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simbakingunblogfr

By Patrick Walker,2014-07-16 05:12
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simbakingunblogfrFr8

    Compte

    Rendu :

    ………………………………………? ………………………………............?

I BUT:

    On propose dans cette manipulation de visualiser des signaux périodiques à l’aide de l’oscilloscope cathodique, puis de déterminer leurs caractéristiques (amplitude, période ;

    fréquence, déphasage …).

II DESCRIPTION ET PRINCIPE:

     II 1 Le tube cathodique:

     Figure1 : Schéma de base d’un tube cathodique

    L’élément essentiel de l’oscilloscope est le tube cathodique (figure1).Dans ce tube on a réalisé un vide aussi poussé que possible .Du coté effilé du tube se trouve un canon à électrons comprenant :

     1

    ( Une cathode qui, lorsqu’elle est portée à incandescence, émet des électrons par

    effet thermoélectrique.

    ( Une grille appelée < cylindre de Wehnelt > portée à un potentiel négatif par

    rapport à la cathode. Elle permet de régler le débit d’électrons, donc la

    luminosité du spot.

    de focalisation des électrons. ( Une première anode A1

    ( Une deuxième anode Aaccélératrice des électrons. 2

    A la sortie du canon à électrons, on obtient un étroit faisceau d’électrons parallèles et

    monocinétiques. Ce faisceau passe entre deux paires de plaques parallèles de deux condensateurs plans :

    Le premier condensateur est horizontal, il provoque sa déviation verticale, alors que le seconde est verticale, il provoque sa déviation horizontale.

    Après déviation, les électrons viennent frapper l’avant du tube formant l’écran. Celui-ci est

    constitué d’un dépôt de sels métalliques qui deviennent fluorescents sous l’impact des

    électrons qui sont ensuite récupérés sur l’anode A. 3

    Les coordonnées (x, y) du spot sont déterminées en fonction de deux tensions indépendantes V et V, chaque déplacement est proportionnel à une constante K tel que : xy

     x = K . V et y = K’ . V x y

     II 2 Tracé d’une fonction périodique Vy :

Pour obtenir le tracé de la courbe V=f (t) (tension périodique appliquée sur y) tel que y

    y=K’f (t), il faut que l’abscisse x du spot varie proportionnellement à t.

     Si on applique en déviation horizontal une tension V= a.t, (a étant une constante), le spot x

    sortira de l’écran. On adjoint alors à l’oscilloscope un dispositif électronique appelé < base de temps > qui permet d’appliqué en déviation x une tension en < dents de scie > (figure 2).

     Figure2 : signale en dent de scie

    Après un premier parcours à vitesse constante (V) du bord gauche au bord droit L’écran, le sport revient presque instantanément à sa position de départ et effectue un

    second parcours à la même vitesse, et ainsi de suite ... Cette vitesse (V) est appelée ? vitesse de balayage ?. Le choix de (V) est fonction de la fréquence du signal à observer. Cependant, ce dispositif de base de temps n’est pas suffisant pour observer un signal périodique. En éreémeémeeffet, pour faire des mesures, il faut que les courbes successives lors du 1, 2, ... n

    parcours du spot se superposent exactement. Cette fonction est assurée par un dispositif de ? synchronisation ? que l’utilisateur doit régler pour stabiliser la trace de la tension étudiée sur l’écran (voir annexe, à la fin du texte, en cas de besoin).

III MANIPULATION :

    L’oscilloscope que nous allons étudier est à double voie ou bicourbe. II permet d’observer une tension périodique sur une première entrée (voie 1 ou CH1) ou sur une deuxième entrée (voie 2 ou Cil2). Pour visualiser le signal 1 ou le signal 2 ou les deux simultanément (l’un sur CH1 et l’autre sur CH2 par exemple), il suffit de régler convenablement le sélecteur des

    voies en fonction du choix à faire.

     2

    Cependant, le balayage de l’axe des x est assuré par une base de temps commune aux deux voies. Un commutateur unique permet le choix de la vitesse de balayage (V qui est un temps/cm).

    Avant de commencer la manipulation, il est recommandé de repérer les commutateurs les plus importants de votre oscilloscope : base de temps, sensibilité suivant y, sélecteur des voies, remise à zéro... (Voir annexe).

    III 1 - Observation de tensions périodiques:

    Un générateur de tension base fréquence GBF délivre deux modes de tension périodiques (sinusoïdale et rectangulaire) de fréquences réglables.

    III 1 1 - Tension sinusoïdale :

• Choisissez sur le GBF le mode sinusoïdale, et régler la fréquence du signal à 200 Hz.

    Relier la masse du GBF à la masse de l’oscilloscope. (Bornes noires) puis l’autre borne à

    l’une des deux entrées de l’oscilloscope. (Bornes rouges). L’amplitude du signal du GBF est

    à régler à sa valeur maximale.

    • Régler la sensibilité suivant y (volts/cm) pour que le signal occupe le maximum de l’écran, puis régler la base de temps (ms/cm par exemple) afin de ne faire apparaître sur l’écran qu’une ou deux périodes du signal à étudier.

    • Régler au mieux l’oscilloscope pour que cette tension soit stabilisée, nette et centrée par

    rapport aux deux axes principaux de l’écran,

    puis remplir le tableau ci-dessous:

    T: période du signal

    Vcc: tension crête à crête

    Vo = Vcc/2: amplitude du signal

    V = Vo 1/2 : tension efficace eff

     Observation d’un signal sur l’écran

Les incertitudes sur T et sur V sont évaluées à partir de l’incertitude de lecteur l sur les

    axes gradués de l’écran. Estimer l et justifier votre réponse.

    • Relier maintenant les deux bornes du GBF au voltmètre à cadre mobile (calibre 3V

    en alternatif) mesurer (Veff) volt directement et évaluer son incertitude.

     (V) T (cm) Vitesse de Vcc (V) Sensibilité Vo (V) Vl (cm) T (ms) Vcc (V) Vo (V) V (V) effeffbalayage (V/cm)

    (ms/cm)

    0.1 5 1 0.1 6 1 0.1 3 0.05 2.12 0.035

    • Calculer : (V ; V) et (V ; V) effeff oscilloscopeeffeff voltmètre

(V ; V) = 0.035/2.12 = 1.65% effeff oscilloscope

    (V ; V) = 0.06/2.085 = 2.87% effeff voltmètre

     3

     Que peut-on conclure ?

    On conclus que l’oscilloscope est un bon voltmètre car il est plus précis.

    III 1 2 - Tension rectangulaire :

Relier de nouveau la sortie du GBF au canal 1 (ou 2) de l’oscilloscope, choisir maintenant le

    signal rectangulaire et remplir un tableau analogue au tableau précédent sans mettre V. eff

    Expliquer pourquoi la période mesurée, dans ce cas, est la même que celle trouvée dans le

    cas du signal sinusoïdal.

     T (cm) Vitesse de Vcc (V) Sensibilité Vo (V) l (cm) T (ms) Vcc (V) Vo (V) balayage (V/cm)

    (ms/cm)

    0.1 5 1 0.1 4 1 0.1 2 0.05

La période mesurée est la même que celle trouvée dans le cas du signal sinusoïdal parce

    qu’on a pas changé la fréquence.

     III 2 - Utilisation de l’oscilloscope comme fréquencemètre :

    Lorsque le GBF délivre un signal sinusoïdal ayant une fréquence f, l’oscilloscope permet de mesurer la période de ce signal et, par conséquent, d’évaluer sa fréquence. Soit f’ la valeur de la fréquence mesurée à l’aide de l’oscilloscope et f celle indiqué par le GBF. • Donner l’expression de (l/T) en fonction de T.

    • Régler le GBF sur le mode sinusoïdale et remplir le tableau suivant:

    Pour améliorer la précision sur T, régler la vitesse de balayage (y) pour chaque cas afin

    l’obtenir le minimum de périodes sur l’écran.

    F (Hz) du 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

    GBF

    v (ms/cm) 1 0.5 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1

    -3 T(s)*105 2.5 1.68 1.26 1 0.84 0.72 0.62

     -3 0.1 0.05 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 T(s)*10

     -1 f’= (1/T) (s)200 400 595 793.6 1000 1190.5 1388.9 1612.9

    -1 4 8 7.08 12.60 10 14.2 19.3 26 f’(s)

Comparer f à f’ et conclure

    f’ – F ? f’+F

    200-200?+5

    400-400?8+5

    600-595?7.08+5

    800-793.6?12.60+5

    1000-1000?10+5

    1200-1190.5?14.2+50

    1400-1388.9?19.3+50

    1600-1612.9?26+50

    Alors f’ – F ? f’+F est toujours vérifier

     III 3 - Mesure de déphasage :

     4

Toujours avec le mode sinusoïdale, on propose de mesurer le déphasage entre deux signaux

    périodiques et de même fréquence. Pour cela, nous disposons d’une résistance R et d’une

    capacité C associés en série et alimentés par le GBF avec un signal sinusoïdal ayant la

    fréquence f indiquée sur la plaque du circuit RC à étudier. Relier le circuit RC comme il est indiqué sur la figure suivante:

    Branchement du Circuit R-C série.

Le courant i est sinusoïdale, il s’écrit sous la forme : i=I.sin (t). 0

    On appelle Z l’impédance du circuit série RC entre B et M. Les tensions V et AM

    V sont alors de la forme: BM

    V = RI.sin (t) et V = ZI.sin (t-) AM0BM0

    étant le déphasage entre les deux tensions. Le signe (-) devant montre que V est en BM

    retard de phase par rapport à V. AM

    On propose donc de mesurer par deux méthodes.

     III 3 1 - Méthode directe :

Mesurer c’est tout simplement déterminer l’intervalle Θ(s) (voir schéma).

    Sachant qu’à une période T(s)=1/f correspond 2Π (rad), on peut déduire que:

    =2ΠfΘ

     • Mettre le commutateur sélecteur des voies sur la position shop (pour visualiser le

     signal appliqué en CH et le signal appliqué en CH 12

     • Remettre à zéro (position GRD) CHet CH et centrer les deux axes des temps par 12

     rapport au milieu de l’écran.

     • Remettre CH et CH sur la position AC. 12

     • Choisir convenablement la vitesse de balayage (v ms/cm), et la sensibilité de CH et 1

     de CH (volts/cm) pour que l’incertitude sur Θ soit minimale. 2

     Méthode directe de mesure de déphasage

     regrouper vos résultats dans le tableau suivant : l (cm) v (ms/cm) Θ (ms) Θ (ms) (rad) (rad) x

    1.3 0.5 0.65 0.05

     5

    III 3 2 - Méthode de l’ellipse :

Sans rien changer au montage précédent, ajuster la vitesse de balayage à zéro (position x-y).

    Dans ce cas l’axe x n’est plus l’axe des temps : V est appliquée en x et V en y. La AMBM

    courbe ainsi obtenue est une ellipse, elle ne dépend plus du temps tel que:

     Sin = BB’/ AA’

    .

     Mesure de déphasage par la méthode de l’ellipse

     Principe:

    On applique à l’entrée x le signal V= V sin t et à l’entrée y le signal V= V sin(t-) AM 0BM 1

    X (t ) = kV= kVsin t = X sint AM 0

    Y (t) = k’V = k’Vsin (t -) = Y sin (t -) BM1

     x x = sin t sin = sin t sin

     X X

     y y x

     = sint cos - cost sin + cos = cost sin

     Y Y X

     x? x y x? y? xy

     Sin? = sin?+ ?;cos - ;?? = + - 2 cos

     X? X Y X? Y? XY

    C’est l’équation d’une ellipse oblique inscrite dans un rectangle de côtés 2X et 2Y.

    D’après la figure: AA’ = 2(OA’) = 2X A

     BB’ = 2(OB’) = 2X B

     X? X B’B’

    B’ est sur l’axe Ox = sin? = sin

     X? X

    A’ correspond au maximum des valeurs prises par x OA’= X =X A’

    (X amplitude max de x (t) = X sin t).

     XXOB’ BB’ B’ B’

    D’où : = = soit : sin =

     X XOA’ AA’ A’

    • Régler l’oscilloscope pour cadrer l’ellipse sur la plus grande surface de l’écran et,

    avant de mesurer AA’ et BB’, bien centrer votre ellipse par rapport à X et par rapport à

    y.

    • AA’=projection de l’ellipse sur l’axe x (commutateur sur GRD pour annuler V). BM

    • BB’= intersection de l’ellipse avec x

    • De l’expression de sin, déduire celle de (sin/sin) et de;,.

    • Remplir le tableau suivant:

    AA’ (cm) BB’ (cm) AA’ (cm) BB’ (cm) sin sin (rad) (rad)

    6 0.2 4 0.2 0.73

    • Comparer les deux méthodes et déduire quelle est la- valeur de 4 la plus précise.

     6

    III 4 - Mesure d’une capacité C :

A partir de la valeur, la plus précise, déterminer C et C sachant que:

    C=l/Rtg (R etR sont données sur la table de TP).

     ANNEXE

     Vue de face de l’oscilloscope à deux voies et ses principales touches.

(1) : marche/arrêt

    (2) : Intensité et focuse

    (3) : base de temps (sensibilité en temps/cm)

    (4) : calibre de la tension à mesurer sur CH(sensibilité en Voltes/cm) 1

    (5)/ (8): déplacement des signaux (1 ou 2) vers le haut et le bas. (6)/ (9) : commutateurs : masse/AC/DC.(masse = remise à zéro) (7) : calibre de la tension à mesurer sur CH 2

    (10) : calibrage de la base de temps (à tourner à fond du côté droit). (11): déplacement des signaux 1 et 2 vers la droite ou vers la gauche. (12) : réglage de la stabilisation

    (13)1(14) : stabilisation interne (automatique) ou externe. (15): sélecteur des canaux: (1 ou 2) ou (1 et2)

    (16): synchronisation (stabilisation par rapport à CH ou CH. 12

    (17) : entrée de CH 1

    (18): entrée de CH 2

    (19): masse commune aux 2 entrées (17) et (18), (elle est équivalente aux Deux bornes noires).

N.B : Tous les boutons rouges. Doivent êtres tournés à droite et à fond.

    La masse du GBF doit être toujours reliée à la masse de l’oscilloscope.

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