Appareils
de laboratoire
Chaque
poste de travail au laboratoire est équipé de trois appareils de
laboratoire. Deux d'entre eux sont pour la mesure et l'analyse alors
que l’autre fournit des tensions continues à un montage. Ces
appareils sont très performants et parfois même très complexes
dans leur fonctionnement. La description qui suit donnera un aperçu
de chaque appareil. On fournira aussi des références à des sites
Internet pour des explications détaillées et pour donner accès aux
manuels du manufacturier.
Oscilloscope,
source de tension et multimètre au laboratoire L-3818
Source
de tension/courant
Un
montage doit être alimenté pour pouvoir fonctionner. On peut
utiliser des piles ou un transformateur pour résoudre le problème.
Par contre, une source de tension/courant de laboratoire est plus
flexible, car elle permet l'ajustement précis sur une grande plage
de valeurs. On peut même limiter le courant consommé et le mesurer
à l'écran.
Les deux
modèles GW Instek ont 4 sources (channels) qui peuvent être
combinées en série ou en parallèle ou encore utilisées chacune de
manière indépendante. Les deux modèles ont des fonctionnements
très similaires. Pour une première utilisation, il vaut mieux
commencer par une familiarisation avec chaque canal. On s'assurera
donc du réglage des deux boutons-poussoirs du centre pour qu'ils
soient en position «INDEP» (GPS-4303) ou «Independant»
(GPE-4323). L'écran permet d'afficher la tension et le courant de
deux canaux à la fois. Des interrupteurs à glissière de chaque
côté de l'afficheur permettent de sélectionner lequel du canal 2
ou 4 sera affiché du côté gauche et lequel du canal 1 ou 3 sera
affiché du côté droit pour le modèle GPS-4303 ou par des
boutons-poussoirs vers la droite à mi-hauteur. Il est à noter que
l'appareil se met en marche en appuyant sur le bouton «POWER».
Par contre, aucune des sources ne sera active à moins que le bouton
«OUTPUT» au-dessus ne soit enfoncé et que la DEL
d'indication ne tourne au vert sur le modèle GPS-4303. Sur le
modèle plus récent, le GPD-4323, on a accentué l’indication de
ce comportement avec une DEL encore plus lumineuse à droite
identifiée «On/Off» et une mention «ON» à l’écran à la
fois. On a donc moins de chance de l’oublier, ce qui est vraiment
une amélioration, même si le fonctionnement reste le même par
rapport au plus vieux modèle. Quand la sortie est réellement
effective (output enable en anglais), la valeur de courant
affichée n’est plus celle maximale pouvant être fournie par la
source, mais plutôt la valeur de courant réellement consommée par
le montage. Sachant que la puissance, est le produit de la tension
par le courant, il suffit de multiplier les deux valeurs à l’écran
pour l’obtenir ce qui est fort pratique.
Toutes
les sources ne sont pas équivalentes. Il faut bien lire sous les
bornes de branchement les limites des tensions pouvant être
atteintes pour chaque canal. Il y a un vernier «VOLTAGE»
pour chacun des canaux. Cependant, pour les canaux 1 et 2, les
verniers sont plus gros. De plus, les canaux 1 et 2 ont un bouton
«CURRENT» qui permet de limiter le courant fourni par la
source. Cette caractéristique est particulièrement intéressante
si on a des doutes sur la présence d'un court-circuit dans le
montage. Si on ne désire pas limiter le courant, on choisira plutôt
de prendre le canal 4 ou 3 et d'ajuster le petit vernier de tension
juste au-dessus des bornes de sortie. Pour une première
utilisation, il est peut-être plus facile de se limiter aux canaux 1
et 2 et de tout contrôler avec les gros verniers. On pourra ajuster
la tension désirée et limiter le courant à une valeur raisonnable
dans un premier temps. La disposition des boutons est différente
pour chacun des modèles, mais le comportement est le même.
Le
modèle GPE-4323 un un bouton supplémentaire qui n’a pas
d’équivalent sur le GPS-4303. Il s’agit du bouton «Set View /
Lock». En appuyant sur ce bouton, on peut revenir aux valeurs de
réglage de tension et de courant tout en conservant les sorties
effectives. C’est un léger avantage plus sophistiqué. Un autre
avantage de luxe, lorsque le même bouton «Set View / Lock» est
maintenu enfoncé quelques secondes, le réglage est alors figé et
modifier les boutons ne change rien aux valeurs de réglage de la
source de tension. C’est une sécurité supplémentaire
intéressante en laboratoire.
On
référera aux manuels du manufacturier pour des explications plus
approfondies si nécessaire.
Le
modèle Instek GPS-4303 au L-4714
Le
modèle Instek GPE-4323 au L-3818
Multimètre
Un
multimètre permet de mesurer des valeurs électriques de base telles
que résistivité, tension, courant et autres. On peut aussi tester
certains composants électriques comme une diode par exemple. Donc,
comme son nom l'indique, le multimètre combine plusieurs appareils
de mesure en un seul.
Pour le
cours, on se limitera surtout à la mesure d'une tension en courant
continu (CC). On appuiera donc sur le premier bouton à gauche de la
rangée du haut (DC mV).
Une
autre utilisation intéressante du multimètre est pour le test de
continuité. La continuité électrique implique une résistivité à
peu près nulle entre deux points du circuit. La partie ohmmètre
peut être utilisée pour cette opération en appuyant sur le bouton
Ω (le troisième à partir de la gauche, rangée du haut).
Cependant, le multimètre a un mode plus simple pour ce test si on
appuie sur le bouton juste à droite du précédent. Un son est
simplement émis s'il y a continuité. Cette caractéristique est
particulièrement utile lorsqu'il faut garder les yeux sur le montage
sans pouvoir regarder l'afficheur du multimètre. On peut ainsi
promener les sondes d'un point à l'autre du circuit assez rapidement
sans relever la tête.
Oscilloscope
(Keysight (Agilent) MSO6034A (série 6000) - Mixed Signal
Oscilloscope)
Un
oscilloscope est essentiellement un voltmètre avec un axe de temps.
Il permet de montrer la forme d'un signal dans le temps. Les signaux
peuvent avoir une caractéristique de périodicité ou non. Les plus
sophistiqués, comme le nôtre, peuvent analyser des signaux
numériques en plus des signaux analogiques.
Le
fonctionnement de l'oscilloscope est expliqué en quatre scènes
d'une vidéo dans une section séparée d'une manière encore
plus détaillée qu'ici. Mentionnons de plus que le principe général
de fonctionnement d'un oscilloscope est décrit sommairement par la
version française
de Wikipédia, mais la version
anglaise offre plus de détails. On
a des détails sur le modèle MSO6034A de
Keysight
(anciennement Agilent)
et on a aussi un
manuel
de l'utilisateur.
Le
modèle Keysight
que nous avons a 4 entrées analogiques, correspondant aux 4 sondes à
l'avant. Il a aussi 16 entrées numériques, toutes regroupées en
un large câble branché à l'arrière et qui se termine par une
boîte noire vers l'avant. De cette boîte noire, sort un petit
câble plat de 10 fils qui peut être branché directement à un port
de la carte mère. La petite ligne rouge sur le bord du câble plat
donne la position du premier signal. Cet oscilloscope renferme donc
un petit analyseur
logique en prime.
Qu'est-ce
qui différencie l'analyse numérique de l'analyse logique d'un
signal? Il faut se souvenir qu'un signal numérique franchit les
seuils de façon nette ce qui permet d'éviter les ambiguïtés sur
la valeur logique que représente le signal. L'oscilloscope affiche
ces signaux à la manière dont on les décrit dans les fiches
techniques de circuits numériques c'est-à-dire qu'on accorde peu
d'importance aux montées et descentes de signaux et qu'on se
contente de montrer le signal au niveau haut ou bas selon le cas. La
synchronisation entre les 16 signaux est cependant conservée ce qui
permet de bien analyser le comportement de signaux regroupés en bus
par exemple. Les boutons juste à droite de l'écran contrôlent
l'affichage des signaux numériques («D15» Thru «D0» de la
section «Digital»). Le bouton est rétroéclairé si le
comportement qu'il permet est actif. D'ailleurs, cette remarque
s'étend à tous les boutons de l'oscilloscope.
La sonde
qui mesure les signaux numériques se termine par une boîte noire de
laquelle sort un câble plat à dix fils. Ce câble plat est à son
tour terminé par un connecteur femelle à 10 fils qui peut s'insérer
directement sur les ports A, B, C ou D de la carte à
microcontrôleur. Donc, les connexions de la sonde sont directement
réalisées pour vous à l'intérieur de la boîte noire. Le long
processus de branchement des fils n'a pas à être refait à chaque
fois. De plus, la partie fragile de la sonde est protégée par
cette boîte. La petite ligne rouge sur le câble plat indique la
première position. Il faut donc enficher le connecteur pour que la
ligne rouge soit du même côté que le chiffre 1 indiqué sur chaque
port de la carte à microcontrôleur. Le connecteur mâle sur le
câble plat permet de rebrancher ce qui était sur le port avant
l'introduction de la sonde. De cette façon, la sonde ne fait que
s'intercaler entre le port et ce qui était connecté au port.
Par
rapport au signal numérique, le signal analogique peut prendre
toutes les formes possibles et on ne peut rien supposer a priori sur
la forme générale de l'onde ou sur les transitions.
Un
signal peut avoir une longue évolution dans le temps. On doit
préciser à l'oscilloscope l'intervalle que l'on désire afficher à
l'écran. Il faut donc lui dire à quel moment il doit «déclencher»
(triggering en anglais). Le déclenchement peut être un
front montant, une séquence particulière de bits, un temps actif
d'une certaine durée, etc.
Alors,
comment contrôler le déclenchement? Quand on ne sait pas quoi
faire, on appuie sur le bouton «AutoScale» et l'on espère
que l'oscilloscope trouvera par lui-même une forme d'onde
intéressante à afficher! On devine facilement que l'appareil peut
donner un résultat fort différent de celui attendu... Pour ajuster
manuellement le déclenchement, on peut souvent se tirer d'affaire en
ajustant quelques boutons de la section «trigger»,
complètement sur la droite. Les modes correspondant aux boutons
«pulse width», «pattern» et «more» peuvent
devenir complexes. Par contre, un simple déclenchement sur un front
d'onde («edge») est suffisant dans bien des situations. On
choisira la source de déclenchement et le type de front, montant ou
descendant, avec les boutons au bas de l'écran.
Déclencher
sur une caractéristique précise du signal est un aspect important,
mais il est fort possible que cette particularité se répète,
particulièrement dans le cas des signaux périodiques. Jusqu'à un
certain point, on peut contrôler un peu plus finement l'acquisition
et sélectionner une portion du signal. En mode normal («Run»),
l'oscilloscope acquiert des données sur un signal et affiche le
résultat. On peut cependant le placer dans l'état «single».
L'oscilloscope attendra alors la prochaine caractéristique précise
et déclenchera sur cet événement unique. L'oscilloscope arrivera
alors dans un état où il n'y a plus d'acquisitions («stop»),
l'affichage ne variera plus et le bouton «Run» passera au
rouge. Comme le montre la machine à états finis, on peut passer
dans les différents modes d'acquisition manuellement.
L'oscilloscope
pourra tout de même déclencher directement s'il est en mode
automatique. Dans ce mode, l'oscilloscope s'efforce d'afficher un
signal, peu importe ce qui arrive en entrée. Avec l'expérience,
cette caractéristique peut devenir embarrassante si on cherche un
déclenchement précis. Il suffit alors de placer l'oscilloscope en
mode normal en appuyant sur «Mode/coupling» de la section
«triggering» et en allant à la touche «Mode» sous
l'écran (choisir «normal» au lieu de «auto»).
Fonctionnement
des modes single, run et stop contrôlant l'acquisition
Le
réglage de l'amplitude d'un signal analogique se fait en utilisant
le gros vernier de couleur (jaune, vert, bleu ou rose) correspondant
à chaque canal. Le nombre de volts par division du quadrillage
s'affiche dans le coin supérieur gauche de l'écran. Le plus petit
vernier plus bas ne fait qu'ajuster la position verticale du signal,
mais l'amplitude reste la même.
Le
réglage suivant l'axe horizontal est aussi possible (section
«Horizontal» au haut). Il n'y a qu'un seul réglage
possible pour tous les signaux, car ils partagent tous la même
référence au temps. Le réglage de «la base de temps» (en
langage d'oscilloscope!) se fait avec le vernier de gauche.
Visuellement, le résultat est que le signal se contracte ou se
dilate selon l'axe des X. On peut donc choisir d'observer les
détails d'une portion d'un signal ou regarder une section plus
grande. Le vernier de droite ne règle que le positionnement des
signaux.
Les
sondes d'oscilloscope elles-mêmes ont quelques particularités. On
remarque que la sonde a une pince «crocodile» qui doit être reliée
à la masse pour établir une référence de tension pour la mesure.
Un bon endroit pour placer cette pince sur la carte mère est le
point de test que vous avez soudé dans le coin supérieur droit,
juste sous le trou permettant le montage. Il devient alors plus
facile de se promener avec la pointe de la sonde de point en point
sur le système. Un petit morceau de plastique au bout de la pointe
peut être utilisé pour agripper la sonde à une patte d'une puce.
Ce morceau de plastique peut aussi être retiré pour permettre
d'avoir une pointe aiguille toute en métal ce qui est utile sur un
montage comme un breadboard par exemple.
Le
bouton «Quick meas(ures)» permet d'afficher
des informations mesurées sur le signal comme sa fréquence, ses
valeurs minimales et maximales, etc. On sélectionnera les valeurs
désirées en ajustant les autres boutons au bas de l'écran. On
pourra même généraliser la prise de mesure entre deux points
arbitraires. Dans ce cas, il est fort probable que le vernier à
usage général devra être utilisé. Il s'identifie par le symbole
d'une flèche qui tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, à
droite de l'écran. Ce vernier permet des déplacements et des
ajustements à l'écran pour le réglage de bien des options de
l'appareil.
Ce
modèle d'oscilloscope accepte les clefs de mémoire USB. C'est
particulièrement pratique pour sauvegarder des données ou la forme
d'une onde, spécialement pour la rédaction d'un rapport.
L'insertion de la clef dans la fente amène l'affichage d'un menu
auquel on accède avec les boutons situés sous l'écran.
