Principe de l'oscilloscope numérique

Pourquoi un oscilloscope ?

Un multimètre donne un seul nombre : une valeur efficace ou une valeur moyenne. Il ne dit rien de la forme de la tension. Or deux tensions de même valeur efficace peuvent être très différentes : le sinus propre du réseau, une tension hachée par un variateur, un 24 V continu qui ondule...

Un exemple parlant :

À la sortie d'un variateur de vitesse, la tension entre deux phases n'est pas un sinus mais une suite d'impulsionsPour un variateur alimenté en 400 V, les impulsions atteignent la tension du bus continu : 400 × √2 ≈ 560 V, répétées plusieurs milliers de fois par seconde (fréquence de découpage de 4 à 16 kHz). de plusieurs centaines de volts. Un multimètre y affiche une valeur difficile à interpréter ; l'oscilloscope montre les impulsions, leur largeur et leur fréquence.

Ce que permet l'oscilloscope :

• Voir la forme d'une tension : sinus, carré, rampe, parasites
• Mesurer valeurs maximale, crête à crête, efficace, fréquence
• Comparer deux signaux ou plus : décalage, déphasage
• Capturer un événement unique : démarrage, coupure, rebond de contact
• Il ne mesure que des tensions : une intensité s'observe avec un shunt ou une pince (chapitre 3)
• Sa masse est souvent reliée à la terre : un piège majeur (chapitre 4)

Lire un oscillogramme

L'oscilloscope trace la tension (axe vertical) en fonction du temps (axe horizontal). C'est l'électrocardiogramme de l'électricien : au lieu des battements du cœur, il montre ceux de la tension. La grille découpe l'écran en divisions (les carreaux) : généralement 10 en largeur et 8 en hauteur. On règle la valeur d'une division :

• en temps : par exemple 5 ms/div, l'écran montre alors 10 × 5 = 50 ms ;
• en tension : par exemple 2 V/div, chaque carreau vertical vaut 2 V.

Sur l'écran ci-dessus, avec 2 V/div et 5 ms/div : Umax = 3 × 2 = 6 V et T = 5 × 5 = 25 ms, soit une fréquence de 1 / 0,025 = 40 Hz.

Aujourd'hui, l'oscilloscope calcule ces valeurs tout seul. Savoir lire les divisions reste pourtant indispensable pour vérifier ce qu'il affiche et bien le régler.
Et le tube cathodiqueJusqu'aux années 2000, un faisceau d'électrons dessinait la trace sur l'écran d'un tube cathodique, en balayant l'écran de gauche à droite. L'écran LCD et la mémoire numérique l'ont remplacé, mais le vocabulaire est resté : balayage, base de temps, trace... ? Il a pris sa retraite.

Trois familles d'oscilloscopes

Type	Points forts	Limites
De paillasse 2 ou 4 voies	Grand écran, bande passante de 50 MHz à plusieurs GHz, nombreuses fonctions	Masse des voies reliée à la terre, encombrant
USB relié à un PC ou une tablette	Compact, logiciel riche (mesures, enregistrement long, analyse), écran du PC	Masse reliée à celle du PC (voir chapitre 4)
Portable oscilloscope-multimètre	Sur batterie, idéal sur le terrain ; modèles industriels à voies isolées	Petit écran ; en entrée de gamme : faible bande passante, voies non isolées, indications CAT à vérifier

Ci-dessus, un oscilloscope USB PicoScopeLe boîtier ne comporte que les entrées et l'électronique d'acquisition : écran, réglages et mesures sont sur le PC ou la tablette. (en haut, entrées A, B, EXT et GEN) relié à une tablette, pendant une mesure sur un circuit RL (vidéo dans le cours Composants passifs, liens en bas de page).
Le portable, lui, sert souvent aussi de multimètreIci en ampèremètre alternatif, pour chercher la fréquence de résonance d'un haut-parleur :
: un seul appareil dans la caisse à outils.

La chaîne d'acquisition

1. La sonde prélève la tension ;
2. l'amplificateur l'adapte au calibre choisi ;
3. le CANConvertisseur Analogique Numérique : il transforme une tension en un nombre, à intervalles réguliers. la mesure à intervalles réguliers : chaque mesure est un échantillon ;
4. la mémoire stocke ces points, et l'écran les relie.

Le nombre de photos par seconde est la fréquence d'échantillonnage, en échantillons par seconde : Méch/s, Géch/s. À 1 Géch/s, l'appareil prend un échantillon toutes les nanosecondes.
Exemple : un sinus de 50 Hz (période 20 ms) échantillonné à 100 kéch/s est décrit par 100 000 × 0,020 = 2 000 points par période : un tracé parfait. Un sinus de 1 MHz échantillonné à 5 Méch/s ne reçoit que 5 points par période : l'appareil doit alors deviner la forme entre les points.

Repliement et bande passante

Le repliement : échantillonné trop lentement, un signal peut faire apparaître un faux signal, plus lent, qui n'existe pas. C'est l'effet des roues de diligence qui semblent tourner à l'envers dans les westerns : la caméra ne photographie pas assez souvent. Ici, l'écran affiche un superbe sinus de 1 050 − 1 000 = 50 Hz. Pour l'éviter, la règle de ShannonThéorème de Shannon-Nyquist : pour décrire un signal, il faut l'échantillonner à plus de 2 fois sa fréquence la plus élevée. impose d'échantillonner à plus de 2 fois la fréquence du signal ; en pratique, visez au moins 10 fois pour voir une forme fidèle.

La bande passante : l'amplificateur d'entrée affaiblit les hautes fréquences. La bande passante annoncée est la fréquence à laquelle l'amplitude affichée tombe à 70,7 % (−3 dB). Un oscilloscope de 100 MHz montre donc un sinus de 100 MHz de 1 V avec seulement 0,71 V, soit 29 % d'erreur ! Pour un signal carré, ce sont les fronts qui comptent : ils contiennent des fréquences bien plus élevées que la fréquence du signal. Un front ne peut paraître plus rapide que le temps de montéeTemps de montée de l'oscilloscope ≈ 0,35 / bande passante : 3,5 ns pour 100 MHz, 17,5 ns pour 20 MHz. de l'oscilloscope.
En électrotechnique, 20 à 100 MHz suffisent presque toujours : le 50 Hz, le découpage d'un variateur (quelques kHz) et même la plupart des parasites de commutation.

La résolution verticale

Le CAN ne mesure pas la tension au millivolt près : il la range dans un nombre limité de niveaux. Un CAN 8 bits, le plus courant, dispose de 2⁸ = 256 niveaux pour toute la hauteur de l'écran.

Exemple chiffré :

Calibre 1 V/div sur 8 divisions : l'écran couvre 8 V. Un niveau vaut 8 / 256 ≈ 31 mV.
Une ondulation de 0,2 V n'occupe alors que 0,2 / 0,031 ≈ 6 niveaux : elle s'affiche en escalier grossier.
Au calibre 50 mV/div (en couplage AC, voir chapitre 2), l'écran couvre 0,4 V : un niveau vaut 1,6 mV et la même ondulation occupe 125 niveaux. Elle devient lisible.

• Certains modèles, dont plusieurs oscilloscopes USB, montent à 12 bits (4 096 niveaux) voire 16 bits (65 536 niveaux).
• Le zoom logiciel ne crée aucune résolution : agrandir un signal acquis au mauvais calibre agrandit surtout ses marches d'escalier.