Oscilloscope

Un oscilloscope est un instrument de mesure destiné à visualiser un signal électrique, le plus souvent variable au cours du temps. Il est utilisé par de nombreux scientifiques afin de visualiser soit des tensions électriques, soit diverses autres grandeurs physiques préalablement transformées en tension au moyen d'un convertisseur adapté.

On distingue généralement les oscilloscopes analogiques qui utilisent directement un multiple de la tension d'entrée pour produire la déviation du spot et les oscilloscopes numériques qui transforment, préalablement à tout traitement, la tension d'entrée en nombre. L'affichage est reconstruit après coup. Il devient alors une fonction annexe de l'appareil qui peut même en être dépourvu, la visualisation du signal étant effectuée par un ordinateur extérieur relié à l'oscilloscope.

Oscilloscope

Les oscilloscopes analogiques

Oscilloscope Tektronix 465 typique de la fin des années 1970.

Accessoire de prise de vue Tektronix modèle C-5A pour film Polaroid à développement instantané.

Ce type d'appareil est en voie d'obsolescence car il ne permet généralement que l'observation de tensions périodiques. Il est de plus en plus remplacé par les oscilloscopes numériques.

Ne sont décrites dans ce paragraphe que des généralités concernant les calibres de tension et la base de temps d’un oscilloscope analogique.

Fonctionnement interne de l’oscilloscope

Électrodes utilisées pour dévier les électrons en fonction de la tension en entrée Canon à électrons Flux d'électrons Bobine de concentration Face interne de l'écran couverte de phosphore

Figure de Lissajous sur un oscilloscope, avec 90 degrés de déphasage entre les entrées X et Y.

Le signal à mesurer est visualisé sur un tube cathodique généralement vert. La trace de l’oscilloscope est déterminée par deux composantes : une horizontale et une verticale.

• La composante horizontale est en abscisse : c’est le temps, ou une tension (mode XY).
• La composante verticale est en ordonnée : c’est la tension appliquée par l’utilisateur.

Le mode XY permet :

• de visualiser des caractéristiques de dipôle, à la condition qu'une des tensions soit l'image du courant qui traverse le dipôle ;
• de visualiser un déphasage entre deux tensions sinusoïdales.

La base de temps

Signaux visualisés par un oscilloscope multitrace.

La base de temps est caractérisée par une tension en dents de scie appliquée aux deux plaques verticales (voir schéma). En même temps, le canon à électrons projette un faisceau d'électrons entre les deux plaques (la densité du faisceau correspond à l'intensité lumineuse) :

• Le champ électrique, créé par la tension en dents de scie entre les plaques, fait dévier les électrons de leur trajectoire d’origine.
• L'abscisse de la nouvelle trajectoire dépend directement de la valeur de la tension en dents de scie.
• Afin que l’utilisateur puisse voir cette tension, les électrons percutent l’écran fluorescent de l’oscilloscope en produisant une lumière.

Tension appliquée par l’utilisateur

• De la même manière que pour la base de temps, la visualisation de la tension appliquée à l’entrée de l’oscilloscope par l’utilisateur se fait à l’aide des plaques horizontales (voir schéma) qui font dévier la trajectoire des électrons verticalement.
• La position en ordonnée dépend directement de la tension appliquée par l’utilisateur. La base de temps fonctionnant en permanence, la tension d’entrée (amplifiée auparavant) évolue au cours du temps.

Les oscilloscopes numériques

Oscilloscope numérique

Contrairement aux modèles analogiques, le signal à visualiser est préalablement numérisé par un convertisseur analogique-numérique (interface A/D). La capacité de l'appareil à afficher un signal de fréquence élevée sans distorsion dépend de la qualité de cette interface.

Les principales caractéristiques à prendre en compte sont :

• La résolution du convertisseur analogique-numérique.
• La fréquence d'échantillonnage en Mé/s (mégaéchantillons par seconde) ou Gé/s (gigaéchantillons par seconde).
• La profondeur mémoire.

L'appareil est couplé à des mémoires permettant de stocker ces signaux et à un certain nombre d'organes d'analyse et de traitement qui permettent d'obtenir de nombreuses caractéristiques du signal observé :

• Mesure des caractéristiques du signal : valeur de crête, valeur efficace, période, fréquence, etc.
• Transformation rapide de Fourier qui permet d'obtenir le spectre du signal.
• Filtres perfectionnés qui, appliqués à ce signal numérique, permettent d'accroître la visibilité de détails.

L'affichage du résultat s'effectue de plus en plus souvent sur un écran à cristaux liquides, ce qui rend ces appareils faciles à déplacer et, beaucoup moins gourmands en énergie.

Les oscilloscopes numériques ont désormais complètement supplanté leurs prédécesseurs analogiques, grâce à leur plus grande portabilité, une plus grande facilité d'utilisation et, surtout, leur coût réduit.

Liens internes

• Tektronix
• Ribet Desjardins
• LeCroy
• Agilent
• Rohde & Schwarz

Liens externes

• Philips PM3250 schéma
• Osqoop Programme d'oscilloscope libre multi-plateforme (acquisition par port USB)

Une vidéo explicative sur les mesures à l'oscilloscope ^{(Archive, Wikiwix, que faire ?)}

• Description d'un oscilloscope Ribet & Desjardins à lampes (1962, photos, notice technique, schémas complets)
• Plan et firmware d'une carte d'acquisition pour réaliser un oscilloscope sur port USB, le logiciel de visualisation sur PC est fourni.

• Portail de l’électricité et de l’électronique