Telechargé par Nabil Messaoudi

RAPORTHOLCIM+FSO FINALE-1(1)

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Sommaire
Partie A : C i r c u i t s
m i c r o - o n d e .........................................6
Partie A : C i r c u i t s
m i c r o - o n d e .........................................6
Chapitre 1 : MICRO ONDE ET APPLICATION ........................................................6
1-Les micro-ondes et leurs applications. ..........................................................................6
a- Définition...................................................................................................................6
b- Applications ..............................................................................................................6
2-Le spectre électromagnétique........................................................................................7
3- Propriétés caractéristiques des micro-ondes ...............................................................9
a- Historique .................................................................................................................9
b- Evolution des technologies des circuits micro-ondes .............................................10
c- Avantages et inconvénients de la technologie planaire ......................................... 10
Chapitre 2 : PARAMETRES S ET LIGNES MUCRORUBAND ............................ 11
1. Paramètres S ............................................................................................................... 11
1.1
Application à un quadripôle ...........................................................................11
1.1.1.
Définition ................................................................................................. 12
1.1.3.
Graphe de fluence ................................................................................... 13
1.1.4.
Coefficient de réflexion ............................................................................ 15
1.1.5.
Notion de puissance ................................................................................. 16
1.1.6.
Pertes d’insertion ..................................................................................... 17
1.2. Propriétés .............................................................................................................18
1.2.1. La réciprocité ........................................................................................... 18
1.2.2. La symétrie .............................................................................................. 18
1.2.3. L’unilatéralité .......................................................................................... 18
1.2.4. L’idéalité .................................................................................................. 19
1.2.5. Le quadripôle réciproque passif sans pertes ..........................................19
1.2.6. Décalage des plans de référence .............................................................. 20
2. Ligne micro ruban ......................................................................................................23
2.1 Introduction ..........................................................................................................23
2.2 Les différents types de lignes ................................................................................ 23
2.3 Approche théorique de la ligne microbande ........................................................ 24
Chapitre 3 : Circuits micro-ondes .............................................................................. 26
I. Circuit a deux accès .................................................................................................. 26
1. L’atténuateur ............................................................................................................ 26
1.1. Fonctionnement.................................................................................................... 26
1.2. Technologie ..........................................................................................................26
1.2.1. Eléments localisés .......................................................................................... 26
1.2.2. Guide d’onde ................................................................................................. 28
1.2.3. Circuits intégrés ............................................................................................ 28
1.3. Applications ......................................................................................................... 28
1.3.1. Protection d’un appareil de mesure ............................................................. 28
1.3.2. Masquage d’une désadaptation .................................................................... 28
2. Le déphaseur ............................................................................................................ 29
2.1. Fonctionnement.................................................................................................... 29
2.2. Technologie ..........................................................................................................29
2.2.1. Eléments localisés .......................................................................................... 29
2.2.2. Eléments distribués ....................................................................................... 30
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2.2.3. Circuits intégrés ............................................................................................ 30
2.3. Applications..........................................................................................................30
3. L’isolateur ................................................................................................................. 32
3.1. Fonctionnement.................................................................................................... 32
3.2. Technologie ..........................................................................................................32
3.2.1. Technologie hybride ...................................................................................... 32
3.2.2. Circuits intégrés ............................................................................................ 32
3.3. Applications..........................................................................................................32
II. Circuits à trois accès .................................................................................................. 34
1. Le circulateur............................................................................................................ 34
1.1. Fonctionnement.................................................................................................... 34
1.2. Technologie ..........................................................................................................34
1.3. Applications ......................................................................................................... 35
1.3.1. Duplexage ......................................................................................................35
1.3.2. Amplification à résistance négative .............................................................. 36
2. Diviseurs. Combineurs de puissance ................................................................. 37
2.1. Fonctionnement.................................................................................................... 37
2.2. Technologie ..........................................................................................................38
2.2.1. Diviseur résistif .............................................................................................. 38
2.2.2. Diviseur combineur Wilkinson ..................................................................... 39
2.3. Applications ......................................................................................................... 40
2.3.1. Boucle à verrouillage de phase ......................................................................40
2.3.2. Amplification de puissance ...........................................................................41
III. Circuits à quatre accès ............................................................................................. 42
1. Coupleur bidirectionnel.......................................................................................... 42
1.1. Fonctionnement.................................................................................................... 42
1.2. Technologie ..........................................................................................................44
1.2.1. Guides d’ondes .............................................................................................. 44
1.2.2. Coupleur microstrip ...................................................................................... 44
1.3. Applications..........................................................................................................45
1.3.1. Contrôle de niveau, asservissement .............................................................. 45
1.3.2. Mesure d’un coefficient de réflexion ............................................................ 45
III. Circuits actifs.................................................................................................... 47
1. Filtres hyperfréquences .............................................................................................. 47
1.1 Introduction ......................................................................................................... 47
1.2 Méthodes de synthèse générale ............................................................................ 47
1.3 Filtres hyperfréquences ....................................................................................... 48
1.3.1 Réalisation d'impédances et de circuits accordés avec des lignes micro rubans . 49
1.3.1.1 Equivalence entre un tronçon de ligne et une inductance ou une capacité ... 49
1.3.1.2 Réalisation d`inductances et de capacités ............................................... 49
1.3.1.3 Inversion d'impédance pour la réalisation des capacités série .............. 50
1.3.1.4 Réalisation de circuits résonnants et antirésonnants ............................. 51
1.3.2 Topologie des filtres Passe-bas en technologie microruban .......................... 53
1.3.3 Topologie des filtres Passe-bande en technologie microruban ..................... 54
1.3.4 Synthèse des filtres Passe-bas......................................................................... 54
1.3.4.1 Fonction de Butterworth ......................................................................... 54
1.3.4.2 Calcul des éléments Lk et Ck .................................................................. 55
1.3.5 Transposition aux filtres Passe-haut et Passe-bande .................................... 56
1.3.5.1 Filtres Passe-haut..................................................................................... 56
2. Amplificateurs hyperfréquence .................................................................................. 57
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2.1
Théorie de conception des amplificateurs ...................................................... 57
2.2 Gain dans un amplificateur .................................................................................. 57
2.2.1. Gain de transfert ........................................................................................... 57
2.2.2 Gain disponible ............................................................................................... 58
2.3. Stabilité d'un amplificateur ................................................................................. 59
2.3.1. Définition ....................................................................................................... 59
2.3.2. Analyse de la stabilité inconditionnelle ......................................................... 61
2.3.3. Adaptation en puissance simultanée entrée – sortie..................................... 62
2.3.4. Cercles de bruit et adaptation en bruit ......................................................... 63
CHAPITRE 4 : PRESENTATION DU LOGICIEL ADS ...........................................64
ET TRAVAUX PRATIQUE ............................................................................................. 64
1. Présentation ADS ......................................................................................................64
1.1 Introduction ..........................................................................................................64
1.2 Projets .................................................................................................................... 66
1.2.1 Projets .............................................................................................................66
1.2.2 Créer un projet ............................................................................................... 66
1.2.3 Ouvrir un projet ............................................................................................. 67
1.3 Design .................................................................................................................... 68
1.3.1 Design.............................................................................................................. 68
1.3.2 Créer un Design .............................................................................................. 68
1.3.3 Ouvrir un Design ............................................................................................ 69
1.4 Simulation dans ADS ............................................................................................ 70
1.4.1 Simulation d’un design................................................................................... 70
1.4.2 Visualisation des résultats .............................................................................. 70
1.4.3 Optimisation d’un design ............................................................................... 71
2. Travaux pratiques : .................................................................................................... 73
2.1 Ampli équilibré à 10 GHz ..................................................................................... 73
2.1.1 Introduction: .................................................................................................. 73
2.1.2 Court circuit décalé ........................................................................................ 73
2.1.3 Self parallèle ................................................................................................... 74
2.2.4 Self série ..........................................................................................................75
2.2 Coupleur « Branch Line » -3dB, -90° ....................................................................... 80
2.3 filtre micro-ondes .................................................................................................. 82
2.3.1 Introduction .................................................................................................... 82
2.3.2 Filtre à éléments localises sous ADS .............................................................. 83
2.3.3 Filtre à éléments distribues sous ADS ........................................................... 85
2.3.4 Filtre a éléments distribues sous MOMENTUM...........................................87
2.3.5 Conclusion ......................................................................................................89
C o n c l u s i o n g é n é r a l e .............................................................................90
Bibliographie ...................................................................................................................... 91
Partie B : S U P E R V I S I O N D E S C O M P T E U R S D E
C O N S O M M A T I O N D ’ E N E R G I E ......................................................................92
I n t r o d u c t i o n g é n é r a l e .......................................................... 92
Chapitre 1 : PRESENTATION DE LA SOCIETE ........................................................ 94
1. Historique : ............................................................................................................... 94
a) Présentation de Holcim (Maroc) :.............................................................................. 94
b) Développement Holcim : .......................................................................................... 94
2. Fonction et services de l’entreprise : ......................................................................... 95
3. Organigramme de l’entreprise : ................................................................................. 95
3
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Chapitre 2 : PROCEDE DE FABRICATION DU CIMENT ..........................................96
Etape de fabrication du ciment : ........................................................................................ 96
1. Exploitation de la carrière : ....................................................................................... 96
2. Concassage : .............................................................................................................96
3. Echantillonnage : ......................................................................................................97
4. Pré homogénéisation : ............................................................................................... 97
5. Broyage et séchage de la matière première : .............................................................. 97
6. Homogénéisation : .................................................................................................... 97
7. Cuisson de la farine ................................................................................................... 98
8. broyage ciment : ....................................................................................................... 98
9. Ensachage et expédition : .......................................................................................... 98
I. Description du l’installation d’alimentation : .......................................................... 100
a) Alimentation usine : ................................................................................................ 100
b) Alimentation secours : ............................................................................................ 100
II.
Description des salles électriques : ....................................................................... 101
III.
Description des secteurs de l’usine : ..................................................................... 101
Chapitre 4 : CAHIER DE CHARGES ET POSITIONNEMENT DU PROBLEME ..... 103
I. Description du projet :.............................................................................................. 103
a) Quoi ? ................................................................................................................ 103
b) Pourquoi ? ......................................................................................................... 103
c) Objectif : ............................................................................................................ 103
1) L’archivage automatique des consommations :........................................................ 103
2) L’analyse technique et comptable des consommations : .......................................... 104
3) L’optimisation du contrat de fourniture : ................................................................. 104
4) La maintenance préventive du réseau ...................................................................... 104
II.
Inconvénient de l’installation actuelle : ................................................................ 105
a) Niveau installation : ............................................................................................ 106
b) Les équipements : ............................................................................................... 106
c) Les relevés du comptage : ................................................................................... 107
Chapitre 5 : SOLUTIONS ET PROPOSITION .......................................................... 108
I. Outil de travail ‘Code HAC’ : .................................................................................. 108
II.
La redistribution des compteurs M.T et B.T : ..................................................... 109
II.1 Compteur basse tension B.T : ............................................................................... 111
II.2 Compteurs Moyenne Tension M.T : .................................................................... 114
III.
Etude d’équipement :............................................................................................ 115
III.1. Choix des compteurs : ............................................................................................ 116
III.1.1 Centrales de mesure ........................................................................................ 116
III.1.2 Compteurs télérelevables .................................................................................. 116
III.1.3 Concentrateur d’impulsions .............................................................................. 117
III.2 Choix du technique de transmission. ....................................................................... 119
III.2.1 liaison RS485 .................................................................................................. 119
a- introduction......................................................................................................... 119
b- Principe de base du RS485 :................................................................................ 119
c- Liaison série RS 485 MODBUS .......................................................................... 119
d- Structure du message : ........................................................................................ 119
e-Câblage de la liaison MODBUS RS 485 : ............................................................ 120
f- Mode RTU : ........................................................................................................ 121
III.3 Choix du multiplexeur :.......................................................................................... 123
III.4 Choix de la carte d’acquisition : .............................................................................. 124
III.4.1 carte d’acquisition NI PCI-6221 ....................................................................... 124
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a- définition ............................................................................................................ 124
b- Description carte DAC NI PCI-6221:.................................................................. 124
III.4.2. Measurement and Automation Explorer (MAX) : ............................................ 125
Chapitre 6 : SUPERVISION......................................................................................... 127
I. Etude du système de supervision: ................................................................................. 127
I.1 introduction a LabVIEW ........................................................................................... 127
I.2 Le concept d'instrument virtuel ................................................................................. 127
I.3 Le principe de LabVIEW .......................................................................................... 128
I.4 Le langage G ............................................................................................................ 129
II. Interface de visualisation ............................................................................................. 131
II.1 face avant ................................................................................................................. 131
II.2 diagramme ............................................................................................................... 132
Schéma globale de la chaîne de supervision .................................................................... 134
Conclusion générale ........................................................................................................... 135
Conclusion personnelle ...................................................................................................... 135
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mi cro - o nd e
Chapitre 1 : MICRO ONDE ET APPLICATION
1-Les micro-ondes et leurs applications.
a- Définition
On appelle micro-onde (microwave en anglais) ou hyperfréquence la bande de
fréquences auxquelles les dimensions géométriques des objets utilisés sont de l’ordre de
grandeur de la longueur d’onde électromagnétique.
Ce sont en général des ondes électromagnétiques de longueur d’onde intermédiaire
entre l’infrarouge et les ondes de radiodiffusion.
b- Applications
Les micro-ondes ne sont connues du grand public que par les fours qui ont pris place
dans les cuisines ces dernières années. Or ses applications sont aussi nombreuses que variées.
Citons entre autres
Dans l’industrie avec les télécommunications et des systèmes, tels que le radar, l’effet
du rayonnement micro-onde sur les pertes diélectriques de l’eau.
En médecine l’hyperthermie micro-onde permet le traitement des tumeurs
cancéreuses.
En radioastronomie avec la mise au point des radiotélescopes.
En électronique avec la réalisation des oscillateurs, amplificateurs, mélange et
multiplication de fréquences
En radiométrie avec l’évaluation des caractéristiques physiques ou naturelles de la
zone d’observation (télédétection) ; mesure des paramètres physiques divers tels que distance,
position, épaisseur, vitesse, déformation etc.
La navigation, la surveillance le guidage des armes.
Nous donnons dans le tableau 3 ci-dessous quelques applications micro-ondes en
fonction de leur bande de fréquence.
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Ondes électromagnétiques
Application
Extrêmement basses fréquences (ELF)
Transport et distribution de l’électricité
Electroménager
Transmission des données vocales
Métallurgie
Chauffage par induction
Radiocommunications
Fréquences audio (VF)
Très basses fréquences (VLF)
Basses fréquences (LF)
Radiodiffusion
Fours à induction
Radiodiffusion
Diathermie médicale
Soudage
Collage
Télévision
Radio FM
Télévision
Radar
Téléphonies mobiles
Fours à micro-ondes
Hyperthermie médicale
Fréquences moyennes (MF)
Hautes fréquences (HF)
Très hautes fréquences (VHF)
Fréquence ultra haute (UHF)
Fréquences super hautes (SHF)
Radars
Alarmes anti-intrusion
Radars
Communication par satellites
Fréquences extrêmement hautes (EHF)
2-Le spectre électromagnétique
Dans le spectre radiofréquence qui s’étend des fréquences extrêmement basses aux
fréquences extrêmement hautes (EHF) nous pouvons situer les micro-ondes entre les hautes
fréquences et les fréquences extrêmement hautes (EHF) qui évoluent par décade comme
l’indique le tableau 1 ci-dessous.
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Ondes électromagnétiques
Fréquences
Extrêmement basses fréquences (ELF)
3Hz à 300Hz
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0.3 à 3KHz
Fréquences audio (VF)
Très basses fréquences (VLF)
3 à 30KHz
Basses fréquences (LF)
30 à 300KHz
Fréquences moyennes (MF)
0.3 à 3MHz
Hautes fréquences (HF)
3 à 30MHz
Très hautes fréquences (VHF)
30 à 300MHz
Fréquence ultra haute (UHF)
0.3 à 3GHz
Fréquences super hautes (SHF)
3 à 30GHz
Fréquences extrêmement hautes (EHF)
30 à 300GHz
Tableau spectre radiofréquence et micro-onde
Les micro-ondes sont souvent réparties en gammes de fréquences correspondant à des
bandes normalisées d’utilisation de guides d’ondes comme le montre le tableau 2 ci-dessous :
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3- Propriétés caractéristiques des micro-ondes
Les micro-ondes ont la principale propriété de pénétrer au coeur de matériaux de type
diélectriques à pertes entrainant ainsi la dissipation de l’énergie.
a- Historique
Les bases théoriques des micro-ondes sont l’oeuvre de Maxwell théoricien fondateur
de l’électromagnétisme moderne qui formula dans les année 1860, les célèbres équations
connues aujourd'hui sous l’appellation « équation de Maxwell » publiées en 1873 dans son
traité sur l’électricité et le magnétisme.
En1888 Hertz fut le premier à démontrer l’existence des ondes électromagnétiques en
construisant un appareil produisant des ondes radios à une fréquence de l’ordre de 1GHz. A la
même période un groupe expérimental de chercheurs se forme « the Hertzians » et un membre
du groupe exposa sur les phénomènes électromagnétiques lors d’une conférence.
En 1897 Rayleigh démontra théoriquement la possibilité de faire propager des ondes dans des
tuyaux métalliques creux à section rectangulaire ou circulaire.
Les expériences de Marconi dans les années 1890 montrèrent qu’il était possible d’établir une
liaison entre deux points de la Terre par propagation d’onde radioélectrique en espace libre.
Au début du 20è siècle, Bose a développé un détecteur semi-conducteur à 60GHz, des guides
d’ondes rectangulaires, des cornets. Les radios ou télécommunications modernes voient le
jour avec les travaux de Kennelly et de Heaviside.
Durant une bonne période le sujet disparaît. L’électronique micro-onde n’intéresse plus
personne et il faut attendre une trentaine d’années pour voir Schelkunoff et d’autres
redécouvrir et développer le sujet. Ce passage à vide est dû sans doute au succès des ondes
longues en radio qu’à la difficulté d’engendrer des ondes électromagnétiques micro-ondes.
En 1920 les premières émissions de radiodiffusion eurent lieu.
Dans les années 1939 le radar se développe rapidement avec la naissance du magnétron tube
générateur de haute puissance micro-onde.
Outre le radar, les communications par satellite ont été une étape majeure du développement
des micro-ondes et techniques associées.
Entre 1970 et 1980, l’usage de l’informatique et l’apparition des télécommunications
numériques a fait négliger les micro-ondes par d’aucuns.
Dès lors, le développement des micro-ondes fut considérable et les applications nombreuses
et importantes.
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b- Evolution des technologies des circuits micro-ondes
Pendant longtemps le guide d’onde fermé (conventionnel) a fait l’objet d’une
utilisation courante en micro-onde. Actuellement la plupart des circuits de télécommunication
travaillant aux environs de 10GHz sont réalisés en technologie planaire. En bref nous disons
que la technologie des circuits micro-ondes a rapidement évolué durant la dernière décade
vers l’utilisation de circuits planaires.
c- Avantages et inconvénients de la technologie planaire
La technologie planaire consiste à graver les éléments de circuits sur un substrat
diélectrique approprié. Elle s’est développée en raison de nombreux avantages qu’elle offre :
réduction d’encombrement et de coût qui compense largement les coût de recherche et de
développement. Les circuits micro-ondes réalisés en technologie des circuits imprimés ont
cependant quelques limitations dont la plus fondamentale reste leur faible capacité de
dissipation de puissance vu la taille des dispositifs et la faible conductivité thermique des
semi-conducteurs par rapport aux métaux.
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Chapitre 2 : PARAMETRES S ET LIGNES
MUCRORUBAND
1. Paramètres S
Les paramètres S répondent à la nécessité d’un nouvel outil de caractérisation des
circuits linéaires aux fréquences micro-ondes. D’un point de vue purement mathématique, les
paramètres qu’ils relient sont issus d’une combinaison linéaire des tensions et des courants
aux N accès du circuit et représentent des ondes incidentes aj et réfléchies bj. Au jième accès,
l’onde sortante s’écrit comme une combinaison linéaire des ondes entrantes à chacun des
autres accès :
N
b j   S jk ak
k 1
Les paramètres a et b sont définis par :
aj 
bj 
Z0 j  Z0* j
2
Z0 j  Z0* j
2
.I jI
.I jR
Z0j est l’impédance de normalisation du jième port, c'est-à-dire l’impédance interne du
générateur connecté au port j.
1.1 Application à un quadripôle
Dans le cas général, les ondes incidentes et réfléchies prennent la forme suivante :
a1 
V1  Z1.I1
2 Re( Z1 )
a2 
V1  Z1*.I1
b1 
2 Re( Z1 )
V2  Z 2 .I 2
2 Re( Z 2 )
V2  Z 2*.I 2
b2 
2 Re( Z 2 )
Z1 et Z2 sont les impédances de normalisation aux accès 1 et 2.
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Figure 1-7 Ondes incidentes et réfléchies
 a1 et b1 sont les ondes incidente et réfléchie à l’accès 1
 a2 et b2 sont les ondes incidente et réfléchie à l’accès 2
1.1.1. Définition
Comme on l’a vu précédemment, les paramètres S relient entre elles les ondes
incidentes et réfléchies. Pour un quadripôle :
b1  S11a1  S12 a2
b2  S21a1  S22 a2
S11 
b1
Lorsque a2  0
a1
C’est le rapport de l’onde réfléchie sur l’onde incidente à l’entrée du quadripôle
lorsque l’onde incidente à l’accès 2 est nulle. D’un point de vue terminologie le rapport d’une
onde réfléchie à une onde incidente s’appelle un coefficient de réflexion. C’est la fraction
d’énergie réfléchie par le quadripôle dont on comprend bien qu’elle devra être minimisée pour
favoriser le transfert du signal à la sortie du quadripôle.
S12 
b1
Lorsque a1  0
a2
C’est le «gain» inverse du quadripôle lorsque l’onde incidente à l’accès 1 est nulle.
S 21 
b2
Lorsque a2  0
a1
C’est le «gain» direct du quadripôle lorsque l’onde incidente à l’accès 2 est nulle.
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S 22 
:
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b2
Lorsque a1  0
a2
C’est le coefficient de réflexion à la sortie du quadripôle lorsque l’onde incidente à
l’accès 1 est nulle.
La mesure des paramètres S nécessite donc d’annuler tour à tour, non pas des tensions
et des courants comme pour les paramètres descriptifs classiques mais des ondes incidentes.
La nullité des ondes a1 ou a2 se traduit par :
 in 
a2  0
b1
a1

V2   R0 I 2

V j  Z0 j I j
Dans le cas général, on aura :
aj  0
Ces conditions sont réalisées lorsque l’accès considéré est chargé par son impédance
de normalisation ce qui évite d’utiliser des références en circuit ouvert ou en court circuit.
1.1.3. Graphe de fluence
Un graphe de fluence est un moyen élégant de représenter et d’analyser le phénomène
de réflexion et de transmission dans un circuit microonde. En effet, une fois la topologie du
graphe établie, les relations entre les variables peuvent être déterminées à partir des règles de
Mason.
Plusieurs définitions sont nécessaires à la construction d’un graphe de fluence :
· Chaque variable (dépendante ou indépendante) est associée à un noeud.
· Les paramètres S sont représentés par des branches.
· Les branches sont orientées de la variable indépendante vers la variable dépendante.
Les variables indépendantes (respectivement dépendantes) sont les ondes incidentes
(respectivement réfléchies).
· Un noeud est égal à la somme des branches convergeant vers lui.
Le graphe de fluence d’un quadripôle caractérisé par ses paramètres S est représenté
sur la figure suivante :
13
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
e t
S
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
Figure : Graphe de fluence d’un quadripôle
Pour déterminer la fonction de transfert d’une variable dépendante à une variable
indépendante, on applique la formule de Mason.
T
C1 1   L11   L12  .....  C2 1   L12   L22  .....  ...
1   L1   L2   L3  .....
Les termes Ci sont les différents chemins possibles entre la variable indépendante et la
variable dépendante. Un chemin est défini comme un circuit fermé que l’on parcoure dans le
sens des flèches sans passer deux fois par le même noeud.
Le terme  L1 représente la somme des boucles du premier ordre. Une boucle du
premier ordre est définie comme le produit des branches rencontrées lors du parcours fermé
d’un noeud vers ce même noeud.
Le terme  L2 représente la somme des boucles du deuxième ordre. Une boucle du deuxième
ordre est le produit de deux boucles du premier ordre non adjacentes.
Le terme  Lj i représente la somme des boucles d’ordre j ne touchant pas le chemin
C1.
14
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
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S
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
1.1.4. Coefficient de réflexion
Dans le domaine tension-courant un dipôle est caractérisé par son impédance Z
(rapport entre tension et courant). Son équivalent dans le formalisme des paramètres S
s’appelle le coefficient de réflexion G (rapport entre onde réfléchie et onde incidente).
Figure : réflexion sur un dipôle
Le passage entre les deux domaines est immédiat :
a
V  Z 0 .I
2 R0
V  Z0*.I
b
2 R0
b V  Z 0* .I Z L  Z 0*
 

a V  Z 0 .I Z L  Z 0
Le coefficient de réflexion quantifie en amplitude et en phase l’énergie réfléchie par le
dipôle. Il existe un autre formalisme, issu de la théorie des lignes de transmission, permettant
de mesurer l’énergie réfléchie : le Taux d’Onde Stationnaire. Cependant, celui-ci ne donne
aucune indication sur la phase de signal réfléchi. Sa définition est la suivante :
1 
TOS 
1 
On utilise la définition des paramètres S
b1  S11a1  S12 a2
b2  S21a1  S22 a2
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M a s t e r
:
E
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S
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d e
Com
m u n i c a t i o n
Figure :Réflexion d’un quadripôle chargé
On obtient
in 
b1
S S 
=S11 + 12 21 L
a1
1  S22  L
Une charge sera dite adaptée si elle ne réfléchit aucune puissance (= 0).
Dans le cas où l’impédance de charge L est égale à l’impédance de normalisation, le
coefficient de réflexion à l’entrée d’un quadripôle chargé est égal à S 11. Sinon, un terme
correctif tient compte des réflexions en sortie.
1.1.5. Notion de puissance
Dans le domaine tension courant, lorsque la tension et le courant sont exprimés en
valeur crête, la puissance délivrée à un dipôle s’écrit :
P
1
Re (V .I * )
2
Figure : Puissance délivrée à un dipôle
16
M a s t e r
:
E
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Com
m u n i c a t i o n
Dans le formalisme d’onde la puissance délivrée se met sous la forme :
P
1
(a
2
2
 b )
2
Cette relation s’interprète de la façon suivante : la puissance dissipée par un dipôle est
égale à la différence entre la puissance incidente et la puissance réfléchie par ce dipôle.
1.1.6. Pertes d’insertion
Les pertes d’insertion d’un quadripôle se définissent comme le rapport de la puissance
délivrée à la charge PL sur la puissance disponible du générateur Pav.
Figure : Pertes d’insertion d’un quadripôle
La puissance délivrée à la charge s’écrit :
PL 
1
2
b
2
2
 a2
2

Dans le cas particulier où la charge est l’impédance de référence (L = 0)
PL 
1
b2
2
2
Egalement dans le cas particulier où l’impédance interne du générateur est égale à
l’impédance de référence (S = 0), la puissance disponible du générateur s’écrit :
Pav 
1
a1
2
2
Les pertes d’insertion d’un quadripôle inséré entre deux impédances égales à
l’impédance de normalisation s’écrivent :
17
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
e t
b
IL  2
a1
S
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
2

S21
2
1.2. Propriétés
1.2.1. La réciprocité
Les quadripôles présentant un transfert énergétique interne identique dans les deux
sens sont dits réciproques. Les conditions suivantes traduisent la réciprocité d’un quadripôle :
S12  S21
Pratiquement, tous les quadripôles passifs ne contenant pas de matériaux
ferrimagnétiques sont réciproques. En particulier les quadripôles réalisés à partir de
résistances, inductances, capacités, tronçons de ligne de transmission, etc... sont réciproques.
1.2.2. La symétrie
Les quadripôles présentant des propriétés électriques identiques lorsque l’on inverse
l’entrée et la sortie sont dits symétriques. La symétrie implique donc la réciprocité alors que
l’inverse n’est pas vrai.
Ceci se traduit par les conditions suivantes, une fois que les conditions sur la
réciprocité sont satisfaites :
S11  S22
La symétrie électrique s’accompagne d’une symétrie topologique souvent plus rapide
à mettre en évidence.
1.2.3. L’unilatéralité
L’unilatéralité d’un quadripôle est un cas particulier de non réciprocité. Non seulement
le transfert interne d’énergie n’est pas identique dans les deux sens, mais en plus il est nul
pour l’une des deux directions de propagation du signal. Les conditions électriques à satisfaire
sont les suivantes :
S12  0
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M a s t e r
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S
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Com
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Le transistor est un exemple typique de quadripôle unilatéral (pour peu que l’on soit
loin de sa fréquence de coupure) puisqu’il n’amplifie le signal que dans un sens.
1.2.4. L’idéalité
Un quadripôle est dit idéal lorsqu’il ne dissipe aucune puissance de façon interne. La
non transmission d’énergie, dans toute ou partie d’une bande de fréquence, pour un
quadripôle de ce type ne peut provenir que de la réflexion de cette puissance. Cette propriété
se traduit par :
S  S 
t
*
 1 (La matrice S est dite unitaire)
Pour un quadripôle, deux relations importantes, mettant en évidence le bilan de
puissance dans les sens direct et inverse, sont issues de cette dernière expression :
S11  S 21
2
1
 S22
2
1
2
S12
2
La troisième indique que les phases de chacun des paramètres ne sont pas indépendantes :
*
S11* S12  S21
S 22  0
En ce qui concerne la matrice chaîne, sa diagonale principale est purement réelle, l’autre étant
purement imaginaire.
Les quadripôles formés d’éléments inductifs et capacitifs, lorsqu’ils sont utilisés très loin de
leur fréquence de résonance, peuvent être considérés idéaux. L’observation de leur coefficient
de qualité à la fréquence de travail fournit alors des renseignements précieux.
De la même manière les quadripôles formés de tronçons de ligne de transmission sont souvent
considérés sans pertes s’ils sont correctement choisis dans leur type, leurs dimensions et leur
fréquence de travail.
1.2.5. Le quadripôle réciproque passif sans pertes
L’étude du cas particulier que représente cette famille de quadripôles est justifiée par son
emploi intensif lors de la conception des réseaux d’adaptation micro-ondes.
Le développement de la relation d’unitarité de la matrice [S] conduit à :
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:
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S11  S12  1
2
2
S12  S22  1
2
2
*
S11S12*  S12 S 22
0
On en déduit que les modules des paramètres S11 et S22 d’un quadripôle réciproque
passif sans pertes sont égaux.
La troisième relation permet d’établir une relation entre les phases des paramètres S 11 ,
S12 et S22. Cette relation se simplifie si le quadripôle est symétrique.
12 
11   22 

2
2
La caractérisation des circuits linéaires en haute fréquence doit donc utiliser un
formalisme différent tenant compte du phénomène de propagation proche des phénomènes
optiques.
1.2.6. Décalage des plans de référence
Aux fréquences micro-ondes, la longueur d’onde est du même ordre de grandeur que
la taille du circuit. Il en résulte une variation rapide des tensions et des courants incidents et
réfléchis aux accès des circuits. La mesure des paramètres S qui en découle nécessite la
détermination des plans de mesure également appelés plans de référence. De façon pratique,
ceux ci sont fixés par le système de mesure : pour l’analyseur de réseau vectoriel il s’agira des
connecteurs utilisés pour la calibration.
Figure : Plans de référence d’un quadripôle
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Si on souhaite connaître les paramètres S définis par rapport à d’autres plans de
référence, tout se passe comme si la mesure était effectuée dans les conditions indiquées sur la
figure ci dessous.
Figure : Insertion de quadripôles connus aux accès du quadripôle à mesurer
Intuitivement on comprend bien que la connaissance des quadripôles insérés à chacun des
accès, associée à la connaissance des paramètres S du quadripôle initial permet de caractériser
complètement le quadripôle global.
Ce problème est particulièrement simple à résoudre lorsque les quadripôles insérés aux accès
sont des lignes de transmission d’impédance caractéristique l’impédance de référence du
système de mesure (50 ohms dans le quasi totalité des cas). Il suffit en effet de définir la
matrice caractéristique de déplacement des plans de référence :
0
 exp( l1 )


0
exp(


l
)

2 
 D  
Et la constante de propagation complexe sur la ligne, I 1 et I2 longueurs des tronçons de ligne
aux accès 1 et 2.
La matrice S du quadripôle global s’écrit alors :
 S    D S  D
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Cette relation s’étend sans aucun problème aux systèmes à n accès. La matrice de
déplacement s’écrit alors :
0
 exp( l1 ) 0 .........



0
.
0
.


 D   .

0
.
0


0
......
0
exp( ln ) 

Les paramètres S dans les nouveaux plans de référence s’expriment de la façon suivante :
 Sii  Sii exp(2 li )
 
Sij  Sij exp( (li  l j ))
En pratique, c’est très souvent la relation réciproque que l’on utilise.
Elle permet en effet de connaître les paramètres S d’un dispositif dans des plans qui ne
sont pas accessibles à la mesure. C’est notamment le cas pour les circuits intégrés MMIC.
Cette opération s’appelle le « deembedding ».
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2. Ligne micro ruban
2.1 Introduction
La miniaturisation des circuits ainsi que l’accroissement de leur fréquence de
fonctionnement a donné naissance à de nombreuses structures planaires de transmission de
l’information. De part leur encombrement réduit, leur poids et leur facilité de fabrication
empruntée à la technologie classique des circuits basse fréquence, ces structures sont
largement exploitées dans le milieu industriel.
La ligne microruban est très utilisée pour la fabrication de circuits hyperfréquences,
principalement parce qu’elle s’apprête bien à une fabrication par procédé photolithographique, et également parce qu’elle permet une intégration simple des composantes
passives et actives par montage en surface.
2.2 Les différents types de lignes
Les principaux types de lignes sont représentés à la figure 1 :
Figure 1 : Les différents types des lignes à bandes
1. La ligne microbande (ou encore micro ruban, microstrip) comporte un substrat diélectrique
métallisé sur sa face arrière (le plan de masse) et un circuit de métallisation sur la face avant.
2. La ligne à fente (slot line) où deux conducteurs formant la ligne de transmission sont
déposés sur la même face du substrat diélectrique.
3. La ligne coplanaire (coplanar line) est une extension de la ligne précédente, avec trois
bandes métalliques et deux fentes.
23
M a s t e r
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E
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Com
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4. La ligne bande (stripline) est assez volumineuse puisqu’elle fait intervenir un second plan
de masse.
2.3 Approche théorique de la ligne microbande
Notre objectif n’est pas ici de vous exposer la théorie des lignes microbandes bien
qu’intéressante, mais plutôt de vous donner les informations nécessaires à la compréhension
des phénomènes de propagation qui apparaissent dans ce genre de structures.
Tout d’abord, il est essentiel de connaître leurs paramètres caractéristiques (voir figure 2) :
1. Pour le substrat, son épaisseur h et sa permittivité relative complexe :
ε* r = ε r − j ε i = ε r (1−tanδ). La partie réelle ²r est le constant diélectrique du matériau tandis
que la partie imaginaire caractérise ses pertes.
2. Pour la bande métallique, sa largeur W qui est en général de l’ordre de grandeur de h (0.1 ·
Wh · 10) et son épaisseur t (35μm).
La difficulté d’étude de la propagation dans une ligne microbande provient du fait qu’elle
s’effectue à la fois dans le substrat et dans l’air comme le montre la distribution des lignes de
champ électrique sur la figure 3.
Pour des fréquences faibles, la propagation des champs est du type TEM (Transversal Electric
& Magnetic). En d’autres termes les champs électrique et magnétique n’ont pas de
composantes suivant la direction de propagation de l’onde.
Figure 2 : La ligne microstrip et ses paramètres caractéristiques
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Figure 3 : Lignes de champ électrique d’une ligne microstrip
L’onde électromagnétique se propage à la fois dans l’air et dans le diélectrique ; deux
milieux d’indices différents (Air : ε r = 1, Diélectrique : ε r = 9.9). Pour rendre compte de ce
phénomène, la ligne microbande réelle se modélise par une ligne fictive où la propagation
s’effectuerait dans un milieu homogène de constant diélectrique équivalente ²e selon le
schéma de la figure 4 :
Figure 4 : Modélisation de la ligne micro ruban
Hammerstadt et Jansen donnent la formulation empirique du constant diélectrique de
ce milieu fictif en fonction des paramètres caractéristiques des milieux réels :
d 
60 2
Zc  r
 eff 
 r  1  r 1 
2

h
1  10 
2 
w

1
2
La vitesse de propagation de l’onde est alors donnée par :

C
 eff
Il faut noter que la constante diélectrique effective e f f dépend généralement de la fréquence.
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Chapitre 3 : Circuits micro-ondes
I. Circuit a deux accès
1. L’atténuateur
1.1. Fonctionnement
L’atténuateur idéal est un quadripôle réciproque, dissipatif parfaitement adapté. En
conséquence, sa matrice S s’écrit :
0
S
 S12
S12 
0 
avec
S12  1
Lorsqu’un tel quadripôle est inséré entre deux charges égales à la résistance de
normalisation, l’atténuation introduite vaut : A = 20 log|S21| dB
En pratique, on tient compte d’une éventuelle désadaptation, d’un déphasage parasite
voire d’une dépendance en fonction de la fréquence.
1.2. Technologie
Les atténuateurs micro-ondes peuvent être fixes ou variables voire commandables par
un signal logique suivant la technologie et la topologie employées pour les concevoir.
1.2.1. Eléments localisés
Les structures les plus courantes sont les structures en pi et en té.
Figure 2-1 : Topologies d’atténuateurs résistifs
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Les valeurs des résistances sont fonction de l’atténuation souhaitée et des impédances de
fermeture.
 Pour la structure en pi:
1
Z in
1
Z2 
Z out
Z1 
Z3 
Pour la structure en té :
A 1
 Z3
A 1
A 1
 Z3
A 1
2
A
A  1 Zin Z out
A 1
Z1  Z in
 Z3
A 1
Z 2  Z out
Z3 
A 1
 Z3
A 1
2 Zin Z out A
A 1
Si on souhaite une plus grande latitude dans le choix des composants, ou une puissance
dissipée plus importante, la structure en té ponté peut être utilisée :
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Figure 2-2 : Atténuateur en té ponté
1.2.2. Guide d’onde
Un guide d’onde sous la coupure met en jeu des ondes évanescentes dont l’atténuation
dépend de la fréquence de travail et de la distance parcourue. En faisant varier cette distance
par des dispositifs micrométriques on règle avec précision l’atténuation introduite dans le
signal.
1.2.3. Circuits intégrés
Les transistors MESFET utilisés dans les circuits intégrés MMIC peuvent être utilisés comme
résistance commandable pour former des atténuateurs en pi ou en té.
1.3. Applications
Voici une liste non exhaustive des applications d’un atténuateur.
1.3.1. Protection d’un appareil de mesure
Un atténuateur peut être utilisé pour protéger un dispositif contre les trop fortes
puissances. Il est courant d’introduire une telle protection dans une chaîne de mesure où les
récepteurs sont toujours limités en puissance d’entrée (analyseur de spectre, analyseur de
réseau vectoriel).
Figure 2-3 : Protection d’un appareil de mesure
1.3.2. Masquage d’une désadaptation
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En introduisant un atténuateur en amont d’un dispositif désadapté (de manière
permanente ou accidentelle), on affaiblit le signal réfléchi ce qui a pour effet d’améliorer la
protection de la source.
Figure 2-4 : Masquage d’une désadaptation
L’inconvénient réside dans l’affaiblissement simultané du signal réfléchi mais
également du signal incident.
2. Le déphaseur
2.1. Fonctionnement
Le déphaseur idéal est un quadripôle réciproque non dissipatif, parfaitement adapté. Sa
matrice S est donc de la forme :
exp( j ) 
 0
S 

exp(
j

)
0


Lorsqu’un tel déphaseur est inséré entre deux charges égales à la résistance de
normalisation, le déphasage introduit vaut : Arg (S21)= .
En pratique on tient compte d’une éventuelle désadaptation, d’une atténuation parasite,
voire d’une dépendance en fonction de la fréquence.
2.2. Technologie
Les déphaseurs microondes peuvent être fixes ou variables voire commandables par
un signal logique suivant la technologie et la topologie employées pour les concevoir.
2.2.1. Eléments localisés
29
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Les structures en pi, passe haut ou passe bas permettent d’apporter un déphasage
positif ou négatif.
Figure 2-5 : Topologie de déphaseurs
2.2.2. Eléments distribués
Aux fréquences micro-ondes, les dimensions du circuit ne sont ni très petites devant la
longueur d’onde (comme c’est le cas aux basses fréquences), ni très grandes (comme c’est le
cas en optique). Un déphasage significatif est donc apporté dès que le signal se propage sur
quelques centimètres. On comprend bien qu’un tronçon de ligne de transmission permet de
réaliser cette fonction.
Un câble coaxial dont le diélectrique central possède une permittivité diélectrique
relative de 2.1 apporte un déphasage de 90 à 1 GHz s’il mesure 5.2 cm.
ë
2.2.3. Circuits intégrés
Les topologies utilisées en éléments localisés sont directement transposables, dans leur
principe, aux circuits intégrés MMIC.
2.3. Applications
Un déphaseur 90° peut être utilisé dans un modulateur hyperfréquences pour générer
deux signaux en quadrature.
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Figure 2-8 : Modulateur QAM
Ce type de modulateur se retrouve par exemple dans les émetteurs de
radiocommunications spatiales ou terrestres. On le retrouve également dans la partie
démodulation des récepteurs correspondants.
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3. L’isolateur
3.1. Fonctionnement
L’isolateur idéal est un quadripôle dissipatif parfaitement adapté.
Si on prend la convention d’un transfert d’énergie de l’accès 1 vers l’accès 2, sa
matrice S s’écrit :
0 0
S 

1
0


Par définition, un tel dispositif est non réciproque puisqu’il transmet parfaitement le
signal dans un sens, alors qu’il l’atténue infiniment dans l’autre sens.
En pratique, on tient compte d’une éventuelle désadaptation, d’une atténuation dans le
sens direct, d’une atténuation non infinie dans le sens inverse et d’une dépendance en fonction
de la fréquence.
3.2. Technologie
3.2.1. Technologie hybride
Les isolateurs passifs sont réalisés à partir de morceaux de ferrites montés sur support
et connectorisés. Les ferrites sont des matériaux dont le comportement dépend de l’orientation
du champ électrique qui lui est appliqué.
3.2.2. Circuits intégrés
On peut utiliser les S12 des transistors MESFET pour réaliser des isolateurs MMIC qui
ont l’avantage d’avoir une taille réduite mais présentent l’inconvénient d’accepter une
puissance relativement faible sous peine de destruction.
3.3. Applications
La principale application d’un isolateur consiste à protéger une source d’un circuit de
charge éventuellement désadapté.
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Figure 2-9 : Protection d’une source avec un isolateur idéal
Un isolateur idéal apporte une protection parfaite de la source sans affaiblir le signal
incident.
En pratique on tient compte des imperfections de cet isolateur. On suppose que sa
matrice S s’écrit sous la forme suivante :
20dB 
 0
S 


1
dB
0


On obtient alors le diagramme de transfert de puissance suivant :
Figure 2-10 : Protection d’une source avec un isolateur réel
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II. Circuits à trois accès
1. Le circulateur
1.1. Fonctionnement
Un circulateur idéal est un hexapôle non dissipatif parfaitement adapté. Sa matrice S
s’écrit :
0 0 1


S  1 0 0
0 1 0


La distribution des signaux est conforme à la figure suivante :
Figure 2-11 Circulateur idéal
En pratique, on tient compte d’une éventuelle désadaptation, d’une atténuation dans le
sens direct, d’une isolation non infinie dans le sens inverse et d’une dépendance en fonction
de la fréquence.
1.2. Technologie
D’un point de vue technologique, le circulateur met en oeuvre des techniques
identiques à celles utilisées pour les isolateurs. Très souvent, les isolateurs hybrides sont
constitués de circulateurs dont l’un des accès est chargé par 50 ohms.
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Figure 2-12 : Equivalence entre circulateur chargé et isolateur
Suivant les imperfections de la charge, l’isolation équivalente varie de la façon suivante :
Figure 2-13 : Dépendance de l’isolateur en fonction de la charge
1.3. Applications
Voici une liste non exhaustive des applications mettant en jeu des circulateurs.
1.3.1. Duplexage
35
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
e t
S
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
Deux circulateurs peuvent être utilisés pour partager une antenne entre un émetteur et
un récepteur.
Figure 2-14 : Duplexeur
L’isolation entre émetteur et récepteur peut être relativement importante (30 à 40dB).
1.3.2. Amplification à résistance négative
Aux fréquences élevées, les composants actifs ne sont pas toujours disponibles et les
amplificateurs peuvent être réalisés à partir de dispositifs à résistance négative à base de
diodes Gunn par exemple.
Figure 2-15 : Amplification à résistance négative
36
M a s t e r
:
E
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S
e t
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Com
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2. Diviseurs. Combineurs de puissance
2.1. Fonctionnement
Les diviseurs et combineurs de puissance sont des dispositifs possédant au minimum
trois accès. Lorsqu’ils sont utilisés en diviseurs, il y a un accès d’entrée et deux ou plusieurs
accès de sortie. Les accès de sortie peuvent être isolés ou non. Lorsqu’ils sont utilisés en
combineurs, il y a deux ou plusieurs accès d’entrée et un accès de sortie.
Pour le cas particulier d’un dispositif à 3 accès, la matrice S d’un diviseur de puissance
idéal dont les accès sont isolés est la suivante (s’ils ne le sont pas, les paramètres S 32 et S23
sont non nuls):
 0

S   S21
S
 31
S21
0
0
S31 

0 
0 
La convention prise pour les accès est la suivante :
Figure 2-16 : Diviseur de puissance
Pour un combineur de puissance à 3 accès, la matrice S s’écrit :
 0

S  0
S
 31
0
0
S32
S31 

S32 
0 
La convention prise pour les accès est précisée dans la figure ci-dessous.
37
M a s t e r
:
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Figure 2-17 : Combineur de puissance
Si l’isolation entre les accès 2 et 3 (dans le cas de l’utilisation en diviseur de
puissance) n’est pas infinie, le paramètre S23 est non nul. Les paramètres S23 et S32 ne sont nuls
que si les accès 2 et 3 sont isolés.
Ces circuits sont généralement réversibles mais l’analyse de leur comportement
lorsqu’ils sont utilisée en combineurs de puissance n’est simple, en général, que si les signaux
à recombiner ont même amplitude et même phase. Dans le cas contraire, il faut faire le calcul
littéral à partir de l’expression des ondes incidentes et réfléchies.
2.2. Technologie
2.2.1. Diviseur résistif
En éléments localisés, on peut utiliser la structure symétrique suivante :
Figure 2-18 : Diviseur de puissance résistif
38
M a s t e r
:
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Lorsque ce dispositif est utilisé entre des charges 50 , on peut montrer (en calculant
l’impédance d’entrée du circuit à un des accès lorsque les deux autres sont chargés par 50
ohms) que le coefficient de réflexion à l’un des trois accès s’écrit :
S11 = S22 = S33 =( R – (50 / 3))/( R+50)
La transmission entre deux des trois accès se calcule en fermant l’un des accès sur 50
ohms et en calculant le transfert de puissance entre les deux autres (avec la matrice chaîne par
exemple) :
S21 = S31 = S32 =100 /(3(R+50) )
Si on choisit des résistances égales à 16.7 , la matrice S devient :
 0

S 1
 2
1
 2
1
2
0
1
2
1 
2
1 
2
0 

Quel que soit l’accès utilisé, la puissance appliquée à cet accès est parfaitement divisée
entre les deux autres accès, sans aucune réflexion parasite. Ceci s’effectue au détriment de la
moitié de la puissance incidente qui est dissipée dans les résistances internes au circuit. Les
accès de sortie ne sont pas isolés.
Figure 2-19 : Bilan de puissance
2.2.2. Diviseur combineur Wilkinson
39
M a s t e r
:
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En éléments distribués, on utilise la jonction de Wilkinson :
Figure 2-20 : Diviseur de Wilkinson
La matrice S s’écrit :
 0


S   1
2

 1

2

 1
2
0
0

2

0 

0 

 1
Lorsqu’il est utilisé en diviseur de puissance, ce circuit est sans pertes malgré la
résistance de 100 ohms entre les accès 2 et 3.
Ceci provient du fait que les deux signaux arrivant aux accès 2 et 3 ont même
amplitude et même phase ce qui conduit à une chute de potentiel nulle à travers la résistance.
Les accès de sortie de ce diviseur sont isolés.
2.3. Applications
2.3.1. Boucle à verrouillage de phase
On cherche à prélever une partie du signal d’un oscillateur pour l’asservir.
40
M a s t e r
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Figure 2-21 Prélèvement de puissance pour un asservissement
Le calcul des résistances doit tenir compte de la puissance maximum admissible par la
PLL qui se situe souvent autour de 0 dBm.
2.3.2. Amplification de puissance
On peut combiner deux signaux issus d’amplificateurs pour obtenir une puissance de
sortie plus importante, tout en utilisant les amplificateurs dans leur zone linéaire.
Figure 2-22 : combinaison de puissance
41
M a s t e r
:
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III. Circuits à quatre accès
1. Coupleur bidirectionnel
1.1. Fonctionnement
Les coupleurs bidirectionnels sont des dispositifs à 4 accès permettant de prélever une
fraction calibrée de la puissance incidente et réfléchie. La matrice S idéale d’un tel coupleur
que l’on suppose réciproque et adapté s’écrit de façon générale:
 0

S12

S
 S13

 S14
S12
0
S32
S14
S13
S23
0
S34
S14 

S24 
S34 

0 
La convention prise pour les accès est la suivante :
Figure 2-23 : Coupleur bidirectionnel
Si on fait l’hypothèse que le circuit est sans pertes, la condition d’unitarité de la
matrice S s’applique :
St .S* 1
En développant, on obtient :
42
M a s t e r
:
E
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e t
 S12 2 

2
 S12 

2
 S13 

2
S
 14 
S
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Com
m u n i c a t i o n
S13  S14  1
2
2
S 23  S 24  1
2
2
S 23  S34  1
2
2
S 24  S34  1
2
2
En soustrayant 2 à 2 les deux premières équations puis les deux dernières, il vient :
2
2
2
2

S

S

S

S
 13
14
23
24
 2
2
2
2
S

S

S

S

23
14
24
 13
On en déduit :
S14  S23
En introduisant cette relation dans le système d’équations issu de la relation
d’unitarité, on aboutit à :
 S12 2 

2
 S12 

2
 S13 

2
S
 14 
S13  S14  1
2
2
S14  S 24  1
2
2
S14  S34  1
2
2
S 24  S34  1
2
2
Les deux premières équations conduisent à :
S13  S24
Cette nouvelle égalité permet de faire évoluer le système d’équations vers :
 S12 2  S13 2  S14 2  1

2
2
2
 S13  S14  S34  1
43
M a s t e r
:
E
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d e
m u n i c a t i o n
Ce qui permet d’écrire :
S12  S34
En résumé, un coupleur bidirectionnel présente donc les caractéristiques suivantes :
 S14  S23

 S13  S24
S  S
34
 12
La première propriété est la symétrie de couplage.
La troisième est la symétrie d’isolation.
D’un point de vue terminologie on introduit les notions suivantes :
Pertes d’insertion
S31, S13
Couplage
S41 , S32
Isolation
S21 , S43
Directivité
S41 / S21
1.2. Technologie
1.2.1. Guides d’ondes
Deux tronçons de guide d’onde rectangulaire sont superposés pour réaliser le dispositif à 4
accès. Le couplage énergétique entre les deux guides est réalisé à l’aide de trous dont la
forme, l’espacement et la position détermine les caractéristiques électriques.
1.2.2. Coupleur microstrip
Deux tronçons de lignes microstrip sont gravés sur un substrat.
Figure 2-24 : Coupleur microstrip
44
M a s t e r
:
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Le couplage électromagnétique entre les deux lignes est fonction de la longueur l du
coupleur, de la largeur w des lignes microstrip qui le composent et de l’espacement entre ces
lignes. Comme tout calcul analytique exact est impossible, les dimensions sont calculées soit
à l’aide de formules empiriques soit par des techniques d’analyse numérique.
1.3. Applications
Les applications des coupleurs bidirectionnels utilisent le fait que la fraction de
puissance prélevée est très faible (-10 dB, -20 dB), ce qui ne perturbe quasiment pas la voie
directe.
1.3.1. Contrôle de niveau, asservissement
Un coupleur directionnel permet de prélever une partie de la puissance émise par une
source soit pour l’afficher après compensation des coefficients de couplage, soit pour générer
un signal d’asservissement.
Figure 2-25 : Contrôle de niveau et asservissement
1.3.2. Mesure d’un coefficient de réflexion
Le coupleur bidirectionnel est symétrique, ce qui assure l’égalité des coefficients de
couplage S41 et S32. Le montage suivant permet donc de mesurer le coefficient de réflexion
d’une charge en évaluant le rapport des signaux et .
45
M a s t e r
:
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Figure 2-26 : Mesure d’un coefficient de réflexion
46
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III. Circuits
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Com
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actifs
1. Filtres hyperfréquences
1.1 Introduction
Dans ce chapitre, nous allons donner quelques éléments de synthèse des filtres en
hyperfréquences à l'aide d'éléments répartis constitués par des lignes de propagation.
Ce chapitre se décompose en deux parties :

Rappel des fondamentaux pour la synthèse des filtres

Synthèse en hyperfréquences à l'aide de lignes.
1.2 Méthodes de synthèse générale
La figure ci-dessous décrit la méthode classique de synthèse de filtres en utilisant des
fonctions analytiques (Legendre, Tchebycheff, Cauer, Butterworth, ...)
Elle se décompose en six étapes avec deux variantes :
1. Définition du gabarit du filtre à réaliser (filtre en projet) avec normalisation de la
fréquence.
2. Transposition pour obtenir le gabarit du filtre Passe-bas prototype.
3. Fonction de transfert du filtre prototype, calculée à partir des éléments A min, Amax et k
du filtre prototype en utilisant une fonction analytique standard.
4. Elaboration du schéma du filtre prototype. Calcul de la fonction de transfert du filtre
en projet en utilisant les formules de transposition de fréquence.
5. Dessin du schéma du filtre en projet avec les éléments normalisés.
6. Dénormalisation et dessin du schéma du filtre en projet réalisé.
47
M a s t e r
:
E
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Les deux variantes possibles consistent à

Elaborer le schéma du filtre prototype avant le calcul de la fonction de transfert

Calculer la fonction de transfert du filtre en projet avant le dessin du schéma
Ces deux approches donnent évidemment les mêmes résultats.
1.3 Filtres hyperfréquences
Le problème est durci lorsque l'on considère le concept de propagation des ondes : la
contrainte liée à l'adaptation des filtres en entrée et en sortie est à prendre en compte dès la
conception. Dans ce paragraphe, on montre dans un premier temps comment réaliser des
inductances et capacités ainsi que les circuits de base associant ces deux éléments. Puis on
décrit la topologie des filtres Passe-bas et Passe-Bande. Enfin on explique la synthèse des
différents filtres à partir du prototype Passe-Bas.
48
M a s t e r
:
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S
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m u n i c a t i o n
1.3.1 Réalisation d'impédances et de circuits accordés avec des lignes micro
rubans
1.3.1.1 Equivalence entre un tronçon de ligne et une inductance ou
une capacité
L'élargissement du ruban augmente la capacité linéique de la ligne (en prenant
comme modèle le condensateur plan), permettant ainsi de fabriquer une capacité //.
Le rétrécissement du ruban diminue la capacité linéique de la ligne. Cela
équivaut à un renforcement de l'inductance linéique, permettant ainsi de fabriquer une
inductance série
La figure ci-dessous illustre ces propos pour une ligne micro ruban
1.3.1.2 Réalisation d`inductances et de capacités
Une inductance série s'obtient par un fort rétrécissement du ruban métallique (figure
4.4).
Une inductance parallèle s'obtient en plaçant en dérivation sur la ligne principale un
tronçon de ligne en court-circuit (figure 4.5).
Une capacité parallèle s'obtient par un fort élargissement du ruban métallique (figure
4.6).
49
M a s t e r
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Une capacité série est plus délicate à réaliser. Une méthode consiste à couper la ligne
sur une très petite longueur (quelques µm à quelques dizaines de µm). Cependant, on se
heurte à des problèmes de modélisation ainsi qu'à des problèmes de réalisation avec des
dimensions de fente très faibles. Cette technique est donc peu utilisée. On se reporte sur une
technique d'inversion d'impédance abordée plus loin
1.3.1.3 Inversion d'impédance pour la réalisation des capacités série
L’impédance Ze vue à l’entrée d’une ligne de longueur  d’impédance caractéristique Zc
terminée par une impédance de charge ZL s’écrit : Z e 
50
Z c2
ZL
M a s t e r
:
E
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e t
L’impédance Ze vue à l’entrée d’une ligne
S
y s t è m e
1 Z c2

jL
jC
d e
Com
C
m u n i c a t i o n
L
Z c2
1.3.1.4 Réalisation de circuits résonnants et antirésonnants
La difficulté de réaliser des capacités série rend difficile la réalisation de circuits résonnants
série directement. Nous utiliserons dans ce cas des lignes /4. Les associations réalisées sont :
Circuit résonnant série placé en parallèle sur la ligne microruban (voir figure 4.8).
Circuit résonnant parallèle placé en parallèle sur la ligne microruban (voir figure 4.9).
Circuit résonnant série placé en série sur la ligne microruban (voir figure 4.10).
Circuit résonnant parallèle placé en série sur la ligne microruban (voir figure 4.11)
51
M a s t e r
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E
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S
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1.3.2 Topologie des filtres Passe-bas en technologie microruban
Le schéma de la figure 4.12 présente le schéma d'un filtre Passe-Bas.
53
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Par symétrie, si l'impédance aux deux accès du filtre est la même, les inductances L
même valeur. Il en est de même pour C2 et C4.
1.3.3 Topologie des filtres Passe-bande en technologie microruban
La figure ci-dessous présente le schéma d'un filtre Passe-bande composé de cinq cellules
Sa réalisation en technologie micro ruban fait appel à la technique des lignes /4. On
obtient alors le schéma de principe de la figure 4.14. Les différents tronçons sont réalisés
conformément aux schémas des figures 4.9 pour les éléments résonnants en parallèle et 4.10
pour les éléments résonnants en série.
1.3.4 Synthèse des filtres Passe-bas.
C'est en effet un passage obligé quel que soit le type de filtre conçu
Dans ce cours, nous n'aborderons que la synthèse à l'aide de fonctions de Butterworth
avec l'hypothèse suivante : L'impédance des deux accès est la même Z
1.3.4.1 Fonction de Butterworth
54
M a s t e r
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S
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Com
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 
A(dB)  10 Log 1  

 C 
La fonction d'atténuation de Butterworth s'écrit
2n
W C : pulsation de coupure à 3sdB ; n : ordre du filtre.
Toutes les courbes correspondant à cette fonction passent par le point défini par
(c)=1
et A = 3 dB.
Au-delà de ce point, leur pente est d'autant plus grande que n est plus élevé (voir figure 4.15).
1.3.4.2 Calcul des éléments Lk et Ck
Les inductances Lk et les capacités Ck du filtre s'expriment en fonction de Z0, de c et
d'un paramètre gk par :
Lk 
R1
c
Ck 
gk
1 1
gk
R1 c
Les valeurs des paramètres gk sont données dans le tableau 4.1 en fonction de l'ordre n
et de l'atténuation A en dB du filtre.
K\n
1
2
3
4
2
1,414
1,414
3
1
2
1
4
0,7654
1,848
1,848
0,7654
5
0,618
1,618
2
1,618
55
6
0,5176
1,414
1,932
1,932
7
0,445
1,247
2,802
2
8
0,3902
1,111
1,663
1,962
M a s t e r
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S
y s t è m e
5
6
7
8
0,618
d e
Com
1,414
0,5176
m u n i c a t i o n
1,802
1,247
0,445
1,962
1,663
1,111
3,3902
1.3.5 Transposition aux filtres Passe-haut et Passe-bande
La conception de ces filtres fait appel aux calculs effectués pour les filtres Passe-bas.
La méthode consiste, comme on l'a vu au §2, à systématiquement concevoir les filtres à partir
d'un filtre Passe- bas prototype après transposition.
Il s'agit donc ici d'effectuer les correspondances entre les éléments des filtres Passehaut ou Passe-bande et ceux du filtre Passe-bas prototype. Nous noterons "les pulsations
relatives aux filtres Passe-haut ou Passe-bande et Ck ; Lk les éléments de ces filtres.
1.3.5.1 Filtres Passe-haut
Pour réaliser un filtre Passe-haut à partir d'un filtre Passe-bas, il suffit de remplacer les
inductances par des capacités et vice-versa (voir figure 4.16)
Nous passons de la structure Passe-bas, avec impédances en série Lk et impédances en
parallèle 1 / Ck, à la structure Passe-haut, avec impédances en série 1/ Ck et impédances en
parallèle Lk
La transposition des résultats obtenus pour la structure Passe-bas consiste à traduire le
fait que pour le domaine de pulsation correspondant à chaque filtre, l'impédance des éléments
série et parallèle est identique, soit : Ck / Lk 1 = et k k L C / = 1 .
56
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2. Amplificateurs hyperfréquence
2.1 Théorie de conception des amplificateurs
La figure 1 illustre la structure générale d'un amplificateur. Elle comprend un
dispositif actif (en général un transistor), caractérisée par ses paramètres S et entouré de part
et d'autre par des réseaux d'adaptation d'impédance. L'étude de ce schéma nous permet de
déterminer les grandeurs importantes permettant de caractériser un amplificateur, notamment,
le gain, le facteur de bruit, la stabilité.
Figure 1 : Configuration générale d'un amplificateur
2.2 Gain dans un amplificateur
2.2.1. Gain de transfert
Le gain de transfert ou encore gain transduscique correspond au rapport entre la
puissance délivrée à la charge PL et la puissance disponible d'une source PAVS.
Z S  Z L  R0
GT  S 21
GT 
1   2S
1  S11 S
2
S21
2
1   2L
1  Sout  L
2
2
 G1G0G2
(1)
Avec :
G0  S 21
2
ET G1 
1   2S
1  S11 S
57
2
ET G2 
1   2L
1  Sout  L
2
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:
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Γout est le coefficient de réflexion à la sortie du quadripôle lorsque celui-ci est terminé
par une impédance ZS correspondant au coefficient de réflexion ΓS. Ces coefficients sont
donnés par :
S12 S21 L
1  S22  L
S S 
 S 22  12 21 S
1  S11 S
in  S11 
(2)
 out
(3)
Remarque
Si Z S  Z L  R0 , alors GT  S21
2
2.2.2 Gain disponible
Le gain disponible GA ou gain associé est égal au gain transduscique lorsque la sortie
du quadripôle est adaptée. Il est obtenu en posant ΓL = Γout * dans l'équation (1) :
GA 
1   2S
1  S11 S
2
S21
2
1
2
1   out
(4)
Ce gain est maximum lorsque l'entrée et la sortie sont adaptées simultanément. On défi
nit alors le gain maximum disponible (MAG, (Maximum Available Gain)), obtenu en posant
ΓL = Γout *et ΓS = Γin * dans l’équation (1).
MAG 
1    S
2
in
* 2
in
1  S11
2
21
1   
2
out

1    S
2
in
* 2
out
1  S22
2
21
1   
2
in
(5)
Remarque :
Si Z S  Z L  R0 , alors in  0 et le gain disponible devient :
MAG 
S21
2
1  S22*out

2
S
G  21 K  K 2  1
T
S
12

(6)
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2.3. Stabilité d'un amplificateur
La stabilité dont il est question dans cette partie correspond à la stabilité définie par
rapport aux impédances de charges (ZS ; ZL ; GS et GL). En effet l'adjonction des réseaux
d'adaptation d’entrée et de sortie peut parfois introduire des problèmes de stabilité et
l'amplificateur peut se mettre à osciller, c'est pourquoi il est important d'étudier la stabilité du
système.
2.3.1. Définition
Un amplificateur est inconditionnellement stable si les parties réelles des impédances
d'entrée et de sortie de l'amplificateur sont supérieures à zéro à une fréquence quelle que soit
l'impédance de source et de charge. En termes de coefficients de réflexion, cette condition
revient à poser l'inégalité suivante :
1 et   L
 S
1 , on a in
1 et  out
1
Un amplificateur est conditionnellement stable si :
1 et   L
 S
1 , on a in
1 et  out
1
Pour définir le critère de stabilité, on étudie le lieu de la limite de stabilité définie par Γout =1
et Γin =1 Après analyse :
· Le lieu Γin =1 est un cercle de centre OCL et de rayon RCL;
OCL
S

RCL 
 S11* 
*
22
S22  
2
(6)
2
S 21 S12
S 22  
2
(7)
2
Le lieu out =1 est un cercle de centre OCS et de rayon RCS;
OCS
S

RCS 
*
 S22

*
11
S11  
2
(8)
2
S21 S12
S11  
2
(9)
2
Avec S 11S 22S 12S 21.
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Le lieu de stabilité est ainsi défini soit à l'intérieur soit à l'extérieur de ces cercles
correspondants au domaine de stabilité. L'analyse graphique de la stabilité se fait par le tracé
des cercles de stabilité pour l'entrée de l'amplificateur. On distingue quatre cas de figures
correspondant à deux inégalités :
· |S 11| < 1 : La zone contenant le centre de l'abaque de Smith est stable (Figure 2).
Figure 2 : Zones de stabilité pour |S 11| < 1
· |S 11| >1 : La zone contenant le centre de l'abaque de Smith est instable (Figure 3).
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Figure 3 : Zones de stabilité pour |S 11| >1
2.3.2. Analyse de la stabilité inconditionnelle
Dans le fonctionnement inconditionnellement stable d'un amplificateur, on veut que
tout l'intérieur de l'abaque de Smith entraîne un comportement instable pour le quadripôle
(pour l'entrée et la sortie). Les inégalités exprimées plus haut peuvent s'écrire en fonction des
paramètres S du quadripôle, à l'aide du facteur de Rollet K :
On peut donc montrer que les conditions nécessaires pour assurer la stabilité inconditionnelle
d'un amplificateur sont celles-ci :
2
2
1 S
S
 2
11
22
K
2S S
12 21
(10)
Si ces conditions ne sont pas vérifiées, l'amplificateur est conditionnellement stable et il faut
donc tracer les cercles de stabilité.
S11  1, S22  1etK  1
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2.3.3. Adaptation en puissance simultanée entrée – sortie
Généralement, la puissance à l'entrée d'un système est fixée par le calcul du bilan de liaison.
Il est donc important de maximiser le gain de l'étage amplificateur afin de minimiser le
nombre d'étages de la chaîne amplificatrice. Ceci revient à trouver les impédances Z1 = Zin *
et Z2 = Zout * à présenter à l'entrée et à la sortie du transistor afin de garantir le transfert
maximum de puissance de la source vers la charge et de la puissance disponible du
quadripôle. L'adaptation simultanée entrée-sortie n'est possible que si le quadripôle est
inconditionnellement stable (K>1). Le gain transduscique s'exprime alors par :

S
G  21 K  K 2  1
T
S
12

(11)
Dans le cas où le quadripôle est conditionnellement stable, le gain est maximum pour des
valeurs de ΓS_max et ΓL_max qui sont à l'extérieur de l'abaque de Smith et donc qui ne sont pas
réalisables à l'aide d'éléments passifs. Il est donc inutile de chercher à obtenir le gain
maximum par adaptation complexe conjugué.
Les terminaisons de sources et de charges permettant de satisfaire le critère de stabilité
conditionnel ne donneront qu'un gain inférieur au gain maximum absolu.
On définit alors les cercles à gains constants qui permettent de déterminer les lieux des points
dans le plan ΓS et ΓL pour lesquels les gains G1 et G2 sont constants, lieux qui décrivent un
cercle de centre OS et de rayon RS en entrée et un cercle de centre OL et de rayon RL en sortie:
RS 
OS 
RL 
OL 

1  G1 1  S11
1  G1 S11
2
(12)
S11*
(13)

1  G2 1  S 22
1  G2 S 22
2
2

2
(14)
*
S 22
(15)
1  G2 S 22
G2

2
1  G1 S11
G1
2
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2.3.4. Cercles de bruit et adaptation en bruit
Il est possible de minimiser la contribution en bruit du transistor en lui présentant à
l'entrée une impédance de source telle que ΓS= Γopt. Ceci est toujours possible si le transistor
est inconditionnellement stable (K>1). Dans ce cas, la sortie peut être adaptée en puissance en
choisissant ΓL =Γout*.
Dans le cas d'un transistor conditionnellement stable, il faut choisir Γ opt dans la région
stable de l'abaque de Smith. Si ce n'est pas le cas, il faut choisir S G dans la région stable au
prix d'un facteur de bruit supérieur au minimum. Ensuite la sortie est adaptée en puissance en
prenant une impédance de charge située dans la zone stable du cercle de stabilité de la charge.
Le lieu des points pour lesquels le facteur de bruit F est constant correspond à un
cercle de centre Cfb et de rayon Rfb.
C fb 
R fb 
opt
(16)
1 N

N 2  N 1   opt
2

(17)
1 N
Avec :
2
F  Fmin
N
1   opt
4rn
Le tracé de ces cercles permet de chiffrer la dégradation du facteur de bruit lorsque le
coefficient de réflexion présenté à l'entrée s'éloigne de la charge optimale.
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CHAPITRE 4 : PRESENTATION DU LOGICIEL ADS
ET TRAVAUX PRATIQUE
1. Présentation ADS
1.1 Introduction
Advanced Design System (ADS), développé par Agilent EEsof EDA, est un logiciel
de conception et modélisation de systèmes électroniques pour les micro-ondes et les
radiofréquences. Les applications visées sont très vastes et comprennent en autre le domaine
de la téléphonie mobile, les pagers, les réseaux sans fil, les systèmes de communications radar
et satellite.
Le logiciel offre des possibilités de conception et de simulation pour les domaines des
radiofréquences et des micro-ondes et se divise en 2 modules Analogue RF Designer et
Digital Signal Processing Designer pouvant interagir entre eux :
• La conception de circuits intégrés monolithiques (MMICs) ou hybrides (avec
des Composants Montés en Surface).
• La conception de nouvelles architectures pour les futures normes de
télécommunications sans fils.
1.2 Interface du logiciel
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1.2 Projets
1.2.1 Projets
ADS utilise des projets (extension _prj) pour organiser automatiquement les données
issues de la création, de la simulation ou de l’analyse d’un nouveau design.
Un projet inclue le circuit, le layout, la simulation et les résultats d’un design créé à
partir de la fenêtre principale (main) qui apparaît lors de l’ouverture de ADS.
Un projet se compose des répertoires suivants :
• Data : contient les données de simulation ou dataset (nom.ds)
• Mom_dsn : contient les design et données de simulation issus de momentum
• Networks : contient les fichiers de design ou pages schematic (nom.dsn) et les
fichiers de layout des circuits (nom_layout.dsn)
• Synthesis : contient les données de synthèse DSP
• Vérification : contient les données issues du DRC
Les résultats (graphe, abaque de Smith, etc. . . .) se visualisent dans une fenêtre "data display"
et sont sauvegardés dans un fichier nom.dds au niveau de la racine du projet (invisible à partir
de la fenêtre principale).
1.2.2 Créer un projet
L’opération de création d’un nouveau projet est représentée par la figure I.2.3.
Elle s’effectue à partir de la fenêtre principale.
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FIG. I.2.3 – Création d’un nouveau projet
1.2.3 Ouvrir un projet
Pour ouvrir un projet, on peut utiliser les deux procédures suivantes :
• Choisir le menu File/Open Project puis utiliser la boîte de dialogue pour localiser le
projet à ouvrir
• Utiliser l’explorateur de la fenêtre principale pour localiser le projet et double cliquer
pour l’ouvrir (figure I.2.4)
Attention : seulement un projet peut être ouvert à la fois. Il est donc recommandé de
sauvegarder les données du projet courant avant d’en ouvrir un autre.
FIG. I.2.4 – Ouvrir un projet existant
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1.3 Design
1.3.1 Design
ADS utilise des fichiers design (nom.dsn) pour enregistrer les circuits de simulation et
les layout. Un fichier de design est une page schematic à partir de laquelle il est possible de :
• Créer et modifier des circuits et layout
• Ajouter des équations et des variables
• Placer et modifier des composants et leurs contrôles
• Ajouter des commentaires sous forme de texte
• Générer un layout à partir du schematic (et réciproquement)
1.3.2 Créer un Design
FIG. I.3.5 – Fenêtre design – schematic
L’ouverture d’un nouveau projet implique automatiquement l’ouverture d’une
nouvelle page schematic qui sera sauvegardée dans le répertoire networks.
Pour créer un nouveau design (cf. figure I.3.5), il est possible d’utiliser les deux
procédures suivantes :
• Menu Window/New Schematic dans la fenêtre principale
• Menu File/New Design dans la fenêtre principale et donner le nom de fichier à créer
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Il est ensuite possible d’insérer les éléments (composants, données, sources, boîte de
simulation et de contrôle, . . .) disponibles dans les bibliothèques du logiciel.
La figure I.3.6 représente l’insertion dans la fenêtre schematic d’un module complet de
simulation des paramètres S en deux ports (menu Insert\Template\S_params). Le logiciel
insère directement toutes les boîtes nécessaires pour mener à bien la simulation à savoir deux
ports Term par défaut d’impédance 50 , une boite de commande des paramètres S et d’un
module d’affichage des quatre paramètres (Template).
FIG. I.3.6 – Insertion d’un bloc de simulation des paramètres S
Il est également possible d’insérer séparément chacun des éléments de la figure I.3.6 en allant
les chercher dans la bibliothèque Simulation S_param.
1.3.3 Ouvrir un Design
Un design existant peut s’ouvrir :
– A partir de la fenêtre principale dans le menu File/Open Design
– En utilisant l’explorateur pour localiser, sélectionner et double cliquer sur le design
pour l’ouvrir
– A partir de la fenêtre schematic dans le menu File/Open Design
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1.4 Simulation dans ADS
1.4.1 Simulation d’un design
ADS fournit tous les éléments de contrôle pouvant être ajoutés et configurés dans la
fenêtre schematic pour simuler les caractéristiques du design.
La figure I.3.6 montre un élément S-PARAMETERS qui permet de simuler les
paramètres S d’un circuit. Cet élément est soit automatiquement inséré dans le schematic si un
module prédéfinit est utilisé soit disponible dans la bibliothèque "Simulation-S_Param".
La simulation se lance en cliquant sur l’icône appropriée ou en allant dans le menu
Simulate.
FIG. I.4.7 – Simulation sous ADS
1.4.2 Visualisation des résultats
A la fin de la simulation, le logiciel ouvre une page de présentation (data display) dans
laquelle les courbes (graphique linéaire/log, abaque de Smith, etc . . .) peuvent être tracées (cf.
figure I.4.8). Il est également possible de positionner un marker sur les courbes (Insert
Marker) afin de visualiser les coordonnées d’un point précis.
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FIG. I.4.8 – Aperçu d’une page de présentation
1.4.3 Optimisation d’un design
L’optimisation d’un design est une procédure permettant de modifier la valeur de
variables pour qu’elles satisfassent un objectif défini auparavant.
L’optimisation dans ADS permet de comparer les résultats simulés à l’objectif et modifie les
valeurs des variables pour qu’elles se rapprochent le plus possible de l’objectif à atteindre.
Pour effectuer une optimisation, il est nécessaire d’insérer les éléments suivants dans la page
schematic (cf. figure I.4.9) :
• Au moins un paramètre identifié dans le circuit comme étant une variable nommée
"Var eqn" (bibliothèque "Data Items") à optimiser (option “opt”) dans un intervalle
de valeurs.
• Une boîte d’objectif nommée "Goal" (bibliothèque "Optim-Stat-Yield-DOE").
• Une boîte d’optimisation nommée "Optim" (bibliothèque "Optim-Stat-YieldDOE").
Il existe différentes méthodes mathématiques d’optimisation d’un design : Random,
Gradient, Quasi-Newton, une combinaison de méthode Gauss-Newton et Quasi-Newton,
algorithme direct et génétique...
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D’une manière générale, la méthode Random est utilisée dans un premier temps puis
complétée par la méthode Gradient pour affiner l’optimisation.
Nota Bene :
La réussite de l’optimisation dépend essentiellement de l’aptitude de l’utilisateur à
exprimer correctement un objectif à atteindre (goal) suivant une méthode numérique
appropriée (optim) et dans un intervalle réaliste de paramètres à ajuster (opt val min to val
max).
Autrement dit même le plus puissant des algorithmes ne pourront pas donner une
réponse adéquate à un paramètre à optimiser entre −1 et +1. Il ne faut jamais oublier que toute
simulation numérique à un objectif de conception pratique dans une technologie donnée. Le
concepteur doit donc avoir réfléchi préalablement au problème pour aider l’algorithme choisi
à converger vers une solution réalisable (éviter typiquement des lignes microruban de 1km de
long répondant au problème mathématique !) [3, 4].
FIG. I.4.9 – Outils pour optimiser un design
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2. Travaux pratiques :
2.1 Ampli équilibré à 10 GHz
2.1.1 Introduction:
Le but de ces travaux pratiques est de prendre en main le logiciel ADS qui est un
programme de simulation mais aussi de conception (ce qui veut dire que le logiciel optimise
au mieux les valeurs des composants pour l'application désirée).
Grâce à ADS nous allons concevoir un ampli équilibré et le simuler.
2.1.2 Court circuit décalé
Voici le schéma du projet:
Term1 joue le rôle d'une source d'excitation micro-onde équivalent à un générateur
avec sa résistance propre (vrai en 1-Port). Cependant lorsqu'on passe Multiport le schéma
équivalent devient une source avec sa résistance propre à gauche de la ligne de test (TL) et à
sa droite on aura une simple charge.
On simule le comportement du circuit et obtenir le paramètre S11(coefficient de réflexion) et
on obtient:
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On reconnaît le court circuit
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Et si on enlève la masse à droite de la ligne
test et on observe cela :
2.1.3 Self parallèle
Schéma:
Simulation :
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Le module de S11 vaut bien toujours 1 cela vient du fait que toute l'énergie est
réfléchie car la self est réactive (purement Imaginaire).
Conclusion: On peut conclure sur cette partie que les lignes, capacités et selfinductance ne font aucune perte. Ce sont seulement les éléments résistifs qui provoque des
pertes.
2.2.4 Self série
Schéma:
Grâce au bloc S-Parameters on balaye en fréquence est on peut observer
Simulation:
Interprétation :
Pour les fréquences faibles
on a S21 =1 et S11=0
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Pour les fréquences élevées on a S21 =0 et S11=1
Grâce a la conservation des énergies On peut en déduire la relation (quand il n'y a pas de
résistance):
|S11|² + |S21|² = 1
Optimisation 1
Comme je l'ai déjà mentionné en introduction nous allons maintenant utilisé la fonction
optimisation (bloc OPTIM) en entrant le but recherché (GOAL)
équation dans Goal : phasedeg(SP2.SP.S(2,1))
Schéma
Simulation
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Perturbation
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Simulation
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puis on re-optimise
simulation nous montre que l'on a bien 90° sur le terminal 3 et 2 et donc 180 entre les deux :
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2.2 Coupleur « Branch Line » -3dB, -90°
Schéma:
Simulation:
Une fois packagé
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2.3 filtre micro-ondes
2.3.1 Introduction
Les dispositifs hyperfréquences sont de plus en plus utilisés de nos jours. Il devient
primordial de pouvoir les simuler avec précision avant la réalisation. Le but final est d’avoir
un circuit qui, une fois réalisé, fonctionne du premier coup tout en respectant les contraintes
du cahier des charges et ce sans aucune retouche.
Nous évitons ainsi un surcoût inutile lié à la réalisation d’un grand nombre de maquettes de
tests tout en réduisant considérablement le temps de conception. Il est alors possible de
maîtriser et de réduire le coût final du produit.
Pour atteindre ces objectifs, il est nécessaire de disposer d’outils adéquats tels que des
logiciels commerciaux de CAO. Pour nos nous avons choisi d’utiliser le logiciel ADS
(Advanced Design System) de la société Agilent Technologies. Cet outil est très complet car
il permet de faire des simulations de circuits analogiques hyperfréquences, de circuits
numériques, de la co-simulation analogique numérique ainsi que des simulations
électromagnétiques. Du fait de son fort potentiel, cet outil très complet est de plus en plus
utilisé dans le monde de la recherche universitaire et industrielle.
Pour espérer obtenir un bon accord entre les simulations et les résultats de mesures, il
est indispensable d’utiliser le logiciel à bon escient et de prendre en compte toutes les
particularités du circuit à simuler (substrat, discontinuités, …).
Le but de cette partie est de décrire l'utilisation de ces outils de CAO en leur
apprenant une méthodologie de travail basée sur l'expérience. Après on va présenté des TPs,
Le point de départ est un filtre passe-bas réalisé en technologie micro ruban.
En l’occurrence, ici, les différences non négligeables entre les simulations et les
mesures proviennent d’une non prise en compte des discontinuités géométriques de la
structure.
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Afin de bien mettre en avant les effets des discontinuités, Ce TP consiste à la
simulation d’un filtres HF suivant ces étapes :
• 1er étape : Calculs et simulation du filtre en éléments localisés.
• 2ème étape : Calculs et simulations du filtre en éléments distribués.
• 3ème étape : Génération du masque sous Momentum et simulation électromagnétique.
• 4ème étape : Mise en évidence du problème des discontinuités
• 4ème étape : Insertion des modèles de discontinuités disponibles sur ADS au niveau
du dessin du filtre
2.3.2 Filtre à éléments localises sous ADS
Le cahier de charge est sous forme de gabarit comme suite (Fig 1) :
Figure 1 : gabarit du filtre
A partir de ce gabarit, en déduit aisément l’ordre du filtre (n = 5). Il doit alors
programmer les formules de calcul nécessaires à la synthèse de Tchebyscheff et synthétiser
rapidement le filtre passe-bas pour, au final, le dessiner sous ADS sous sa forme éléments
localisés (Fig. 2).
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Figure. 2 : Synthèse du filtre en éléments localisés
A ce stade, il est demandé de faire une simulation en paramètres S et d’afficher les
réponses ainsi que les valeurs calculées pour les différentes grandeurs du filtre.
Une suggestion de présentation est proposée comme indiqué à la (fig 3).
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2.3.3 Filtre à éléments distribues sous ADS
A partir de la synthèse en éléments localisés, il est possible de déterminer les
différentes grandeurs du filtre passe-bas en éléments distribués présenté à la figure 4.
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Figure. 4 : Synthèse du filtre en éléments distribués
L’impédance des tronçons capacitifs est fixée à 25 Ω. Celle des tronçons inductifs à
120 Ω. Le substrat utilisé est du FR4 (εr = 4.2 ; h 1.52 mm ; t = 35 μm). Avec ces
informations et avec l’aide de l’outil LINECALC d’ADS, on peut calculer les largeurs de
ligne nécessaires pour atteindre les valeurs de 25 Ω, 50 Ω et 120 Ω. Les longueurs de ligne
sont déduites des formules de synthèse reliant les selfs (Lk) et capacités (Ck) aux impédances
(Zo), longueurs physiques (lk) et pulsation de coupure (ωc).
Une fois les différentes formules programmées et le filtre dessiné (figure 4), l’étudiant
simule le filtre et affiche les réponses et la valeur des grandeurs calculées dans la fenêtre de
résultats en respectant la présentation suggérée à la figure 5.
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Figure. 5 : Réponses simulées du filtre en éléments distribués
2.3.4 Filtre a éléments distribues sous MOMENTUM
Maintenant le dessin de son filtre réalisé sous ADS est exporté vers Momentum afin
de générer le masque du filtre. C’est ce masque qui servira de base pour la simulation
électromagnétique.
Le résultat de la génération du masque est présenté à la (fig 6).
Figure. 6 : masque du filtre étudié
Une fois la simulation électromagnétique effectuée, l’étudiant est amené à comparer
les réponses obtenues via ADS et via Momentum (fig.7).
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Figure 7 : comparaison des différentes réponses obtenues
A ce stade, nous constatons un accord correct entre les mesures et la réponse simulées
sous momentum. Par contre, la comparaison de la réponse mesurée diffère de celle simulée
sous ADS lorsque l'influence des discontinuités est négligée. L’étudiant est alors amené à
réfléchir sur les raisons pouvant expliquer ce désaccord et comment y remédier. La
conclusion est que les modèles circuits utilisés ne prennent pas en compte les discontinuités
liées aux sauts d’impédance entre tronçons capacitifs et inductifs. Il est nécessaire de les
rajouter sur le dessin du filtre comme indiqué à la (fig. 8).
Figure. 8 : dessin du filtre avec prise en compte des discontinuités
(Sauts d’impédance)
La réponse simulée se rapproche alors de celle simulée sous Momentum et de celle
mesurée (Fig. 9).
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Figure. 9 : comparaison des différentes réponses obtenues
2.3.5 Conclusion
L'objectif des travaux présentés ici est d'apprendre à utiliser correctement et en
connaissance de cause les outils de CAO adaptés aux dispositifs hyperfréquences. Il est ainsi
amené à concevoir et à calculer un dispositif simple. Le logiciel ADS est utilisé pour
concevoir et simuler des dispositifs hyperfréquences plus complexes tels que : oscillateur,
amplificateur faible bande, coupleurs hybrides, …
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Bibliographie
Agilent-ADS
http://www.agilent.com/
Ligne micro ruban
http://www.esiee.fr/~vasseurc/technologie.html
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Partie B : S U P E R V I S I O N D E S C O M P T E U R S
DE CONSOMMATION D’ENERGIE
Introduction
générale
L’énergie électrique est utilisée à grande échelle depuis plus de cent ans et sa
facturation aux utilisateurs a été, dès l’origine un souci constant des compagnies productrices
et distributrices. Une caractéristique remarquable de l’électricité est d’être une forme
d’énergie qui, sauf cas particuliers, ne peut pas être directement stockée. Il est donc nécessaire
de produire le courant demandé par les clients au moment même où ceux-ci en ont besoin, la
pointe de consommation déterminant la capacité nécessaire des installations de production, de
transport et de distribution du courant électrique. Pour limiter le plus possible cette capacité,
les compagnies distributrices s’efforcent de proposer aux utilisateurs des prix variables
suivant les heures, les jours et les saisons afin de les inciter à moduler leur demande, de façon
à régulariser la courbe de charge des réseaux et éviter en particulier de provoquer des pannes
générales, comme cela a parfois pu se produire. Les fabricants de compteurs ont donc été
amenés à élaborer des systèmes de comptage plus ou moins complexes, gérant des tarifs
multiples, qui non seulement enregistrent la consommation d’énergie électrique, mais tiennent
compte le mieux possible du prix de revient instantané de cette énergie. Les changements de
tarifs sont réalisés par des horloges, des systèmes de télécommande centralisée ou d’autres
dispositifs de communication ou de gestion. Les compteurs électromécaniques ont été
longtemps les seuls utilisés et ont bien résolu une grande partie des problèmes posés, mais les
progrès en cours de l’électronique et de l’informatique ont ouvert la voie à des ensembles
moins encombrants et mieux adaptés ou a des systèmes beaucoup plus complexes, capables
d’améliorer encore la gestion de l’énergie électrique.
Aujourd’hui, il ne suffit plus d’optimiser la productivité et la qualité. L’optimisation
de la consommation d’énergie est devenue une tache importante pour les grandes industries.
Une consommation d’énergie incontrôlée peut facilement rendre la production improfitable.
Avec le prix d’énergie en hausse et les exigences sur l’émission de CO2 plus sévères que
jamais, la maîtrise de l’énergie est devenue un critère de succès important de l’entreprise.
Dans ce but, HOLCIM a proposer se sujet, système de supervision de la
consommation d’énergie. Ce système est un outil de diagnostic qui mesure la consommation
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en temps réel et qui a pour but de comprendre la consommation énergétique de l’entreprise.
Basé sur le principe de la surveillance et l’instrumentation de la consommation énergétique,
ce système permet de collecter et d’établir des rapports sur les usages en matière de
consommation énergétique.
La surveillance et la supervision en temps réel des consommations énergétiques vous
donne des réponses sur les questions suivantes:
 Où, quand et pourquoi utilisez-vous de l’énergie?
 Comment êtes-vous positionnez par rapport aux autres?
 Qui sont les grands consommateurs?
 Quelle est la cause des pics de consommation?
 Que sont les fluctuations de la consommation dans le temps?
 Quelle est la consommation par produit ou par kg matière?
Nous débutant ce rapport par une présentation de la société d’accueil et procédé de
fabrication de ciment, par la suite on donne une vie générale sur l’installation électrique
actuelle de l’usine et leurs défauts afin de proposer une solution convenable et satisfaisante.
En fin, une présentation du système de supervision après avoir choisir les différents
technologies et matériels utilisés pour la réalisation de se système.
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Chapitre 1 : PRESENTATION DE LA SOCIETE
1. Historique :
a) Présentation de Holcim (Maroc) :
Holcim (Maroc) a été créée en 1976 par l’Office du Développement Industriel (ODI)
avec le concours de la Banque Islamique sous le nom de CIOR (les Ciments de l’Oriental). Sa
première cimenterie a été construite à Oujda et elle a démarré en 1979 une capacité de
production nominale de 1.2 millions de tonnes par an. En 1993, Holcim (Maroc) a mis en
service sa deuxième cimenterie, à Ras El Ma dans la région de Fès, avec une capacité de
600000 tonnes par an, pour répondre aux besoins croissants du marché national. En outre,
deux centres de broyages et de distribution ont été ouverts à Fès et à Casablanca de capacité
totale 800000 tonnes par an.
Le 15 avril 2002, Holcim (Maroc) a changé son ancienne dénomination (CIOR). Ce
changement affirme son appartenance au groupe international Holcim, groupe suisse leader
dans le domaine de fabrication du ciment, du béton et du granulat.
Les dénominations des sociétés affiliées au Maroc, et agissant dans différents domaines
d’activité sont devenues :
 Holcim (Maroc) S.A, pour CIOR.
 Holcim (Méditerranée) S.A, pour Limed (à Nador).
 Holcim Bétons, pour Ecobéton.
Cette nouvelle identité visuelle qu’adopte la société est une opportunité pour accroître
son engagement vis-à-vis de ces clients, développer l’écoute et la formation de ses
collaborateurs, mieux prendre en compte les questions liées à l’environnement et s’ouvrir
davantage sur sa communauté.
Les démarches ISO 9001 et ISO 14001 ont été mises en place dans les usines de Fès
Ras EL Ma et Oujda en 2000 et 2002 respectivement. Pour recevoir les certificats officiels de
conformité du Système de Management Intégré (SMI) Qualité et environnement aux standard
ISO 9001 et 14001 en 2002 et 2003 respectivement. Ceci pour garantir la maîtrise continue de
la qualité des produits et services de Holcim (Maroc).
b) Développement Holcim :
Holcim (Maroc) engage un important programme d’investissement. La première porte sur le
regroupement et l’extension de la capacité de broyage de l’usine de Fès, le second concerne la
nouvelle unité de production dans la région du centre (Settat).
Dans cette perspective, Holcim adopte un nouveau plan d’entreprise pour la période
2002-2006. Construit sur une vision faisant du développement durable un pôle vers lequel
devra converger la dynamique de progrès, il vise à inscrire dans les plans d’action autant que
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dans les comportements, le concept de développement dans sa dimension environnementale et
sociale.
2. Fonction et services de l’entreprise :
Les activités principales au sein de la société sont la commercialisation et la production
du ciment.
En partant de l’extraction des matières premières jusqu’à l’obtention du ciment, ce
processus de fabrication nécessite l’existence de plusieurs services s’occupant chacun d’une
ou plusieurs taches.
3. Organigramme de l’entreprise :
Figure 1 : Organigramme de l’entreprise
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Chapitre 2 : PROCEDE DE FABRICATION DU CIMENT
En partant de l’extraction des matières premières jusqu’à l’obtention du ciment, ce processus
de fabrication nécessite l’existence de plusieurs services s’occupant chacun d’une ou plusieurs
tâches.
Etape de fabrication du ciment :
1. Exploitation de la carrière :
Les matières premières sont extraites de deux carrières ; l’une –située à proximité du
concasseur principal (800 m) – donne du calcaire (matière riche en chaux) que l’on extrait par
des explosifs ; l’autre – située à 7km de l’usine – donne de l’argile (matière riche en silice,
alumine et fer) que l’on expédie par des camions vers le concasseur.
Les matières d’ajout sont :
 Le gypse, extrait d’une carrière située à 60 km de l’usine, son rôle est de
régulariser le temps de prise du ciment
 Le tuf une matière très fragile, est spécialement utilisée pour la fabrication de
CPJ45 spécial
 La pouzzolane, une matière volcanique.
2. Concassage :
L’opération de concassage a pour but de réduire la granulométrie des blocs de pierre en
fragments de faibles dimensions (25 à 40 mm).Elles assurent un mélange répondant à des
caractéristiques chimiques précise.
En effet, le calcaire et l’argile transportés par les camions sont déchargés dans une trémie
qui est reliée à un alimentateur à vitesse variable qui permet de réguler le débit
d’alimentation. La matière passe par deux étages de concassage, dont le premier est un
concasseur à deux mâchoires, l’une fixe et l’autre mobile montée sur un support articulé et
mis en mouvement par un mécanisme de bielle et de double volet. Et le deuxième un
concasseur à marteaux. Les deux concasseurs traitent jusqu’à 1100 t/h.
Les matières concassées sont ensuite stockées par qualités dans le hall de stockage de
l’usine. (Voir figure)
Front
de taille
Chargeuse
Dumper
Roche
Tapis roulant
Concassage
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3. Echantillonnage :
C’est une étape essentielle entre le concassage et l’opération de broyage. Elle a pour but
de déterminer et de réaliser un présage des quatre constituants de base de cru : chaux, silice,
alumine et fer, qui assurera la composition correcte et donc la qualité du produit fini.
A partir d’analyses de routine effectuées sur des échantillons prélevés périodiquement sur
le circuit de matière provenant des concasseurs, le laboratoire de l’usine précise les quantités
de chaque composant et définit ainsi la constitution du de pré homogénéisation.
4. Pré homogénéisation :
Après concassage, la matière crue présente toujours des fluctuations importantes dans sa
composition, c’est pourquoi elle est introduite dans une tour d’échantillonnage puis stockée
dans l’installation de pré homogénéisation.
5. Broyage et séchage de la matière première :
Les matières premières pré homogénéisées doivent être finement broyées pour être
chimiquement plus réactives au cours de leur cuisson dans le four, elles passent donc dans des
doseurs alimentant un broyeur sécheur (il ne doit pas pratiquement subsister de particule de
dimensions supérieures à 0.2 mm).
La fonction du séchage est nécessaire car le broyage ne peut s’effectuer que dans la
mesure où la matière ne s’agglomère pas sous l’effet conjugué de son humidité et compactage
produit par les outils de broyage.
En plus du séchage et de la fragmentation, le broyeur assure un mélange intime entre les
différents minerais apportés par les matières premières et les ajouts de correction en faibles
proportions.
A la fin du broyage, la matière est dirigée vers un séparateur qui sélectionne les particules
selon leur grosseur.
6. Homogénéisation :
A la suite du broyage et après séparation, les matières premières sont transformées en
une poudre de grande finesse appelée dans le jargon cimentier « Farine ». Cette farine doit
présenter une composition chimique aussi constante que possible. Ces matières premières sont
acheminées vers des silos dans lesquelles elles sont homogénéisées.
L’opération d’homogénéisation complète le processus de pré homogénéisation préalable,
elle permet d’obtenir un produit de caractéristiques chimiques uniformes qui permettent la
fabrication d’un clinker de qualité constante.
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La préparation de la matière première est maintenant achevée.
7. Cuisson de la farine
On entend par cuisson le processus de transformations de la matière crue en clinker par un
apport thermique suffisant pour obtenir des réactions chimiques complètes conduisant à
l’élimination presque totale de chaux non combinée.
La cuisson a pour but de transformer le cru en clinker.
La matière sortant du four est le clinker. Elle se présente sous forme de grains gris foncés,
arrondis, à surface irrégulière et dont le diamètre peut aller jusqu’à 3 cm. La cuisson s’opère
dans des fours rotatifs. Ce sont de longs cylindres, inclinés sur l’horizontale. Ces cylindres
sont garnis intérieurement par un revêtement réfractaire.
La matière est introduite à l’extrémité la plus haute du four, et avance lentement par
l’effet de rotation et l’inclinaison du four (durée de la traversée : 2 heures environ). A l’autre
extrémité, se trouve la flamme résultant de la combustion.
8. broyage ciment :
Après refroidissement, les granules de clinker sont par suite broyés avec addition du gypse
(3 à 5%) pour retarder le temps de prise du ciment et éventuellement du calcaire et de cendres
volantes, qui conféreront au ciment des propriétés spécifiques correspondant aux différentes
qualités du ciment (CPJ 35 ; CPJ 45).
Le type de broyeur utilisé est un broyeur à boulets. Le ciment fini est orienté vers les silos
de stockage et de livraison. Le transport s’effectue pneumatique ment dans des tuyauteries
aéroglisseurs) grâce à des pompes spéciales.
9. Ensachage et expédition :
A la sortie du broyeur, le ciment est transporté vers des silos de stockage à partir desquels
il est expédié soit en sacs, soit en vrac, par camions ou par voie ferrée.
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Chapitre 3 : PRESENTATION DE L’INSTALLATION
ELECTRIQUE
I.
Description du l’installation d’alimentation :
a) Alimentation usine :
L’alimentation de la cimenterie en énergie électrique est assurée par le poste ONE de
BOURDIM. C’est un poste de transformation 225/60KV.
La puissance maximale réservée à l’usine est 27MW, pour cela l’ONE place à l’usine
une maxi-print pour vérifier la consommation chaque dix minutes. La consommation
d’énergie arrive à 12 MW par mois.
A partir du poste de BOURDIM, deux lignes de 60KV parviennent au poste extérieur de
HOLCIM. Ce dernier est équipé de trois transformateurs de 60/11KV couplés en triangleétoile.
Ces transformateurs sont protégés par des disjoncteurs pneumatiques à gaz SF 6, dont
l’ouverture et la fermeture se fait par des vérins d’une pression de 15 Bars.
On trouve six disjoncteurs au poste 60KV, trois pour protéger des transformateurs, deux
protègent les deux lignes 159 et 197 et l’autre commande le couplage des deux lignes en cas
de coupure de l’un de ces deux lignes.
b) Alimentation secours :
L’usine à deux groupes électrogènes ; en d’une coupure au niveau du réseau de l’ONE
le démarrage se fait automatiquement d’un seul groupe qui assurer l’alimentation des fours,
du convoyeur clinker, des pompes d’eau ainsi que l’éclairage, généralement il assure le
fonctionnement des organes vitaux.
Les deux groupes travaillent par un tour de rôle, mais en cas de besoin en fait travailler
les deux, mais il faut les synchroniser, ça veut dire qu’il faut qu’ils aient la même fréquence,
la même tension et la même succession des phases.
Pour assurer un bon fonctionnement des groupes, il haut vérifier chaque jours :
 Le niveau de l’eau de refroidissement et le niveau d’huile du moteur diesel et la
pression de l’air.
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 Le niveau combustible dans le réservoir.
 Le fonctionnement de préchauffage et l’étanchéité générale.
 Mettre sous pression le circuit de graissage.
 Placer ensuite le commutateur ou le clavier sur automatique.
En cas d’une coupure, l’usine dispose aussi de deux onduleurs, pour assurer l’alimentation
des micro-ordinateurs, des mémoires et des advants-contrôleurs.
II.
Description des salles électriques :
L’étude que nous avons effectuée nécessite la visite des salles électriques pour
connaitre de prés la composition de chaque salle et déterminer les départs et les arrivées de
chaque M.T, T.D et M.S.C.
L’usine contient 23 salles électriques est chaque salle se compose de :
 M.T : Ce sont les départ moyenne tension de 11 KV qui alimentent directement des
moteurs de 11 KV, de 5.5 KV ou aliment de transformateurs 11kV/380V.
 T.D : ce sont les tableaux de distribution qui aliment, a son rôle, les MSC par une
tension triphasé de 380 V.
 M.S.C : ce sont des départs vers les moteurs et les électrovannes et les distributeurs
hydrauliques et pneumatiques.
 Des chargeurs batteries de 24V et de 127V.
 Des batteries condensateurs de compensation.
III.
Description des secteurs de l’usine :
L’usine est répartir en secteur comme le suivant :
 Secteur 1 : il s’occupe de concassage et l’échantillonnage de la matière première.
 Secteur 2 : il broie, homogénéise et stocke le cru.
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 Secteur 3 : son rôle est de cuire le cru pour avoir le clinker puis le refroidir et le
transporter vers les silos clinker.
 Secteur 4 : il assure le stockage, le broyage du charbon ainsi que le transport et
l’injection des pneus déchiquetés.
 Secteur 5 : il s’occupe du broyage du clinker et des ajouts.
 Secteur 6 :c’est le secteur d’expédition.
 Secteur 7 :c’est le secteur qui rassemble tous ce qui est auxiliaire comme l’éclairage,
pompage, l’atelier, les compresseurs d’air et le bâtiment technique.
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Chapitre 4 : CAHIER DE CHARGES ET
POSITIONNEMENT DU PROBLEME
I.
Description du projet :
a) Quoi ?
Le projet consiste à assurer la redistribution des compteurs d’énergie BT et MT suivant les
secteurs de l’usine, afin d’installer un réseau d’acquisition, supervision et de traitement de
données de consommation.
b) Pourquoi ?
Les industriels, pour qui la part des dépenses énergétiques représente entre 15 et 50% des
coûts de production, ont un besoin crucial de savoir OÙ, QUAND, COMMENT et
COMBIEN l’énergie est utilisée.
Pour cela il est primordial une mise en place de sous-comptages qui nécessite au préalable
de procéder à un découpage fonctionnel de l’usine. Ce découpage établira les secteurs de
consommation communs à toute l’usine (chaufferie, station d’air comprimée, groupes froids
de la climatisation…) et les secteurs spécifiques (atelier, chaîne de production, service…).
Un système de supervision permet également de gérer chaque secteur a part entière afin
d’optimiser le rendement.
En faite, grâce à un tel système, l’usine peut dépasser les opérations de prise des relevés
manuellement qui se fait quotidiennement, matin et minuit ; et qui prend beaucoup de temps à
causes des grandes distances qui séparent les compteurs.
c) Objectif :
Les avantages d’un tel système de supervision d’énergie sont :
1) L’archivage automatique des consommations :
 La télé relève automatique des compteurs assure la rapidité, confort, et fiabilité, car
tout risque d’erreur sur le relevé des index est écarté. L’archivage automatique des
données permet de consacrer plus de temps à l’étude et à l’optimisation des
consommations.
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 L’enregistrement au fil de temps des puissances moyennes, permet de suivre
exactement les consommations au cours du temps et de détecter les secteurs causant
dépassements de puissance souscrite.
2) L’analyse technique et comptable des consommations :
L’enregistrement périodique des consommations permet :
 De réaliser des tableaux de synthèse par secteurs. Ces tableaux donnent une vision
globale des consommations d’une usine, d’un service, d’une ligne de production ou
d’un centre de coût, avec une répartition par tranches tarifaires, un calcul des
dépassements de puissances souscrites.
 D’établir des bilans énergétiques périodiques (journaliers, mensuels, annuels…), qui
permettent d’identifier rapidement les postes des consommations les plus actifs.
 D’identifier rapidement des gisements d’économies, de mesurer l’influence du
changement des caractéristiques du contrat de fourniture (version tarifaire, puissance
souscrite…), de repérer rapidement les surconsommations anormales.
3) L’optimisation du contrat de fourniture :
 Réduire les dépassements de puissances souscrites. Chaque dépassement de cette
puissance est facturé au prix fort. L’enregistrement des données permet de les éviter .
 Diminuer les consommations d’énergie active par rapport des consommations dans les
tranches tarifaires les moins élevés. Toutes les données fournies par le système de
gestion d’énergie (courbe de charge, dépassements, kWh par tranche tarifaire…)
contribuent à obtenir le “kWh” au moindre coût. En reportant par exemple des
consommations d’heures de pointe en heures pleines et d’heures pleines en heures
creuses.
 Diminuer les consommations d’énergie réactive en surveillant et en contrôlant la valeur
du cos
.
4) La maintenance préventive du réseau
L’analyse en continu de tous les événements (cos , dépassements, valeurs extrêmes,
harmoniques, consommation anormale…) réduit le nombre d’interventions critiques sur le
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réseau électrique. Le personnel d’exploitation dispose d’informations précises et en temps réel
pour optimiser l’utilisation et augmenter la longévité des matériels du réseau électrique.
II.
Inconvénient de l’installation actuelle :
Compte tenu du coût et la complexité de l’intégration d’une nouvelle installation il est
fortement recommander d’adopter une démarche structuré afin de sélectionner les meilleurs
moyens à en venir pour réaliser nos objectifs. Dans le but d’améliorer les performances de
l’installation, nous avons a respecté les critères suivant :
 La fiabilité
 La robustesse
 Standardisation des équipements
 Garantir la pérennité de l’installation
Ainsi, le système doit assurer la plupart des objectifs et doit répondre aux exigences des
agents veillant sur l’opération du comptage électrique.
Dans cette optique, nous avons envisagé deux orientations techniques possibles :
La premier consiste à améliorer l’existent, tandis que la seconde propose une installation
toute nouvelle. La deuxième démarche nécessite un budget important, et vue la crise
économique mondiale qu’à influencer presque tout les secteurs y compris celui de la
cimenterie, nous avons a estimer l’apport du projet par rapport a son budget .
Au cours de la premier période de stage, il était claire que la plupart des agents ignore
les objectifs de la redistribution des compteurs électriques, et s’intéressent le plus pour l’étude
de l’installation d’un système de supervision, cependant que cela ne peut être réalisé que si
l’installation des compteurs électriques répond a certain spécifications, en genre et en nombre.
La mauvaise répartition initiale de l’installation d’énergie électrique dans les différentes
salles électriques a engendrée des difficultés pour suivre la démarche du projet, ainsi que les
propositions.
Apres l’évaluation du l’installation électrique de l’usine, nous avons déterminé les
principaux inconvénients existant en cette dernière, sur 3 niveaux :
 L’installation
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 Les équipements
 Les relevés du comptage
a) Niveau installation :
L’étude que nous avons effectuée nécessite la visite de chaque salle électrique pour
identifier les consommateurs des MSC, mais certains MSC contiennent plusieurs
consommateurs appartenant aux différents ateliers. Prenons l’exemple suivant :
Ce MSC alimente ces consommateurs au moyen d’un jeu de barre. Il existe par
exemple des consommateurs doté de numéro 2 qui appartient au atelier cru .Ce qui n’est pas
évident, est d’équiper chaque consommateur un compteur électrique.
b) Les équipements :
Au sein de l’usine Holcim, L’opération du comptage se base sur les relevées des
compteurs électromécaniques, numérique et heures de marche, a affichage local, ce qui rend
la mission de technicien chargé de prélever la consommation quotidien de l’usine, un peu
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lourd et imprécis (la consommation n’est pas pris au même temps) .Cette tournée prend
chaque matin environ 2 heures à cause des distances qui séparent les compteurs.
Un autre problème se présente au niveau des compteurs des heures de marches, qui
comptent les heures de marches que soit le consommateur à vide ou en charge.
Certains compteurs nécessite la remise a zéro manuellement ce qui impossible de réaliser
pour tout les compteurs en même temps, sachant que cette opération est faite par un seul
technicien.
La totalité des compteurs sont répartis seulement sur 7 salles électriques, cependant il
existe 23 salles électriques. Cela montre que les données du comptage sont mal prises.
La description des compteurs est décrite dans l’annexe C.
c) Les relevés du comptage :
Les formules des relevées du comptage électrique s’appuient sur des relevées des
compteurs des heures de marches, et on a déjà signalé que ces compteurs comptent les jours
tant que le consommateur soit alimenté en énergie.
Cette mal identification au niveau du comptage de ces dispositifs, influence les rapports
techniques de l’usine, sachant que Holcim s’intéressent pour la consommation selon les
tranches horaires et d’autre consommation spécifiques. Une imprécision des relevées
engendre une imprécision dans les rapports production-énergie.
Notons que les formules du comptage sont doutées de sa fiabilité, car en plus de tout ce
qu’on a cité d’inconvénients, nous avons détecté une grave erreur sur les formules de la
feuille du comptage.
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Chapitre 5 : SOLUTIONS ET PROPOSITION
La mesure constitue un élément clé de la définition, de la réussite et de la pérennité d’une
démarche d’optimisation énergétique.
C’est pourquoi il convient de ne négliger aucune des étapes qui la constituent. La phase
d’analyse est essentielle pour identifier de manière précise le comportement des installations
et déterminer les solutions à mettre en place.
I.
Outil de travail ‘Code HAC’ :
Holcim possède un système de contrôle commande advant-controllers, cet automate se
base dans la premier phase de programmation, a la codification des secteurs existant.
Le code HAC est un «nom » donné pour chaque module électrique pour désigner l’un
de l’autre, mais cette nomination n’est pas arbitraire. En effet, chaque chiffre et numéro
désigne une chose :
Code HAC : XXX _XXX
 Le premier chiffre désigne le secteur a quel appartient ce dispositif électrique :







1 : Carrière.
2 : Concasseur.
3 : Cru.
4 : Four.
5 : ciment.
6 : Expédition
L : Charbon
 Le deuxième chiffre désigne la position du dispositif :



1 ou 3 : qui sont des entrées
6 : translation lui-même
9 : sortie
 Le troisième chiffre indique a quelle ligne est appartient le module :



1 : par la ligne 1
2 : par la ligne 2
0 ou 4 : pour les communs entre les deux lignes
 Les deux lettres indiquent le nom de ce dispositif, par exemple :


VE : Ventilateur d’Exhausteur
SF : Suppresseur …
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 Le quatrième chiffre est un nombre en hexadécimal pour caractériser l’ordre des
modules de même nom, par exemple :


II.
381 VT6
381 VT7
La redistribution des compteurs M.T et B.T :
Dans une première étape nous avons collecté manuellement le ‘Code HAC’ de tout les
consommateurs en marches du l’usine, puis les arranger un tableau dans le même ordre qu’on
a pris avec, dans chaque salle électrique. Le Code HAC nous a également aidé a identifier le
genre du dispositifs (voir annexe B). Nous n’avons négligé aucun des dispositifs même si
quelques un ne sont pas codifié, mais ce problème était résolu à l’aide des agents de l’usine.
La liste des consommateurs est en annexe A.
La deuxième étape consiste à définir pour chaque MSC, ses départs, ses arrivées ainsi que
leurs lignes d’alimentation. Le tableau suivant résume notre travaille :
SE
SE1
SE 2
MSC
Départ
MSC 7
MSC 11
MSC8
MSC9
MSC 10
Condensateurs
MSC 13A
MSC 13B
SE 3
SE 4
SE 5
SE6
SE7
MSC 3
MSC 33
MSC 6
MSC 5
MSC 34
SE11
SE 12
Arrivée
Salle
SE 3
TR
TD 31
TR 31
TD 32
TR32
Secteur
SE 4
MSC 13A
MSC 13B
MSC 11
MSC 7
MSC 8
MSC 9
MSC 10
MSC 2
MSC 5
MSC 3
TD
Concasseur
SE1
SE 7
TR 71
TR 72
Préparation
matière
Préparation
matière
Préparation
matière
Chaudière &
climatisation
Cuisson
TR 5
TR 6
SE5
Cuisson
TR 7
TR 8
MSC 6
Administration
MSC 12A
MSC 12B
SE1
SE1
SE 22
MSC 31
109
Preaparation
martiere
TD 51
TR 62
TR 61
TR 51
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
e t
S
MSC 29A
MSC 29B
-Eclairage
-Station de
pompage
SE 13
SE 14
SE 16
SE 17
SE 19
SE20
SE22
SE23
d e
Com
SE 13
m u n i c a t i o n
TD 52
TR 52
TD 41
TR 41
TD 42
TR 42
Salle
Du groupes
MSC 29A
MSC 29B
SE 12
SE12
SE 19
SE 15
SE 17
MSC 14
MSC 19
MSC20
MSC 15
MSC 16
MSC 18
MSC22
MSC 23
MSC 25
SE 15
y s t è m e
SE 20
Fuel
SE 19
SE 15
SE 17
SE 20
SE 14
Ciment
Electro-filtres
SE 14
Ciment
Expédition
SE 14
Expédition
SE14
Expédition
SE 12
SE1
Expédition
MSC 19
MSC 22
MSC 20
MSC 23
MSC 18
MSC 14
MSC 25
MSC 15
MSC 31
Ciment
110
TD 43
Combustible
TR 43
TR 83
TR 82
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
S
e t
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
En tenant compte l’assurance de la fiabilité de notre nouvelle distribution selon la
sectorisation de l’usine, le tableau suivant résume notre travail :
II.1 Compteur basse tension B.T :
 Secteur 1
Salle
2
MSC
concasseur :
Compteur
13 A
Prévoir un compteur pour MSC13A
13B
Prévoir un compteur pour MSC13B
Prévoir un compteur pour Eclairage
Secteur
auxiliaire
Prévoir un compteur pour MSC 8
4
3
8
11
Prévoir un compteur pour 310BT2
cuisson
Prévoir un compteur pour alimentation aspirateur
auxiliaire
Prévoir un compteur pour MSC 11
 Nombre des compteurs 7
 Secteur 2
Salle
4
5
MSC
8
9
10
2
5
12A
11
12 B
3
7
13
29A
Préparation matière et cru 1 et 2 :
Compteur
Déjà prévue en concasseur
Prévoir un compteur pour MSC 9
Prévoir un compteur pour MSC 10
Prévoir un compteur pour MSC 2
Prévoir un compteur pour MSC 5
Prévoir un compteur pour Eclairage
Prévoir un compteur pour MSC 12A
Prévoir un compteur pour 22 consommateurs Four
Prévoir un compteur pour MSC 12B
Prévoir un compteur pour 26 consommateurs Four
Prévoir un compteur pour Eclairage
Prévoir un compteur
Prévoir un compteur
Prévoir un compteur
Prévoir un compteur
Prévoir un compteur
pour MSC 7
pour Armoire commande (Garage)
pour Eclairage
pour MSC 29A
pour 6 consommateurs Four
 Nombre des compteurs 18+22+26 SE11
 Secteur 3
Cuisson+Combustible :
111
Secteur
auxiliaire
cuisson
Cuisson
Auxiliaire
Auxiliaire
Auxiliaire
Cuisson
M a s t e r
E
:
l e c t r o n i q u e
S
e t
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
 Cuisson :
Salle
MSC
6
Four1
3
7
Four2
6
11
13
Compteur
12 A
12 B
29B
Prévoir un compteur pour MSC 3
Prévoir un compteur pour Pneu
Prévoir un compteur pour LO1PI2
Prévoir un compteur pour LO1PI1
Prévoir un compteur pour Eclairage
Prévoir un compteur pour MSC 6
Prévoir un compteur pour pneu
Prévoir 3 compteurs pour pompe d’eau
Prévoir un compteur pour LO1PI3
Déjà prévue salle 11 pré. Matière
Déjà prévue salle 11 pré. Matière
Prévoir un compteur pour 4 consommateurs ciments
Secteur
Combustible
Combustible
Combustible
Auxiliaire
Combustible
Auxiliaire
Combustible
Ciments
 Nombre de compteurs 15
 Combustible :
MSC
Salle
4
Compteur
6
9
10
3
7
23
6
TR83
TR82
Déjà prévue salle 4 pré. Matière
Déjà prévue salle 4 pré. Matière
Déjà prévue en cuisson pneu
Déjà prévue en cuisson_LO1PI2
Déjà prévue en cuisson_LO1PI1
Déjà prévue en cuisson
Prévoir un compteur
Prévoir 3 compteurs pour compresseurs
Prévoir un compteur
Prévoir 2 compteurs pour compresseurs
 Nombre de compteurs 7
 Secteur 4
Ciment :
112
Secteur
Auxiliaire
Auxiliaire
M a s t e r
Salle
E
:
l e c t r o n i q u e
MSC
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
Compteur
29B
Prévoir un compteur pour MSC 19
Prévoir un compteur pour Eclairage
Prévoir un compteur pour MSC 22
Prévoir un compteur pour MSC 20
Prévoir un compteur pour Compresseur
Prévoir un compteur pour Eclairage
Prévoir un compteur pour surpresseur fluidis. Vrac
Prévoir un compteur pour MSC 23
Prévoir un compteur pour surpresseur fluidis. Ciment
Prévoir un compteur pour surpresseur fluidis. Vrac
Prévoir un compteur pour MSC 29B
Déjà prévue en cuisson (4 consommateurs ciments)
29A
Prévoir un compteur pour Eclairage
Déjà prévue en prépa. Matière
15
19
22
17
20
23
13
S
e t
Secteur
Auxiliaire
Auxiliaire
Auxiliaire
Auxiliaire
Auxiliaire
Auxiliaire
Auxiliaire
 Nombre de compteurs 12
NOTE :
La salle électrique 11 d’homogénéisation ainsi que la 13 du clinker présentent un gros
problème à cause du nombre des compteurs prévus pour eux au niveau des MSC, par suite
nous avons envisagé deux solutions :
 Soit on change l’installation complètement dans les salles en rangeant les
consommateurs du même secteur dans une même colonne afin de placer ensuite un
seul compteur au début des jeux de barres de chaque colonne.
 Soit installer des compteurs horaires, puisque ces consommateurs ont une puissance
fixe, et à la fin du mois on prélève les heures de marches on les multipliant par la
puissance on aura la consommation en « KWh ».
 Secteur 5
Salle
20
18
Expédition :
MSC
25
15
19
Compteur
Prévoir un compteur
Prévoir un compteur
Prévoir un compteur
Prévoir un compteur
pour MSC 25
pour MSC 15
pour Eclairage
pour MSC 19
 Nombre de compteurs 4
113
Secteur
Auxiliaire
M a s t e r
:
 Secteur 6
Salle
4
5
11
3
6
7
15
17
MSC
8
5
12B
7
3
33
6
34
19
20
23
13
20
22
23
29B
15
31
TR83
TR82
12
27
28
E
l e c t r o n i q u e
S
e t
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
Auxiliaire :
Compteur
Déjà prévue pour alim. Aspirateur en cuisson
Déjà prévue pour éclairage en prépa. Matière
Déjà prévue pour éclairage en prépa. Matière
Déjà prévue pour éclairage en prépa. Matière
Déjà prévue pour garage en prépa. Matière
Déjà prévue pour éclairage en charbon
Prévoir un compteur pour MSC 33(chaudiére et clim.)
Déjà prévue pour pompe d’eau en cuisson
Prévoir un compteur pour MSC 34 ( administration)
Déjà prévue pour éclairage en ciment
Déjà prévue pour eclairage en ciment
Déjà prévue pour compresseur en ciment
Déjà prévue pour surpresseur en ciment
Déjà prévue pour surpresseur fluidis.Ciment en ciment
Déjà prévue pour surpresseur fluidis.vrac en ciment
Déjà prévue pour éclairage en ciment
Déjà prévue pour éclairage en expédition
Prévoir un compteur pour MSC 31 (station pompage)
Déjà prévue pour 3 compresseurs en combustible
Déjà prévue pour 2 compresseurs en combustible
Prévoir un compteur pour éclairage secours
Secteur
Pom.eau
Prévoir un compteur pour MSC 27 ateliers
Prévoir un compteur pour MSC 28 Labo
 Nombre de compteurs 6
 Nombre totale des compteurs : 69+22+26
=117 compteurs
II.2 Compteurs Moyenne Tension M.T :
 Secteur 1
Salle
TR
concasseur :
compteur
114
Alimentation
M a s t e r
1
:
E
l e c t r o n i q u e
S
e t
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
71
Prévoir un compteur pour MSC13A
11kV
72
Prévoir un compteur pour MSC13B
11kV
 Nombre des compteurs 2
 Secteur 2
Salle
1
6
7
Préparation matière et cru 1 et 2 :
Compteur
Prévoir un compteur pour moteurs principaux cru 1
Prévoir un compteur pour moteurs principaux cru 2
Prévoir un compteur pour exaust de tirage E17 cru 1
Prévoir un compteur pour compresseur homo H07-08
Prévoir un compteur pour compresseur homo H07-09
Prévoir un compteur pour exaust de tirage E17 cru 2
Prévoir un compteur pour compresseur homo H07-10
Alimentation
11kV
11kV
5.5 kV
5.5 kV
5.5 kV
5.5 kV
5.5 kV
 Nombre des compteurs 7
 Secteur 3
Cuisson+Combustible :
 Cuisson :
Salle
6
Four1
7
Four2
Compteur
Prévoir un compteur pour entrainement four 1
Prévoir un compteur pour ventilateur Dopol K06-04
Prévoir un compteur pour ventilateur cheminé M03-02
Prévoir un compteur pour entrainement four 2
Prévoir un compteur pour ventilateur Dopol K06-05
Prévoir un compteur pour ventilateur cheminé M03-03
Alimentation
5.5 kV
5.5 kV
5.5 kV
5.5 kV
5.5 kV
5.5 kV
 Nombre de compteurs 6
 Secteur 4
Salle
14
Ciment :
Compteur
Prévoir un compteur pour moteurs principaux 1
Prévoir un compteur pour moteurs principaux 2
Alimentation
11kV
11kV
 Nombre de compteurs 2
 Nombre totale des compteurs : 17
III.
Etude d’équipement :
Apres l’évaluation de la globalité de l’installation, nous avons besoin de 117 compteurs
basse tension et 17 compteurs moyenne tension. Nos équipements doivent constituer un
système complet d’appareils de mesure performants et innovants.
115
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
e t
S
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
III.1. Choix des compteurs :
III.1.1 Centrales de mesure
Les recdigit POWER, centrales de mesure au format 144 x 144, répondent aux
applications de mesure, de comptage et d’affichage des paramètres électriques des réseaux
triphasés BT, MT ou HT. Parmi les modèles que compose cette gamme, POWER Q et
POWER M se destinent également à la supervision et la gestion d’énergie.
Les recdigit Power permettent d’afficher jusqu’à 35 paramètres d’un réseau triphasé
BT, MT ou HT, sur 3 afficheurs de haute lisibilité.
Tous les types d’application sont satisfaits par 3 modèles seulement : visualisation,
supervision et gestion d’énergie. Ces centrales peuvent être connectées à un système (PC,
API, GTB,…) par l’intermédiaire de leurs sorties analogiques, pulsionnelles et numérique.
* 3 modèles dédiés : Energy Display, Energie Quality, Energy Management
* Caractéristiques métrologiques de haut niveau : classe 0,2 en mesure, classe 1 en comptage
(IEC 61036)
* Visualisation de 35 grandeurs électriques en valeurs instantanées, moyennes, minimales et
maximales
* Gestion automatique des calibres et des unités à l’affichage
* Relais d’alarme en standard
* Sorties impulsions de comptage et sortie analogiques en option
* Sortie numérique RS 485 ModBus/Jbus avec un champ mémoire étudié pour une intégration
optimale dans un système de supervision
III.1.2 Compteurs télérelevables
116
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
e t
S
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
Les CDT sont des compteurs divisionnaires triphasés communicants équipés d’un
émetteur d’impulsions. Ils répondent aux applications de mesure et de gestion d’énergie pour
les réseaux électriques triphasés BT/MT, en transmettant les données via leur sortie
numérique RS485 vers un système de supervision ou de gestion.
III.1.3 Concentrateur d’impulsions
Le CCT, produit compact et simple d’exploitation, collecte et stocke en temps réelles
impulsions provenant de différents compteurs d’énergie (électricité, eau, gaz…)ou les signaux
T.O.R. (état disjoncteur, déclenchement d’alarme, ouverture de porte…) pour les transmettre
via sa sortie numérique RS485 vers un système de gestion d’énergie. Il accepte tous les types
d’unité de comptage (m3, m3/h, litres, kWh…).
117
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
e t
S
118
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
e t
S
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
III.2 Choix du technique de transmission.
Vue de l’environnement bruité de l’usine, les grandes distances qui séparer les
compteurs qui arrive jusqu’au 1,5 Km et le nombre important des compteurs, le choix de la
technique de transmission reste un problème curieux.
III.2.1 liaison RS485
a- introduction
La norme RS485 définie par l’EIA, Electronic Industries Association, a été publiée en
Avril 1983.
Ce standard précise les caractéristiques électriques des émetteurs et des récepteurs
pour une utilisation dans le système multi-point en mode symétrique.
b- Principe de base du RS485 :
L’interface RS485 (EIA) définit les conditions d’interconnexion de plusieurs circuits
émetteurs et récepteurs (transceivers) utilisés dans des systèmes multipoint en mode
symétrique (Bus 2 fils).
c- Liaison série RS 485 MODBUS
Le protocole MODBUS (marque déposée par MODICON) est un protocole de dialogue basé
sur une structure hiérarchisée entre un maître et plusieurs esclaves.
- le maître parle à un esclave et attend sa réponse,
- le maître parle à l’ensemble des esclaves, sans attente de réponse (diffusion générale).
d- Structure du message :
Le maître envoie un message constitué de la façon suivante :
119
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
Adresse de
l’esclave
e t
S
y s t è m e
Instruction
d e
Donnée
Com
m u n i c a t i o n
Contrôle
Concerné
Codé sur 1 octet.
Les abonnés du bus sont
identifiés par des adresses
attribuées par l’utilisateur.
L’adresse de chaque abonné
est indépendante de son
emplacement physique. Les
adresses vont de 1 à 64
Deux abonnés ne peuvent
avoir la même adresse.
Destiné à assurer
l'intégrité de l'échange
La donnée peut être composée de
plusieurs mots, par exemple, adresse
du premier mot (2 octets), puis
nombre de mots (2 octets).
Codé sur 1 octet MODBUS offre 19 fonctions différentes. Elles se
caractérisent par un code fonction sur un octet (en hexadécimal).
La détection de fin de message est réalisée sur un silence de plus de 2 caractères. L’esclave
répond par un message du même type.
e-Câblage de la liaison MODBUS RS 485 :
RS-485 : c’est une liaison série, de type asynchrone, différentielle qui permet un débit
élevé (jusqu’à 10 Mégabits/seconde) sur une distance importante (jusqu’à 1200m).
Elle dispose de 2 bornes d’émission polarisées notées Tx(+), Tx(-) ou T×D
bornes de réception polarisées notées Rx(+), Rx(-) ou R×D.
120
et de 2
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
S
e t
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
f- Mode RTU :
Le mode de transmission utilisé est le mode RTU. La trame ne comporte ni octet d’entête de message, ni octets de fin de message.
Sa définition est la suivante :
Adresse de
l’esclave
Code requête
Données
CRC16
Les données sont transmises en binaire.
CRC16 : paramètre de contrôle polynomial (cyclical redundancy check). La détection de fin
de trame est réalisée sur un silence supérieur ou égal à 3 caractères.
Type RTU (Unité terminale distante) : chaque octet composant une trame est codé sur 2
caractères hexadécimaux (2 fois 4 bits).
START
Adresse
Fonction
Données
CRC
END
Silence
1 octet
1octet
n octets
2 octets
Silence
La taille maximale des données est de 256 octets.
Support de transmission
Chaque octet composant un message est transmis en mode RTU de la manière
suivante :
Sans contrôle de parité
Start
Bit 0
Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6
Bit 7 Stop
Avec contrôle de parité
Start
Bit 0
Bit 1 Bit 2 Bit 3
Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Parité
Stop
Avant et après chaque message, il doit y avoir un silence équivalent à 3,5 fois le temps
de transmission d’un mot.
Fonction :
121
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
e t
S
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
MODBUS offre 19 fonctions différentes. Elles se caractérisent par un code fonction
sur un octet (en hexadécimal). Tous les équipements ne supportent pas tous les codes fonction
(voir annexe D).
122
M a s t e r
:
E
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S
e t
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
III.3 Choix du multiplexeur :
Le multiplexage est une opération très utilisée en acquisition des données surtout dans
les cas d’un flux de données en temps réel. Le multiplexage consiste à égueuler les données
provenant de N entrées à vers une seule sortie.
Dans notre application nous avant besoin d’un multiplexeur de 8 entrées dont chacune
est liée à un concentrateur d’impulsion CCT.
Entrée N°1
Entrée N°2
Entrée N°3
Entrée N°N
M
U
L
T
I
P
L
E
X
E
U
R
Sorite
123
M a s t e r
:
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m u n i c a t i o n
III.4 Choix de la carte d’acquisition :
III.4.1 carte d’acquisition NI PCI-6221
a- définition
La NI PCI-6221 est une carte d'acquisition de données multifonction faible coût de la
Série M faible coût optimisée pour des applications dont il convient de maîtriser les coûts.
Examinez les matériels de la Série M haute vitesse, pour des fréquences d'échantillonnage 5
fois plus élevées ou les matériels de la Série M haute précision, pour une résolution 4 fois plus
élevées et une excellente précision de mesure.
Les matériels de la Série M faible coût intègrent des fonctionnalités avancées telles
que le contrôleur système NI-STC 2, l'amplificateur programmable NI-PGIA 2 et la
technologie d'étalonnage NI-MCal pour accroître les performances et la précision. Pour en
savoir plus sur les technologies de la Série M, les spécifications matérielles et les
informations sur les câbles et les accessoires recommandés, veuillez consulter les fiches
techniques et les spécifications.
b- Description carte DAC NI PCI-6221:
 sorties analogiques 16 bits, 833 kéch./s ; 24 E/S numériques ; compteurs 32 bits
 Certificat d'étalonnage du NIST et plus de 70 options de conditionnement de signaux
 E/S numériques corrélées (8 lignes cadencées, 1 MHz)
 Technologie d'étalonnage NI-MCal, pour une précision de mesure accrue
 Sélectionnez les matériels de la Série M haute vitesse pour des fréquences
d'échantillonnage 5 fois plus élevées ou de la Série M haute précision pour une
résolution 4 fois plus élevée.
 Chaque NI PCI-6221 nécessite: 1 Câble, 1 Bloc de connexion
124
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
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S
y s t è m e
d e
Com
m u n i c a t i o n
III.4.2. Measurement and Automation Explorer (MAX) :
LabVIEW installe Measurement & Automation Explorer (MAX), qui établit tous les
appareils et les paramètres de configuration du canal.
Après avoir installé un dispositif
d'acquisition de données dans l'ordinateur, vous devez exécuter cet utilitaire de configuration.
MAX lit les informations des dossiers du Gestionnaire de périphériques dans le Registre
Windows et affecte un numéro d'unité logique à chaque périphérique DAQ.
Utilisez le
numéro de périphérique à se référer à l'appareil dans LabVIEW. Access MAX soit en doublecliquant sur l'icône sur le bureau ou en sélectionnant Tools>>Measurement & Automation
Explorer dans LabVIEW. La fenêtre de la figure ci-dessous est la fenêtre MAX primaire.
MAX est aussi le moyen pour le SCXI et SCC configuration.
 Affiche la liste des périphériques et des instruments connectés au système.
 Permet d’exécuter des tests pour vérifier le bon fonctionnement des périphériques
connectés (à faire avant de ce lancer dans la programmation sous labVIEW).
125
M a s t e r
:
E
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S
y s t è m e
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Com
m u n i c a t i o n
 Permet la configuration du matériel.
 Permet de créer et modifier des voies, des tâches, des interfaces, des échelles,…
126
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
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Com
m u n i c a t i o n
Chapitre 6 : SUPERVISION
I. Etude du système de supervision:
I.1 introduction a LabVIEW
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) est un logiciel de
développement d'applications d'instrumentation. Bien que tout à fait utilisable dans un grand
nombre de domaines, LabVIEW est plus particulièrement destiné à l'acquisition de données et
au traitement du signal. En effet, ce logiciel offre de larges possibilités de communication
entre l'ordinateur et le monde physique (par cartes d'acquisitions analogiques ou numériques,
cartes GPIB, réseau, liaisons série et parallèles, etc.) ainsi que d'importantes bibliothèques
mathématiques permettant de traiter les signaux mesurés.
I.2 Le concept d'instrument virtuel
Un instrument de mesure classique peut se décomposer en quatre parties logiques :
La première partie réalise la conversion d'une grandeur physique en signal électrique
.C'est le conditionnement des signaux.
La seconde partie réalise la mise en forme de cette grandeur électrique quelconque
en une grandeur électrique exploitable par des circuits électroniques.
La troisième partie est constituée des circuits électroniques de traitement et/ou
d'analyse.
La quatrième partie réalise l'affichage des résultats et permet de changer les
paramètres de l'instrument.
De même, un instrument de mesure informatique va se décomposer suivant quatre parties :
Une première partie identique à la précédente mais réalisée par des circuits
spécifiques de mise en forme des grandeurs physiques en une tension exploitable
(exemple : 0-5 V), c'est ce que font les cartes de conditionnement de signaux.
La seconde partie convertit ces signaux électriques mis en forme en une grandeur
numérique et stocke ces valeurs dans la mémoire de l'ordinateur (cartes de conversion
analogiques/numériques).
La troisième partie traite et analyse ces valeurs numériques, ce travail est réalisé par
le logiciel.
127
M a s t e r
:
E
l e c t r o n i q u e
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y s t è m e
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Com
m u n i c a t i o n
La quatrième partie affiche les résultats sur l'écran de l'ordinateur, et permet de
changer les paramètres de l'instrument grâce à la souris ou au clavier. Ce travail est
également réalisé par le logiciel.
On appelle "instrument virtuel" l'ensemble composé des troisième et quatrième parties
de l'instrument. Avec LabVIEW, on pourra manipuler ces instruments virtuels comme s'il
s'agissait d'instruments réels.
I.3 Le principe de LabVIEW
LabVIEW permet de réaliser, entre autre, des instruments virtuels. Par extension on
appellera VI (pour Virtual Instrument) toute application réalisée avec LabVIEW. Un VI est
composé de trois parties liées :
Une face-avant (Front-Panel) Figure
1:
c'est
l'interface
(ou
moyen
de
communication) avec l'utilisateur. Cette face-avant, personnalisable à loisir, est
composée d'objets graphiques comme des interrupteurs, des potentiomètres, des zones
de graphismes, etc.… Elle représente la face-avant de l'instrument.
Un diagramme (Block-Diagram) Figure 2 : cette partie décrit le fonctionnement
interne du VI. On utilise le langage G pour décrire ce fonctionnement. Destiné à être
utilisé par des ingénieurs et des scientifiques, non informaticiens de formation,
LabVIEW utilise un langage de programmation graphique G (pour Graphique) afin de
décrire les programmes dictant le comportement de l'application. Ainsi l'utilisateur est
affranchi de la lourde syntaxe des langages de programmation textuels tels que C,
Basic, etc.
Une icône (Icon) Figure 3 : c'est la symbolisation de l'instrument virtuel qui
permettra de faire appel à un instrument virtuel déjà créé à l'intérieur d'un autre
instrument virtuel, c'est un principe de structure hiérarchique et de modularité.
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Figure 1 : Face-avant
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Figure 2 : Diagramme
Figure 3 : Icon
I.4 Le langage G
Le langage G se base sur le principe du flot de données, auquel ont été rajoutées des
structures de programmation afin d'obtenir un langage de programmation complet.
Un diagramme flot de données permet d'exprimer une fonction de manière graphique.
Un tel diagramme (Figure 4) est composé de :
Terminaux : ils définissent les entrées (rectangle gras) et les sorties (rectangle fin) de
la fonction.
Noeuds : ils définissent les opérations à effectuer. Ils sont représentés par un carré
pouvant éventuellement contenir une image illustrant leur fonctionnalité,
Arc orientés : ils relient noeuds et terminaux et permettent d'indiquer le passage de
données d'un noeud vers un autre. Par convention, ces arcs sont orientés implicitement
de gauche à droite,
Jetons : ils représentent les données transitant sur les arcs. Ils sont représentés par
des points.
Des règles d'évolution permettent de faire évoluer ce diagramme :
A l'initialisation, les terminaux d'entrée produisent chacun un jeton,
Lorsqu'un noeud possède un jeton sur chacun de ces arcs entrant, le noeud peut être
exécuté : chaque jeton en entrée est consommé et le noeud produit un jeton sur chacun
de ces arcs sortants.
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Un diagramme flot de données peut être encapsulé afin d'être réutilisé, en tant que
noeud, par d'autres diagrammes flot de données. Les terminaux du diagramme deviennent
alors les entrées/sorties du noeud.
Ainsi le diagramme de la Figure 4 exprime le calcul de "d = a + b * (b - c)" et de "e =
b - c". A l'instant considéré, le noeud "+" peut être tiré, le noeud "-" a été tiré. Le noeud "*" ne
peut être tiré pour l'instant puisqu'un de ces arcs d'entrée ne possède pas de jeton. Cela sera
possible lorsque le noeud "+" aura été tiré et qu'il aura produit un jeton sur son arc de sortie.
La Figure 5 représente la forme encapsulée de ce diagramme.
Figure 4 : un diagramme Flot de données
Figure 5 : encapsulation d'un diagramme flot de données
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II. Interface de visualisation
II.1 face avant
La face avant est la face de visualisation des différents graphe de consommation
d’énergie sous forme des onglets dont une par secteur, et la 8ème est réserver pour visualiser,
imprimer et envoyer les consommations des secteurs sous forme d’un tableau
mensuel).
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(journal
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II.2 diagramme
Diagramme est constitué des sous-VIs pour faciliter le débogage du programme lors du
changement des paramètres ou lors d’un problème.
La structure du diagramme est comme suite :
 Sous-VI pour la lecture et l’enregistrement des valeurs acquissent dans des variables
globales.
 Sous-VI pour la sommation des valeurs par secteur en multipliant chaque valeur par un
entier précisant l’amplitude de l’impulsion, nommée « val-par-secteur ».
Sous-VI val-par-secteur
Des variables globales permettant d’échanger les valeurs et données entres les sous-VIs,
entres les boucles et structure de conditionnement.
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Schéma globale de la chaîne de supervision
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Conclusion générale
Cette période de stage que j’ai effectué à HOLCIM m’a offert La possibilité de
renforcer et de développer mes connaissances théoriques et pratiques.
La meilleure des choses qu’on peut apprendre dans un stage. C’est vivre entre les
employés, les méthodes de résolution des problèmes dans un milieu industriel, la nature des
interventions et des problèmes qu’on peut affronter dans l’industrie et l’adaptation avec le
monde industriel.
Conclusion personnelle
Ces 17 semaines de stage m’ont beaucoup apporté tant sur le plan personnel que
professionnel. J’ai apprécié tout particulièrement la confiance et l’autonomie que m’a laissées
le service maintenance électrique sur les différentes taches effectuées.
J’éprouve depuis cette expérience un certain intérêt pour cette activité. Toutes les
difficultés que j’ai rencontrées ont pu être résolues avec l’aide précieuse de mon maître de
stage. J’ai eu la chance de travailler avec des personnes très intéressantes et sympathiques, ce
qui m’a permis de m’intégrer facilement dans l’équipe et de me trouver dans de très bonnes
conditions pour approfondir mes connaissances et en acquérir de nouvelles.
Ma formation au siens de la faculté des sciences et spécialement au niveau du master
électronique et système de communication m’a apporté des connaissances dans les différents
domaines d’acquisition des données, transmission d’information et électronique. Ces
connaissances m’ont permis de m’adapter facilement et rapidement aux nouvelles situations
en entreprise.
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