INSTRUMENTS ET METHODES DE MESURES

3ÈME ANNÉE – OPTION ÉLECTRONIQUE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Objectifs Généraux du Cours

Ce manuel a pour objectif de faire de l’élève un praticien compétent et méthodique de la mesure électronique. Dépassant l’usage du simple multimètre, ce cours se concentre sur les instruments d’analyse dynamique des signaux, au premier rang desquels figure l’oscilloscope, complété par les générateurs de signaux et les fréquencemètres. La finalité est de développer une maîtrise instrumentale qui permet de visualiser, de caractériser et de quantifier les signaux électriques dans le temps et en fréquence, une compétence indispensable pour la validation, le test et le dépannage des systèmes électroniques.

2. Compétences Visées

Au terme de cette année de formation, l’élève détiendra la capacité de :

• Configurer et utiliser un oscilloscope pour visualiser et mesurer avec précision les caractéristiques d’un signal (amplitudes, période, fréquence, déphasage).
• Mettre en œuvre un générateur de fonctions pour produire des signaux de test (sinusoïdaux, carrés, triangulaires) aux caractéristiques spécifiées.
• Expliquer le principe de fonctionnement des principaux instruments de laboratoire et justifier leur classification.
• Utiliser un fréquencemètre pour mesurer une fréquence avec une haute résolution et un wattmètre pour mesurer une puissance active.
• Appliquer une démarche de mesure rigoureuse, du choix de l’instrument à l’interprétation critique des résultats.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique est fondamentalement instrumentale et expérimentale. Chaque instrument est présenté à travers son architecture fonctionnelle, ses principes de fonctionnement, ses panneaux de commande et ses domaines d’application. L’apprentissage se fait par la mise en situation pratique, où l’élève utilise les instruments pour caractériser des circuits étudiés en théorie. Des études de cas, comme la vérification des signaux de synchronisation dans un système vidéo à la RTNC à Kinshasa ou l’analyse de la pureté spectrale d’un oscillateur pour un émetteur radio à Bunia, servent à illustrer l’application des techniques de mesure dans un contexte professionnel.

PREMIÈRE PARTIE : L’OSCILLOSCOPE, VISUALISATION ET MESURE DES SIGNAUX 🔬

Cette partie est entièrement dédiée à l’instrument le plus emblématique et le plus puissant du laboratoire d’électronique : l’oscilloscope. Il est présenté comme « l’œil » de l’électronicien, capable de représenter graphiquement l’évolution d’une tension au cours du temps. L’élève y découvrira en détail sa constitution interne, apprendra à maîtriser ses réglages fondamentaux et s’exercera à l’utiliser pour effectuer toute une gamme de mesures dynamiques, bien au-delà des capacités d’un simple voltmètre.

CHAPITRE 1 : PRINCIPE ET CONSTITUTION DE L’OSCILLOSCOPE

1.1. Le schéma bloc fonctionnel de l’oscilloscope

L’architecture interne de l’oscilloscope est décomposée en ses principaux blocs fonctionnels. L’élève apprendra à identifier la chaîne de déviation verticale, la chaîne de déviation horizontale (incluant la base de temps), le circuit de synchronisation, le tube à rayons cathodiques (pour les modèles analogiques) et l’alimentation.

1.2. Le tube à rayons cathodiques (CRT)

Le principe du tube cathodique, cœur de l’oscilloscope analogique, est expliqué : un canon à électrons produit un faisceau fin, qui est dévié par les tensions appliquées aux plaques verticales et horizontales avant de frapper un écran phosphorescent pour créer un spot lumineux.

1.3. La chaîne de déviation verticale

Cette chaîne a pour rôle de conditionner le signal à mesurer pour qu’il puisse être appliqué aux plaques de déviation verticale. Elle comprend un atténuateur d’entrée (pour sélectionner le calibre en V/div) et un amplificateur vertical à large bande passante.

1.4. La chaîne de déviation horizontale et la base de temps

La base de temps est le bloc qui génère une tension en « dents de scie » à une fréquence réglable. Appliquée aux plaques horizontales, cette tension provoque le balayage du spot à vitesse constante sur l’écran, créant ainsi l’axe des temps. Le rôle du sélecteur de vitesse de balayage (s/div) est expliqué.

CHAPITRE 2 : LES RÉGLAGES FONDAMENTAUX DE L’OSCILLOSCOPE

2.1. Les réglages de la trace

Avant toute mesure, la trace doit être correctement réglée. L’élève apprendra à ajuster les commandes de focus (focalisation), d’intensité lumineuse et d’astigmatisme pour obtenir une trace fine, nette et sans bavure.

2.2. Le réglage du zéro vertical et horizontal

Les commandes de positionnement vertical et horizontal sont présentées. L’élève s’exercera à aligner précisément la trace avec les axes du graticule de l’écran, une étape indispensable pour servir de référence aux futures mesures d’amplitude et de niveau de tension.

2.3. Le couplage d’entrée (AC / DC / GND)

Le sélecteur de couplage d’entrée est un réglage crucial. L’élève apprendra à différencier le mode DC (qui visualise le signal complet, composante continue incluse), le mode AC (qui élimine la composante continue pour ne voir que la partie alternative) et le mode GND (qui met l’entrée à la masse pour régler le zéro).

2.4. Le circuit de synchronisation (Trigger)

La synchronisation est le secret d’une image stable à l’écran. L’élève découvrira le rôle du circuit de « trigger » qui déclenche le balayage horizontal toujours au même instant sur le signal d’entrée. Les réglages de niveau, de pente (slope) et de source (interne, externe) sont expliqués.

CHAPITRE 3 : MESURES TEMPORELLES ET FRÉQUENTIELLES À L’OSCILLOSCOPE

3.1. Mesure de la période d’un signal

La mesure de la période (T) d’un signal périodique est une des applications fondamentales de l’oscilloscope. L’élève apprendra la méthode : mesurer sur le graticule la distance horizontale correspondant à un cycle complet du signal, et la multiplier par la valeur du calibre de la base de temps.

3.2. Mesure de la fréquence

La fréquence (f) d’un signal est l’inverse de sa période (). Une fois la période mesurée, l’élève s’exercera à calculer la fréquence, une information essentielle pour caractériser un oscillateur ou un signal d’horloge.

3.3. Mesure de temps de montée et de descente

Pour les signaux carrés ou les impulsions, les temps de transition sont des paramètres importants. L’élève apprendra à mesurer le temps de montée (typiquement entre 10% et 90% de l’amplitude) en utilisant une vitesse de balayage rapide pour « zoomer » sur le front du signal.

3.4. Mesure du rapport cyclique

Le rapport cyclique d’un signal rectangulaire est le rapport de la durée de l’état haut sur la période totale. L’élève apprendra à mesurer ces deux durées sur l’oscillogramme pour calculer ce paramètre, qui est crucial dans les alimentations à découpage et les systèmes de commande par modulation de largeur d’impulsion (PWM).

CHAPITRE 4 : MESURES D’AMPLITUDES ET DE DÉPHASAGES À L’OSCILLOSCOPE

4.1. Mesure de tensions continues (DC)

En mode de couplage DC, l’oscilloscope se comporte comme un voltmètre. L’élève apprendra à mesurer une tension continue en mesurant le décalage vertical de la trace par rapport à la position zéro, et en multipliant cette distance par le calibre vertical.

4.2. Mesure de tensions alternatives (AC)

Pour un signal alternatif, plusieurs mesures d’amplitude sont possibles. L’élève s’exercera à mesurer la tension crête-à-crête (), la tension crête () et à en déduire la valeur efficace () dans le cas d’un signal sinusoïdal.

4.3. Mesure de déphasage par la méthode des deux traces

En utilisant un oscilloscope à deux voies, on peut visualiser simultanément deux signaux (par exemple, l’entrée et la sortie d’un filtre). L’élève apprendra à mesurer le décalage temporel () entre les deux signaux pour en déduire l’angle de déphasage ().

4.4. Mesure de déphasage par les courbes de Lissajous

En mode XY, l’oscilloscope trace un signal en fonction de l’autre, produisant des figures dites de Lissajous. L’élève découvrira comment la forme de l’ellipse obtenue permet de déterminer avec précision le déphasage et le rapport de fréquence entre les deux signaux.

DEUXIÈME PARTIE : LES GÉNÉRATEURS DE SIGNAUX : CRÉATION DE STIMULI 📡

Si l’oscilloscope est l’œil de l’électronicien, les générateurs de signaux en sont la voix. Ces instruments sont indispensables pour tester, caractériser et dépanner les circuits électroniques en leur fournissant un signal d’entrée (un stimulus) aux caractéristiques parfaitement contrôlées. Cette partie explore les différentes technologies de générateurs, depuis les modèles basses fréquences polyvalents jusqu’aux générateurs de signaux radiofréquences.

CHAPITRE 5 : TECHNOLOGIES DES GÉNÉRATEURS DE SIGNAUX

5.1. Classification des générateurs

Les générateurs sont classés en fonction des types de signaux qu’ils produisent et de leur gamme de fréquence. L’élève apprendra à distinguer les générateurs de fonctions (BF), les générateurs RF (radiofréquences), les générateurs d’impulsions et les générateurs de signaux arbitraires.

5.2. Les générateurs de signaux sinusoïdaux

Ce sous-chapitre se concentre sur la production d’ondes sinusoïdales pures. Les deux grandes familles d’oscillateurs utilisées dans les générateurs sont présentées : les oscillateurs RC (comme le pont de Wien) pour les basses fréquences, et les oscillateurs LC pour les hautes fréquences.

5.3. Les générateurs de signaux non sinusoïdaux

La production d’ondes carrées et triangulaires est expliquée. L’élève découvrira que ces signaux sont souvent obtenus en transformant une onde sinusoïdale : le passage par un comparateur (schmitt trigger) génère une onde carrée, et l’intégration de cette onde carrée produit une onde triangulaire.

5.4. Caractéristiques et spécifications

Les caractéristiques clés d’un générateur sont définies : la gamme de fréquence, la stabilité, la pureté spectrale (pour les signaux sinusoïdaux), la précision en amplitude, et l’impédance de sortie (généralement 50 Ω).

CHAPITRE 6 : LE GÉNÉRATEUR DE FONCTIONS BASSES FRÉQUENCES (GBF)

6.1. Le schéma bloc d’un GBF analogique

Le schéma synoptique d’un GBF classique est analysé. Il est souvent articulé autour d’un oscillateur principal qui génère une onde triangulaire, à partir de laquelle une onde carrée (par commutation) et une onde sinusoïdale (par mise en forme) sont dérivées.

6.2. Les réglages du GBF

L’élève se familiarisera avec les commandes du panneau avant d’un GBF : le sélecteur de forme d’onde, le réglage de la fréquence (par gammes et par potentiomètre vernier), le réglage de l’amplitude (ou niveau de sortie), et la commande d’offset (pour ajouter une composante continue).

6.3. Le GBF à synthèse numérique directe (DDS)

La technologie moderne des GBF est introduite. La DDS (Direct Digital Synthesis) utilise une mémoire numérique, un accumulateur de phase et un convertisseur numérique-analogique pour générer des signaux de très haute précision et agilité en fréquence.

6.4. Applications typiques du GBF

Le GBF est l’outil de base pour tester les circuits audio et les systèmes asservis. Ses applications sont illustrées : mesure de la bande passante d’un amplificateur, test de filtres, ou fourniture d’un signal de référence pour un système de régulation à Bukavu.

CHAPITRE 7 : LE GÉNÉRATEUR DE SIGNAUX HAUTE FRÉQUENCE (RF)

7.1. Spécificités des générateurs RF

Les générateurs RF sont conçus pour produire des signaux sinusoïdaux de très haute pureté et stabilité dans les gammes de fréquences utilisées en radio et télécommunications (du MHz au GHz). Leur sortie est toujours calibrée en puissance (dBm) et leur impédance est rigoureusement de 50 Ω.

7.2. L’oscillateur à boucle à verrouillage de phase (PLL)

La plupart des générateurs RF modernes utilisent une architecture à PLL (Phase-Locked Loop). L’élève découvrira le principe de cette boucle qui asservit un oscillateur commandé en tension (VCO) à un oscillateur de référence à quartz très stable, permettant de synthétiser une large gamme de fréquences avec une très grande précision.

7.3. Les fonctions de modulation

Une caractéristique essentielle des générateurs RF est leur capacité à moduler le signal de sortie. Les modulations d’amplitude (AM), de fréquence (FM) et de phase (PM) sont présentées comme des fonctions indispensables pour tester les récepteurs de communication.

7.4. Utilisation et précautions en RF

La manipulation des signaux RF exige des précautions. L’importance d’utiliser des câbles et des connecteurs coaxiaux adaptés (comme le BNC ou le SMA) pour préserver l’intégrité du signal et l’adaptation d’impédance est fortement soulignée.

TROISIÈME PARTIE : MESURES DE FRÉQUENCE ET DE PUISSANCE ⚡

Cette partie aborde la mesure de deux grandeurs physiques qui, avec la tension, sont parmi les plus importantes en électronique de communication et de puissance : la fréquence et la puissance. L’élève y découvrira les instruments spécifiquement conçus pour ces mesures, qui offrent une précision bien supérieure à celle des méthodes à l’oscilloscope. L’introduction à l’analyse spectrale ouvrira une fenêtre sur la représentation des signaux dans le domaine fréquentiel.

CHAPITRE 8 : LE FRÉQUENCEMÈTRE NUMÉRIQUE

8.1. Principe de la mesure par comptage

Le principe de base du fréquencemètre numérique est le comptage direct. Il consiste à compter le nombre d’impulsions du signal d’entrée pendant un intervalle de temps très précis, appelé « temps de porte », généré par une base de temps à quartz.

8.2. Le schéma bloc d’un fréquencemètre

Le schéma synoptique du fréquencemètre est analysé. Il comprend un circuit de mise en forme du signal d’entrée, une porte logique, un compteur décimal, une base de temps de précision et des circuits d’affichage.

8.3. Les différents modes de mesure

Outre la mesure de fréquence, de nombreux appareils proposent d’autres modes. La périodemétrie (mesure de la période, plus précise pour les basses fréquences), la mesure d’intervalles de temps, et le totaliseur (comptage d’événements) sont présentés.

8.4. Utilisation et précision

L’élève apprendra à utiliser un fréquencemètre, en prêtant attention au niveau du signal d’entrée et au choix du temps de porte, qui représente un compromis entre la vitesse de mesure et la résolution. La très haute précision de l’instrument, directement liée à la stabilité de son oscillateur à quartz, est mise en évidence.

CHAPITRE 9 : LE WATTMÈTRE ET LA MESURE DE PUISSANCE ACTIVE

9.1. Principe du wattmètre électrodynamique

Le wattmètre analogique traditionnel est décrit. Son fonctionnement repose sur l’interaction de deux bobines : une bobine fixe, parcourue par le courant, et une bobine mobile, parcourue par une image de la tension. Le couple qui en résulte est proportionnel au produit , dont la valeur moyenne est la puissance active.

9.2. Les wattmètres numériques

Les wattmètres modernes sont entièrement électroniques. Ils échantillonnent simultanément la tension et le courant, effectuent le produit numérique de ces valeurs instantanées, puis en calculent la moyenne pour afficher la puissance active, le facteur de puissance, et d’autres grandeurs.

9.3. Le montage correct du wattmètre

Un wattmètre possède quatre bornes (deux pour le circuit courant, deux pour le circuit tension). L’élève apprendra le schéma de branchement correct pour mesurer la puissance consommée par une charge, une compétence indispensable pour les bilans énergétiques dans l’industrie, par exemple à la Gecamines au Katanga.

9.4. Réalisation de mesures de puissance

L’élève s’exercera, à travers des exemples, à réaliser des mesures de puissance sur des charges monophasées. L’importance de respecter les calibres en courant et en tension de l’instrument pour garantir sa sécurité et la précision de la mesure est soulignée.

CHAPITRE 10 : L’ANALYSEUR DE SPECTRE : INTRODUCTION À LA MESURE FRÉQUENTIELLE

10.1. Le domaine temporel et le domaine fréquentiel

Ce sous-chapitre introduit un concept fondamental : un signal peut être représenté soit dans le domaine temporel (amplitude en fonction du temps, ce que fait l’oscilloscope), soit dans le domaine fréquentiel (amplitude en fonction de la fréquence). L’analyseur de spectre est l’instrument qui réalise cette seconde vision.

10.2. Le principe de l’analyseur de spectre à balayage

Le fonctionnement de l’analyseur de spectre superhétérodyne est expliqué. Il se comporte comme un récepteur radio à bande très étroite dont la fréquence d’accord balaye la gamme de fréquences à analyser, mesurant la puissance du signal à chaque point.

10.3. Interprétation d’un relevé spectral

L’élève apprendra à lire un relevé d’analyseur de spectre. Pour un signal sinusoïdal pur, on observe une seule raie (le fondamental). Pour un signal complexe (carré, par exemple), on observe le fondamental et ses harmoniques. Les amplitudes sont généralement affichées sur une échelle logarithmique (dBm).

10.4. Applications de l’analyse spectrale

Les applications de cet outil puissant sont illustrées : la vérification de la pureté spectrale d’un oscillateur, la mesure du taux de distorsion harmonique d’un amplificateur, la recherche de signaux parasites, et l’analyse des signaux de télécommunication.

Annexes

1. Mémento des Réglages de l’Oscilloscope

Cette section fournirait une synthèse visuelle et commentée du panneau avant d’un oscilloscope type. Chaque commande (V/div, s/div, Trigger, Couplage, etc.) serait repérée et sa fonction principale serait rappelée de manière concise, servant d’aide-mémoire pour les travaux pratiques.

2. Catalogue de Formes d’Ondes Typiques

Un catalogue présenterait les formes d’ondes temporelles et les spectres de fréquence correspondants pour les signaux les plus courants : sinusoïdal, carré, triangulaire, en dents de scie, et signal modulé en amplitude (AM).

3. Guide sur l’Adaptation d’Impédance

Un guide pratique expliquerait l’importance fondamentale de l’adaptation d’impédance (typiquement 50 Ω) en haute fréquence. Il illustrerait les problèmes causés par une désadaptation (réflexions du signal, pertes de puissance) et l’importance d’utiliser des câbles et des charges adaptés.

4. Introduction aux Sondes de Mesure

La sonde d’oscilloscope n’est pas un simple fil. Ce complément expliquerait le rôle de la sonde, en particulier la sonde passive 10:1 qui permet d’augmenter l’impédance d’entrée de l’oscilloscope et de réduire l’effet capacitif sur le circuit testé, garantissant ainsi des mesures plus fidèles à haute fréquence.