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L'oscilloscope cathodique (analogique)

Utilisé en électronique analogique, un oscilloscope permet d'afficher un signal électrique (tensions) répétitif alternatif: les multimètres ne permettent que de le mesurer. Les appareils standards permettent d'afficher deux signaux et de les comparer sur une même base de temps. Anciennement basé sur des transistors, ils ne permettaient que de visualiser les tensions, pas les enregistrer. Depuis la fin des années 90, ils sont développés à partir de microcontrôleurs avec des possibilités de mémorisations, le tube cathodique est remplacé par un écran LCD. Actuellement, ils sont souvent remplacés dans des montages électroniques directement connectés sur ordinateur, ce qui permet par exemple d'enregistrer les signaux sans limitations.

Un oscilloscope se compose essentiellement de:

un canon à électron (C) qui émet par effet thermoïonique un faisceau d'électrons concentré et accéléré par les anodes de concentrations (A.c.) et d'accélération (A.A) appelées WEHNELT.
une partie de déviation des électrons pour afficher le signal effectif: des plaques horizontales qui permettent par effet électrostatique (parfois magnétique) une déviation verticale du signal du faisceau et des palques horizontales assurant la déviation horizontale (basée sur un échantillonage temporel).
un écran en matière plosphorescente transformant l'énergie cinétique en énergie lumineuse (luminophore) pour visualiser l'impact du faisceau d'électron (ce qu'on appelle le spot).

Pour la déviation horizontale, on applique une base de temps en dent de scie. Le spot se déplace horizontalement de manière périodique, on efface le spot de retour lors de la descente de la dent de scie en jouant sur le Wehnelt.

Pour la déviation verticale, on applique le signal électrique à visualiser par l'intermédiaire d'une amplification variable. Pour les signaux de fortes tensions, on utilise des sondes divisantes (exemple 1/10, 1/100) puisque les oscilloscopes ne gèrent que des signaux de faibles tensions (quelques dizaines de volts au maximum).

L'axe horizontal de l'écran est ainsi l'axe de temps et l'axe vertical est l'axe des tensions. La mesure de courant se fait en positionnant les deux sondes aux bornes d'une résistance fixe montée en série.

Les oscilloscopes perment de gérer trois types de fonctionnement: AC , HF (haute fréquence) ou LF. Dans tous les modes de fonctionnement, les tensions continues sont filtrées. Remarque, un oscilloscope permet de visualiser les basses et hautes fréquences avec une limite haute spécifique à l'appareil (par exemple 20 Mhz).

mode AC (alternative coupling): bloque la composante continue du signal électrique.
mode HF (High Frequency), on arrête en plus les signaux de basse fréquence. Son fonctionnement est identique sauf qu'il permet de supprimer des signaux parasites, principalement dans la gamme de fréquence 50-100 Hz appelés hum en anglais liés au réseau électrique.
mode LF (Low Frequency), on arrête au contraire les signaux de haute fréquence en supprimant les bruits de haute fréquence qui déstabilisent le déclenchement

L'utilisation.

Deux modes de déclenchement sont possibles: Normal ou Auto. Pour obtenir une image stable, le LEVEL (bouton) doit être ajusté à une valeur intermédiaire entre les valeurs extrêmes, donc les valeurs pointes à pointes. Pratiquement, on commence par une valeur médiane du réglage correspondant à 0 volts (en cas de partie continue trop importante, on privilégiera les modes de fonctionnement AC ou HF suivant la fréquence à analyser). Les appareils actuels permettent en mode AUTO une synchronisation stable quel que soit le réglage diu bouton LEVEL (niveau) avec le réglage automatic trigger level.

Double faisceau (Beam) et double trace (Trace).

Pour obtenir sur le même écran les formes d'ondes de deux signaux (ou plus pour les modèles basés sur ordinateurs, deux solutions sont possibles, soit le double faisceau, soit le double trace. Dans les deux solutions, les deux canaux (ou plus) sont incorporés à l'oscilloscope via leurs propres contrôles. Ceci permet de voire les déphasages et retards des différents signaux (y compris pour les montages alternatifs le déphasage courant - tension).

Méthode Dual Trace, un seul canon à électron est utilisé dans le tube cathodique. La commutation est électronique. L'interrupteur est commandé par un oscillateur libre (ce qu'on appelle le mode CHOPPED (découplé) ou par une interruption venant du circuit de balayage en mode ALTERNED (alterné). L'impulsion est fournie en synchronisant avec la fin du balayage.
Méthode dual Beam (double faisceau), l'appareil utilise deux canons séparés avec leur propre déflexion verticale (la déviation horizontale basée sur une échelle de temps reste la même). Cette technique est forcément plus chère.

Le choix entre les modes CHOPPED ou ALTERNED dépend finalement de la fréquence du signal. Un oscilloscope cathodique permet généralement 10 divisions. Pour un signal inférieur à 10 ms / div, la trace complète affiche 0.1 seconde. Le mode chopped permet de visualiser simultanément les deux signaux sans problème. Pour des vitesse de balayage entre 10 ms et 0,1 ms/division, les deux choix sont satisfaisants au niveau affichage. Par contre, pour des signaux supérieur à 0,1 ms / division sur l'afficheur (fréquences supérieures à 1000 Hz), en mode CHOPPED, chaque signal est discontinu, c'est le mode alterned qui est utilisé.

Le mode Chopped a une luminosité moindre avec la suppression du spot durant la commutation et n'est pas utilisé pour des fréquences de 1 à 10 Hz.

Filtrage de la partie continue.

La majorité des sondes d'oscilloscopes sont équipées en interne d'un filtrage mais vous pouvez également utiliser un circuit passe haut directement dans le montage électronique. Par contre, cette solution va déformé le signal de perturbations de longue durée (fréquences faibles).

Termes associés: Perturbographe (surveillance du réseau) - impédance électrique - Quartz

Dernière mise à jour, le 06/01/2021