TRAVAUX PRATIQUES d`INITIATION à l`ELECTRONIQUE - ufe

Masterpro « Outils et Systèmes de l’Astronomie et de l’Espace »
C. Coillot
TRAVAUX PRATIQUES
d’INITIATION à l’ELECTRONIQUE
(Durée : 5 Heures : 09H30-12H30 et 14H00-16H00.)
La salle de travaux pratiques fait partie de l’IUT de Vélizy (voir plan ci-dessous).
Adresse postale
Institut Universitaire de Technologie de Vélizy
Université de Versailles Saint-Quentin en Yvelines (UVSQ)
10-12 avenue de l'Europe - 78140 Vélizy
Tél : 01 39 25 48 33 - Fax : 01 39 25 48 13
Accès par le bus
Ligne RATP n°295 départ Châtillon/RER : descendre à l'arrêt Vélizy 2.
Ligne RATP n°390 départ Bourg-la-Reine/RER : descendre à l'arrêt Vélizy 2.
Ligne RATP n°179 départ Pont de Sèvres : descendre à l'arrêt Vélizy 2.
Ligne RATP n°190 départ Mairie d'Issy/M12 : descendre au terminus Rue Dewoitine.
Ligne RATP n°379 départ Fresnes Roosevelt : descendre à l'arrêt Vélizy 2.
Christophe Coillot
Tél : 01 39 25 48 58
email : [email protected]
Masterpro « Outils et Systèmes de l’Astronomie et de l’Espace »
C. Coillot
1) Filtres passifs
1.1)
Simulation Pspice
a) Donner les transmittances théoriques ( T ( jω ) = Vs ) des montages ci-dessous.
Ve
Dessiner les circuits, placer une source de type « Vac », cliquer 2 fois sur la source pour la
paramétrer.
Pour la mesure de tension, aller dans le menu « Marker », choisir « Mark Advanced » puis
choisir « vdB » (mesure de tension en dBV) et placer une sonde sur la source de tension et
une sur la charge « R ».
Utiliser l’icône « setup analysis » puis choisir « AC sweep » et définir les paramètres de la
simulation fréquentielle (START=10 ; STOP=10000K ; choisir « Decade »).
Attention : la fréquence « STOP » ne doit pas être écrite « 10M », le « M » est réservé à
milli et non Mega.
b) Simuler les 3 montages dans la gamme de fréquence [100Hz ; 10MHz]
c) Décrire simplement les fonctions remplies par chacun de ces filtres.
Ve
C3
C2
R1
Vs Ve
1k
1Vac
0Vdc
C1
1n
Vs
1n
R2
1k
1Vac
0Vdc
0
L1
Ve
1n
2
Vs
1mH
1Vac
0Vdc
0
1
R4
1k
0
Filtre passif 1
Filtre passif 2
Filtre passif 3
d) En vous inspirant de la fonction remplie par le filtre passif n°3, proposer une structure
qui permettrait de ne laisser passer qu’une seule fréquence (ou filtre sélectif). Simuler
ce circuit, puis donner l’expression de sa transmittance.
2) Redresseur à diodes double alternance (PD2)
La charge peut être représentée par une résisance équivalente de 1kOhms.
Décrire le principe de fonctionnement de ce montage (vous considérerez la diode comme
étant idéale si Vd>0 la diode est passante Rd=0Ω, si Vd<0 la diode est bloquée Rd=inf.).
2.1) Simulation Pspice
Réaliser le montage du pont de diode. Le composant diode sera réalisé à partir du
composant Dbreak).
Dessiner les circuits, placer une source de type « Vsin », cliquer 2 fois sur la source pour
la paramétrer. Pour effectuer la mesure de tension utiliser l’icône « voltage probe » pour la
mesure aux bornes de la charge R et, dans le menu « Marker », choisir « Voltage
differential » pour la mesure aux bornes de la source de tension placée à l’entrée.
Utiliser l’icône « setup analysis » puis choisir « Transient » et définir les paramètres de la
simulation (FINAL TIME=100ms (ou davantage) ; STEP CEILING=0.1ms (définit le pas
de calcul)).
a) Relever l’allure de la tension de sortie, la valeur max, la valeur moyenne et
l’ondulation de tension de sortie. Relever les 5 premiers harmoniques du spectre de la
tension de sortie.
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b) Rajouter en parallèle avec la charge un condensateur de filtrage de valeur C=100µF et
relever : la valeur maximale de la tension, la valeur moyenne et l’ondulation de
tension (valeur max - valeur min).
c) Rajouter au montage précédent, une inductance de filtrage de valeur L=100mH
(montage figure ci-dessous) relever : la valeur maximale de la tension, la valeur
moyenne et l’ondulation de tension (valeur max - valeur min). Relever les 5 premiers
harmoniques du spectre de la tension de sortie.
d) Conclure sur l’effet de L et C. Relever l’amplitude du fondamental avant puis après
filtrage. Justifier et vérifier la relation suivante entre les harmoniques avant (Vs) et
Vs h
après filtrage (Vs’) : Vs h ' ≈
1+ j
L
ω − LCω 2
R
. Proposer une méthode pour choisir L et
C en fonction de l’atténuation de l’ondulation souhaitée.
L2
VOFF = 0
VAMPL = 100V
FREQ = 50
V5
1
D5
D1N1190
D6
D1N1190
R6
1000
D8
D1N1190
VOFF = 0
VAMPL = 100V
FREQ = 50
V4
2
100mH
D1
D1N1190
D2
D1N1190
Vs
D7
D1N1190
D4
D1N1190
Vs’
C4
100u
R5
1000
D3
D1N1190
0
0
Pont de diode sur charge R
Pont de diode sur charge R + filtrage LC
Conclure sur les applications de ce type de montage.
3) Montages à amplificateurs opérationnels
Dessiner les circuits, et définir les paramètres de la simulation (icone « setup analysis ») :
simulation temporelle « Transient », FINAL TIME=100ms (ou davantage) ; STEP
CEILING=0.1ms.
3.1) Comparateur
Le composant utilisé est l’AOP : LM324.
a) On considère le montage de la figure ci-dessous (N.B. : rajouter les alimentations de
l’AOP: V+=+15V et V-=-15V). Le signal d’entrée est un signal sinusoïdal d’amplitude 1V et
de fréquence 50Hz. Quelle est la fonction remplie par ce montage ?
b) Faire varier la fréquence, que remarquez-vous ? Relever le « slew-rate » (pente de variation
de la tension de sortie : dV/dt en (V/µs).
U1
+
V6
OUT
VOFF = 0
VAMPL = 1
FREQ = 50
-
OPAMP
0
AOP utilisé en comparateur
R7
1k
0
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3.2) amplificateur inverseur
a) Réaliser le montage amplificateur inverseur de la figure ci-dessous et simuler son
comportement pour une source à la fréquence de 100Hz.
b) Simuler le comportement fréquentiel (100Hz à qqMHz). Que remarquez vous ?
V8
8
15
U3A
3
V+
0
+
0
OUT
2
1k
-
0
V7
R8
1k
V-
TL082
VOFF = 0
VAMPL = 0.1
FREQ = 10000
1
4
R10
V9
15
0
R9
0
10k
AOP utilisé en amplificateur inverseur
3.3) Amplificateur inverseur : synthèse d’un AOP par schéma-bloc
a) Compléter les blocs de la figure ci-dessous pour réaliser une fonction identique à
l’AOP monté en amplificateur inverseur.
b) Effectuer les simulations en utilisant les blocs : DIFF, LAPLACE, GAIN.
c) Quelles sont les différences avec le « vrai » AOP ?
Vs
A
V+
1
VB
1
Représentation par schéma-bloc d’un AOP en montage inverseur
d) Remplacer le gain de l’AOP par sa « transmittance » réelle de l’AOP :
T(jw)=Ao/(1+jw/wo), de manière à retrouver le comportement fréquentiel obtenu avec
le montage « Amplificateur inverseur avec AOP » en déduire les valeurs de Ao et wo
de cet AOP.
3.4) Filtres actifs (structure de type Rauch)
Simuler le comportement fréquentiel de chacun des montages ci-dessous.
U4
U2
0
R13
1k
C5
C6
1n
1n
+
0
OUT
-
V11
1Vac
0Vdc
C7
1n
0
0
R16
1k
+
C11 0
R17
OUT
-
OPAMP
R11
1k
R12
1k
1k
V12
1Vac
0Vdc
C10
1n
0
0
1n
OPAMP
R14
1k
R15
1k
0
Filtre actif n°1
Filtre actif n°1
Quelles sont les fonctions réalisées et avec quelles performances (fréquence de coupure, gain,
etc…).
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4) Modulation + démodulation synchrone
En combinant les fonctions mathématiques de la librairie « ABM » avec les fonctions
analogiques, réaliser :
a) Multiplication d’un signal (bloc MULT), à la fréquence 100Hz (d’amplitude 1V) par
un signal à la fréquence 20kHz (d’amplitude 5V). Décrire la réponse temporelle et le
spectre de cette réponse
b) Ajouter au signal précédent (bloc SUM), un second signal, de fréquence 100Hz
(d’amplitude 0.5V) multiplié par un signal à la fréquence 25kHz. Visualiser les
spectres obtenus en sortie.
c) Remultiplier le signal obtenu à la question a) par l’oscillateur à 20kHz. Rajouter un
bloc de filtrage du premier ordre (bloc LAPLACE) avec une fréquence de coupure à
200Hz. Qu’obtient on ?
d) Faire de même avec le signal obtenu à la question b), qui sera remultiplié par
l’oscillateur à la fréquence 25kHz.
e) Quel est l’intérêt de ce type de transformation. Décrire les applications de ce type de
transformation de signaux physiques.
N.B.1: Vous pourrez appuyer vos explications par les développements mathématiques
adéquats.
N.B.2: le montage complet est représenté en Annexe 2.
Faculatifs :
5) Oscillateur à pont de Wien :
Reprendre le schéma étudié dans le cours d’initiation à l’électronique et le simuler.
6) Montage à transistor
Réaliser et simuler le montage de la figure ci-dessous.
Décrire la fonction réalisée.
R16
60k
R15
L1
1
10
2
44uH
V9
V
Q5
Q2N3904
C9
25p
0
3Vdc
C10
25p
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Annexe 1 : Eléments d’utilisation du logiciel Pspice
Pour démarrer :
Ouvrir (chemin : Programmes→Pspice_Students →schematics)
Pour placer un composant :
Icône → GetNewPart→ puis choisir dans la liste
Pour relier les composants électriquement, utiliser l’icône « crayon ».
Pour placer une source :
Vac : source alternative pour étude harmonique
Vsin : source sinusoïdale (fixer la fréquence) pour étude temporelle (mode transient, voir plus
bas)
Cliquer 2 fois sur la source pour la paramétrer
Placer une référence de masse (dans « get new part »), nommée : « GND_ANALOG ».
Pour faire tourner un composant :
CTRL+R
Pour placer une sonde de mesure :
Soit icône → mesure de tension
Soit menu Marker → choix de mesure (voltage, current, voltage dB…)
Pour définir le mode de simulation : temporel ou fréquentiel (et les durées de simulation ou
gamme de fréquence)
Cliquer sur Icône « setup analysis »
→ Transient (étude temporelle)
→ AC/sweep (étude harmonique)
N.B. : Vérifier que les paramètres de la simulation concordent avec vos échelles de temps
et/ou de fréquence.
- Pour choisir les sources (tension ou courant) :
Pour une simulation avec une source à une fréquence donnée, utiliser le composant (Part) :
Vsin
Pour une simulation avec une source balayée en fréquence (analyse harmonique), utiliser
le composant: Vac
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Annexe 2 : principe d’une modulation-démodulation pour la transmission de signaux.
1
1 + s/(6.28*200)
R18
1k
VOFF = 0
VAMPL = 1
FREQ = 100
V13
VOFF = 0
VAMPL = 5
FREQ = 20k
V14
0
1
1 + s/(6.28*200)
0
0V
0V
R19
1k
V15
VOFF = 0
VAMPL = 0.5
FREQ = 100
V16
VOFF = 0
VAMPL = 5
FREQ = 25k
0
Support de transmission :
câble, fibre optique, air, etc.
0