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Lycée Brizeux Electrocinétique Année 2009-2010 PCSI TP-Cours EC1 _____________________________________________________________________________________ L’INSTRUMENTATION ELECTRIQUE AU LABORATOIRE _____________________________________________________________________________________ I.LE GENERATEUR BASSE FREQUENCE (GBF) Ce générateur délivre des signaux (sortie OUTPUT) : ·de formes variables : sinusoïdes, triangles et créneaux, ·de fréquence variant de quelques hertz (Hz) à quelques mégahertz (MHz) ·d’amplitude variant de 0 V à 10 V ·On peut rajouter à ces signaux alternatifs une tension continue, appelée offset, réglable entre –30V et +30V. Réglages sur le générateur Metrix GX245 ·Des boutons (en haut à droite) permettent de sélectionner la forme du signal. ·Le bouton à droite de l’écran d’affichage permet de faire varier la fréquence. Les boutons du haut permettent de sélectionner les différentes gammes de fréquence. Ex : avec le bouton 1k, on obtient un signal dont la fréquence varie de quelques Hertz à quelques kHz (l’unité de la fréquence délivrée est indiquée sur l’écran du GBF). ·Le bouton « Level » permet de faire varier l’amplitude du signal délivré. ·Le bouton « DC offset »permet de rajouter une tension continue. Pour l’utiliser, il faut le tirer vers vous, puis tourner. Signal délivré par le G.B.F. sans offset Signal délivré par le G.B.F. avec offset Remarques : 1- il existe une sortie OUTPUT TTL qui délivre un créneau 0V / 5V. 2- l’amplitude et l’offset du signal délivré ne s’affichent pas sur le GBF. On aura besoin d’un instrument de contrôle (voltmètre ou oscilloscope) pour les connaître. II.L’OSCILLOSCOPE L’oscilloscope est un appareil de mesure et de visualisationdes tensionsincontournable. Nous utiliserons en T.P. l’oscilloscope Tektronix TDS 2002
1)Modes d’acquisition de l’oscilloscope numérique L’oscilloscope numérise les signaux en faisant l’acquisition de la valeur du signal entré à des intervalles discrets :  - 1 -
Lycée Brizeux Electrocinétique Année 2009-2010 PCSI TP-Cours EC1 _____________________________________________________________________________________ Il existe sur les oscilloscopes que nous utilisons 3 modes d’acquisition (boutonACQUISITION): -mode « échantillon » : l’oscilloscope échantillonne le signal à intervalles réguliers ; -moyennage » : l’oscilloscope acquiert plusieurs signaux, en fait la moyenne et affiche lamode « courbe résultante : ce mode permet de réduire le bruit aléatoire. -ce mode permet à l’oscilloscope d’afficher des impulsions étroitesdétection de crête » : mode « qui risqueraient d’être oubliées en mode « échantillon ». Nous ne nous en servirons pas cette année.
2)Visualisation d’une tension périodique en fonction du temps 2.1. Raccordement de l'oscilloscope au circuit On dispose de 2 voies pour visualiser les tensions du circuit (branchement en parallèle sur le circuit) : CH1ouCH2. L’utilisation des 2 voies est analogue. La tension que vous voulez visualiser est la différence de potentiel entre 2 points de votre circuit. L’oscilloscope relie un de ces 2 points (celui que vous reliez à la borne noire) à sa masse, reliée à la terre, qui sera notre potentiel 0. Point du circuit branché à la terre par l’intermédiaire de l’oscillosco e CH1 CH2Circuit Il fait le même lien avec les 2 voies :les 2 bornes noires de l’oscilloscope sont au même potentiel etvous n’y pouvez rien.  - 2 -
Lycée Brizeux Electrocinétique Année 2009-2010 PCSI TP-Cours EC1 _____________________________________________________________________________________ De plus,la borne noire du GBF est aussi liéeà la terre, doncau même potentiel, et vous n’y pouvez toujours rien. GBF CH1 CH2 Or, il ne doit y avoir qu’UNE SEULE MASSE DANS UN CIRCUITsous peine de court-circuiter certains composants. Conclusion : si vous voulez visualiser 2 tensions différentes à l’oscilloscope, ellesdoivent avoir un point commun, et ce point est forcément laborne noire du GBFs’il y en a un dans le circuit. Exemples : Comment placer les composants d’un circuit R,L,C série pour pouvoir visualiser simultanément la tension aux bornes de C et celle délivrée par le GBF ? Indiquez les branchements vers l’oscillo. Peut-on visualiser simultanément les tensions aux bornes de R et de C ? 2.2. Réglage de l’échelle horizontale (appelée base de temps) : L’oscilloscope numérise les signaux en faisant l’acquisition de la valeur du signal entré à des intervalles de temps discrets (2500 points par affichage). La base de temps vous permet de contrôler la fréquence à laquelle les valeurs sont numérisées : c’est la fréquence d’échantillonnage. Ce réglage détermine donc la durée de l’acquisition des 2500 points et donc l’intervalle de temps correspondant à une division horizontale de l’écran. Pour ajuster la base de temps à vos besoins, utilisez la molette SEC/DIV. La valeur de la base de temps est affichée en bas de l’écran, au milieu, en secondes (même base de temps pour les deux voies)  - 3 -
Lycée Brizeux Electrocinétique Année 2009-2010 PCSI TP-Cours EC1 _____________________________________________________________________________________ 2.3. Déclenchement : Afin que le signal soit stable, il faut qu’à chaque acquisition, l’affichage du signal démarre au même niveau. Ce niveau, appelé niveau de déclenchement, est réglable à l’aide de la moletteNIVEAU, dans le menuTRIGGERet visualisable à l’aide d’une flèche à droite de l’écran. Il faut aussi préciser à l’oscilloscope sur quel signal déclencher : boutonTRIG MENU dans le menu TRIGGER, et choisir la source (CH1 ou CH2). Attention : si vous déclenchez sur une voie où il n’y pas de signal ou sur un signal trop faible, votre signal à l’écran ne sera pas stable. 2.3. Sensibilité verticale : L’échelle verticale est appelée sensibilité verticale : c’est le nombre de volts correspondant à une division (boutons VOLTS/DIV). Elle s'affiche en bas de l'écran, de la couleur de la courbe pour chacune des voies. De plus, on dispose de 3 modes d’observation de la tension appliquée à l’oscilloscope : modes CC, CA et masse : masse : Cette position élimine le signal extérieur. On visualise alors un trait horizontal : le zéro volts. On peut choisir sa position avec les molettesPOSITIONet la visualiser à l’aide d’une flèche à gauche de l’écran, précédée du numéro de la voie. CC ou Courant Continu : Cette position permet de visualiser lesignal complet (alternatif + continu).  CA : Cette position permet d’éliminer la composante continue éventuellementou Courant Alternatif présente dans la tension appliquée à l’oscilloscope. ATTENTION !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Modifier les réglages de l’oscilloscope n’a aucune influence sur le signal entré, mais sur sa représentation à l’oscilloscope. Si vous voulez modifier le signal entré, il faut modifier les réglages du GBF ou le circuit étudié.
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Lycée Brizeux Electrocinétique Année 2009-2010 PCSI TP-Cours EC1 _____________________________________________________________________________________ 2.4. Application : génération d’un signal et observation à l’oscilloscope On veut visualiser le signal suivant : s(t) s(t)= S0.coswt + S1Composante continue du signal 2π  Pulsation de la composante variable (ω= 2π)f = T Amplitude de la composante variable avec S0= 4V, f = 1kHz et S1= 2V Pour obtenir ce signal, utilisez un GBF en mode sinusoïdal et activez le signal offset qui vous donnera la composante continue.Observation en mode CC Observation en mode CAObservation en mode masse De manière générale,placez-vous toujours en CCde façon à visualiser le signal complet.
3)Mesures à l’oscilloscope
1)Mesures a)boutonCURSEURVous disposez de deux types de curseurs : tension et temps. L’oscilloscope vous donne la position de chaque curseur et la variation de temps ou de tension entre les deux curseurs,pour la voie sélectionnée. Vous pouvez déplacer les curseurs à l’aide des molettes POSITION du menu VERTICAL. Remarque importante : la mesure du décalage temporel entre 2 signaux permet de déterminer le déphasageentre ces deux signaux : b)boutonMESURESL’oscilloscope peut vous afficher simultanément jusqu’à 5 mesures : fréquence, période, valeur moyenne, tension crête à crête (C-C), tension efficace, tensions minimale et maximale, …. .
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Lycée Brizeux Electrocinétique Année 2009-2010 PCSI TP-Cours EC1 _____________________________________________________________________________________ 4)Visualisation d’une voie en fonction de l’autre (bouton AFFICHAGE, mode XY) En mode XY, l’oscilloscope ne représente plus les tensions en fonction du temps mais la tension correspondant à la voie CH1 en fonction de celle correspondant à la voie CH2. La base de temps est alors inactive.Si les deux tensions visualisées sont sinusoïdales et de même pulsation, on peut écrire : Sur la voie CH1 :u t = U cosωt1 1 Sur la voie CH2 :cos= U u t ωt +j2 2 On obtient alors à l’écran une figure de Lissajous elliptique. Dans le cas particulier de tensions :·en phase, on obtient : ·en opposition de phase : π ·en quadrature (déphasage de±) : 2 5)Application Réalisez le circuit suivant : CH1 CH2  R=1kW u(t) C=22nF e(t)FIL FIL NOIR NOIR
Vous réglerez le GBF pour qu’il délivre une tension e(t) sinusoïdale d’amplitude égale à 10V et de fréquence 10 kHz. Déterminez, à l’aide de l’oscilloscope : ·l’amplitude UCde la tension uC(t) aux bornes du condensateur en utilisant la sensibilité verticale : o en utilisant les curseurs : o en utilisant les mesures automatiques : o ·son déphasageφcφepar rapport à la tension délivrée par le générateur en utilisant les curseurs : o en utilisant la courbe de Lissajous (peu précis) : o en utilisant la méthode des neuf carreaux : o
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Lycée Brizeux Electrocinétique Année 2009-2010 PCSI TP-Cours EC1 _____________________________________________________________________________________ III.LE MULTIMETRE NUMERIQUE Selon les bornes utilisées et le calibre choisi, cet appareil permet de réaliser des mesures de résistances, de capacités, de tensions ou d’intensité. 1)Mode voltmètre
e
GBF
V
Choisissez e(t) = Em+ Ecos( t) 0avec Em= 5 V ; E0= 2 V ; f = (w/2p) = 1 kHz. aidez-vous de l’oscilloscope MX 556 ou MX 53 en position voltmètre
Réalisez les mesures de tension aux bornes du G.B.F. à l’aide du multimètre sur les calibres suivants : DC AC+DC AC Mesurez les grandeurs suivantes à l’aide de l’oscilloscope (bouton mesure) valeur moyenne du signal e(t) valeur efficace du signal e(t) valeur efficace du signal e(t) sans complet complet sa composante continue
2)Généralisation aux mesures de tensions et d’intensités
Le multimètre ne permet pas de visualiser les tensions et courants en fonction du temps. Il mesure certaines valeurs caractéristiques des signaux : valeur moyenne, valeur efficace. Il a donc plusieurs modes de fonctionnement : ·DC : valeur moyenne du signal complet ·AC + DC : valeur efficace du signal complet ·AC : valeur efficace du signal sans sa composante continue Le multimètre n’étant pas relié à la Terre, il permet de s’affranchir des problèmes de masse lors des mesures(contrairement à l’oscilloscope). Remarque : dans le cas d’un signal sinusoïdal sans composante continue, vous mesurerez la valeur 0 en DC : c’est normal, ce n’est pas le multimètre qui est cassé !!  - 7 -
Lycée Brizeux Electrocinétique Année 2009-2010 PCSI TP-Cours EC1 _____________________________________________________________________________________ IV.FACTEURS LIMITANT LA PERFORMANCE DES APPAREILS 1)Limitation en fréquence, bande passante a-Bande passante de l’oscilloscope La bande passante de l’oscilloscope est l’intervalle de fréquences dans lequel les signaux peuvent être visualisés sans distorsion. La bande passante de l’oscilloscope …… est de ….. (notée sur sa face avant). b-Bande passante du multimètre oscilloscope e(t) V  voltmètre en GBF position AC L’oscilloscope a une limitation en fréquence bien supérieure à celle du multimètre. Il peut ainsi servir d’appareil de contrôle. Pour des valeurs croissantes de la fréquence, comparer la valeur efficace du signal affichée par le multimètre à celle donnée par l’oscilloscope. A partir de quelle fréquence le multimètre n’est-il plus fiable en mesure de tension ? c-Bande passante du G.B.F. La bande passante du générateur est l’intervalle de fréquences dans lequel les signaux peuvent être délivrés avec une amplitude constante et sans distorsion. Si on continue à augmenter la fréquence dans le montage précédent, on observe à l’oscilloscope que l’amplitude de la tension délivrée chute à partir d’une fréquence de l’ordre de …………..
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2)Impédance d’entrée d’un appareil de mesure et influence sur la mesure :
On définit l’impédance d’entrée d’un appareil par : i En régime continu : Re = u / i u En régime sinusoïdal forcé : Ze= u / iappareila-Impédance d’entrée de l’ampèremètre : L’idéal est que le réseau soit équivalent avec et sans l’ampèremètre, branché en série :  Re,a R R E E L’ampèremètre idéal est donc modélisé par …………………………………….. . Son impédance d’entrée est donc idéalement …………………………………… L’ampèremètre réel doit donc avoir une impédance d’entrée petite devant ……………………………...... Ordre de grandeur : Re(ampèremètre)»10W.  si la condition Re,aR << circuitpas vérifiée alors la mesure est faussée. La présence de n’est l’ampèremètre modifie de façon notable la répartition des courants et des tensions dans le circuit. b-Impédance d’entrée du voltmètre : L’idéal est que le réseau soit équivalent avec et sans le voltmètre, branché en parallèle :  R I I00R R , Le voltmètre idéal est donc modélisé par un …………………..e v Son impédance d’entrée est donc idéalement…………………. Le voltmètre doit donc avoir une impédance d’entrée grande devant……………………………………….
si la condition Re,v>> Rcircuitn’est pas vérifiée alors la mesure est faussée. La présence du voltmètre modifie de façon notable la répartition des courants et des tensions dans le circuit.  - 9 -
Lycée Brizeux Electrocinétique Année 2009-2010 PCSI TP-Cours EC1 _____________________________________________________________________________________ Mesure de la résistance d’entrée Re du voltmètre en position DC. On considère le montage ci-dessous utilisant un G.B.F. délivrant une tension continue e = 2V: Exprimons u en fonction de e, R et Re: R e u Re Que se passe–t–il quand R = Re?  voltmètre |Réalisez le montage. NB : exceptionnellement, le voltmètre est branchéen série car on ne l’utilise pas pour mesurer une tension aux bornes d’un dipôle. |Notez la valeur de u pour différentes valeurs de R. R 1 kW 10 kWk 100 W 1 MW 10 MWu La résistance interne du voltmètre est donc Re»……….. . Impédance d’entrée de l’oscilloscope (notée sur sa face avant) : ……………….
3)Impédance de sortie du G.B.F. et influence sur la tension délivrée :
On peut modéliser la sortie d’un appareil par un générateur idéal de tension en série avec une impédance Zs (modèle de Thévenin). Cette dernière est l'impédance de sortie du quadripôle.
e
Zs
i
u
Pour que le générateur se comporte comme un générateur idéal de tension, il faut que son impédance de sortie soit très faible par rapport aux autres résistances du circuit.
Mesure de la résistance de sortie du G.B.F. (en continu)
En vous inspirant de la mesure de la résistance d’entrée du multimètre, proposez une méthode de détermination de la résistance de sortie du G.B.F.
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