Synthèse des signaux

Génie Biomédical
RAPPORT : Génie Électrique en milieu hospitalier
Synthèse des signaux
Réalisé par :
*Sarah Benzidane
*Aida Diouf
*Marouarne Zaafrane
Année universitaire 2006/2007
Sommaire
Introduction…………………………………………………………………………………
I- L’amplificateur opérationnel ………………………………………………………….p5
1-1
1-2
1-3
Définition………………………………... ………………………….………p5
Présentation ………………………………………………………………….p5
Montage……………. ……………………….……. ………………………..p5
II –- Les oscillateurs sinusoïdaux
2.1 Définition……………………. .…………………….. .…………………….….p6
2.2 Principe de fonctionnement…………………………………………………….p6
2.3 L’Oscillateur à pont de Wien ……………………………………………... p7
a/ Définition……. ………………………………………………………... p8
b/ Condition d’oscillation………………………………………………….p8
c/ Partie théorique…………………………………………………………p8
d/ Partie pratique…………………………………………………………..p10
- Manipulation……………………………………………p10
- Objectif du TP…………………………………………. p10
- Matériel mis à notre disposition………………………...p10
- Réalisation du montage(photo)…………………………p
- Résultat expérimental au démarrage des oscillations…...p11
- Synthése…………………………………………………p11
- Expérimentation…………………………………………p11
- Diagramme de bode……………………………………...p12
III- Câblage d’un oscillateur intégré NE555
3.1 Bascule RS avec des opérateurs NAND………………………………………….. p13
3.2 Horloge: exemple du NE555 en configuration astable…………..…………… ..….p14
Annexe (Datasheet 4001/LN308)
2
Remerciement
Nos remerciements s'adressent particulièrement à notre professeur Mr Cyril
Billet pour sa présence et la patience dont il a fait preuve tout au long de la réalisation du projet
« Génie électrique en milieu hospitalier ».
Nos pensées vont aussi à toutes personnes nous ayant aidé de prêt ou de loin a finir notre projet dans
les meilleures conditions.
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Introduction
Une des fonctions de base des circuits électronique est le traitement de signaux
électriques tels que des signaux de télévision,des données d’ordinateurs ,…
Grâce à l’oscilloscope, on dispose de la forme exacte du signal que l’on veut étudier.
Nous avons étudié l'exemple très classique de l'oscillateur à pont de Wien en essayant de bien détailler
l'ensemble des aspects du problème (structure, qualité de la sortie…).
Objectif : - Réaliser des montages pour créer des signaux
- D’apporter des connaissances nécessaires à l’exploitation du signal.
- Production de signaux
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I- L’Amplificateur opérationnel
1.1. Définition
L'amplificateur opérationnel est un circuit intégré qui permet d'amplifier (de multiplier ou de
diviser) une tension, de faire d'autres opérations mathématiques sur des tensions (addition, soustraction,
dérivation, intégration).
Il peut comparer deux tensions et se placer, selon leur valeur relative, dans 2 états uniques et bien
distincts (état haut ou état bas).
Il peut aussi adapter des résistances pour les besoins d'un circuit électrique.
1.2. Présentation
L'amplificateur opérationnel (AO) est un circuit intégré à part entière, mais il est devenu tellement courant et
bon marché, et sa mise en oeuvre est tellement simple qu'il serait dommage de s'en priver.
L'amplificateur comporte une sortie et deux entrées, l'entrée + (entrée non inverseuse) et l'entrée (entrée inverseuse). Il dispose également d'une alimentation , mais qui est rarement représentée.
1-3- Le montage suiveur
Le montage suiveur procure un gain unitaire, autrement dit, pas d'amplification. Sa fonction est
l'adaptation d'impédance. On le placera donc en tampon entre deux portions d'un circuit, de façon à les
isoler l'une de l'autre pour prévenir toute interaction
parasite.
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La sortie de l'AOP est reliée à son entrée e-. On voit qu'il n'y a ni amplification ni inversion du signal de
sortie (trace verte) par rapport au signal d'entrée (trace rouge).
Dans le montage suiveur, le gain vaut G = 1
La tension de sortie est égale à la tension d’entrée.
II- Les oscillateurs sinusoïdaux
1-1-Définition :
Un oscillateur sinusoïdal est un générateur de signaux sinusoïdaux.
VS
sinusoïdal
OSCILLATEUR
SINUSOIDAL
La fonction d’un oscillateur sinusoïdale est de produire une tension sinusoïdale.
C’est un dispositif qui transforme spontanément de l’énergie continue en énergie alternative.
1-2-Son principe de fonctionnement :
Pour construire un oscillateur sinusoïdal, il faut un amplificateur à réaction positive. On applique un signal
de réaction au lieu d’un signal d’entrée.
Il peut-être décrit par le schéma synoptique suivant :
VR
AMPLIFICATEUR
VR
Réseau de réaction
VS (sinusoïdal)
(SORTIE)
VR
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Un oscillateur sinusoïdal peut être décomposé en deux fonctions distinctes. Il est constitué d'un
amplificateur non inverseur, bouclé en réaction positive par le filtre en pont de Wien.
2-3- Oscillateur à pont de Wien :
a /Définition :
L’oscillateur sinusoïdal qu’on a réalisé comprend :
-Dans sa chaîne direct : Un amplificateur non inverseur ci-dessous :
-Dans sa chaîne de réaction : Un pont de Wien décrit ci-dessous :
Le pont de Wien est un circuit électrique composé de deux impédances Z1 et Z2 en série. Z1 est
constituée d'une résistance R1 et d'un condensateur C1 en série, Z2 d'une résistance R2 et d'un condensateur
C2 en parallèle
Le pont de Wien peut être utilisé comme filtre comme il peut être utilisé pour réaliser un oscillateur
produisant des signaux sinusoïdaux avec une faible distorsion.
Nous avons ci-dessous le schéma bloc de l’oscillateur à pont de wien :
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Le circuit de réaction, placé entre la sortie de l'amplificateur et son entrée ; ce circuit met œuvre diverses
impédances : résistances , condensateurs, bobines, quartz.
b/ Condition d'oscillation :
C'est le circuit de réaction qui détermine la fréquence d'oscillation. En effet, celle-ci se produit à une
fréquence où la condition d'oscillation nGo = 1 est satisfaite. n et Go, tous deux complexes, représentent
le "gain" du circuit de réaction et le gain de l'amplificateur. Ainsi,il faut que R1=2 R2.
c/ Partie théorique

Détermination de la transmittance B=V2 /V1 du pont de Wien:
On prend Zeq = ZcZr / Zc+Zr
On applique ensuite le pont diviseur de tension :
D’où
B = V2 /V1= Zeq/ (Zeq+Zc+Zr)= [ (ZcZr)/(Zc+Zr)] / [ [ (ZcZr)/(Zc+Zr)] + (Zc+Zr)]
=(ZcZr) / [ (ZcZr)+(Zc+Zr)2 ]
=1/ [1+ (Zc+Zr)2 /ZcZr ]
On pose A= ( Zc+Zr)2 /ZcZr = (Zc2 +Zr2 +2 ZcZr) / ( ZcZr) = (Zc / Zr)+ (Zr/Zc) + 2
or on sait que :
Zc= 1/jc et Zr = R d’où Zr/Zc= jrc
Donc on a A= (2 + jrc
(
jrc))
Donc V2/V1 = 1/ [ 1+2+ jrc+ (1/ jrc)]
= 1/ [ 3+ jrc + (1/ jrc)]
On pose
X= jrc
Puis on calcule le déterminant :
On a =9-4 =5
D’où
X1= (3- √5)/2 et X2= (-3+√5) /2
V2/V1 = X / [(X + (3- √5)/2) (X + (3+√5)/2)]
D’où
V2/V1 = jrc/ [(jrc+(3 + √5) /2)( jrc+ (3-√5)/2)]
= jrc/ [ ( 3+√5/2)(3-√5/2)( 1+ j2rc√5 ))( 1+ j2rc√5))]
8
= jrcj2rc√5))( 1+ j2rc√5))]
= (j+ j(j(
avec 0= 1/RC ; 1= (3+√5)/2RC et 2=(3-√5)/2RC
On calcule maintenant la valeur de =oscillation pour laquelle on a =0 rd ( à 2 pres)
phase de B= Arctg( jrc) – Arctg ( 3RC/(1-(RC)2 )) d’où on a /2 – Arctg (3RCosc/(1-(RCosc)2 ))
d’où Arctg ( 3RCosc/(1-(RCosc)2 ))= /2 d’où 3RCosc/(1-(RCosc)2) -> tend vers l’infini
donc le dénominateur 1-(RCosc)2 = 0 donc on a oscillation = 1/ RC
Pour cette pulsation oscillation = 1/ RC on peut calculer l’atténuation produite par B= V2/V1 :
Pour oscillation = 1/ RC , on B= V2/V1= jRC/RC / [ 1+ 3jRC/RC – (RC/RC) 2 ]
D’où B= V2/V1donc B= 1/3
d/ Partie pratique

Manipulation :
Préparation
1- Mesure et compensation de la tension de décalage :
L'Amplificateur opérationnel doit être polarisé grâce a un générateur de tension continu symétrique -15 V ,
+ 15V
9

Objectif du TP :
Pour chaque cas on a été amené à :
- Vérifier si les signaux sont sinusoïdaux ;
- Vérifier le filtre Passe-Bande
- Construire le diagramme de bode.

Matériel mis à notre disposition:
-Un oscilloscope
-Un Générateur de tension
-Multimètre
But :
-Refiltrer le signal afin de supprimer le bruit de fond (On a considéré que le bruit de fond est un large
spectre).
L’objectif du filtrage est de mettre en évidence l’information utile contenu dans le signal.
Avantage : Plus on respecte le filtre et plus la raie spectrale est fine
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Filtrage :élimination ( ou sélection) d’une bande fréquentielle dans le signal d’un signal.
v(t)
v(f)
T
F
f
Réjection de parasites

Oscillateur sinusoïdale à pont de Wien : Résultat expérimental au démarrage des oscillations
11

Synthèse.
On a montré que la fréquence du signal VS de cet oscillateur est : f 0 
1
2RC
On a Calculé la valeur théorique de la fréquence du signal VS. (R = 3,3 K et C = 1OOnF).
On a réalisé le montage ci-dessus
Remarque : Suivant la valeur initiale de R1, il se peut que l’oscillateur ne démarre pas. On a modifié cette
valeur à l’aide du potentiomètre afin d’enclencher les oscillations.
On désire réaliser un oscillateur sinusoïdal à la fréquence supérieure à 0,5 kHz.
On a choisi R1 = 2,2 k et C1 = C2 = 100nF.
On a utilisé un amplificateur opérationnel LN308 alimenté sous + et - 15V.
On a visualisé le signal de sortie Vs et le signal Ve
Après mesure, on a retrouvé la fréquence calculée en théorie.

Expérimentation.
Réalisation du premier montage en mettant un potentiomètre P de 47kà la place de R1.
Ajustage du P pour faire apparaître des oscillations avec le moins de distorsion possible.
La mesure de la fréquence du signal de sortie.
Augmentation de la valeur de R1 grâce au potentiomètre pour observer l'évolution du signal de sortie.
 Construction du diagramme de Bode :
Expérimentation :
-Tableau des valeurs
Freq .
(Hz)
Vs
(en mV)
Vs/Ve
avec
Ve=5 V
50
75
100
250
500
1K
2K
5K
10K
260
360
500
880
1,5
1,68
1,5
880
460
0,052
0,072
0,1
0,176
0,3
0,336
0,3
0,176
0,092
Gdb
-25,6
20logVs/Ve
-22,8
-20
-15
-10,4
-9,47
-10,4
-15
-20,6
 rad)
1,32
1,25
0,97
0,33
-1,32
-0.7
-1,53
1,31
0
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III- Câblage d’un oscillateur intégré NE555 :
3.1 Bascule RS avec des opérateurs NAND.
Q = Q’. R = Q’+ R
R
Q’
Q
S
Q’ = Q. S = Q + S
Table de vérité
R
0
0
1
1
•

•
•
•
S
0
1
0
1
Q
1
1
0
Q
Q’
1
0
1
Q
R = 0 => Q = 1 ; S = 0 => Q ’ = 1 : (Combinaison inutilisée).
R = 0 => Q = 1. Si de plus S = 1, alors Q ’= 0.
S = 0 => Q ’= 1. Si de plus R = 1, alors Q = 0.
R = 1 et S = 1 => Q = Q ’. : les sorties sont complémentaires mais leur état reste inchangé par
rapport à ce qu’il était auparavant.
Les sorties sont toujours complémentaires, hormis pour la combinaison R = S = 0 (configuration
inutilisée)
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3.2 Horloge: exemple du NE555 en configuration astable
Si Q = 0, =1
Q
 T saturé
Si Q = 1,Q = 0
 T bloqué
* CAS 1
Si VC < VCC / 3:
• V+(c1) < V-(c1) -> Sortie –Vsat
 R à l’état bas (0)
• V+(c2) > V-(c2) -> Sortie +Vsat
 S à l’état haut (1)
VS à l’état haut
 T bloqué
*CAS 2
Si VC > 2VCC / 3:
• V+(c1) > V-(c1) -> Sortie +Vsat
 R à l’état haut (1)
• V+(c2) < V-(c2)-> Sortie -Vsat
 S à l’état bas (0)
 VS à l’état bas
 T saturé
• V+(c2) < V-(c2)
 Sortie -Vsat
 S à l’état bas (0)
 Etat de VS et T inchangé
*CAS 3
Si VCC / 3 < VC < 2VCC / 3:
• V+(c1) < V-(c1)
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 Sortie -Vsat
 R à l’état bas (0)
Phase n°1
• Si T est bloqué, i = 0, (le condensateurt se charge à travers la résistance (R1+R2)



VC = V+(c1) = V-(c2) = V01 1  e

 R1  R2 C




Phase n°2
• Si T est saturé, i ≠ 0,
 VM ~ 0
 {le condensateur se décharge à travers le transistor T passant et la résistance R2}:
t
VC = V+(c1) = V-(c2) = V e  R2C
02
Pour t < 0, interrupteur ouvert longtemps
=> VC = VCC (C chargé) => K2 => T saturé
A t = 0, interrupteur fermé => Phase2
A t = t1 , VC ~ < 2VCC / 3 => K3 (no change)
A t = t2 , VC ~ < VCC / 3 => K1 => T bloqué => Phase1 , puis K3
A t = t3 , VC ~ > 2VCC / 3 => K2 => T saturé => Phase2 , puis K3
VS
VC
On montre que :
Période T ~ 0,7(R1+ 2R2)C
Rapport cyclique R = (R1+ R2) / (R1+ 2R2)
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16