Oscilloscope
Histoire et fonctionnement
Historique
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J'ai hésité avant de classer l'oscilloscope parmi les appareils électroniques actuels ou les appareils périmés, quand je vois ce que les hautes écoles d'électronique déversent sur le marché. Très peu de demandeurs d'emploi peuvent régler un oscilloscope pour montrer le tracé élémentaire d'une sinusoidale. J'ai finalement décidé de placer les oscilloscopes classiques dans la partie historique et les oscilloscopes numériques dans la partie électronique. C'est ce qu'on appelle un compromis à la belge: personne n'est content.

Historique de l'oscilloscope

Même avant l'apparition des oscilloscopes, on a déjà trouvé des moyens de visualiser le signal électrique, par exemple avec un galvanomètre qui écrit une trace sur du papier, tout comme un baromètre enregistreur. Mais ce type de système est limité par l'inertie mécanique du système et ne permet d'enregistrer que des phénomènes relativement lents.


Tracé d'scillographe optique


Oscilloscope à tubes reproduisant un signal vidéo


Il est même possible de reproduire une image de télévision

Un système plus évolué utilise un petit galvanomètre de masse très faible qui fait basculer un petit miroir. Le miroir dévie un fin rayon lumineux qui va impressionner de la pellicule sensible qui se déplace à vitesse constante (voir tracé d'oscillographe optique). Le film pouvait être développé en négatif (tracé foncé) ou en positif (tracé clair) et il était même possible d'enregistrer deux tracés sur un film. L'ancètre du dual trace, quoi. Le tracé à droite montre les oscillations parasites qui se produisent quand on ouvre le contact d'une bobine de Ruhmkorff pour produire la haute tension dans les moteurs à explosion.

S'il ne faut pas un enregistrement, le rayon lumineux est envoyé vers un écran gradué. Une seconde déflection est appliquée par un miroir polygonal monté sur l'axe d'un moteur pour étaler la trace dans le temps. Il n'est alors pas encore possible de synchroniser le moteur au signal à visualiser.

L'oscilloscope a une longue histoire: elle commence avec le tube de Crookes, un tube allongé auquel on applique une tension élevée. Le tube est sous vide partiel. Quelques électrons libres sont générés par l'ionisation du gaz résiduel. Les électrons (avec une charge électrique négative) sont attirés par l'anode, tandis que les ions (qui ont perdu un électron) se dirigent vers la cathode. Les ions qui frappent la cathode libèrent un grand nombre d'électrons, ce sont eux qui forment les rayons cathodiques.

Notez qu'à cette époque on ne parlait pas encore d'électrons mais de "rayons cathodiques" (car issus de la cathode), tandis que les ions étaient appellés "rayons canaux". Les rayons cathodiques étaient émis perpendiculairement à la surface de la cathode, ce qui faisait supposer que ces rayons étaient en fait des particules (mais on ne savait pas encore lesquelles).

Quand les rayons cathodiques frappent l'anode, ils produisent des rayons X (s'ils sont suffisamment énergétiques), c'est ainsi que ce type de rayonnement a été découvert. Les rayons cathodiques ne sont pas tous captés par l'anode, certains rayons poursuivent leur route et frappent la surface de verre, où ils produisent un léger rayonnement vert (fluorescence). La fluorescence peut être augmentée en revouvrant la paroi intérieure du tube d'une substance plus fluorescente.

Il est possible de dévier le rayonnement avec un aimant ou un champ électrique. C'est interessant, mais le tube de Crookes est resté une curiosité de laboratoire: il dépend en effet de la pression partielle correcte pour fonctionner. Si le vide est trop prononcé, il y a trop peu d'ions qui se forment et frappent la cathode, et donc trop peu d'électrons qui sont libérés.

L'avancée viendra avec le filament chauffé, qui produit un flot continu d'électrons et permet de fonctionner avec une tension plus faible. Le tube ne necessite pas la présence d'ions pour fonctionner, et le tube peut fonctionner sous un vide plus poussé, ce qui améliore ses caractéristiques. Ce filament (et le vide poussé) permettra l'apparition des différents tubes électroniques: triodes, penthodes, tubes imageurs pour oscilloscope et tube de télévision.

Les premiers tubes cathodiques apparaissent en 1931. La déflection est électrostatique, par des plaques sur lesquelles on applique une tension. La commande est généralement en mode push-pull qui permet une déviation plus importante avec une différence de tension plus faible. Il y a deux plaques pour la déflection verticale (le signal à mesurer) et deux plaques pour la déflection horizontale (le signal de la base de temps).

Comparaison avec les téléviseurs

Les premiers téléviseurs utilisaient également un écran d'oscilloscope, mais le phosphore utilisé produisait une image plus blanche, plus agréable à regarder. La déflection horizontale traçait des lignes (à fréquence élevée, par exemple 15000 lignes par seconde), tandis que la déflection verticale produisait l'image en étalant les lignes en hauteur (comme le texte d'un livre ou d'une page internet). L'image se composait dans les premières versions de 180 lignes, mais on est passé à plus de 500 lignes au début de la seconde guerre mondiale. L'image même était formée par la modulation du courant cathodique.

Il est toujours possible d'utiliser un oscilloscope pour reproduire une image de télévision à condition que l'oscilloscope dispose d'une entrée Z qui modifie l'intensité du spot. L'oscilloscope Paco ES-550B (Precision Apparatus Corporation) dispose d'une telle entrée et peut travailler en mode XY (voir plus loin), où on n'utilise pas la base de temps interne.

Les téléviseurs sont passés d'une déflection électrostatique à une déflection électromagnétique qui permet un angle de déflection plus important, et donc des tubes plus courts. Par contre pour les oscilloscopes, on est forcé d'utiliser la déflection électrostatique qui permet une déflection correcte à toutes les fréquences. Les tubes d'affichage d'oscilloscopes sont donc nécessairement longs.

Oscilloscope classique

L'oscilloscope produit ainsi une analyse d'un signal dans le temps. Pour permettre d'avoir une image stable, les oscilloscopes classiques nécessitent un signal répétitif. Plus tard, on trouvera des oscilloscopes qui ne déclenchent la base de temps que quand une condition prédéfinie est atteinte. Pour permettre de voir le tracé, un appareil photographique spécial est utilisé. Le spot n'est enclenché qu'une seule fois au moment de la déflection et l'image est enregistrée sur le film sensible. Tout l'appareillage est placé dans un caisson pour éviter l'arrivée de lumière indésirable car l'obturateur est laissé continuellement ouvert.

Ces oscilloscopes étaient utilisés pendant la seconde guerre mondiale pour montrer le signal du radar. A cette époque, le tracé ne permettait pas encore de déterminer directement la position d'un avion ennemi, il fallait combiner les signaux de plusieurs oscilloscopes, un oscilloscope indiquait la distance, un autre tracé indiquait l'azimuth ou l'élévation (voir historique du radar).

Le signal de la base de temps de l'oscilloscope est un signal en dents de scie, qui augmente linéairement pour revenir rapidement à son point de départ en fin de course. Pendant le retour le spot lumineux est bloqué électroniquement. La base de temps peut être synchronisée avec le signal à visualiser (il n'est possible de visualiser correctement que des signaux répétitifs). Il est interessant de noter que la déflection horizontale et verticale d'un téléviseur était également un signal en dents de scie.

Nous n'allons pas décrire tous les réglages possibles d'un oscilloscope, signalons simplement le mode de fonctionnement XY où on applique un signal sur l'entrée X (généralement le signal à l'entrée d'un module) et un autre signal sur l'entrée Y (le signal à la sortie du module). Ce mode de fonctionnement permet de vérifier la linéarité d'un module ou peut être utilisé pour controler la modulation dans le cas d'un émetteur AM. Cette page reprend quelques tracés d'oscilloscope d'un émetteur AM, aussi bien des tracés classiques (enveloppe) que des tracés en mode XY (tracés en trapèze).

Le mode XY peut être utilisé pour controler le fonctionnement d'un module, mais également pour tracer les courbes caractéristiques d'un transistor. Il existe des kits tout simple à brancher à un oscilloscope. Ces kits fournissent tous les signaux nécessaires et se branchent à l'oscilloscope.

Les oscilloscopes numériques sont décrits sur une page séparée.

Le schéma de l'oscilloscope PACO ES 550B est décrit ici.

La très haute tension pour le tube cathodique se fait à partir du transfo d'alimentaion avec un doubleur de tension composé de deux tubes 1V2 qui produisent à la fois une tension positive (pour l'anode d'accélération) et une tension négative (pour la cathode et les grilles de commande et de focalisation).

Nous avons ensuite la haute tension classique produite par un 5V4, un tube redresseur double alternance. L'appareil utilise une self de filtrage et les circuits de préamplification sont alimentés à partir d'une tension stabilisée par un tube néon OA2.

Cet appareil produit également une tension de calibration, générée à partir de la tension alternative des filaments et limitée par une double diode au sélénium montée tête-bèche.

L'amplification verticale se compose des tubes suivants:

  • 12AV7, étage tampon et premier amplificateur, correspond au PCC84, une double triode utilisée en VHF.
  • 6U8, triode-penthode dont la penthode est utilisée comme étage amplificateur classique et la triode comme étage déphaseur pour commander le push pull (correspond à un tube PCF82 qui peut être utilisé en VHF).
  • 6CL6, penthode vidéo utilisée dans les téléviseurs (correspond au tube PL83 européen). Nous avons ici un montage en push pull permettant une déflection appréciable avec une tension de commande plus faible.
Pour la déflection horizontale, nous avons les tubes suivants:
  • 6U8 avec la triode comme étage tampon et la penthode comme étage amplificateur classique.
  • 6C4 une triode de puissance qui n'a pas vraiment d'équivalent européen, utilisé comme étage déphaseur.
  • 12BH7 une double triode (correspond un peu au tube ECC82), utilisé comme étage push pull.
Et puis nous avons la base de temps avec les tubes 6BH6 (penthode, pas d'équivalent européen) et 12AV7 (double triode). La suppression du spot lors du retour est assuré par un tube 12AU7 (double triode).

L'oscilloscope a une entrée Z (modulation du faiseau d'électrons) et une entrée X et Y directe, permettant d'éviter l'utilisation des amplificateurs internes. Les amplificateurs ne sont pas couplés en courant continu (comme la plupart des oscilloscopes à tubes), et ne peuvent donc pas montrer les niveaux continus.

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