Oscilloscope

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Un oscilloscope est un Instrument de mesure destiné à visualiser un signal électrique le plus souvent variable au cours du temps. Il est utilisé par tous les scientifiques afin de visualiser soit des tensions électriques, soit diverses autres grandeurs physiques préalablement transformées en tension au moyen d'un convertisseur adapté.

On distingue généralement les oscilloscopes analogiques qui utilisent directement un multiple de la tension d'entrée pour produire la déviation du spot et les oscilloscopes numériques qui transforment préalablement à tout traitement la tension d'entrée en nombre. L'affichage est reconstruit après coup. Il devient alors une fonction annexe de l'appareil qui peut même en être dépourvu, la visualisation du signal étant effectuée par un ordinateur extérieur relié à l'oscilloscope.

Oscilloscope

[modifier] Les oscilloscopes analogiques

Oscilloscope Tektronix ancien

Accessoire de prise de vue Tektronix modèle C-5A pour film Polaroid à développement instantané

Ce type d'appareil est en voie d'obsolescence car il ne permet généralement que l'observation de tensions périodiques. Il est de plus en plus remplacé par les oscilloscopes numériques.

Ne sont décrites dans ce paragraphe que des généralités concernant les calibres de tension et la base de temps d’un oscilloscope analogique.

[modifier] Fonctionnement interne de l’oscilloscope

Électrodes utilisées pour dévier les électrons en fonction de la tension en entrée
Canon à électrons
Flux d'électrons
Bobine de concentration
Face interne de l'écran couverte de phosphore

Figure de Lissajous sur un oscilloscope, aves 90 degrés de déphasage entre les entrées X et Y

Le signal à mesurer est visualisé sur un tube cathodique généralement vert. La trace de l’oscilloscope est déterminée par deux composantes: une horizontale et une verticale.

La composante horizontale est en abscisse : c’est le temps, ou une tension (mode XY).
La composante verticale est en ordonnée : c’est la tension appliquée par l’utilisateur.

Le mode XY permet :

de visualiser des caractéristiques de dipôle, à la condition qu'une des tensions soit l'image du courant qui traverse le dipôle ;
de visualiser un déphasage entre deux tensions sinusoïdales.

[modifier] La base de temps

Signaux visualisées par un oscillloscope multitraces

La base de temps est caractérisée par une tension en dents de scie appliquée aux deux plaques verticales (voir schéma). En même temps le canon à électrons projette un faisceau d'électrons entre les deux plaques (la densité du faisceau correspond à l'intensité lumineuse) :

Le champ électrique, créé par la tension en dents de scie entre les plaque, fait dévier les électrons de leur trajectoire d’origine.
L'abscisse de la nouvelle trajectoire dépend directement de la valeur de la tension en dents de scie.
Afin que l’utilisateur puisse voir cette tension, les électrons vont percuter l’écran fluorescent de l’oscilloscope en produisant une lumière.

[modifier] Tension appliquée par l’utilisateur

De la même manière que pour la base de temps, la visualisation de la tension appliquée à l’entrée de l’oscilloscope par l’utilisateur se fait à l’aide des plaques horizontales (voir schéma) qui font dévier la trajectoire des électrons verticalement.
La position en ordonnée dépend directement de la tension appliquée par l’utilisateur. La base de temps fonctionnant en permanence, la tension d’entrée (amplifiée auparavant) évolue au cours du temps.

[modifier] Les oscilloscopes numériques

Oscilloscope numérique

Contrairement aux modèles analogiques, le signal à visualiser est préalablement numérisé par un convertisseur analogique-numérique (interface A/D). La capacité de l'appareil à afficher un signal de fréquence élevé sans distorsion dépend de la qualité de cette interface. La visualisation reste bien sûr analogique.

Les principales caractéristiques à prendre en compte sont :

La résolution du convertisseur analogique numérique.
La fréquence d'échantillonnage en Mé/s (Mégaéchantillons par seconde)ou Gé/s (Gigaéchantillons par seconde).
La profondeur mémoire.

L'appareil est couplé à des mémoires permettant de stocker ces signaux et à un certain nombre d'organes d'analyse et de traitement qui permettent d'obtenir de nombreuses caractéristiques du signal observé :

Mesure des caractéristiques du signal : valeur de crête, valeur efficace, période, fréquence, etc.
Transformation rapide de Fourier qui permet d'obtenir le spectre du signal.
Filtres perfectionnés qui, appliqué à ce signal numérique, permettent d'accroître la visibilité de détails.

L'affichage du résultat s'effectue de plus en plus souvent sur un écran à cristaux liquides, ce qui rend ces appareils faciles à déplacer et, beaucoup moins gourmands en énergie.

Les oscilloscopes numériques ont désormais complètement supplanté leurs prédécesseurs analogiques, grâce à leurs plus grande portabilité, une plus grande facilité d'utilisation et, surtout leur coût réduit.