Vous avez récemment reçu un petit pactole d’argent inattendu et vous vous demandez comment le dépenser judicieusement? Si vous êtes un amateur d’électronique, vous pourriez envisager d’investir dans un équipement qui ravira votre cœur de bricoleur : un oscilloscope! Mais vous vous posez des questions. Outre son coût d’environ 700 euros, la complexité de l’appareil peut vous faire hésiter. Est-ce vraiment utile d’avoir un oscilloscope?…
L’oscilloscope: comprendre son fonctionnement
L’oscilloscope est un appareil de mesure qui représente un signal électrique sous forme de courbe (généralement, la tension en fonction du temps). Il existe différents types d’oscilloscopes, tels que les oscilloscopes à simple trace, à double trace ou à quatre traces, qui permettent d’étudier simultanément un, deux ou quatre signaux. Son principal objectif est de visualiser la forme d’un ou de plusieurs signaux, plutôt que de mesurer précisément les valeurs. Cependant, les modèles les plus récents offrent des performances de mesure très avantageuses.
Le filament et la cathode de l’oscilloscope génèrent des électrons libres, qui sont ensuite accélérés et concentrés en un faisceau dirigé vers le fond phosphorescent d’un tube cathodique. Ce faisceau crée un point, qui est déplacé sur l’axe X par les plaques de déviation horizontales, via l’amplificateur horizontal, et sur l’axe Y par les plaques de déviation verticales, via l’amplificateur vertical. Ainsi, le faisceau trace une ligne continue, appelée trace. L’écran du tube est quadrillé par un graticule de 10 divisions horizontales et 8 divisions verticales.
Schéma simplifié d’un oscilloscope. Le signal est présenté sur l’entrée CH1 (canal 1), puis il est amplifié (ou atténué) en utilisant le réglage VOLTS/DIV. Le réglage TIME/DIV permet de modifier la vitesse de balayage horizontal. Les réglages X-POS et Y-POS permettent de déplacer la trace par rapport aux axes.
La base de temps est le circuit qui déclenche le balayage horizontal. Ce circuit synchronise le système en générant une impulsion à chaque fois que la forme d’onde atteint une certaine valeur de tension. Le commutateur de la base de temps (TIME/DIV) permet de choisir le temps de balayage du point d’une division verticale à la suivante.
Prenons par exemple une base de temps de 1 ms/division et une forme d’onde qui se répète toutes les trois divisions. La période de cette onde est donc de 3 ms et sa fréquence de 333 Hz.
Tout comme la base de temps permet de calibrer l’axe horizontal de l’oscillogramme, l’atténuateur vertical permet de calibrer l’axe vertical. Ainsi, il est possible de mesurer des tensions sur cet axe. Par exemple, si le gain de l’atténuateur vertical (VOLT/DIV) est réglé de manière à ce qu’un signal de 10 mV crête-à-crête déplace le point d’une division verticale et que l’on compte 6 divisions entre le sommet supérieur et le sommet inférieur de la trace, on mesure une tension de 60 mV crête-à-crête.
L’oscilloscope à double trace permet d’effectuer des mesures simultanées sur deux signaux provenant de deux circuits différents. Pour obtenir la double trace, on utilise soit le mode “hachage” (CHOP en anglais), à basse fréquence, soit le mode “alternat” (ALT), à haute fréquence. En mode hachage, les deux signaux d’entrée sont appliqués alternativement, pendant un très bref instant, aux plaques de déviation, plusieurs fois au cours d’un même balayage. En mode alternat, la commutation du signal A au signal B n’a lieu qu’une fois qu’un balayage complet est effectué. La commutation d’un mode à l’autre est généralement automatique.
Parmi les caractéristiques à prendre en compte lors du choix d’un modèle d’oscilloscope, on retrouve notamment:
- la largeur de bande ou bande passante de l’amplificateur vertical, qui indique les fréquences auxquelles on peut observer des formes d’ondes sans distorsion
- le temps de montée de l’amplificateur vertical, qui précise le temps nécessaire à l’amplificateur pour passer de 10% à 90% d’une variation verticale ; à 20 MHz, le temps de montée doit être d’environ 18 ns
- la sensibilité de l’amplificateur vertical, qui indique la valeur, en tension, du plus petit signal pouvant être observé (typiquement entre 1 mV/division et 10 mV/division)
- la base de temps, ou vitesse de balayage ; pour un modèle 20 MHz, la vitesse la plus rapide est généralement comprise entre 0,1 et 0,5 µs/division.
Le prix d’un modèle économique à double trace de 20 MHz se situe aux alentours de 535 euros. Des modèles plus performants et sophistiqués, dotés de testeurs de composants, d’interfaces de liaison PC, etc., coûtent plus de 610 euros, voire davantage. Cependant, on trouve également de bons modèles à simple trace pour moins de 300 euros, sondes et accessoires inclus. Ces modèles simples, dont la bande passante est limitée à 5 ou 10 MHz, sont d’excellents outils d’apprentissage.
Un modèle d’oscilloscope à simple trace
L’illustration ci-dessous représente un oscilloscope à une voie d’entrée de gamme, destiné à la maintenance, aux laboratoires de travaux pratiques des écoles et aux débutants. Sa bande passante est de 10 MHz.
On reconnaît à gauche l’écran et son graticule, composé de 10 divisions horizontales et 8 divisions verticales.
Le bouton rouge en haut à gauche sert à allumer ou éteindre l’oscilloscope (lorsqu’il est allumé, une petite DEL s’allume) et à régler l’intensité lumineuse.
Les deux boutons centraux permettent, respectivement, de régler la sensibilité verticale (Volts/div) et la vitesse de balayage horizontale (time/div), selon une séquence de valeurs de 1-2-5. La sensibilité verticale varie de 10 mV à 5 V par division ; la vitesse de balayage varie de 0,1 seconde à 0,2 µs par division.
Les prises en bas de l’appareil servent à brancher les sondes, la tension d’entrée maximale étant de 250 V efficace. La prise de gauche est l’entrée Y (verticale), celle du milieu est GND et celle de droite permet une synchronisation externe.
Un commutateur permet de choisir différents modes de couplage pour l’entrée Y : AC, GND et DC. Un autre commutateur permet de choisir le type de déclenchement du balayage horizontal : interne, TV (impulsions synchronisées) et externe, lorsque le déclenchement est provoqué par un signal sur l’entrée prévue à cet effet.
Un appareil de ce type, bien qu’un peu désuet, convient parfaitement pour se familiariser avec l’oscilloscope et observer de nombreux signaux issus d’expériences réalisées au lycée ou pour les amateurs !
Une alternative intéressante : l’oscilloscope sur PC
Il est maintenant possible d’acquérir un oscilloscope numérique à une voie et de 12 MHz, qui peut également servir d’analyseur de spectre et d’enregistreur de signaux transitoires, le tout pour environ 175 euros, sondes comprises.
Il s’agit en réalité d’un module “scope” qui se connecte à un ordinateur compatible PC via le port LPT (imprimante). Une fois le boîtier connecté, l’ordinateur se transforme instantanément en oscilloscope, avec une interface très similaire à celle d’un appareil traditionnel, à la différence que les commandes s’effectuent à la souris. De plus, cette solution originale permet d’enregistrer les écrans obtenus sur le disque dur.
Si vous possédez un “vieux” PC (sous Windows 95, quand même), voilà une alternative intéressante : recycler à moindre coût votre ordinateur en oscilloscope ! Certes, l’ensemble ne sera pas très facile à transporter, mais c’est là son seul défaut. (Cela dit, il est possible de débrancher le module et de le rebrancher sur un autre PC…).
Ce “PC-scope” est développé par une société belge bien connue et est distribué en vente par correspondance et dans des boutiques spécialisées. Il existe en deux versions : deux voies à 50 MHz (environ 500 euros) ou une voie à 12 MHz (environ 175 euros).
Un oscilloscope : un outil vraiment utile ?
Un oscilloscope moderne peut sembler intimidant au premier abord… Son panneau avant comporte un nombre impressionnant de boutons, souvent difficiles à comprendre. Pourtant, pas de panique ! Il suffit de lire le manuel du fabricant pour maîtriser cet appareil.
Comme nous l’avons mentionné précédemment, l’oscilloscope est l’un des outils les plus utiles à la disposition d’un électronicien, que ce soit en laboratoire ou en atelier. Son rôle principal est de tracer une courbe V/t, c’est-à-dire la courbe d’une tension (sur l’axe Y) en fonction du temps (sur l’axe X). Avec un oscilloscope, l’opérateur peut visualiser en temps réel cette courbe à l’écran, et ainsi observer ce qui se passe à l’intérieur d’un condensateur ou d’un circuit intégré, comme s’il s’agissait d’une radiographie !
Dans la pratique, l’oscilloscope se révèle très utile pour comparer les signaux en entrée et en sortie d’un bloc fonctionnel, afin de s’assurer qu’ils correspondent à ceux attendus. Ainsi, il est possible de tester un montage complexe, en procédant par blocs.
Il est important de noter qu’un oscilloscope moderne peut sembler être un appareil “surdimensionné” pour un débutant ou un amateur, qui n’utilisera peut-être jamais certaines fonctions avancées. La complexité de l’appareil est donc plus apparente que réelle, car il est possible d’ignorer simplement les nombreuses fonctions destinées aux utilisateurs chevronnés.
Maintenant que vous êtes familier avec les principales commandes et réglages disponibles sur un oscilloscope, vous pouvez commencer à l’utiliser pour explorer le monde merveilleux de l’électronique. Le recours à un oscilloscope deviendra rapidement une seconde nature à mesure que vous gagnerez en expérience.
Conclusion
L’oscilloscope est sans aucun doute un outil essentiel pour tous les passionnés d’électronique, débutants ou confirmés. Il vous permettra de mieux comprendre les signaux électriques, d’observer les formes d’onde, de mesurer des tensions et de tester des circuits. Alors n’hésitez plus, et laissez-vous séduire par ce compagnon indispensable dans votre laboratoire ou votre atelier. Vous serez émerveillé par tout ce que vous pourrez découvrir à travers les courbes tracées sur l’écran de votre oscilloscope !
