Définition de l'oscilloscope
Nous devons commencer à comprendre ce qu'est un oscilloscope et comment il fonctionne. Le meilleur endroit pour commencer est la définition.
Un oscilloscope est un appareil utilisé pour mesurer la variation d'un signal électronique dans le temps. Il prend un signal d'entrée variant dans le temps provenant d'une source d'alimentation ou d'un composant de circuit et affiche le signal sur un écran qui peut mesurer les tensions et les temps à l'aide d'une forme d'onde.
Types d'oscilloscopes
Il existe deux principaux types d'oscilloscopes : l'oscilloscope numérique ou oscilloscope à mémoire numérique (DSO) et l'oscilloscope cathodique (CRO). Ils ont tous deux la même fonction mais l'exécutent de manière différente.
Oscilloscope cathodique (CRO)
L'oscilloscope cathodique utilise un tube cathodique qui envoie des électrons sur l'écran de l'oscilloscope. L'écran est recouvert de phosphore qui est excité par l'incidence des électrons et libère de l'énergie sous forme de lumière que nous observons sous la forme d'un point lumineux sur l'écran. Si un signal passe par l'ORC (une tension alternative, par exemple), le faisceau d'électrons de la cathode se déplace par rapport aux champs électriques et magnétiques imposés.
Un champ électrique est une région de l'espace où une particule chargée ressent une force.
Un champ magnétique est une région de l'espace où une charge en mouvement ou un aimant permanent ressent une force.
Les électrons sont ensuite déviés par les champs électriques et magnétiques dans une région située entre deux plaques de déviation. Les électrons en mouvement frappent l'écran en différents points, ce qui crée un motif représentant la tension (sinusoïdale dans le cas du courant alternatif). Tout ajustement de la tension ou de la fréquence d'entrée modifiera l'intensité des champs appliqués, créant ainsi une forme d'onde différente sur l'écran. La forme d'onde peut être utilisée pour effectuer des mesures directes de la tension (), de la fréquence (), de la période () et d'autres grandeurs électriques. La figure ci-dessous est un exemple d'oscilloscope à rayons cathodiques.
Image d'un oscilloscope cathodique typique (CRO) avec un signal représenté sur l'écran recouvert de phosphore à gauche. À droite se trouvent les commandes qui permettent de régler l'échelle de l'image.
Oscilloscope à mémoire numérique (DSO)
L'oscilloscope à mémoire numérique est le plus moderne des deux types d'oscilloscopes. Il prend un signal analogique en entrée et utilise un logiciel de traitement des signaux sophistiqué pour le convertir en un signal numérique. Il peut stocker la forme d'onde en mémoire et la convertir en une image numérique qui peut être visualisée sur un écran LCD. Les plaques déflectrices, les champs électriques et les champs magnétiques ne sont donc pas nécessaires. Le DSO peut également être connecté à une imprimante pour obtenir une impression de tout signal stocké en mémoire, ou l'image peut même être stockée sur une clé USB. Comme avec l'ORC, la forme d'onde dans le DSO peut être utilisée pour effectuer des mesures de tension, de fréquence et d'intensité.de la fréquenceetc. L'image ci-dessous montre un DSO typique.
Image d'un oscilloscope numérique moderne avec un signal affiché sur un écran LCD. Ces oscilloscopes remplacent peu à peu les ORC typiques en raison de leur capacité à stocker et à transférer des données.
Utilisations de l'oscilloscope
Il existe de nombreuses utilisations de l'oscilloscope, mais nous n'en mentionnerons que trois ci-dessous : le test de circuits, l'électrocardiogramme et l'analyse d'ondes sonores.
Utilisations de l'oscilloscope : Test des circuits
L'oscilloscope est un appareil que l'on trouve assez souvent dans les laboratoires des écoles et qui sert à démontrer le comportement sinusoïdal des courants alternatifs (CA). Il existe cependant une utilisation beaucoup plus pratique de l'oscilloscope : tester un circuit électrique. Les oscilloscopes peuvent être utilisés pour déterminer l'emplacement d'une panne ou simplement pour tester les courants entrant et sortant de différents points d'un circuit. Pour ce faire, l'oscilloscope mesure la tension de crête, la période, la fréquence et d'autres grandeurs électriques d'une source de courant alternatif.
Le courant alternatif (CA) est produit lorsqu'un courant électrique (électrons) oscille d'avant en arrière dans un circuit, mais que l'énergie circule toujours dans une seule direction.
L'illustration ci-dessous montre à quoi ressemble l'écran d'un oscilloscope.
Illustration de la sortie d'un oscilloscope. Les divisions sur l'écran servent d'intervalles égaux sur un graphique, ce qui permet de mesurer la tension, Public Domain Vectors.
La ligne affichée sur l'écran représente une tension sinusoïdale/alternée typique et les divisions sur l'écran peuvent être utilisées pour mesurer cette tension à différents moments.
Utilisations de l'oscilloscope : Électrocardiogrammes (ECG)
Les circuits électriques ne sont pas les seules sources de courants électriques ; notre corps produit de minuscules courants électriques qui peuvent être mesurés et surveillés à l'aide d'oscilloscopes. Dans un hôpital, les électrodes d'un électrocardiogramme (ECG) sont connectées aux patients dont on veut surveiller la fréquence des battements de cœur. Chaque battement de cœur d'un patient produit un courant faible, mais mesurable, qui peut être détecté par un oscilloscope numérique.
La forme d'onde est créée en mesurant les minuscules tensions à travers le cœur pendant chaque battement de cœur et le médecin lit donc un graphique en temps réel de la tension en fonction du temps. La séparation entre les pics de tension est une mesure de la fréquence des battements cardiaques. L'ECG peut également être utilisé comme outil pour prédire d'éventuels problèmes cardiaques. Les ECG ne produisent pas de graphiques sinusoïdaux car les battements cardiaques ont un temps de relaxation entre les battements et un signal de battement complexe, comme le montre la figure ci-dessous.
Forme d'onde d'un ECG sur l'écran d'un oscilloscope.Les impulsions sur l'écran sont périodiques en raison du rythme naturel d'un battement de cœur typique.
Utilisations de l'oscilloscope : Ondes sonores
Comme nous le savons déjà, les ondes sonores sont causées par la vibration des molécules d'air et ne nécessitent pas de courant électrique pour se former. Nous pouvons cependant mesurer les propriétés des ondes sonores à l'aide d'un oscilloscope. Un signal audio peut être converti via un transducteur en un signal électrique (une série de tensions) que l'oscilloscope peut décoder et représenter à l'écran.
Un transducteur est un composant électrique qui peut convertir l'énergie d'une forme à une autre.
Les ORC et les oscilloscopes numériques peuvent tous deux être utilisés pour décoder et représenter les ondes sonores. L'oscilloscope peut être utilisé pour mesurer l'amplitude, la fréquence et la période d'une onde sonore. Le schéma ci-dessous montre une installation composée d'un générateur d'ondes sonores qui crée des ondes sonores transmises par un haut-parleur et détectées par un oscilloscope qui donne une représentation visuelle des ondes sonores.
Un montage comprenant un générateur d'ondes sonores qui crée des ondes sonores émises par un haut-parleur et représentées à l'écran par un oscilloscope. Ce montage simple peut être utilisé pour déterminer les propriétés des ondes sonores produites, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0.
Exemple d'oscilloscope et graphique
Dans l'image d'une tension alternative montrée sur l'oscilloscope ci-dessous, la sensibilité de la tension est réglée àvolts par division. Calcule la tension de crête du signal.
Exemple de graphique d'une tension alternative en fonction du temps représenté sur l'écran d'un oscilloscope. L'amplitude et la période de ce signal peuvent être déterminées à partir de cette image, Adaptée de l'image de JerichoTX CC BY-SA 3.0.
Rappelle-toi qu'il s'agit d'un graphique tension-temps. La tension de crête est la tension mesurée à partir de l'axe des x jusqu'à la valeur maximale de la tension, mais comme l'écran de l'oscilloscope n'a pas d'axe des x, nous pouvons mesurer la tension de crête à crête (du point le plus haut au point le plus bas) et diviser cette valeur par deux. Ceci est représenté par la ligne fléchée dans la figure ci-dessous.
La tension crête à crête correspond au nombre de divisions entre le point le plus haut et le point le plus bas sur le graphique de l'oscilloscope, multiplié par le réglage des volts par division. La tension de crête correspond à la moitié de cette valeur. Adapté de l'image de JerichoTX CC BY-SA 3.0.
Il y a quatre divisions entre le point le plus haut et le point le plus bas sur le graphique de l'oscilloscope.nous obtiendrons la tension crête à crête comme suit.
Nous obtenons une tension crête à crête deet nous devons ensuite diviser cette valeur par deux pour obtenir la tension de crête de ce signal alternatif.
Le courant alternatif a donc une tension de crête de.
Oscilloscope - Points clés
- Un oscilloscope est un appareil utilisé pour mesurer la variation d'un signal électronique dans le temps.
- Il prend un signal d'entrée variant dans le temps et affiche le signal sur un écran à l'aide d'une forme d'onde.
- La forme d'onde permet de mesurer la tension, la fréquence et la période du signal.
- Les deux types d'oscilloscope sont l'oscilloscope à mémoire numérique (DSO) et l'oscilloscope à rayons cathodiques (CRO).
- L'oscilloscope cathodique utilise un tube cathodique qui envoie des électrons sur l'écran de l'oscilloscope.
- Lorsqu'un signal passe par l'oscilloscope cathodique, les électrons se déplacent en fonction des champs électriques et magnétiques.
- Le DSO prend un signal analogique en entrée et le convertit en un signal numérique.
- Le DSO peut être utilisé pour stocker une image de la forme d'onde.
- Un oscilloscope est utilisé pour mesurer la fréquence des battements cardiaques dans les électrocardiogrammes (ECG).
- Les oscilloscopes peuvent être utilisés pour mesurer les propriétés des ondes sonores à l'aide d'un transducteur.
- L'amplitude, la période et la fréquence d'une onde sonore peuvent être déterminées.
- Les écrans des oscilloscopes n'ont pas d'axes, nous devons donc lire la sensibilité de la tension (volts par division).
- Le nombre de divisions entre le point le plus bas et le point le plus haut du graphique peut être multiplié par la sensibilité à la tension pour obtenir la tension crête à crête.
- La tension crête à crête divisée par deux est la tension de crête du signal.
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