Utilisation de l'Oscilloscope : Mesure sur un Signal Sinusoïdal
Comprendre l'Analyse de Signaux Électriques
L'oscilloscope est l'instrument fondamental de l'électronicien. Il permet de visualiser l'évolution d'une tension électrique au cours du temps. En observant la forme du signal (la "trace"), on peut mesurer ses caractéristiques clés : son amplitudeLa valeur maximale (ou crête) d'un signal par rapport à sa valeur moyenne (généralement zéro). Elle représente l'intensité du signal. (la hauteur des "vagues"), sa périodeLe temps nécessaire pour qu'un signal périodique complète un cycle complet. Elle se mesure en secondes (s) ou ses sous-multiples (ms, µs). (la durée d'un motif répétitif) et en déduire sa fréquenceLe nombre de cycles complets d'un signal par seconde. Elle est l'inverse de la période (f = 1/T) et se mesure en Hertz (Hz).. Cet exercice a pour but de se familiariser avec ces mesures sur un signal sinusoïdal simple, tel que celui délivré par le secteur ou un générateur de fonctions.
Remarque Pédagogique : L'oscilloscope ne mesure que des tensions. Pour mesurer un courant, il faut utiliser une astuce : on mesure la tension aux bornes d'une résistance de valeur connue et on applique la loi d'Ohm (\(I = U/R\)) pour en déduire le courant qui la traverse.
Données de l'étude
- Forme du signal : Sinusoïdal
- Tension crête (\(V_{\text{crête}}\)) : \(5 \, \text{V}\)
- Fréquence (\(f\)) : \(50 \, \text{Hz}\)
- Sensibilité verticale (calibre tension) : \(2 \, \text{V/div}\)
- Base de temps (calibre temps) : \(5 \, \text{ms/div}\)
Schéma du montage
Questions à traiter
À partir des réglages de l'oscilloscope et des caractéristiques théoriques du signal, déterminez :
- La déviation verticale en divisions de la crête du signal sur l'écran.
- La période théorique (\(T\)) du signal.
- La largeur horizontale en divisions d'une période complète sur l'écran.
- La tension efficace (\(V_{\text{eff}}\)) théorique du signal.
Correction : Utilisation de l'Oscilloscope : Mesure sur un Signal Sinusoïdal
Question 1 : Déviation Verticale Crête
Principe :
La sensibilité verticale (en V/div) nous dit combien de Volts représente chaque division (carreau) sur l'axe vertical de l'écran. Pour trouver la déviation en divisions, on divise la tension que l'on veut mesurer par cette sensibilité.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : Choisir le bon calibre vertical est crucial. Un calibre trop grand (ex: 50V/div pour un signal de 5V) écrasera le signal et rendra la mesure imprécise. Un calibre trop petit (ex: 1V/div) fera sortir le signal de l'écran. L'idéal est d'occuper environ 2/3 de la hauteur de l'écran.
Formule(s) utilisée(s) :
Données(s) :
- Tension crête (\(V_{\text{crête}}\)) : \(5 \, \text{V}\)
- Sensibilité verticale : \(2 \, \text{V/div}\)
Calcul(s) :
Test de Compréhension : Si vous réglez la sensibilité verticale sur 5 V/div, le signal apparaîtra...
Question 2 : Période Théorique (\(T\))
Principe :
La période est l'inverse de la fréquence. C'est le temps nécessaire pour qu'un cycle complet du signal se produise. Si la fréquence est en Hertz (Hz), la période est en secondes (s).
Remarque Pédagogique :
Point Clé : La fréquence représente la "rapidité" d'oscillation, tandis que la période en représente la "durée". Un signal de haute fréquence (comme un signal radio) a une période très courte, tandis qu'un signal de basse fréquence (comme les vibrations d'un subwoofer) a une période plus longue.
Formule(s) utilisée(s) :
Données(s) :
- Fréquence (\(f\)) : \(50 \, \text{Hz}\)
Calcul(s) :
Test de Compréhension : Un signal a une période de 10 ms. Quelle est sa fréquence ?
Question 3 : Largeur Horizontale d'une Période
Principe :
De la même manière que pour la tension, la base de temps (en s/div) nous dit combien de temps représente chaque division sur l'axe horizontal. Pour trouver la largeur d'une période sur l'écran, on divise la durée de la période par la base de temps.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : La base de temps agit comme un "zoom" sur l'axe du temps. En diminuant la valeur (ex: de 5 ms/div à 1 ms/div), on "zoome" sur le signal, ce qui "étale" la sinusoïde horizontalement. Cela permet de mesurer des durées courtes avec plus de précision.
Formule(s) utilisée(s) :
Données(s) :
- Période (\(T\)) : \(20 \, \text{ms}\)
- Base de temps : \(5 \, \text{ms/div}\)
Calcul(s) :
Test de Compréhension : Pour "zoomer" dans le temps et voir moins de cycles sur l'écran mais avec plus de détails, vous devez :
Question 4 : Tension Efficace (\(V_{\text{eff}}\))
Principe :
La tension efficace est la valeur qui, pour une résistance donnée, produirait le même échauffement (effet Joule) que si elle était continue. Pour un signal sinusoïdal, elle est liée à la tension crête par un facteur de \(\sqrt{2}\). C'est cette valeur que mesure un voltmètre en mode AC.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : Alors que la tension crête est facile à visualiser sur l'oscilloscope, la tension efficace est plus importante pour les calculs de puissance (\(P = V_{\text{eff}} \cdot I_{\text{eff}}\)). La plupart des multimètres en mode AC mesurent directement cette valeur efficace (RMS en anglais).
Formule(s) utilisée(s) :
Données(s) :
- Tension crête (\(V_{\text{crête}}\)) : \(5 \, \text{V}\)
Calcul(s) :
Test de Compréhension : La valeur lue par un voltmètre classique en mode "AC" correspond à :
Tableau Récapitulatif Interactif
Cliquez sur les cases grisées pour révéler les résultats clés de l'exercice.
| Paramètre Mesuré / Calculé | Valeur |
|---|---|
| Déviation verticale sur l'écran | Cliquez pour révéler |
| Période théorique (\(T\)) | Cliquez pour révéler |
| Largeur d'une période sur l'écran | Cliquez pour révéler |
| Tension efficace (\(V_{\text{eff}}\)) | Cliquez pour révéler |
À vous de jouer ! (Défi)
Nouveau Scénario : Un signal a une tension efficace \(V_{\text{eff}} = 2.0 \, \text{V}\) et une fréquence de \(100 \, \text{Hz}\). Quelle est sa tension crête-à-crête (\(V_{\text{cc}}\)) ? Entrez votre réponse en Volts, avec deux décimales.
Oscilloscope Virtuel Interactif
Manipulez les réglages du générateur (GBF) et observez en temps réel l'effet sur le signal et les mesures affichées.
Contrôles du GBF & Mesures
Mesures Automatiques
Pour Aller Plus Loin
1. Mesure de Déphasage : Si vous visualisez deux signaux en même temps (par exemple, la tension et le courant dans un circuit RC ou RL), vous pouvez mesurer le décalage temporel (\(\Delta t\)) entre eux. Le déphasage \(\phi\) (en degrés) se calcule alors par : \(\phi = (\Delta t / T) \times 360^\circ\). Il indique si le courant est en avance ou en retard sur la tension.
2. Figures de Lissajous : En passant l'oscilloscope en mode XY (un signal sur l'axe X, un autre sur l'axe Y), on obtient des figures de Lissajous. La forme de ces figures (cercle, ellipse, droite, motifs complexes) donne des informations précises sur le rapport des fréquences et le déphasage entre les deux signaux.
Le Saviez-Vous ?
L'oscilloscope cathodique, ancêtre de nos oscilloscopes numériques, fonctionnait en déviant un faisceau d'électrons à l'aide de champs électriques. Cet "œil magique" a non seulement révolutionné l'électronique, mais a aussi été l'un des premiers dispositifs à permettre de "voir" l'invisible, en affichant sur un écran fluorescent le comportement de l'électricité dans le temps.
Foire Aux Questions (FAQ)
Quelle est la différence entre la tension crête (\(V_{\text{crête}}\)) et la tension crête-à-crête (\(V_{\text{cc}}\)) ?
La tension crête est la valeur maximale atteinte par le signal depuis le zéro. La tension crête-à-crête est la différence totale entre le point le plus haut (crête positive) et le point le plus bas (crête négative). Pour un signal sinusoïdal symétrique, \(V_{\text{cc}} = 2 \times V_{\text{crête}}\).
À quoi sert le bouton "AC/DC/GND" sur une voie d'oscilloscope ?
C'est un sélecteur de couplage. DC (Direct Current) laisse passer toutes les composantes du signal (continue et alternative). AC (Alternating Current) bloque la composante continue et ne montre que la partie alternative. GND (Ground) connecte l'entrée à la masse (0V), ce qui permet de positionner la ligne de référence zéro sur l'écran.
Pourquoi la trace de mon signal est-elle floue ou instable ?
C'est souvent un problème de "déclenchement" (trigger). Le circuit de déclenchement synchronise le balayage horizontal de l'oscilloscope avec le signal d'entrée pour que la trace se superpose parfaitement à chaque passage, donnant une image stable. Si le niveau de déclenchement (trigger level) est mal réglé (trop haut ou trop bas), l'oscilloscope ne sait pas quand commencer à dessiner et l'image apparaît instable.
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Pour mesurer la période d'un signal sur un oscilloscope, quel réglage est le plus important ?
2. Un signal sinusoïdal a une tension crête-à-crête (\(V_{\text{cc}}\)) de 10 V. Quelle est sa tension efficace (\(V_{\text{eff}}\)) ?
Glossaire
- Amplitude (ou Tension Crête, \(V_{\text{crête}}\))
- La valeur maximale d'un signal par rapport à sa valeur moyenne (généralement zéro). Elle représente l'intensité du signal et se mesure en Volts (V).
- Période (\(T\))
- Le temps nécessaire pour qu'un signal périodique complète un cycle. Elle se mesure en secondes (s) ou ses sous-multiples (ms, µs).
- Fréquence (\(f\))
- Le nombre de cycles complets d'un signal par seconde. Elle est l'inverse de la période (\(f = 1/T\)) et se mesure en Hertz (Hz).
- Tension Efficace (\(V_{\text{eff}}\) ou RMS)
- La valeur quadratique moyenne (Root Mean Square) d'une tension. Pour un signal sinusoïdal, \(V_{\text{eff}} = V_{\text{crête}} / \sqrt{2}\). C'est la valeur équivalente en termes de puissance à une tension continue.
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