coupure du circuit électrique. Dans ce cas, la résistance de mesure est située à l'intérieur de l'ampèremètre lui-même.

Le circuit de mesure du courant à travers le condensateur est illustré à la figure 16.

Figure 16. Mesure de courant à travers un condensateur

Une tension sinusoïdale de 50 Hz avec une amplitude de 220 V provenant du générateur XFG1 (faisceau rouge sur l'écran de l'oscilloscope) est fournie au circuit série à partir du condensateur C1 et de la résistance de mesure R1. La chute de tension à travers cette résistance montrera la forme, la phase et l'amplitude du courant à travers le condensateur (faisceau bleu). L'aspect de l'écran de l'oscilloscope est illustré à la figure 17.

Figure 17. Le courant à travers le condensateur est en avance sur la tension de ¼ de période

À une fréquence d'onde sinusoïdale de 50 Hz et un temps de balayage de 5 ms / Div, une période d'onde sinusoïdale prend 4 divisions le long de l'axe X, ce qui est très pratique pour l'observation. Il est facile de voir que le rayon bleu est en avance sur le rouge par exactement 1 division le long de l'axe X, ce qui correspond à ¼ de période. En d'autres termes, le courant à travers le condensateur est en avance sur la tension de phase, ce qui est parfaitement conforme à la théorie.

Pour calculer le courant à travers le condensateur, il suffit d'utiliser la loi d'Ohm: I = U / R. Lorsque la résistance de la résistance de mesure est de 0,1 Ohm, la chute de tension aux bornes de celle-ci est de 7 mV. Il s'agit de la valeur d'amplitude. Le courant maximal à travers le condensateur sera alors de 7 / 0,1 = 70mA.

Mesurer la forme du courant à travers le condensateur n'est pas une tâche très urgente, tout est clair et sans mesures. Au lieu d'un condensateur, il peut y avoir n'importe quelle charge: inducteur, enroulement moteur, étage amplificateur transistor et bien plus encore. Il est important que cette méthode puisse être utilisée pour étudier le courant qui, dans certains cas, diffère considérablement sous forme de tension.

Boris Aladyshkin