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 M02 : Les appareils de mesure

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Asl
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MessageSujet: M02 : Les appareils de mesure   Mer 13 Fév 2008 - 13:00

LES APPAREILS DE MESURE


Citation :


En électronique, nous avons besoin de mesurer des quantités de choses :
  • Tensions
  • Courants
  • Signaux
  • Fréquence
  • Déphasage
    ....

Mais pour que la valeur retournée par notre mesure soit fiable et exploitable, il est indispensable de connaitre avant :
  1. CE QUE L'ON MESURE
  2. AVEC QUOI
  3. COMMENT


CE QUE L'ON MESURE
    Il est vrai que cela peut paraitre idiot de se poser cette question, mais c'est un préalable indispensable. Les deux autres points vont découler de cette réponse.
    Tension ? Courant ? Continu ? Alternatif ? ...
    Et sur quel contexte nous allons mesurer. J'entends par là, où allons-nous prendre la mesure et qu'il y a-t-il "autour". Essentiellement vis-à-vis de l'impédance du point que nous allons mesurer afin que notre appareil de mesure y soit adapté.
    Bien sur, nous n'allons pas faire une réunion préparatoire à chaque fois que nous avons une tension à mesurer, mais cela doit devenir un réflexe d'y penser.

AVEC QUOI
    Bien sûr, dans notre contexte, et avec le peu d'outils à notre disposition, ce point peut paraitre un peu superflu. Quoique ?
    Le signal est une sinusoïde ou créneau ? (on ne peut pas prendre n'importe quel appareil)
    Nous voulons mesurer une tension efficace ou max ?
    Avons-nous besoin d'une sonde ?

COMMENT
    Ce point est très simple. Il se résume à deux choses :
    1. Connaitre parfaitement le fonctionnement de son appareil de mesure
    2. Connaitre son mode d'emploi.


Dernière édition par Asl le Sam 23 Fév 2008 - 19:44, édité 9 fois
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Asl
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MessageSujet: Re: M02 : Les appareils de mesure   Jeu 14 Fév 2008 - 15:32

TENSION EFFICACE, MOYENNE, MAX


Quesako tout ça ?


Bon, à la limite, je peux comprendre ce que peut être une tension max ou moyenne, mais une tension efficace... il y aurait-il des tensions NON EFFICACES ?

Bien sûr que non.

Voyons la "description" de chacune :

TENSION MAX
    Ou de crête. Elle correspond au pic maximal de tension du signal.
    En corrélation avec la tension min qui elle, correspond au pic minimal de tension du signal.

TENSION MOYENNE
    C'est la tension qui représente la moyenne entre le maximal et le minimal des pics de tension du signal.
    Par exemple, pour un signal parfaitement sinusoïdal, la tension moyenne est nulle.

TENSION EFFICACE
    Tout d'abord, la définition :
    Citation :
    La valeur efficace (RMS) d'une tension périodique est la valeur qui correspond
    à la tension continue (DC) qui fournirait la même puissance à une charge.
    Ce n'est pas limité qu'à la tension, il y a aussi le courant efficace bien sûr.


    Cela veut dire que si nous alimentons une lampe avec du 110v efficace, par exemple, elle brille de la même façon que si elle était alimentée avec du 110v continu (DC).

    Mais alors ? Le secteur 220v disponible sur nos prises de courant... est-ce une tension efficace ?

    Votre avis ?
    Spoiler:
     
    En effet, l'EDF fournit du 220v alternatif mais qu'elle puissance doit avoir ce signal ?
    Tout simplement pouvoir commander une charge de la même façon que si elle était alimentée avec du 220v DC.

    Ha ! Mais c'est fortement intéressant tout ça !
    Cela voudrait dire que la tension dite 220v, ne fait pas réellement 220v ?

    Hé bien non.

    Tout simplement parce qu'une sinusoïde, ne prenons qu'une demi-période par exemple, ne ressemble pas du tout à un créneau, il y a des "trous", des vides, ce qu'une tension continue n'a pas car elle applique toujours en permanence la même puissance.



    Et EDF, s'engage à fournir une puissance de 220v équivalente à celle que fournirait une tension de 220v continue.
    Et comme le signal est alternatif, il doit donc avoir une tension max supérieure.

    Laquelle ?

    Voyons la relation entre tension efficace et tension max (ATTENTION, valable uniquement pour un signal sinusoïdal) :
    Citation :
    Veff = Vmax / 1,414
    (1.414 = racine carré de 2)

    Donc, la tension secteur de 220v (efficace) fait en réalité (tension max) :
    220v x 1.414 = 311v


    Ca alors !!!

    Cela veut dire que si notre enfant met accidentellement les doigts dans une prise de courant, il "absorbe", bien sûr, une puissance continue égale à 220v mais, qu'en réalité, il "prend" des pics, des demi-sinusoïdes, d'une amplitude de plus de 300v et ce, 100 fois par seconde !!!

    Ils sont quand même costauds nos mômes ! rabbit

Super ! J'ai tout compris !

Mais ça me sert à quoi de savoir la différence entre une tension efficace et max par exemple ?

Réponse : Indispensable de savoir et de comprendre cela... pour utiliser au mieux nos appareils de mesures...


Dernière édition par le Ven 15 Fév 2008 - 7:24, édité 1 fois
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Asl
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MessageSujet: Re: M02 : Les appareils de mesure   Jeu 14 Fév 2008 - 15:33

LE MULTIMETRE

L'outil indispensable
    Il existe une grande variété de multimètres, en passant par celui de laboratoire (dit aussi de table), plus volumineux, mais aussi en général plus précis.
    Mais nous allons nous intéresser au modèle que nous avons tous, celui dit "de poche" ou portatif.

    Il en existe deux types principaux :
    - Analogique
    - Numérique

ANALOGIQUE (à aiguille)
    Je vous conseille de l'oublier tout de suite. Gardez-le pour beaucoup plus tard, lorsque au coin du feu, vous narrerez à vos petits enfants vos débuts en électronique...

    Pourquoi ? Pourtant il est bien, et il me rend de bons services quand même.
    Oui, mais c'est dans la précision de la mesure qu'il peut y avoir problème. Suivant où vous mesurez.

    Un exemple :
      Deux résistances en série de 1Mo, l'une au 5v et l'autre à la masse. Au point milieu des résistances nous avons donc 2,5v (soit 5v/2 parce que les 2 résistances sont égales, soit la loi d'ohm... application dans pas longtemps).
      Vous mesurez avec votre voltmètre analogique et vous lisez : 0,45v ! HORREUR ! Mes résistances ne sont pas bonnes !
      Que nenni. C'est votre voltmètre qui indique une mauvaise tension et pourtant... il est en parfait état de fonctionnement.

      Pour comprendre, il faut connaitre la valeur de l'impédance d'entrée de ce type de voltmètre, soit environ 20ko/volt.
      Lorsque vous avez effectué la mesure vous vous étiez positionné sur la gamme 5v donc, l'impédance était (environ) égale à 100ko.
      Et cela revint à dire que, lorsque vous avez connecté les pointes de touches au bornes de la résistance de 1Mo, vous connectiez en réalité en parallèle une autre résistance (celle du voltmètre) de 100ko.
      Et cela revient au même montage que le quizz B (auto-évaluation) avec les valeurs des résistances qui changent.

    Non, en réalité, il est très bien pour mesurer la tension secteur ou autre de ce style mais dès que l'on intervient sur une carte électronique il faut être vigilant.
NUMERIQUE
    Celui que tout le monde possède (ou doit posséder).
    Il en existe même à double affichage (numérique et analogique) mais ils ont tous au minimum :

    • La mesure des tensions continues (jusqu'à 1000V) et alternatives (jusqu'à 700V)
    • La mesure des intensités en continu
    • La mesure des résistances (jusqu'à 20Mo)

    Après, les options éventuelles (les bonus) suivant modèles (et prix aussi) :

    • Mesure des inductances
    • Mesure des condensateurs
    • Mesure du gain des transistors
    • Mesure des fréquences
    • ...

    Les accessoires INDISPENSABLES
      Cordons (minimum 2 : un rouge et un noir) terminés à chaque extrémité par des fiches "banane" (diamètre 4mm - standard), de préférence avec reprise arrière, pince "crocodile", qu'on enfichent simplement dans les prises "banane" et surtout au moins deux grip-fils (toujours rouge et noir).

    Sécurité / Précautions
      Avant toute chose : lire la notice de l'appareil (si elle est en japonais... tant pis pour vous !).

      Ayez toujours à l'esprit qu'effectuer une mesure de tension ou courant peut présenter un réel danger pour vous ou pour l'appareil !
      Car si vous mesurez une tension, c'est qu'à priori, vous ne la connaissez pas ! Donc, prudence.

      Et les risques d'endommagement de l'appareil sont eux aussi nombreux.
      Pour une mesure à l'ohmètre sur un circuit, par exemple, toujours l'effectuer hors-tension et, si possible, après décharge des condensateurs du circuit.
      Il faut toujours débrancher le multimètre avant de changer sa fonction et adapter le branchement à la nouvelle mesure.
      Avant chaque nouvelle mesure, il est obligatoire d'initialiser l'appareil : sélecteur sur le type de mesure, le calibre (toujours la valeur max en général) et les cordons enfichés dans les plots adéquats.

    Nous ne traiterons ici que trois types de mesure : la tension, le courant et la résistance.

    Citation :
    Une tension se mesure toujours en parallèle avec le circuit à mesurer.

    Mesurer une tension alternative
      Tous les voltmètres ne font que mesurer la valeur efficace d'un signal.
      Ils mesurent tous la valeur moyenne, ils sont dit RMS (Root Mean Square). Et donc uniquement pour les signaux sinus. Mesurer des créneaux avec votre appareil apporterait une erreur qui peut atteindre jusqu'à 30%, sauf si vous avez fait l'acquisition d'un appareil T-RMS, valeur efficace vraie (True Root Mean Square) qui vous permettra de connaitre la tension efficace de presque n'importe quel type de signaux.
      Mais avec une limitation quand même, et de taille... cette fonction est toujours limité en bande passante ( de 1 à quelques khz max - voir la notice constructeur).

    Mesurer une tension continue
      Rien de bien particulier. L'écran indiquera par un signe "-" si c'est une tension négative (à condition que vous ayez correctement positionné dans le bon sens les cordons sur le circuit).
      Si la tension que vous voulez mesurer est en réalité un signal alternatif (hé oui, ça arrive), le multimètre calcule la tension moyenne donc, dans le cas d'une sinusoïde, il renvoit la valeur 0.

    Mesurer une intensité
      Citation :
      Une intensité se mesure toujours en série avec le circuit à mesurer.

      Pour cela, opération pas toujours très facile.
      Si par exemple on souhaite mesurer l'intensité du courant qui traverse une résistance, on doit d'abord interrompre la partie du circuit où se trouve cette résistance, c'est-à-dire la couper, puis connecter les pointes de touche entre ces deux points, donc en série avec la résistance.
      Et ce n'est pas toujours possible ou très souvent délicat.
      Mais il existe toujours la solution (très simple) : c'est de mesurer la tension (différence de potentiel) aux bornes de la résistance et, dans la mesure où l'on connait la valeur de la résistance, d'appliquer la loi d'ohm : I = U /R.


        Courant continu ou alternatif
          La mesure est la même (avec le sélectionneur de gamme correctement positionné) mais attention quand même : certains multimètre grand public (les moins chers) ne peuvent mesurer que du courant continu. Prudence donc.


      Dans tous les cas, une mesure d'une intensité doit toujours se faire rapidement, sous peine d'endommagement de l'appareil. Se reporter à la notice du constructeur pour le délai à ne pas dépasser (souvent, l'indication est notée sur la face avant en regard de la borne I (exemple : 10A - 10s max).

    Mesurer une résistance
      La mesure doit obligatoirement être faite hors tension. En effet, pour sa mesure, l'appareil applique une tension connue aux bornes de la résistance avant de procéder au calcul. La présence d'une autre tension (celle du circuit) fausserait la mesure.
      Attention aussi de ne pas shunter la résistance avec les doigts, ce qui fausserait aussi complètement la mesure (la "résistance" de vos doigts en parallèle avec la résistance à mesurer).

POUR TERMINER
    Il ne faut jamais oublier que le multimètre, même le plus sophistiqué, est affligé d'une marge d'erreur, si minime soit-elle. Cette précision, variable selon les fonctions et les calibres, est indiquée dans la notice de l'appareil. Il faudra parfois en tenir compte.

    Après usage, n'oubliez pas d'éteindre l'appareil en plaçant le commutateur central sur OFF et rangez-le dans son étui ou une housse de protection.


Dernière édition par Asl le Mer 20 Fév 2008 - 12:41, édité 5 fois
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Asl
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MessageSujet: Re: M02 : Les appareils de mesure   Sam 16 Fév 2008 - 14:19

L'OSCILLOSCOPE - FONCTIONNEMENT

C'est sans doute l'instrument, intimidant peut-être de prime abord, qui est le plus utile en électronique tant pour le débutant que pour l'électronicien chevronné.

Contrairement au multimètre qui ne renvoit que la tension efficace,

L'oscilloscope mesure le signal vrai, tel qu'il existe.

Les amplitudes affichées sont donc les valeurs max du signal.


Et tout d'abord...

COMMENT FONCTIONNE-T-IL ?
    L'oscilloscope permet d'étudier, de visualiser sur un écran, des tensions qui varient rapidement au cours du temps.
    Le tube cathodique d'un oscilloscope est une grosse ampoule de verre, vide d'air, contenant un canon à électrons.

    Le canon à électrons est une cathode métallique dans laquelle on fait passer un courant qui chauffe cette cathode et de ce fait, des électrons (-) s'en échappent.
    De l'autre côté du tube (sur la plus grande surface qui va servir d'écran de visualisation), on applique une THT (plus de 10kv). Cette force (+) attire les électrons (-) de la cathode qui viennent frapper l'anode. Et comme cette dernière est recouverte d'une peinture spéciale qui a la propriété de s'éclairer dès qu'un faisceau d'électrons la frappe, nous pouvons observer un point sur cet écran (point, ou plutôt une petite tâche) :

    Pour concentrer cette tâche (qu'il devienne un point), nous disposons deux fois deux plaques, horizontales et verticales, auxquelles nous appliquons une tension pour concentrer le faisceau d'électrons et pouvoir observer un point sur l'écran :

    Et si maintenant, nous faisons varier régulièrement la tension sur les plaques verticales, nous faisons déplacer le faisceau d'électrons de gauche à droite. Dans la pratique c'est un signal en dent de scie qui est appliqué :

    Si nous faisons la même chose sur les plaques horizontales, nous provoquerons un déplacement vertical du faisceau :

    Il ne nous reste plus qu'à envoyer le signal à mesurer sur les plaques horizontales (pour le déplacement vertical sur le scope) et nous pouvons visualiser notre signal :

    Elémentaire, mon cher Watson !

    Mais voir un signal, aussi beau soit-il, ne nous avance pas à grand'chose si nous ne pouvons pas en "extraire" ses caractéristiques.
    Nous ajoutons donc devant l'écran un réticule où sont dessinés des petits carrés qui vont servir de règle graduée en quelque sorte :



    Et des boutons de réglages et de mise à l'échelle sur la face avant, et notre oscillo est maintenant fonctionnel... nous allons pouvoir passer au mode d'emploi.

    Mais auparavant, il est nécessaire de parler d'un point très important :

    Avec un oscillo, pour chaque signal que nous visualiserons, nous pourrons mesurer son amplitude (max et min) et sa durée pour pouvoir, si besoin, en déterminer sa fréquence :
    Fréquence : Nombre d'oscillations par seconde d'un signal électromagnétique (F : exprimé en Hertz).

    Et lorsque je parle de durée, je veux dire sa période :
    Période : durée d'une modulation du signal (T : exprimé en seconde).

    Et la relation entre la fréquence et la durée d'un signal est :
    Citation :
    F = 1 / T et, bien sûr T = 1 / F
    Avec F en Hertz et T en seconde

    Ceci est très important pour l'utilisation de notre oscilloscope. Par exemple, si nous mesurons le secteur, 220v efficace / 50Hz, nous devons avoir sur le scope un signal qui en amplitude et en durée fera...

    Tenez, essayez de trouver les réponses.
    Quelle sera l'amplitude crête crête ?
    Spoiler:
     
    Et sa période ?
    Spoiler:
     

Vous aviez trouvé ?


Dernière édition par le Lun 18 Fév 2008 - 15:00, édité 1 fois
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Asl
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MessageSujet: Re: M02 : Les appareils de mesure   Lun 18 Fév 2008 - 14:58

L'OSCILLOSCOPE - MODE D'EMPLOI


De nombreux modèles existent sur le marché. Nous allons prendre en exemple un oscilloscope 2 voies, classique, que bon nombre d'électroniciens ont :



La présentation et les caractéristiques de modèles particuliers peuvent bien sûr différer, mais on retrouve toujours les mêmes fonctions de base :
  • Générales (arrêt/marche, luminosité, etc...
  • Réglages voie 1 et réglages voie 2 (appelé souvent voie A et voie B)
  • Base de temps
  • Déclenchement
  • Synchronisation
  • ...


Toutes les commandes de chaque fonction sont toujours regroupées ensemble. Leur emplacement sur la face avant peut bien sûr être différente sur votre oscilloscope mais vous pouvez les repérer facilement.

Citation :
Est-il besoin de préciser que la lecture (attentive) du mode d'emploi
est indispensable
afin d'utiliser au mieux toutes les possibilités de votre oscilloscope.

MARCHE/ARRET - REGLAGES ECRAN

    Avec le classique mais indispensable bouton MARCHE/ARRET (POWER on/off). Une led s'illumine pour indiquer que l'appareil est sous tension.

    Les boutons INTENS et FOCUS permettent de régler la luminosité et le contraste pour avoir une trace bien nette.
    Si besoin est, la vis de réglage TR d'obtenir une trace parfaitement horizontale en l'absence de signal.

    Le bouton X-POS permet un déplacement latéral des deux traces ensemble.

    Le bouton HOLD OFF permet d'introduire un délai par rapport au moment de déclenchement. Dans la majorité des cas, on se contentera de laisser ce réglage au minimum.

    Le bouton X-Y permet d'obtenir une courbe de Lissajous - non traité ici - En fonctionnement normal, ce bouton n'est pas enfoncé.

T-V SEP
    Utilisé en télévision - non traité ici - Il reste sur OFF.

BASE DE TEMPS

    Un des réglages essentiels de l'oscilloscope (parmi d'autres) : le rotacteur TIME/DIV. Il permet de faire varier le temps de balayage de 0,2 seconde à 0,5 µs (par division - une division représentant un carreau sur le réticule).
    Si on choisit un réglage de 0,2 s/DIV, le spot mettra 2 secondes pour franchir les 10 divisions. Sur la position 0,1 s/DIV, il ne mettra que 1 seconde.

REGLAGES VOIES
    ----
    Les prises BNC des entrées VOIE 1 et VOIE 2. C'est sur ces prises que nous entrerons notre signal pour chacune des deux voies.
    La prise sur le côté est l'entrée 0v ou masse.

    Chaque voie possède un réglage indépendant de l'échelle verticale, à savoir celle des VOLTS / DIV. Il s'agit là d'un réglage sur lequel on sera très souvent amené à intervenir ne serait-ce que pouvoir afficher le signal dans son entier si, par exemple, son amplitude est trop grande. Les positions vont de 20 V à 5 mV par division.

    Le commutateur DC/AC/GND permet de choisir, pour chaque voie :
    • DC: le signal d'entrée est connecté directement à l'amplificateur vertical. On visualise le signal avec sa composante continue.
    • AC: Le signal mais sans sa composante continue. Un condensateur est intercalé à l'entrée, si bien que les tensions continues sont bloquées et seules les tensions alternatives du signal sont visualisées.
    • GND: Plus d'affichage du signal. Cela permet de positionner la trace (par le bouton Y-POS) sur une ligne horizontale du réticule (cela deviendra la position 0 V du signal à l'écran)

    Chaque voie possède un réglage Y-POS. Ce bouton permet de déplacer la trace verticalement, vers le haut ou vers le bas.

    Lorsque le bouton INVERT est enfoncé, le signal correspondant est inversé à l'écran, de bas en haut.

OPTIONS DE DECLENCHEMENT

    Tous les oscilloscopes sont bicourbes, c'est à dire qu'ils permettent d'afficher simultanément deux traces (voies 1 et 2). en réalité, comme il n'y a qu'un seul tube, on affiche une trace puis l'autre. C'est la rapidité de l'affichage qui donne l'impression d'en voir deux.

    CH I/II (TRIG I/II) : En déclenchement interne, c'est l'arrivée du signal qui déclenchera le départ du balayage, on choisit par ce bouton quelle voie déclenchera la trace (Voie 1 ou 2).
    DUAL : Nous définissons si nous travaillons avec une seule trace ou en double-voie.
    ADD : L'oscilloscope effectue la sommation des deux voies.
    DUAL et ADD en même temps : Mode chopper.
    Car l'oscilloscope peut fonctionner sous deux modes de balayage :
      Mode alterné : C'est le mode le plus courant. Chaque trace est affichée l'une après l'autre. Grâce à la persistance rétinienne nous avons l'impression que les 2 traces s'affichent en même temps.
      Mode chopé : utilisé essentiellement pour des fréquences inférieures à 100hz où la persistance rétinienne joue beaucoup moins son rôle. Dans ce cas, l'affichage commute alternativement voie 1 / voie 2 très rapidement (à une fréquence de plusieurs Khz) si bien, qu'en réalité, chaque trace est donc un pointillé, mais nous apparait quand même comme continue.

SYNCHRONISATION
    C'est le point le plus important dans le maniement d'un oscilloscope.
    Il est indispensable de bien maitriser cette fonction sous peine de ne jamais arriver à obtenir des traces (des signaux) exploitables.

    Vous conviendrez que, pour pouvoir mesurer un signal, il est nécessaire qu'il soit affiché entièrement sur l'écran. Si la trace démarre au milieu du signal par exemple, il nous sera difficile d'observer quoi que ce soit (surtout la 1ère partie du signal !!).
    Nous utilisons donc, en général, le début du signal lui-même pour déclencher l'affichage, de ce fait, nous aurons toujours le signal en entier.

    -

    ATT/NORM : Déclenchement automatique ou normal (??). Le bouton LEVEL permet de choisir le seuil de déclenchement par rapport au signal (utile si par exemple le signal est une dent de scie - quoique ? dans la pratique, se synchroniser sur le front arrière d'une dent de scie, pas de problème, mais sur la pente montante...

    Synchronisation interne
      C'est le signal d'entrée qui déclenche le balayage.
      Le commutateur TRIG permet de choisir entre différentes options de déclenchement (TRIGGER).
      Pour nous la position sera AC. Les autres positions (DC, HF pour High Frequency, LF pour Low Frequency et ~ pour une fréquence de 50 Hz) ne sont utilisées que pour des mesures spécifiques - non traité ici.

      La DEL rectangulaire TRIG s'illumine lorsqu'un point de déclenchement a été détecté.

      Le bouton "+ -" définit si la synchronisation s'effectuera sur le front montant ou descendant du signal.

    Synchronisation externe
      Dans ce mode, c'est un signal extérieur qui déclenchera l'affichage. Entrée dans la prise bnc TRIG INP et le bouton EXT enfoncé.
      A utiliser si les signaux voie 1 et 2 permettent difficilement de synchroniser correctement l'oscilloscope (il est bien sûr préférable que l'entrée synchro extérieure soit "en phase" avec les autres signaux).

X-MAG
    Lorsque le bouton X-MAG est enfoncé, l'échelle horizontale est multipliée par 10. Si par exemple TIME/DIV est réglé sur 1 ms/div, l'échelle passe 0,1 ms/div.

LA SONDE
Normalement, un élément indispensable au maniement de l'oscilloscope. VOIR ICI


Les généralités de base étant effectuées, nous allons pouvoir passer à l'électronique pratique...
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MessageSujet: Re: M02 : Les appareils de mesure   Jeu 21 Fév 2008 - 11:46

Bonnes mesures...
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MessageSujet: Re: M02 : Les appareils de mesure   

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