Apprendre › Leçon 12
Comment utiliser l'oscilloscope : échelles, déclenchement et mesures
7 min de lecture · Équipe bitGateLab
Le multimètre vous donne un nombre ; l'oscilloscope vous montre la forme du signal dans le temps. Il vous permet de voir si une sinusoïde est écrêtée, quelle ondulation présente une alimentation ou de combien la sortie d'un filtre est en retard sur son entrée. Au début, le nombre de boutons intimide, mais tout se ramène à quatre idées : l'échelle verticale, l'échelle horizontale, le déclenchement et le couplage. Ici, vous apprendrez à les régler et à mesurer l'amplitude, la période, la fréquence et le déphasage avec des valeurs concrètes.
L'écran : un graphique de la tension en fonction du temps
L'écran de l'oscilloscope est divisé par un réticule comptant en général 10 divisions horizontales et 8 verticales. L'axe vertical représente la tension et l'axe horizontal, le temps. Toute mesure consiste à compter des divisions et à les multiplier par l'échelle correspondante :
tension = divisions verticales × (V/div) temps = divisions horizontales × (s/div)
Chaque division comporte en général cinq subdivisions marquées sur les axes centraux, ce qui permet une lecture avec une résolution de 0.2 division.
Échelle verticale (V/div) et position
Le réglage de l'échelle verticale fixe le nombre de volts que représente chaque division. Les valeurs suivent la séquence 1-2-5 : 10 mV, 20 mV, 50 mV, 100 mV, 200 mV, 500 mV, 1 V, 2 V, 5 V… Le réglage de position déplace la trace vers le haut ou vers le bas sans changer l'échelle ; il vous permet de placer la référence de 0 V là où cela vous convient.
La règle pratique est de choisir l'échelle la plus sensible pour laquelle le signal tient encore entièrement à l'écran. Un signal qui occupe 6 divisions se mesure avec bien plus de précision qu'un signal qui n'occupe qu'une demi-division.
Échelle horizontale (s/div)
La base de temps indique la durée que représente chaque division horizontale. L'écran entier couvre 10 × (s/div). Pour mesurer la période avec précision, il est préférable d'afficher entre deux et cinq cycles complets : avec moins d'un cycle, vous ne pouvez pas mesurer la période, et avec des dizaines de cycles, les détails se tassent.
Exemple 1 : amplitude, période et fréquence. Sur la figure, l'échelle verticale est de 2 V/div et l'échelle horizontale de 0.5 ms/div.
- CH1 va de +3 à −3 divisions : 6 div × 2 V/div = 12 V crête à crête.
- Amplitude : 12/2 = 6 V crête. Si le signal est sinusoïdal, sa valeur efficace est 6/√2 = 4.24 V.
- Un cycle complet occupe 4 divisions : T = 4 × 0.5 ms = 2 ms.
- Fréquence : f = 1/T = 1/0.002 s = 500 Hz.
- CH2 mesure 4 divisions crête à crête : 8 V crête à crête, soit 4 V crête.
Le déclenchement (trigger)
L'oscilloscope trace le signal en balayant l'écran encore et encore. Si chaque balayage commençait à un point différent de l'onde, vous verriez les traces se superposer et « défiler ». Le déclenchement résout ce problème : le balayage ne démarre que lorsque le signal franchit une certaine tension dans un certain sens, si bien que tous les balayages coïncident et que l'image reste stable. Ses principaux réglages sont :
- Source : la voie surveillée par le déclenchement. Pour comparer deux signaux, déclenchez sur le signal de référence.
- Niveau : la tension que le signal doit franchir. Il doit se situer dans la plage du signal ; si vous le placez au-dessus de sa crête, l'oscilloscope ne déclenche jamais.
- Pente : front montant ou front descendant.
- Mode : en mode automatique, l'oscilloscope balaie même sans déclenchement, ce qui est utile pour trouver le signal ; en mode normal, il ne trace que lorsqu'il y a déclenchement, ce qui convient mieux aux signaux irréguliers ; en mode monocoup, il capture un seul événement puis s'arrête, idéal pour les transitoires comme la mise sous tension d'une alimentation.
Déphasage entre deux voies
Avec deux signaux de même fréquence à l'écran, mesurez l'écart de temps Δt entre deux points équivalents, par exemple les passages par zéro en montant, et convertissez-le en degrés :
φ = 360° × Δt / T
Si le second signal arrive après le signal de référence, il est en retard ; s'il arrive avant, il est en avance. Pour plus de précision, dilatez la base de temps autour des passages par zéro, ou utilisez la même échelle verticale sur les deux voies et centrez les traces sur zéro.
Exemple 2 : déphasage. Sur la figure, CH2 passe par zéro en montant 0.4 division après CH1.
- Δt = 0.4 div × 0.5 ms/div = 0.2 ms.
- φ = 360° × 0.2 ms/2 ms = 36°.
- CH2 est en retard de 36° sur CH1.
Application : dans le circuit RC série de courant alternatif et phaseurs (1 kΩ, 1 µF, 100 Hz), la tension aux bornes de la résistance, qui a la forme du courant, est en avance de 57.9° sur la source. Avec T = 10 ms, vous devriez observer Δt = 57.9/360 × 10 ms = 1.61 ms. C'est ainsi qu'on mesure la phase d'un courant à l'oscilloscope : par l'intermédiaire de la tension aux bornes d'une résistance.
Couplage CC et CA
Chaque voie dispose d'un sélecteur de couplage :
- CC : affiche le signal complet, y compris sa valeur moyenne. C'est le mode par défaut et celui qui convient pour mesurer des tensions continues, des niveaux logiques ou des signaux de basse fréquence.
- CA : intercale un condensateur qui bloque la composante continue, de sorte que la trace reste centrée sur zéro. Il équivaut à un filtre passe-haut dont la fréquence de coupure est de quelques hertz.
- Masse : déconnecte le signal et affiche une ligne horizontale à 0 V, utile pour repérer la référence.
Exemple 3 : mesurer l'ondulation. Une alimentation fournit 5 V continus avec 0.2 V crête à crête d'ondulation.
- En couplage CC à 2 V/div, la trace apparaît 2.5 divisions au-dessus du centre et l'ondulation n'occupe que 0.1 division : on ne la distingue pas.
- Si vous descendez à 50 mV/div sans changer le couplage, les 5 V envoient la trace hors de l'écran.
- En couplage CA, le niveau de 5 V est éliminé. À 50 mV/div, l'ondulation occupe 0.2/0.05 = 4 divisions et vous pouvez mesurer sa forme et sa fréquence.
Attention : comme le couplage CA est un passe-haut, il déforme les signaux de très basse fréquence. Un signal carré lent apparaît avec ses paliers inclinés.
Erreurs fréquentes
- Placer le niveau de déclenchement en dehors de la plage du signal et en conclure qu'« il n'y a pas de signal ».
- Oublier le facteur d'atténuation de la sonde et annoncer une tension dix fois trop faible.
- Mesurer une tension continue en couplage CA : la trace reste à zéro.
- Mesurer le déphasage entre des passages par zéro de pente opposée (l'un en montant et l'autre en descendant), ce qui ajoute 180°.
- Choisir une base de temps qui affiche moins d'un cycle ou des dizaines de cycles, ce qui rend imprécise la lecture de la période.
Essayez dans le simulateur
L'oscilloscope virtuel du simulateur possède, dans leur principe, les mêmes réglages qu'un appareil de laboratoire : c'est donc un bon endroit pour s'exercer sans risque.
- Placez une source sinusoïdale de 6 V d'amplitude et 500 Hz et reliez-la à la voie 1.
- Réglez l'échelle verticale sur 2 V/div et l'échelle horizontale sur 0.5 ms/div, et vérifiez que vous voyez 6 divisions crête à crête et 4 divisions par cycle.
- Déplacez le niveau de déclenchement au-dessus de 6 V et observez ce qui arrive à l'image ; ramenez-le à 0 V.
- Montez un filtre RC et reliez la voie 2 à sa sortie ; mesurez Δt entre les passages par zéro et calculez le déphasage.
- Ajoutez une composante continue à la source et alternez entre couplage CC et couplage CA pour voir la différence.
Exercices
Une sinusoïde occupe 3.2 divisions crête à crête à 5 V/div. Calculez sa tension crête à crête, sa tension de crête et sa valeur efficace.
Voir la réponse
3.2 × 5 = 16 V crête à crête ; 8 V crête ; 8/√2 = 5.66 V efficaces.
Un cycle occupe 2.5 divisions avec la base de temps sur 20 µs/div. Quelle est la fréquence ?
Voir la réponse
T = 2.5 × 20 µs = 50 µs. f = 1/50 µs = 20 kHz.
Deux signaux de 1 kHz sont séparés de 1.5 division à 0.1 ms/div. Quel est le déphasage ?
Voir la réponse
Δt = 1.5 × 0.1 ms = 0.15 ms et T = 1 ms. φ = 360° × 0.15/1 = 54°.
Vous voulez voir au moins trois cycles complets d'un signal de 1 kHz sur un écran de 10 divisions. Quelle base de temps de la séquence 1-2-5 choisissez-vous ?
Voir la réponse
Trois cycles durent 3 ms ; il vous faut donc au moins 0.3 ms/div. La première valeur de la séquence qui convient est 0.5 ms/div, qui affiche 5 ms, soit 5 cycles. Avec 0.2 ms/div, vous n'en verriez que 2.