Polycopié de TP ETI 1A1S 2014-2015

LEnsE
TP ETI - Semestre 1
Travaux Pratiques
d’Électronique pour le Traitement de l’Information
Calendrier
iii
Règles de fonctionnement
v
Évaluation de votre travail
ix
Thème 1 - Les Diodes
3
1 Capteur optique
3
2 Cellules photovoltaïques.
13
3 Photodétection
21
4 Photodiodes et pré-amplification
27
Thème 2 - Analyseur de Spectre
37
Présentation du Thème 2
37
1 Mesure d’une composante fréquentielle.
41
2 Analyseur de spectre à balayage
51
Cycle Ingénieur - 1ère année - Palaiseau
Année 2014-2015
Version du 7 juillet 2014
Lionel Jacubowiez
Julien Villemejane
Aisling Johnson
Henri Benisty
Fabienne Bernard
ii
Calendrier
Semaine
Date
Horaire
Groupe 1
Groupe 2
38
lun 15 sept
mar 16 sept
8h30
8h30
Diodes 1
39
lun 22 sept
mar 23 sept
8h30
8h30
Diodes 2
40
lun 29 sept
mar 30 sept
8h30
8h30
Diodes 1
41
lun 6 oct
mar 7 oct
8h30
8h30
Diodes 2
42
lun 13 oct
mar 14 oct
8h30
8h30
Diodes 3 + examen
43
lun 20 oct
mar 21 oct
8h30
8h30
Diodes 4 + examen
44
lun 27 oct
45
lun 3 nov
mar 4 nov
jeu 6 nov
Diodes 2
Diodes 1
Diodes 2
Diodes 3 + examen
Diodes 4 + examen
Diodes 3 + examen
Diodes 3 + examen
Remise des synthèses Diodes
lun 10 nov
47
lun 17 nov
48
lun 24 nov
mar 25 nov
8h30
8h30
49
lun 1 déc
mar 2 déc
jeu 4 déc
8h30
8h30
50
lun 8 déc
mar 9 déc
mer 10 déc
8h30
8h30
8h30
51
lun 15 déc
mar 16 déc
mer 17 déc
jeu 18 déc
8h30
8h30
8h30
Groupe 4
Diodes 1
8h30
8h30
46
Groupe 3
Remise des synthèses Diodes
Diodes 4 + examen
Diodes 4 + examen
AS 1
AS 1
Remise des synthèses Diodes
Remise des synthèses Diodes
AS 2
AS 2
AS 1
AS 1
AS 2
AS 2
Remise des synthèses AS
Remise des synthèses AS
52
1
2
lun 5 janv
3
lun 12 janv
mar 13 janv
jeu 15 janv
8h30
8h30
Liaison optique numérique 1
Liaison optique numérique 1
Remise des synthèses AS
Version du 7 juillet 2014, il sera mis à jour sur le site Libres Savoirs
iii
Remise des synthèses AS
iv
Règles de fonctionnement du
service des Travaux Pratiques
Toutes les informations sont affichées sur le panneau d’affichage des TP.
Consultez-le régulièrement !
Absences
La présence des étudiants à toutes les séances de travaux pratiques prévues à
l’emploi du temps est obligatoire et impérative. En cas de difficulté majeure, si un
membre d’un binôme est toutefois absent, l’autre doit venir à la séance
et faire le TP. Et, en Optique, chacun des membres du binôme rendra un compterendu individuel.
Absence excusée. Justificatif Le justificatif d’absence doit être déposé au secrétariat, les élèves concernés doivent aussi prévenir directement le responsable
des Travaux Pratiques du motif de l’absence (à l’avance, si l’absence est prévisible).
Absence excusée. Rattrapage L’élève doit impérativement prendre contact avec
les enseignants de TP pour étudier la possibilité de rattrapage (suivant la disponibilité des enseignants, du matériel et des salles). L’élève rattrape alors le
TP et :
En optique, l’élève rédige un CR qui sera noté. S’il n’est pas possible de
trouver une date de rattrapage suite à une impossibilité du service des
TP, le TP ne sera ni rattrapé ni noté (la moyenne sera faite sur les
notes restantes). Ce TP restera néanmoins au programme de l’examen et
l’étudiant pourra être interrogé dessus lors de l’examen de TP.
En ETI et ProTIS, la synthèse du thème concerné, rédigée par le binôme,
devra contenir des résultats des deux séances individuelles (la séance
normale et celle de rattrapage).
Si l’élève refuse la date de rattrapage proposée, il sera considéré comme absent
non excusé.
Absence non excusée Toute absence non justifiée entraîne :
v
vi
En optique, un zéro pour la séance et l’impossibilité de travailler sur ce TP
avant la période de révision. En cas d’absences répétées, le responsable
d’année interdira à l’étudiant de passer l’examen en fin d’année.
En ETI et ProTIS, un zéro pour la note de synthèse concernée.
Retards
Aucun retard n’est acceptable et en cas de retard important (ou de retards
fréquents) d’un étudiant, celui-ci se verra refuser l’accès au laboratoire. Les conséquences en seront identiques à celles d’une absence non excusée (voir plus haut).
Plagiats
Le plagiat est le fait de s’approprier un texte ou partie de texte, image, photo,
données... réalisé par quelqu’un d’autre sans préciser qu’il ne s’agit pas de son travail
personnel. On plagie quand on ne cite pas l’auteur des sources que l’on utilise.
Exemples de plagiat :
– Copier textuellement un passage d’un livre ou d’une page Web sans le mettre
entre guillemets et/ou sans en mentionner la source.
– Insérer dans un travail des images, des graphiques provenant de sources externes (hors énoncé du TP) sans en indiquer la provenance.
– Utiliser le travail d’un autre élève et le présenter comme le sien (et ce, même
si cette personne a donné son accord !).
– Résumer l’idée originale d’un auteur en l’exprimant dans ses propres mots,
mais en omettant d’en indiquer la source.
– Traduire partiellement ou totalement un texte sans en mentionner la provenance.
Tout binôme convaincu de plagiat dans un compte-rendu ou une synthèse de TP
se verra attribuer la note de 0/20 à ce TP ou cette synthèse et encourt les sanctions
disciplinaires prévues au règlement intérieur.
Respect du matériel et des locaux
Le LEnsE met à votre disposition une très grande quantité de matériel scientifique.
Ces matériels sont très fragiles, sensibles à la poussière, aux traces de doigts, aux
rayures, etc. Merci d’en prendre le plus grand soin.
Il est donc formellement interdit d’apporter de la nourriture ou des boissons dans l’ensemble du service (couloirs compris). Merci de veiller aussi à
laisser les locaux particulièrement propres (si vos chaussures sont sales, retirez-les
vii
et laissez-les à l’entrée !)
Pour toute demande d’accès en dehors des séances de TP, vous devez impérativement (et à l’avance) vous adresser au responsable technique du LEnsE, Thierry
Avignon ou à Cédric Lejeune (bureau S1.18).
viii
Évaluation de votre travail
Au cours de chaque semestre, deux notes sanctionnent votre travail :
– Une note par binôme d’évaluation du travail de synthèse,
– Une note individuelle d’examen pratique .
Les notes de travaux pratiques d’ETI du premier semestre seront prises en
compte dans l’unité d’enseignement Traitement de l’information S1 (10 ECTS) .
Chaque note contribue à 15% à la note finale de l’unité d’enseignement.
Pour le deuxième semestre, dans de l’unité d’enseignement Traitement de l’information S2 (8 ECTS), l’examen contribue à hauteur de 10% de la note, la synthèse
à hauteur de 5%.
1
Cahier de manipulation
Il est indispensable que vous teniez à jour un "cahier de manipulation" par
binôme. Ce cahier est la mémoire de tous les circuits et les mesures que vous avez
réalisés. Il vous sera utile pour rédiger les synthèses et pour les séances de TP
suivantes, y compris au deuxième semestre ou lors des examens.
Les enseignants s’assureront que vous disposez bien d’un tel cahier à chaque
séance, même si il n’est pas évalué, ce document reste un document interne au
binôme.
Ce cahier devra prendre la forme d’un espace de travail partagé sur le "nuage"
de l’Institut d’Optique (https ://cloud.institutoptique.fr).
Il est important est que chaque membre du binôme puisse accéder à
l’ensemble des documents lors de chaque séance.
2
Synthèses
Nous attendons de vous dans cette synthèse une véritable analyse des résultats
de mesures relevés ou observés en cours de séance. Tous vos résultats ne pourront
pas figurer dans cette synthèse, il y en aura probablement moins d’un tiers, nous ne
voulons pas lire votre cahier de manipulation ... en taille de police réduite ! À vous
de choisir les résultats qui vous semblent les plus pertinents.
ix
x
Objectifs et contraintes
Pour rédiger une synthèse, il faut toujours partir des objectifs visés et des
contraintes imposées, contraintes sur le format, le contenu et aussi sur la date de
remise.
Les objectifs de ce travail de synthèse sont :
1. Améliorer votre compréhension des concepts et de vous approprier les savoirsfaire (pouvoir dire : ça, je sais faire !)
2. Vous entraîner à la présentation scientifique, élément qui fait partie à part
entière de toute formation scientifique
3. Permettre aux enseignants de suivre la progression dans les apprentissages et
d’évaluer par une note le travail effectué et les connaissances acquises.
Les contraintes sont fixées à :
– 8 pages maximum pour les TPs Diode
– 4 pages pour le thème suivant Analyseur de Spectre,
– 8 pages pour le thème Liaison Optique Numérique du deuxième semestre,
au format .pdf, remis après la dernière séance du thème. De plus, le plan est imposé
pour le thème Diodes.
Des conseils : ce sont les deux premiers objectifs qui doivent être gardés en tête
lors de la rédaction, la note qui en découle n’est qu’une conséquence (heureuse !) de
leur réussite ! Plus précisément :
1. il faut rédiger la synthèse en imaginant que l’on s’adresse non pas
à l’enseignant mais à une tierce personne (un élève à l’autre bout du
monde par exemple) qui souhaite faire les mêmes types d’expériences mais
avec un matériel différent.
2. il faut avoir l’ambition d’expliquer et non pas seulement de décrire.
La contrainte de pages maximum donne des indications du niveau de détails
attendu pour les explications, forcément ici limité. La synthèse est donc plus courte
que l’ensemble des notes et relevés de mesure pris en séance, le délai donne le temps
de trier, organiser et commenter celles-ci.
Contenu
Peut figurer dans une synthèse tout ce qui peut aider à la réalisation et à
la compréhension des phénomènes étudiés : circuit, relevés de mesure, courbes et
surtout commentaires. Présenter des erreurs que vous avez commises et la correction
que vous avez apportée est aussi tout à fait acceptable !
2. SYNTHÈSES
xi
Ne doit pas figurer tout ce qui est inutile : une courbe ou une image sans légende,
le brochage d’un composant, la couleur de la table, etc.
Toute image ou courbe doit être accompagnée d’une légende (titre, axes horizontal et vertical avec unités) et doit être citée dans le corps du texte (s’il n’y a rien
à en dire, ce n’est sans doute pas la peine de la faire figurer !).
Structure du document
Le document doit impérativement comporter :
– vos noms, avec votre numéro de binôme,
– le titre,
– une ou deux phrases d’introduction,
– une conclusion.
et il doit être paginé (numéros de page/ nombre total de pages).
Mise en forme
La contrainte de format doit être suivie ! Suivre les contraintes n’est pas forcément un frein à la créativité, au contraire, cela oblige parfois à explorer d’autres
façons de faire, moins évidentes mais plus enrichissantes !
Quelques conseils dans l’utilisation d’un traitement de texte (Microsoft
Word, Libre Office Writer ou LateX ou . . .).
– La taille de la police doit être au mininum de 12 pts,
– les marges peuvent être réduites par rapport à celles définies par défaut par le
logiciel,
– l’organisation sous deux colonnes peut permettre d’avoir un texte plus dense,
– utiliser le correcteur orthographique,
– placer des figures dans un tableau de 2 lignes, la 2ème ligne contenant le titre,
peut faciliter la mise en page.
Exporter au format .pdf
Word : Menu Fichier / Enregistrer sous ... et choisir le format .pdf
dans la fenêtre suivante.
Writer: Menu Fichier / Exporter au format pdf
Dépôt
Merci de respecter les consignes suivantes :
xii
– Certifiez l’originalité de votre travail en faisant figurer la mention : Nous attestons que ce travail est original, que nous citons en référence toutes les sources
utilisées et qu’il ne comporte pas de plagiat.
– Vérifiez que vos noms et le numéro de votre binôme figurent sur la
première page de votre compte-rendu avant de la transformer en
.pdf.
– Assurez-vous que le nombre maximum de pages est respecté (8 pages au maximum pour les thèmes 1 et 3, 4 pages pour le thème 2).
– Renommez le fichier .pdf selon le format :
G5B12MonNomEtCeluiDeMonBinomeSyntheseAS.pdf pour le binôme 12 du groupe
5.
Les synthèses doivent être déposées sur le site Libres Savoirs aux dates précisées
dans le calendrier (page iii).
Attention : un point de moins par jour de retard !
3
Examen individuel
Un examen pratique a lieu chaque semestre. Il dure une heure et teste vos capacités expérimentales :
– maîtrise du matériel de laboratoire,
– protocoles et précautions pour des mesures simples,
– choix raisonné de composants.
Il n’est pas demandé de compte-rendu de manipulation. Vous avez accès aux
synthèses et à votre cahier de manipulation.
Vous serez convoqués en demi-groupe selon le calendrier de la page iii.
4
Points de pénalité
Des points de pénalité peuvent être attribués sur les notes de synthèses aux
binômes n’ayant pas rangés leur poste de travail à l’issue des séances de TP.
Thème 1 - Les Diodes
1
Thème 1 - Séance 1
Capteur optique
Objectifs de la séance
Fonctions de l’électronique
Notions sur les moteurs CC
Source de tension
Puissance électrique
Composants optoéclectronique
LED - Photodiode
Savoir-faire - Technologies
Câblage d’une alimentation symétrique
Le multimètre
Mode AC-DC de l’oscillo
Résistances d’entrée et de sortie
Lire une datasheet
Sommaire
1
2
3
4
5
1
Introduction : hacheur optique et fourche optique
Réalisation de la fourche optique . . . . . . . . . .
2.1
Mise en place des alimentations du montage . . . .
2.2
Mise en place des LED . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
Mise en place de la photodiode . . . . . . . . . . .
Étude du moteur à courant continu . . . . . . . . .
3.1
Câblage du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2
Vitesse, couple et puissance du moteur . . . . . . .
Signal du capteur optique . . . . . . . . . . . . . . .
Résistance d’entrée - Résistance de sortie . . . . .
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. 3
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5
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7
.
7
. 8
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8
.
9
. 9
. 10
Introduction : hacheur optique et fourche optique
Pour réaliser des mesures optiques précises de photométrie, on est souvent amené
à moduler le flux lumineux émis par une source grâce à un hacheur optique (chopper en anglais). Vous utiliserez un tel dispositif par exemple en TP d’optique 2A1S
pour l’étude d’un détecteur infrarouge et en 3A pour la caractérisation d’une optique infrarouge. Ce hacheur optique est un disque tournant, placé entre la source
lumineuse et le détecteur, dans lequel sont pratiquées des ouvertures, un exemple
d’un tel dispositif est présenté sur la figure 1.1).
3
4
THÈME 1 - SÉANCE 1. CAPTEUR OPTIQUE
Figure 1.1 – Hacheur optique commercialisé par la société Thorlabs
Ce dispositif est toujours équipé d’une fourche optique placée à cheval sur le
disque tournant. Cette fourche optique fournit un signal électrique synchrone (c’est à
dire de fréquence strictement égale) de la modulation imposée par le hacheur optique
sur le flux lumineux. Une fourche optique (transmissive encoder sensor en anglais)
est l’association d’une diode électroluminescente, en général infrarouge (LED IR),
alimentée en continu, et d’un photodétecteur qui teste la présence ou l’absence d’une
obturation entre la diode et le photodétecteur.
L’objectif de ce TP est de réaliser une fourche optique ‘maison’ que l’on utilisera
pour mesurer la vitesse de rotation d’un moteur à courant continu. Cette première
séance de TP d’électronique est aussi l’occasion d’apprendre à maîtriser le matériel
à votre disposition (alimentation stabilisée, plaquette de prototypage, oscilloscope
numérique et multimètre), ainsi que les mesures de tension et courants à l’aide d’un
oscilloscope numérique et d’un multimètre.
Figure 1.2 – Fourche optique ’maison’
En fin de séance votre montage ressemblera à celui de la figure 1.2.
On remarquera que les DEL doivent être placées à l’extrémité de la maquette
de prototypage, de manière à pouvoir approcher l’ensemble roue à trous, moteur et
photodiode.
2. RÉALISATION DE LA FOURCHE OPTIQUE
2
5
Réalisation de la fourche optique
Nous souhaitons utiliser et comparer deux LED comme source lumineuse pour
notre fourche optique. La première émet dans le rouge (LED rouge ordinaire de
3 mm de diamètre, dont la tension de seuil est de l’ordre de 2 Volts). La seconde
émet dans le proche infrarouge (référence : TSAL6100).
Nous proposons d’alimenter ces 2 diodes par deux alimentations symétriques,
grâce au montage de la figure 1.3.
+5V
1k
LED IR
LED Rouge
100 
-5V
Figure 1.3 – Circuit d’alimentation des 2 LED
Dans la documentation technique (datasheet) de la LED IR (TSAL6100), relever rapidement la longueur d’onde moyenne d’émission, l’angle solide d’émission, le
courant nominal et la tension directe correspondante.
Q1 Quel est le rôle des deux résistances en série avec les LED ? Calculer l’ordre
de grandeur du courant qui traversera la LED IR et la LED rouge.
2.1
Mise en place des alimentations du montage
Les blocs d’alimentations continues disponibles en salle de TP d’électronique sont
des triples ou quadruples alimentations continues. Chaque alimentation est réglable
et doit être réglée de manière indépendante en courant maximum délivré, puis en
tension. Elles seront, dans presque tous les cas, utilisées en source de tension. Cette
tension, pour chacune des alimentations, est obtenues entre les 2 bornes + et -.
6
THÈME 1 - SÉANCE 1. CAPTEUR OPTIQUE
Noter les tensions et les courants maximum délivrés par les deux alimentations continues que vous allez utiliser. Pourquoi est-il prudent de limiter le courant
maximum ?
Régler la limite en courant de chaque alimentation continue à 100 mA . Pour
cela, court-circuiter les bornes + et - et passer en mode de lecture de courant. Il
faudra ensuite rebasculer en mode lecture de tension pour régler la tension.
Réaliser les alimentations −5 V et +5 V en plaçant une masse commune aux
deux alimentations. La masse est placée sur la borne "moins" pour obtenir une
différence de potentiel de +5 V avec la première alimentation. La masse est placée
sur la borne "plus" sur une deuxième alimentation afin d’obtenir une tension de
−5 V.
Attention Il faudra attacher le plus grand soin possible à la qualité et à la clarté
de vos câblages. Par exemple, on utilisera impérativement une ligne horizontale pour
la masse du montage, et deux lignes pour le +15 V, et le −15 V en respectant scrupuleusement le code des couleurs habituel :
rouge +15 V
bleu −15 V
noir masse
Régler précisément et mesurer ces deux tensions d’alimentation avec le mutimètre, puis avec l’oscilloscope. Comparer les valeurs mesurées entre elles. Comparer
avec la valeur affichée sur l’alimentation.
Q2 Quelle est la mesure la plus précise ? Donner un ordre de grandeur de chacune
des incertitudes de mesure.
Précision du multimètre
La documentation du multimètre Fluke 45 donne :
Vitesse de mesure Gammes de tension continue
Précision
Moyenne - Rapide
300 mV - 1000 V
± (0.025% + 2 digits)
Lente
100 mV - 1000 V
± (0.025% + 6 digits)
La documentation du multimètre Fluke 8845 donne :
Gammes de tension continue
Précision
100 mV - 1000 V
± (0.0035% + 5 digits)
2. RÉALISATION DE LA FOURCHE OPTIQUE
2.2
7
Mise en place des LED
Compléter le montage avec les diodes et les résistances de protection.
Vérifier que les deux diodes émettent de la lumière (pour la diode infrarouge,
vous pouvez utiliser la Webcam ou un téléphone portable).
Mesurer avec l’oscilloscope la tension aux bornes de chacune des LED.
Q3 En déduire le courant qui traverse chacune des diodes électroluminescente que
vous comparerez au courant attendu.
2.3
Mise en place de la photodiode
La photodiode (en série avec un potentiomètre de protection) est placée derrière
la roue trouée et peut être reliée à la maquette par deux fils (le fil rouge correspond
à la cathode). Comme vous le verrez au prochain TP, elle doit être polarisée en
inverse. Le montage proposé, qui utilise la même alimentation +5 V, est celui de la
figure 1.4.
Câbler le montage et vérifier que votre fourche optique fonctionne.
Approcher successivement les deux LED de la roue et mesurer rapidement à
l’oscilloscope la tension maximale VS aux bornes de la résistance RC = 100 kΩ pour
chacune des LED.
Maquette
Maquette
+5V
Photodiode
(derrière la roue)
100 kΩ
Résistance de protection
Vs
Figure 1.4 – Polarisation de la photodiode
8
THÈME 1 - SÉANCE 1. CAPTEUR OPTIQUE
Q4 Calculer le courant photonique (circulant dans la photodiode) pour chaque cas
et l’efficacité quantique globale entre courant dans la LED et courant photonique
(courant dans la photodiode/courant dans la LED). Pourquoi sont-ils si différents ?
Expliquer.
On utilisera dans la suite le couple LED - photodiode le plus efficace.
3
3.1
Étude du moteur à courant continu
Câblage du moteur
Le moteur électrique est un moteur à courant continu (DC motor ) de la société
Philips/Airpax. Sa référence est 9904-120-52405. Il est distribué par le revendeur
Radiospares sous la référence 336-337.
Alimenter le moteur avec la troisième alimentation qu’on limitera à 500 mA.
La valeur de Vmot sera réglée à 5 V environ.
Placer le multimètre de façon à mesurer à la fois la tension Vmot aux bornes du
moteur et le courant Imot le traversant (voir le circuit décrit par la figure 1.5).
Remarque : Le multimètre permet d’afficher simultanément la tension et le
courant continu en utilisant la touche 2nd , puis A= .
Moteur
V mot
V
com.
A
I mot
Figure 1.5 – Circuit de mesure de la tension et du courant.
Mettre en marche le moteur et visualiser à l’oscilloscope la tension aux bornes de
la résistance de charge RC de la photodiode (signal de la fourche optique ’maison’).
Q5 L’oscilloscope doit-il être réglé en mode AC ou DC ? Pourquoi ?
4. SIGNAL DU CAPTEUR OPTIQUE
9
Étudier en détail le menu de synchronisation sur l’oscilloscope
(accès par trig menu ) qui permet de régler la synchronisation de manière à obtenir
une courbe stable. Étudier en particulier le rôle des réglages :
– Slope
– Trig level
– set to 50 % .
Mesurer à l’oscilloscope la période du signal obtenu.
Q6 En déduire la vitesse de rotation en tours par minute du moteur.
3.2
Vitesse, couple et puissance du moteur
Caractéristique : vitesse de rotation - tension d’alimentation
Effectuer les mesures nécessaires pour tracer la courbe donnant la vitesse de
rotation du moteur (en tours/minute) en fonction de la tension d’alimentation du
moteur entre 0 et 6 Volts (quelques points suffisent).
Q7 Interpréter cette caractéristique. Pourquoi ne passe-t-elle pas par 0 ?
Couple et puissance du moteur
Pour Vmot ≈ 5 V, freiner le moteur en faisant frotter vos doigts sur la roue sans
la bloquer.
Comment évolue Imot en présence d’un couple de freinage ?
Q8 Déduire de vos mesures la puissance électrique absorbée en l’absence, puis en
présence de frottements.
Q9 On rappelle que la puissance mécanique fournie par un moteur est le produit
couple (en Newton par mètre) par la vitesse de rotation (en radians par seconde).
Donner une estimation du couple moteur, en supposant que le rendement électromécanique en puissance du moteur est de l’ordre de 0.5.
4
Signal du capteur optique
La fourche optique placée sur la maquette du moteur a pour référence HOA0901
Transmissive encoder sensor de la société Honeywell.
10
THÈME 1 - SÉANCE 1. CAPTEUR OPTIQUE
Utiliser l’alimentation 5 V pour alimenter la fourche optique (fiche banane sur
la maquette du moteur) et visualiser le signal de sortie de la fourche optique sur la
voie 2 de l’oscilloscope.
Afficher simultanément à l’oscilloscope les signaux provenant des fourches (’maison’ et HOA0901).
Q10 Sur quelle voie est-il préférable de synchroniser l’oscilloscope ? Comparer les
fréquences et la forme des 2 signaux ainsi que leur niveau en tension.
5
Résistance d’entrée - Résistance de sortie
Il s’agit d’étudier dans cette dernière partie l’influence de la résistance d’entrée
d’un appareil de mesure (par exemple l’oscilloscope), ainsi que la résistance de sortie
d’un composant (par exemple ici la résistance de sortie de la fourche optique).
Pour montrer l’importance de ces résistances d’entrée ou de sortie, on cherche à
diviser la tension de sortie de la fourche optique par 2 (fonction apparemment très
simple à réaliser !).
Réaliser, sur la plaquette de prototypage, un pont diviseur de tension permettant de diviser par 2 l’amplitude du signal délivré par l’encodeur optique :
– tout d’abord avec des résistances de l’ordre de 10 kΩ,
– puis avec des résistances de l’ordre de la dizaine de Ohms,
– et enfin avec des résistances de l’ordre du MΩ .
Mesurer à l’oscilloscope les tensions obtenues dans chaque cas aux bornes du
pont diviseur et en sortie de pont diviseur.
Q11 Présenter l’ensemble des résultats sous forme de tableau. Expliquer les différents résultats obtenus pour les trois solutions proposées.
Q12 Quelle solution doit être préférée ? Quelle est l’influence de l’impédance de
sortie du capteur optique ? Celle de l’impédance d’entrée de l’oscilloscope ?
Q13 Déterminer à partir de vos mesures la valeur de la résistance de sortie de
l’encodeur optique.
5. RÉSISTANCE D’ENTRÉE - RÉSISTANCE DE SORTIE
11
Remarque importante : La résistance de sortie de cette fourche optique est aussi
la résistance du modèle de Thevenin de ce composant. Sa valeur est particulièrement
importante par rapport aux résistances de sortie usuelles. Par exemple, la résistance
de sortie du GBF que vous utiliserez en TP est 50 Ω. La résistance de sortie des
alimentations continues est nulle lorsqu’elles fonctionnent en sources de tension.
Q14 A l’aide du ‘functional block diagram’ de la documentation technique (à chercher sur internet), expliquer succinctement le fonctionnement de la fourche (composants internes, forme et l’amplitude attendue des signaux de sortie). Pourquoi n’y
a-t-il pas une seule mais 3 photodiodes ? A quoi peuvent servir les deux signaux de
sortie ?
12
THÈME 1 - SÉANCE 1. CAPTEUR OPTIQUE
Thème 1 - Séance 2
Cellules photovoltaïques.
Les questions P1 à P5 doivent être préparées avant la séance.
Objectifs de la séance
Fonctions de l’électronique
Caractéristiques I = f (U ) et P = f (U )
d’une cellule photovoltaïque
Source de tension / de courant réelle
Rendement en puissance
Savoir-faire - Technologies
Cellules photovoltaïques
Diode de by-pass
Mesures de puissance
Lire une datasheet
Sommaire
1
2
3
4
5
Etude d’une cellule solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1
Caractéristiques statiques d’une cellule pour différentes valeurs de
l’éclairement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2
Bilan énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Association série de cellules solaires. . . . . . . . . . . . . . . . .
Recharger un accumulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Caractéristique statique complète des cellules photovoltaïques .
Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
15
15
16
17
18
19
Introduction
L’effet photovoltaïque est connu depuis 1839 (A.E. Becquerel) avec des cellules
(photo-) électrochimiques plutôt que des diodes. Son usage en tant que source d’énergie ne sera développée qu’avec l’abondance du Si cristallin (~1954, Bell Labs) ellemême permise par la méthode de croissance Czochralski du Si (1918).
Sa mise en œuvre est actuellement en pleine expansion et la recherche est très
active : au niveau du capteur lui-même, mais aussi pour le développement de l’électronique de puissance, pour la mise en réseau... C’est une énergie renouvelable.
13
14
THÈME 1 - SÉANCE 2. CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES.
Préparation
En préparation de ce TP, quelques questions de photométrie. Nous allons étudier les caractéristiques électriques de petits panneaux solaires, AM-5308CAR-SCE de
Sanyo, dont vous rechercherez la documentation technique sur internet.
Figure 2.1 – Cellule Sanyo AM-5308CAR-SCE 4cm de côté environ
P1 Quelle est l’éclairement dû au soleil reçu sur terre quand le soleil est au zénith
(en W/m2 et en mW/cm2 ) ?
P2 En utilisant la documentation technique, déterminer la dimension d’un panneau AM-5308CAR-SCE et sa surface.
Un éclairement solaire énergétique de 0.5 kW/m2 correspond à un éclairement
de 50000 Lux en unité visuelle.
P3 Pour cet éclairement de 50000 Lux, relever les valeurs suivantes :
– ICC : Courant de court circuit,
– UCO : Tension de circuit ouvert (ou tension à vide),
– Pop : Puissance optimale
– Uop : Tension correspondant à cette puissance optimale,
– Iop : Courant correspondant à cette puissance optimale.
P4 Les valeurs données par la documentation vous semblent-elle cohérentes ? On
pourra, en particulier, comparer la puissance optimale et les produits ’courant de
court-circuit × tension à vide’.
P5 Quel est le flux énergétique reçu par la cellule ? Déterminer l’ordre de grandeur
du rendement de cette cellule (quotient de la puissance électrique fournie en W sur
la puissance optique reçue en W "solaires").
1
Etude d’une cellule solaire
Vous disposez de maquettes comportant 4 capteurs solaires AM-5308CAR-SCE de
Sanyo, ainsi que d’une lampe de bureau, source à LED blanche. La maquette est
pourvue de connexions permettant de réaliser divers branchements (montage série ou
1. ETUDE D’UNE CELLULE SOLAIRE
15
parallèle, ajouts de diodes de by-pass). Une charge résistive variable (potentiomètre
R = 10 kΩ), une résistance de R = 10 Ω, ainsi qu’une batterie rechargeable sont
disponibles sur la maquette.
1.1
Caractéristiques statiques d’une cellule pour différentes
valeurs de l’éclairement
Dans un premier temps, on utilise un seul des panneaux.
Q1 Dessiner au brouillon le schéma du circuit permettant de faire débiter la cellule
sur une charge résistive variable tout en mesurant simultanément le courant débité
par la cellule solaire et la tension à ses bornes, à l’aide du multimètre.
Câbler ce circuit. La charge résistive variable est le potentiomètre multi-tours
de résistance RL ≈ 10 kΩ.
Remarque : Le multimètre permet d’afficher simultanément la tension et le courant continu en utilisant la touche 2nd , puis A .
Régler l’éclairement afin d’obtenir un courant de court-circuit ICC d’environ
12 mA .
Mesurer la tension aux bornes de la cellule et le courant fourni pour différentes
valeurs de la charge résistive afin de tracer la caractéristique I = f (U ) à l’aide d’un
tableur (Excel, OpenOffice, etc.).
Q2 Dans quel domaine de la caractéristique la cellule peut-elle être considérée
comme une source de tension ? Dans ce domaine, s’il ne s’agit pas d’une source de
tension parfaite, estimer en utilisant la caractéristique courant-tension la résistance
série à ajouter au modèle de Thévenin.
Q3 Dans quel domaine de la caractéristique la cellule peut-elle être considérée
comme une source de courant ? De même, s’il ne s’agit pas d’une source de courant
parfaite, estimer la résistance parallèle à ajouter au modèle de Norton correspondant.
1.2
Bilan énergétique
Q4 Tracer, toujours à l’aide du tableur, la courbe de puissance P = f (U ) et
déduire la puissance maximale délivrée par la cellule.
16
THÈME 1 - SÉANCE 2. CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES.
Modifier maintenant l’éclairement du panneau afin d’effectuer les mêmes mesures pour un courant de court circuit d’environ 3 mA, puis 7 mA.
Tracer toutes les caractéristiques I = f (U ) sur le même graphe. Préciser sur
chaque caractéristique les valeurs de ICC et UCO .
Tracer de même toutes les courbes de puissance P = f (U ) sur le même graphe
et relever les valeurs de correspondantes de Uop et de Iop (tension et courant correspondant à la puissance électrique optimale).
Q5 Les positions du point de fonctionnement optimal sont-elles identiques pour
ces 3 courbes ?
Q6 Pourquoi la valeur du courant Iop est-elle beaucoup plus faible que celle de la
documentation ?
Q7 Sachant que la source utilisée est une lampe à LED de 3.6 W de consommation
électrique et de rendement (électrique → optique) environ 10%, déterminer l’ordre
de grandeur du rendement de la cellule (optique → électrique) en effectuant une
mesure supplémentaire. Ce rendement sera bien sur comparé avec le rendement
obtenu avec les données constructeur à la question P3.
Remarque Il peut être plus simple de se placer dans une configuration où tout le
flux émis par la source est reçu par la cellule, sinon il faut faire des calculs simples
de photométrie ...
2
Association série de cellules solaires.
Q8 A partir de la caractéristique d’une cellule photovoltaïque, I = f (U ) , prévoir
la caractéristique pour une association de 2 panneaux en série (éclairés dans les
mêmes conditions). Prévoir aussi, pour cette configuration, la position de l’optimum
de puissance.
Connecter 2 cellules en série et mesurer la tension à vide, Uco
Faites débiter l’ensemble sur la charge résistive variable. Se positionner expérimentalement au maximum de puissance et relever les valeurs de (Uop et Iop ).
3. RECHARGER UN ACCUMULATEUR
17
Q9 Occulter complètement un panneau. Expliquer ce que vous observez. Même
question si vous occultez une seule des photodiodes d’un panneau. Quel défaut
présente l’association de cellules photovoltaïques en série ?
Pour éviter les inconvénients dus à l’occultation d’une photodiode d’une cellule,
on place en parallèle sur chaque cellule une diode (standard) dite de by-pass. Ces
diodes permettent, outre de maintenir disponible le courant des autres panneaux,
de protéger les photodiodes, qui, en cas de salissures, pourraient devenir réceptrices
de puissance électrique et risquer d’être détériorées par échauffement.
PV
Figure 2.2 – Montage avec diode de bypass
Placer des diodes de bypass (1N4148 ). Expliquer le sens de branchement choisi.
Vérifier ce qui se passe lorsque vous occultez une cellule.
Déterminer le point de fonctionnement optimal et relever ICC et Uco .
Q10 Expliquer clairement le fonctionnement et l’intérêt des diodes de by-pass.
3
Utilisation d’une cellule solaire pour recharger
un accumulateur.
L’énergie solaire est rarement utilisée sur le moment et exactement sous la forme
produite. C’est pourquoi, elle est en général utilisée pour charger un accumulateur.
Il existe diverses technologies d’accumulateurs : batteries au plomb, accumulateurs
NiCd (Nickel-Cadmium), Ni-MH ((Nickel-MétalHydride), Lithium-ion...
Une batterie NiMh est placée sur la maquette.
Q11 Mesurer la tension à vide de votre batterie. En déduire pourquoi un montage
parallèle des cellules photovoltaïques est préférable dans ce cas.
18
THÈME 1 - SÉANCE 2. CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES.
Câbler le circuit qui permet de charger l’accumulateur, à travers le potentiomètre, en utilisant 2 ou 4 cellules photovoltaïques en parallèle et, comme précédemment, le multimètre de manière à mesurer simultanément le courant débité par les
cellules photovoltaïques et la tension à leurs bornes.
Régler le potentiomètre pour se positionner expérimentalement au maximum
de puissance fournie par les cellules et relever les valeurs de (Uop et Iop ).
Court-circuiter le potentiomètre et mesurer à nouveau les valeurs de U et I.
Q12 Y-a-t-il ici un avantage à se placer à l’optimum de puissance fournie par les
cellules ?
Q13 Si, on considère que la batterie peut être modélisée comme une source de
Thévenin (Source de tension en série avec une résistance), quelle est la valeur de la
source de tension ? Quelle la valeur de la résistance série ?
4
Caractéristique statique complète des cellules photovoltaïques
On propose le circuit de la figure 2.3 pour tracer la caractéristique statique
I = f (U ) de la cellule photovoltaïque sur l’écran de l’oscilloscope.
R
GBF
~1-10Hz
Potentiomètre
10 kΩ
Cellule
photovoltaïque
10 Ω
Voie X
Voie Y
Figure 2.3 – Circuit pour tracer la caractéristique I = f (U ) d’une cellule photovoltaïque à l’oscilloscope
Sur la voie Y, on mesure une tension directement proportionnelle au courant I
qui traverse la photodiode. La résistance r ∼ 10 Ω est suffisamment faible pour que
l’on puisse approcher la tension U aux bornes de la diode par la tension de la voie
X (c’est à dire U + rI ≈ U ). Le générateur de fonction (GBF) permet de balayer la
caractéristique «statique» à très basse fréquence.
5. POUR ALLER PLUS LOIN
19
Effectuer le câblage qui permet de tracer à l’oscilloscope la caractéristique statique I = f (U ) de la cellule solaire à l’aide du circuit de la figure 2.3.
Modifier le flux lumineux reçu par la cellule solaire à l’aide de la lampe de
bureau à LED.
Relever la caractéristique I = f (U ) de la cellule.
Q14 Préciser les conventions de signes utilisés sur le schéma et la caractéristique.
Q15 Placer les points correspondants à ICC et UCO sur la caractéristique.
Q16 Dans quel domaine de cette caractéristique la cellule solaire génère-t-elle de
la puissance électrique ?
Q17 Dans quel domaine pourrait-on l’utiliser comme un capteur optique fournissant un signal électrique proportionnel au flux reçu ?
5
Pour aller plus loin
Q18 A l’aide d’une recherche sur internet, expliquer, de manière générale, en quoi
consiste la technique du MPPT : Maximum Power Point Tracking.
20
THÈME 1 - SÉANCE 2. CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES.
Thème 1 - Séance 3
Photodétection
Les questions P1 à P7 doivent être préparées avant la séance
Objectifs de la séance
Fonctions de l’électronique
Caract. d’une photodiode
Caract. d’une LED
Modèle petits signaux
Sensibilité et Bande passante
Savoir-faire - Technologies
Photodiode
LED
Affichage XY d’un oscilloscope
Mode SWEEP d’un GBF
Sommaire
1
Préparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2
Caractéristique statique d’une photodiode . . . . . . . . . . . . . 23
3
Caractéristique statique d’une diode électroluminescente infrarouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4
Bande passante et sensibilité d’un circuit de photodétection
. 24
Introduction
Au cours des séances de TP 3 et 4, vous étudierez des capteurs optiques, photodiodes Silicium et circuits électroniques associés.
Vous analyserez, au cours de ce premier TP, la caractéristique d’une photodiode
usuelle et l’influence du flux reçu. Cette étude permettra de comprendre la nécessité
de polariser en inverse la photodiode pour l’utiliser dans le montage de base de
photodétection dont vous caractériserez la sensibilité et la bande passante.
21
22
1
THÈME 1 - SÉANCE 3. PHOTODÉTECTION
Préparation
La photodiode que vous allez étudier pendant cette séance de TP a pour référence
SFH206K.
P1 Rechercher sur internet la datasheet de ce composant et relever :
– λSmax : la longueur d’onde correspondant à la sensibilité maximale et la valeur
de cette sensibilité spectrale maximale en A / W.
– η : le rendement quantique pour cette longueur d’onde
P2 Rechercher les définitions de la sensibilité spectrale et du rendement quantique
d’une photodiode. Rechercher et expliquer la relation entre sensibilité spectrale et
rendement quantique et vérifier la compatibilité des valeurs données pour ces deux
grandeurs dans la datasheet.
P3 Relever dans la documentation les valeurs :
– VR de la tension inverse maximale
– Ptot de la puissance maximale
– VF de la tension directe pour un courant de 100 mA (pour un flux reçu nul).
P4 En déduire l’ordre de grandeur du courant direct maximum admissible.
P5 Chercher les définitions (et leur traduction en anglais) ainsi que les unités des
grandeurs suivantes, caractérisant une source directive :
– flux lumineux total émis,
– intensité lumineuse sur l’axe,
– angle d’émission à mi-hauteur.
P6 Relever dans la documentation de la LED TSAL6100 les valeurs :
– VR de la tension inverse maximale
– Imax du courant direct maximal
– λp de la longueur d’onde d’émission et la largeur spectrale
– tr et tf des temps de réponse de la LED
– Fe du flux lumineux total émis pour un courant de 100 mA
– Ie de l’intensité sur l’axe
– φe de l’angle d’émission à mi-hauteur
Vérifier que ces trois dernières valeurs sont cohérentes entre elles.
P7 La photodiode SFH206K sera-t-elle sensible à la longueur d’onde d’émission de
la LED choisie ? Quel est l’ordre de grandeur de la bande passante de la LED ?
2. CARACTÉRISTIQUE STATIQUE D’UNE PHOTODIODE
2
23
Caractéristique statique d’une photodiode
On propose le circuit de la figure 3.1 pour tracer la caractéristique statique
I = f (U ) de la photodiode SFH206K sur l’écran de l’oscilloscope.
Figure 3.1 – Circuit de mesure de la caractéristique d’une diode à l’oscilloscope
Q1 Calculer la valeur minimale de la résistance R afin de ne pas dépasser la limite
en courant (calculée à la question P4) dans la photodiode pour une tension maximale
de 10 V (tension maximale délivrée par le générateur de fonction).
Réaliser le circuit précédent avec la photodiode SFH206K et visualiser à l’oscilloscope la caractéristique statique la photodiode.
Affichage en mode XY de l’oscilloscope
– Utiliser le bouton Display
– puis Page 2/2 , enfin Format pour passer de YT à XY
Modifiez l’éclairement reçu par la photodiode à l’aide de la lampe de bureau et
observez la modification des caractéristiques statiques obtenues (on pourra utiliser
la persistance de l’affichage de l’oscilloscope).
Q2 Comment est modifiée la caractéristique de la photodiode en fonction du flux
reçu ? Identifiez sur la caractéristique la région utile pour l’utilisation de la photodiode comme photodétecteur.
24
THÈME 1 - SÉANCE 3. PHOTODÉTECTION
3
Caractéristique statique d’une diode électroluminescente infrarouge
On utilise le même circuit pour tracer la caractéristique statique I = f (U ) de la
LED IR TSAL6100.
Modifier l’ampitude de GBF (VPV < 5 V) et la valeur de la résistance R dans
le circuit de la figure 3.1 et remplacer la photodiode par la LED TSAL6100 afin de
tracer sa caractéristique statique.
Visualiser l’émission de la LED dans le proche infrarouge à l’aide des webcams
(ou d’un téléphone portable), dont le capteur CCD est sensible jusqu’à des longueurs
d’ondes de 1000 nm environ.
Q3 Dans quelle zone de la caractéristique I = f (U ), la LED émet-elle de la lumière ? Expliquer clairement, à l’aide de la caractéristique et de la droite de charge,
comment régler la tension délivrée par le GBF afin que la LED émette un flux
parfaitement sinusoïdal.
4
Bande passante et sensibilité d’un circuit de photodétection
La rapidité d’un capteur est définie par son temps de réponse et par sa bande
passante. Pour mesurer la bande passante d’un système de photodétection, on propose le schéma de la figure 3.2 . Le circuit d’émission est beaucoup plus rapide que
le circuit de réception ( bande passante de la LED de l’ordre du MHz). C’est donc
le détecteur qui limite la rapidité.
+15V
Photodiode
GBF
R led
R PhD
Vs
Figure 3.2 – Transmission optique LED /Photodiode IR
4. BANDE PASSANTE ET SENSIBILITÉ D’UN CIRCUIT DE PHOTODÉTECTION 2
Q4 Calculer la valeur de cette résistance Rled qui permet de limiter le courant dans
la LED bien en dessous du courant maximal admissible.
On choisit la résistance de charge de la photodiode égale, dans un premier temps,
à RPhD = 100 kΩ.
Orienter les deux diodes face à face pour optimiser le flux reçu par la photodiode.
Afficher simultanément la tension délivrée par le GBF et la tension de sortie
du montage détecteur à l’oscilloscope.
Régler la fréquence du GBF à 1 kHz, ainsi que l’amplitude (avec un offset positif !), de manière à obtenir une tension de sortie sinusoïdale d’amplitude importante
devant le fond continu. Remarquer que la photodiode est sensible à la lumière ambiante.
Q5 Pour quelle raison doit-on avoir une tension d’offset sur le GBF ?
Relever la valeur de la tension de sortie crête à crête obtenue ainsi à basse
fréquence.
Afficher l’allure de la réponse en fréquence du capteur en utilisant le balayage
en fréquence du GBF.
Q6 Le circuit de détection est-il un filtre passe-haut, passe-bas, passe-bande ?
Balayage en fréquence du signal du GBF
Utiliser le menu Sweep du GBF et régler :
1. Start frequency ici aux environs de 100 Hz
2. Stop frequency à 100 kHz
3. Log pour une variation logarithmique entre ces deux valeurs
4. Sweep Time ici à 0, 1 s
5. Pour synchroniser l’oscilloscope, utilisez la sortie Sync, qui fournit un
signal rectangulaire de même période que le balayage, connectée à l’entrée
EXT.
Mesurer rapidement avec l’oscilloscope la bande passante à −3dB du montage
détecteur. Pour cela, supprimez le balayage en fréquence et utiliser les mesures automatiques fournies par l’oscilloscope.
26
THÈME 1 - SÉANCE 3. PHOTODÉTECTION
Remplacer la résistance de charge, RPhD = 100 kΩ , par une résistance de 1 M Ω,
puis 10 k Ω et effectuez les mêmes mesures que précédemment (tension crête à crête
et bande passante).
Q7 Expliquer pourquoi et comment le niveau de la tension de sortie du montage
de photodétection réalisé dépend de la résistance de charge de photodiode.
Les photodiodes peuvent être modélisées par une source de courant en parallèle
avec une capacité parasite, Cp . Ce modèle électrique équivalent est décrit sur la
figure 3.3.
+15V
Modèle pour
les signaux continus
I Ph
+15V
+15V
R PhD
V
I Ph+δ i Ph
CP
R PhD
R PhD
+0V
V  v
 i Ph
Modèle électrique complet
du circuit de détection
R PhD
 i Ph
CP
CP
v
R PhD
Modèle (petits signaux) pour
les signaux variables au cours du temps
Figure 3.3 – Modèles électriques du circuit de détection
Q8 A l’aide du modèle petits signaux expliquer les mesures. Comment varie la
bande passante du montage avec la résistance de charge.
Q9 Les mesures de bande passante précédentes sont-elles cohérentes avec ce modèle ?
Les câbles coaxiaux utilisés en TP ont une capacité linéique de 110 pF / m. Cette
capacité du câble apparaît en parallèle de la capacité parasite de la photodiode dans
le modèle petits signaux précédent.
Q10 Déduire de vos mesures la valeur de la capacité parasite, Cp , de la photodiode.
Comparer à la valeur de la capacité de la photodiode donnée dans la documentation.
Thème 1 - Séance 4
Capteurs à photodiode et
circuits de pré-amplification
Les questions P1 à P3 doivent être préparées avant la séance.
Objectifs de la séance
Fonctions de l’électronique
Bande passante
Slew-rate
Montage transimpédance
Savoir-faire - Technologies
Amplificateur opérationnel
Lire une datasheet
Sommaire
1
2
3
4
5
Préambule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Montage de base : photodiode polarisée en inverse
Montage photodiode et circuit suiveur . . . . . . .
Montage photodiode et amplificateur de tension .
Photodiode et montage transimpédance . . . . . .
5.1
Transimpédance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2
Influence de la tension de polarisation . . . . . . . .
.
.
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28
29
30
31
32
32
33
Introduction
Au cours de cette seconde séance de TP sur les capteurs optiques, on s’intéresse
aux circuits électroniques dits de pré-amplification associés aux photodiodes. Ces
circuits ont pour but de convertir le courant inverse délivré par une photodiode
en une tension suffisamment grande pour être mesurée convenablement. L’objectif
principal est d’améliorer la rapidité et la bande passante du capteur réalisé au cours
du TP précédent, tout en conservant une sensibilité suffisante.
27
28
THÈME 1 - SÉANCE 4. PHOTODIODES ET PRÉ-AMPLIFICATION
Dans la gamme des fréquences qui nous intéresse ici, inférieure au MHz, ces circuits sont construits autour d’un amplificateur opérationnel. Ce TP est donc aussi
l’occasion de revoir le câblage et l’utilisation des amplificateurs opérationnels dans
quelques montages simples et de mieux cerner quelques unes de leurs caractéristiques, en particulier la bande passante et le slew-rate, dont les définitions sont
rappelées en préambule.
1
Préambule : Caractéristiques dynamiques d’un
amplificateur opérationnel
Il existe toujours deux limitations à la dynamique d’un AOP (ou d’un circuit à
AOP), de nature complètement différente, la bande passante et le slew-rate :
– La bande passante est la limitation en fréquence du circuit à AOP en régime
linéaire. Dans la pratique, pour mesurer une bande passante, on vérifiera
toujours qu’un signal sinusoïdal de suffisamment faible amplitude en entrée
donne bien un signal sinusoïdal en sortie du montage.
– La seconde est le slew-rate ou vitesse de balayage maximale. Plus précisément,
le slew-rate est la vitesse de variation maximale de tension de sortie que peut
produire un amplificateur.
A propos du slew-rate Le slew-rate est une limite d’utilisation l’AOP en régime linéaire. Cette limitation se traduit par une déformation du signal de sortie
comme illustrée par la figure 4.1.
Zone de
fonctionnement
linéaire :
pente < slew rate
Signal d'entrée
Signal de sortie
déformé
temps
Pente maximale atteignable
en sortie = slew rate en V/µs
Figure 4.1 – Illustration de la déformation due à la limitation du slew-rate, pour
un montage suiveur (gain unitaire)
2. MONTAGE DE BASE : PHOTODIODE POLARISÉE EN INVERSE
29
Le slew-rate, SR, est donc quantifié par la pente maximale en V/µs que la tension
de sortie peut atteindre.
dVs
SR = max
dt
Attention aux conditions de mesures, en particulier, toujours s’assurer
que le signal n’est pas déformé par le slew-rate lorsqu’on mesure la bande
passante !
P1 Rechercher sur internet les valeurs des slew-rate et des bandes passantes pour
un gain unitaire (notée aussi produit "gain × bande passante", GBW) des AOP
LM741 et TL071 (ou TL081) que nous utiliserons au cours du TP.
P2 Par la même occasion, noter le câblage de ces AOP et les tensions d’alimentation maximales.
P3 Rechercher les circuits des montages suiveur, amplificateur inverseur, amplificateur non-inverseur, transimpédance et donner l’expression des gains correspondants.
2
Montage de base : photodiode polarisée en inverse
Il s’agit du montage le plus simple, déjà étudié pendant le TP précédent : la
photodiode polarisée en inverse, éclairée, délivre un courant photonique proportionnel au flux reçu et ce courant est converti en tension par une simple résistance de
charge. On choisit la résistance de charge de la photodiode égale à RPhD = 100 kΩ .
+15V
Photodiode
GBF
R led
R PhD
Vs
Figure 4.2 – Transmission optique LED /Photodiode IR
Réaliser ce montage et retrouver un signal sinusoïdal (avec un offset) à la sortie
du montage.
30
THÈME 1 - SÉANCE 4. PHOTODIODES ET PRÉ-AMPLIFICATION
Effectuer la mesure de la bande passante du système.
Q1 Rappeler pourquoi la sensibilité du circuit de photodétection et sa bande passante sont respectivement proportionnel et inversement proportionnel à la résistance
de charge.
Q2 Rappeler l’influence des câbles coaxiaux (capacité linéique de 110 pF/m) sur
la bande passante.
Q3 Vérifier que la bande passante mesurée est proche de la valeur attendue.
Remarque Un moyen radical de s’affranchir de la capacité linéique des câbles pour obtenir des
bandes passantes importantes est de réaliser le montage de la figure 4.3. Dans cette configuration,
et sous la condition que la résistance de charge soit adaptée à la résistance caractéristique du câble,
la capacité linéique du câble n’intervient plus dans la limitation de la bande passante. La plupart
des oscilloscopes rapides (de bande passante supérieure à 100 MHz) possède ce type d’entrée dites
50 Ω. Vous utiliserez donc ce montage très simple, diode polarisée en inverse et résistance de
charge 50 Ω, dans un très grand nombre de TP d’optique de 2ème et 3ème année (télémétrie,
laser pulsés,...).
Boîtier de
détection
Batterie
12 V
Oscilloscope
numérique
Câble 50 
R IN
50 
Figure 4.3 – Montage d’adaptation 50 Ω. (Non utilisé dans ce TP)
3
Montage photodiode et circuit suiveur
Un autre moyen de s’affranchir de l’influence de la capacité linéïque des câbles
coaxiaux, est d’associer un montage suiveur au circuit précédent (figure 4.4)
4. MONTAGE PHOTODIODE ET AMPLIFICATEUR DE TENSION
31
+15V
+- _
-+ LM 741
R PhD
TL 071
Vs
Figure 4.4 – Transmisssion optique avec montage suiveur. (L’alimentation fournissant la tension de polarisation de +15 V n’est plus représentée).
Réalisez le montage suiveur avec un amplificateur opérationnel LM741.
Réaliser un câblage clair, en suivant les conseils donnés à la première
séance, en particulier pour les alimentations symétriques -15, 0, +15 V.
Respecter scrupuleusement les règles de couleur des fils.
Réglez le GBF afin d’observer un signal sinusoïdal d’amplitude de quelques Volt
à une fréquence de 50 kHz environ.
Q4 Le signal est-il sinusoïdal ? Commenter l’allure du signal en tenant compte de
la valeur du slew-rate de l’amplificateur LM741 donnée dans la DataSheet et vérifier
l’ordre de grandeur du slew-rate mesuré.
Remplacer dans le circuit précédent l’amplificateur LM741 par un TL071. Vérifier
que le signal n’est plus déformé. Pourquoi ?
Mesurer la bande passante du montage et commenter la valeur obtenue.
Remplacer la résistance de charge, RPhD , par une résistance de 1 MΩ.
Q5 Comment sont modifiées la sensibilité du montage et sa bande passante ? Calculer à nouveau la valeur de la capacité parasite Cp .
4
Montage photodiode et amplificateur de tension
Pour augmenter la sensibilité du capteur, on utilise souvent un amplificateur de
tension (au lieu d’un simple suiveur), selon le circuit de la figure 4.5
32
THÈME 1 - SÉANCE 4. PHOTODIODES ET PRÉ-AMPLIFICATION
Remplacer la résistance de charge, RPhD de 100 kΩ par une résistance de 10 kΩ
et réaliser rapidement le circuit. On choisira les résistances R1 et R2 pour obtenir
un gain de 10 environ.
Q6 Vérifier le gain de l’amplificateur et mesurer la réponse en fréquence. Commenter.
R2
+15V
Photodiode
R1
R PhD
+- _
-+
TL 071
Vs
Figure 4.5 – Photodiode suivie d’un amplificateur de tension
5
5.1
Photodiode et montage transimpédance
Transimpédance
Une autre possibilité pour augmenter la bande passante de détection et la sensibilité très couramment utilisée est le circuit transimpédance (ou conversion couranttension) de la figure 4.6.
Q7 Quelle est dans ce montage la tension de polarisation de la photodiode ? Rechercher la valeur de sa capacité parasite de la photodiode, Cp , pour cette tension
dans la documentation.
Q8 Quelle est l’expression de la tension de sortie en fonction du courant dans la
photodiode ? Comparer le rôle de RT et RPhD dans les circuits des figures 4.4 et 4.6
et justifier l’appellation transimpédance.
5. PHOTODIODE ET MONTAGE TRANSIMPÉDANCE
33
RT
Photodiode
+- _
-+ TL 071
TL 071
Vs
Figure 4.6 – Photodiode et montage transimpédance
Pour RT = 100 kΩ, afficher l’allure de la réponse en fréquence du capteur en
utilisant le balayage en fréquence du GBF. Observer la présence d’une résonance.
Mesurer précisément la valeur de cette fréquence de résonance. Pour cela, il ne
faut plus travailler en balayage fréquentiel.
Cette résonance est appelée phénomène de gain peaking. La valeur de la fréquence
de résonance peut se calculer suivant :
s
fpeak =
GBP
2πRT Cp
où GBP, (Gain Bandwith Product), est le produit gain×bande de l’amplificateur
opérationnel et Cp est la capacité parasite de la photodiode.
Q9 Comparer la valeur calculée à la valeur mesurée.
Ce phénomène du peaking peut être très gênant en particulier sur des signaux
non sinusoïdaux. Envoyer un signal carré sur le GBF de fréquence 1 kHz environ.
Commenter et mesurer la fréquence des oscillations parasites.
5.2
Influence de la tension de polarisation
La capacité parasite de la photodiode diminue avec la tension de polarisation
inverse appliquée. Pour augmenter la bande passante du montage, il est donc possible
de polariser la photodiode en inverse, selon le montage de la figure 4.7.
34
THÈME 1 - SÉANCE 4. PHOTODIODES ET PRÉ-AMPLIFICATION
CT
RT
Photodiode
+- _
-+ TL 071
TL 071
- 15V
Vs
Figure 4.7 – Photodiode polarisée en inverse et montage transimpédance
Recherchez la valeur de sa capacité parasite de la photodiode, Cp , pour une
tension inverse de 15 V, dans la documentation.
Modifier le montage afin de polariser la photodiode selon le schéma de la figure
4.7. Attention au signe de la tension de polarisation !
Mesurer la nouvelle valeur de la fréquence de résonance correspondant au phénomène de gain peaking.
Q10 Cette valeur est-elle cohérente avec la documentation de la photodiode ?
Afin de supprimer la résonance, on ajoute en parallèle avec RT une très faible
capacité.
Ajouter une capacité CT de quelques picofarads. Commenter le résultat obtenu,
mesurer la nouvelle bande passante du montage.
Q11 On montre que la capacité CT doit vérifier :
r
Cp
CT >
πRT GBP
pour supprimer le phénomène de peaking. Vérifier si c’est le cas pour la capacité CT
choisie.
Mesurer la bande passante obtenue avec une résistance RT = 100 kΩ et étudier
l’influence de la valeur de CT .
Thème 2 - Analyseur de
Spectre
35
Présentation du thème 2
Analyseur de spectre électrique à balayage
L’objectif des deux prochaines séances de TP est de réaliser un analyseur de
spectre à balayage sur une plaquette de prototypage.
La photographie de la figure 8 montre un analyseur de spectre commercial. Un
tel appareil permet de détecter et de mesurer les différentes composantes spectrales
présentes dans un signal électrique.
Figure 8 – Un analyseur de spectre commercial
En préparation, avant les séances de TP, vous devez analyser le fonctionnement
global d’un analyseur de spectre, en vous aidant par exemple de la référence et de
l’animation que vous trouverez sur le site :
en.wikipedia.org/wiki/Spectrum_analyzer et du schéma de principe de l’analyseur
de spectre à balayage donné sur la figure 9.
37
38
INTRODUCTION THÈME 2
Spectre s
−f
f
p
p
−f
Filtre
passe-bande
Signal à
analyser
X
f
f
I
Détecteur
de crête
I
Affichage
du spectre
Oscillateur
Local
f
I
Voie Y
p
Span
f
p
Voie X
Span
t
Figure 9 – Schéma de principe d’un analyseur de spectre à balayage
Au cours de ces 2 séances de TP, vous réaliserez chacune des fonctions séparément, avant de les assembler.
La première séance est consacrée au détecteur de crête et au filtre passebande. L’oscillateur local est une tension sinusoïdale balayée en fréquence. Cette
tension sera simplement délivrée par le GBF en mode Sweep. La seconde séance
permettra de réaliser la fonction multiplication de deux tensions, d’assembler l’ensemble, et enfin, d’utiliser votre analyseur de spectre pour analyser le contenu spectral de signaux sonores (vous pouvez d’ailleurs amener sur une clé USB vos propres
fichiers de ’sample’ !).
On rappelle qu’il est impératif d’apporter le plus grand soin possible à la qualité
et à la clarté de vos câblages. Par exemple, on utilisera impérativement une ligne
horizontale pour la masse du montage, et deux lignes pour le +15 V, et le −15 V en
respectant scrupuleusement le code des couleurs habituel :
rouge +15 V
bleu −15 V
noir masse
Vous trouverez sur la figure 10 un exemple de plaquette pas trop mal câblée (on
identifie bien les différentes fonctions du montage et les alimentations, et les fils sont
relativement courts).
INTRODUCTION THÈME 2
Multiplieur
39
Filtre
Détecteur de
crête
Figure 10 – Exemple de disposition
40
INTRODUCTION THÈME 2
Thème 2 - Séance 1
Mesure d’une composante
fréquentielle.
Les questions P1 à P3 doivent être préparées avant la séance.
Objectifs de la séance
Fonctions de l’électronique
Détection d’enveloppe
Filtrage passe-bande
Temps d’établissement
Modulation en amplitude
Savoir-faire - Technologies
Diode
Amplificateur opérationnel
Filtre actif intégré
Lire une datasheet
Sommaire
1
2
3
4
5
Préparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Détection crête . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
Signal de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2
Détecteur de crête (ou d’enveloppe) à diode . .
2.3
Détecteur d’enveloppe sans seuil . . . . . . . . .
Filtre passe-bande . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuit complet . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . .
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42
42
43
43
45
45
47
48
Introduction
Dans cette première partie, l’objectif de votre travail est de détecter la présence
d’une composante spectrale d’un signal à une fréquence fI fixée et de mesurer son
amplitude.
Cette mesure associe ici deux fonctions de l’électronique :
41
42THÈME 2 - SÉANCE 1. MESURE D’UNE COMPOSANTE FRÉQUENTIELLE.
1. Le filtrage, on sélectionne la fréquence d’intérêt à l’aide d’un filtre passe-bande,
2. La détection d’enveloppe, la mesure de l’amplitude du signal en sortie du filtre
est réalisée par un détecteur de crête (ou détecteur d’enveloppe).
Le principe du dispositif à mettre en œuvre est décrit sur le schéma de la figure
1.1.
V s ≈0
Filtre
passe-bande
f
I
f
I
Détecteur
de crête
V s 0
V s ≈0
Figure 1.1 – Principe du dispositif à réaliser au cours du premier TP.
1
Préparation
Nous analyserons à la fin de ce TP les composantes spectrales d’un signal carré
périodique.
P1 Rappeler les fréquences et les amplitudes des harmoniques d’un signal carré
périodique de fréquence f0 et de rapport cyclique égal à 50%.
Le détecteur d’enveloppe utilise la charge et la décharge d’un condensateur, C, à
travers une résistance R.
P2 Retrouver l’expression de l’équation différentielle qui régit la charge et la décharge d’un condensateur en présence d’un résistance, ainsi que la définition et
l’expression de la constante de temps, τ .
P3 Quelle est la relation entre la constante de temps, τ , et temps de charge du
condensateur entre 10 et 90% ? La relation entre τ , et le temps de charge de 0 à
95% de la tension maximale ?
2
Détection crête
Dans cette première partie, c’est le circuit aval de détection d’enveloppe que l’on
étudie de façon indépendante.
2. DÉTECTION CRÊTE
2.1
43
Signal de test
Pour analyser le détecteur de crête, on place en entrée un signal sinusoïdal dont
l’amplitude varie lentement au cours du temps :
Ve (t) = m(t) × A cos (2πf t)
(1.1)
Ve (t) est une tension modulée en amplitude. On appelle m(t) le signal modulant et p(t) = A cos (2πf t) la porteuse. On considère, dans un premier temps, une
modulation sinusoïdale m(t) = 12 (1 + a cos (2πF t)) avec F f.
Régler le GBF afin d’obtenir un tel signal modulé et l’observer à l’oscilloscope.
Modulation en amplitude du signal du GBF
1. Réglage de la porteuse. Menu
Sine
∼
(a) Freq pour régler la fréquence f , ici de 3 kHz
(b) Amp pour régler l’amplitude A, ici de quelques volts,
(c) Offset vérifier qu’il n’y a pas d’offset.
2. Réglage de la modulante. Utiliser le menu Mod du GBF :
(a)
Type
AM
(b)
Source
int
(c)
AM
Depth
pour obtenir une modulation en amplitude,
la modulante est générée par le GBF
l’amplitude de modulation (correspond au coefficient a ) à régler
à 100%,
(d)
AM
Freq
(e)
Shape
Sine
pour régler la fréquence F de la modulante.
pour une modulante sinusoïdale,
3. Et utiliser la sortie Sync qui fournit un signal rectangulaire au rythme de la
modulation (lente) pour synchroniser l’oscilloscope.
2.2
Détecteur de crête (ou d’enveloppe) à diode
Le circuit de détection d’enveloppe que l’on étudie dans un premier temps est
un simple détecteur à diode (figure 1.2).
44THÈME 2 - SÉANCE 1. MESURE D’UNE COMPOSANTE FRÉQUENTIELLE.
Réaliser le circuit de la figure 1.2 avec R = 10 kΩ, C = 100 nF et observer la
tension de sortie pour des fréquences du signal d’entrée : f = 3 kHz, F = 100 Hz .
Modifier ensuite la valeur de ces fréquences pour analyser le comportement de ce
circuit.
1N4148
Ve
C
R
Vs
Figure 1.2 – Circuit détecteur de crête
Q1 En vous aidant des relevés d’oscillogrammes, expliquer le fonctionnement du
circuit. Quand la diode est-elle passante ? Quand la diode est-elle bloquée ? Comment
évolue la tension de sortie dans les deux cas ?
Q2 Dans le cas général, comment choisir les composants R et C pour suivre correctement les variations d’amplitude du signal d’entrée ? Pourquoi doit-on avoir
f F?
Q3 Moduler l’amplitude du signal par une modulante rectangulaire.
Q4 Mesurer précisément la constante de temps de la décharge du condensateur
par la méthode de votre choix. Comparer à la valeur attendue.
Mesure d’un temps de réponse à l’oscilloscope à l’aide des curseurs
Utiliser le menu CURSORS en mode Tracer. Placer les deux curseurs A et B sur
la même courbe.
Q5 Que se passe-t-il lors d’une variation brusque d’amplitude ? Quel est le temps
de réponse du détecteur de crête ? Pourquoi est-il différent sur un front montant et
sur un front descendant ? Comment peut-on modifier ces temps de réponse ?
Diminuer l’amplitude A de la porteuse autour du Volt, puis encore plus bas.
Q6 Pourquoi le détecteur crête ne fonctionne-t-il pas pour les faibles amplitudes
de signal ?
3. FILTRE PASSE-BANDE
2.3
45
Détecteur d’enveloppe sans seuil
Une amélioration du circuit précédent est fournie par l’ajout d’un amplificateur
opérationnel selon le circuit de la figure 1.3. L’amplificateur opérationnel utilisé est
un TL071, adapté aux fréquences et amplitudes des signaux considérés ici et qui a
déjà été utilisé lors des séances de TP précédentes.
Réaliser le circuit de la figure 1.3, toujours avec R = 10 kΩ et C = 0, 1 µF .
Comment est modifiée la tension de sortie ? Vérifier que cette détection d’enveloppe
fonctionne aussi pour les faibles amplitudes.
+
_
Ve
1N4148
TL071
C
R
Vs
Figure 1.3 – Circuit détecteur sans seuil.
Q7 Expliquer le principe de fonctionnement du détecteur sans seuil. Quand la
diode est passante, quelle est la configuration de l’amplificateur opérationnel ?
3
Filtre passe-bande
La fonction de filtrage peut être réalisée par différents types de composants
électroniques.
On vous propose ici d’utiliser le composant UAF42 (Universal Active Filter ) qui
est un composant dédié au filtrage actif.
Q8 A partir de la documentation constructeur, répondre rapidement aux questions
suivantes :
– Quels sont les types de filtres réalisables (avec un seul composant) et leurs
ordres ?
– Quelles sont les tensions d’alimentations typiques pour ce composant ? Les
niveaux et la gamme de fréquence du signal d’entrée ?
Le cahier des charges du filtre passe-bande que l’on souhaite réaliser est le suivant :
Fréquence centrale fI = 3 kHz
Bande passante à −3dB BP = 100 Hz
46THÈME 2 - SÉANCE 1. MESURE D’UNE COMPOSANTE FRÉQUENTIELLE.
Le schéma du circuit, issu de la documentation technique (application bulletin) est
celui de la figure 1.4.
R F1= R F2 =56 k Ω
Sortie
Entrée
RQ =1 k Ω
Figure 1.4 – Circuit UAF42. Câblage utilisé dans ce TP
Q9 Vérifier que les valeurs choisies pour les composants RQ et RF (figure 1.4)
permettent de répondre au cahier des charges.
Câbler le circuit. Vérifier que la réponse du filtre est bien celle attendue en modifiant la fréquence d’un signal sinusoïdal en entrée autour de la fréquence centrale.
On pourra utiliser le mode Sweep du GBF.
Ensuite, par des mesures précises, tracer le diagramme de Bode en amplitude
du filtre, une quinzaine de points au maximum suffit à tracer correctement ce diagramme. Attention à surveiller le signal de sortie à l’oscilloscope au cours des mesures, s’assurer en particulier que le signal reste bien sinusoïdal. Déterminer précisément la fréquence centrale fI et la bande passante à −3dB, BP−3dB , du filtre
obtenu.
Placer un signal impulsionnel en entrée du filtre, c’est à dire de durée plus courte
que le temps caractéristique du filtre. Choisir par exemple une durée de l’impulsion
égale à 100 µs.
4. CIRCUIT COMPLET
47
Q10 Qu’appelle-t-on réponse impulsionnelle d’un filtre ? Quel est le lien entre le
signal de sortie obtenu et le diagramme de Bode tracé précédemment ? Pourquoi
ce signal est-il oscillant ? Quelle est la valeur de sa pseudo-période d’oscillation ?
Comparer à la fréquence centrale de votre filtre.
Revenir en mode modulation d’amplitude, mais avec une modulation carrée de
fréquence de l’ordre de 10 Hz, et une porteuse sinusoïdale de fréquence exactement
égale à fI , fréquence centrale du filtre mesurée précédemment.
Déterminer le temps d’établissement à 5% lors de l’apparition brusque d’un
signal sinusoïdal de fréquence fI en entrée.
Q11 Vérifier que ce temps d’établissement est égal à 1/BP. Commenter ce résultat.
4
Circuit complet
Associer les deux circuits précédents et placer un signal carré de fréquence fI
en entrée de l’ensemble. Vérifier qu’en sortie de votre circuit la tension passe par un
maximum pour une fréquence exactement égale à fI . Mesurer précisément la tension
correspondant à ce maximum.
Réduire la fréquence du signal d’entrée à environ f3I . Vérifier qu’en sortie de
votre circuit la tension passe à nouveau par un maximum. Pour quelle fréquence
exactement ? Mesurer précisément la tension correspondant à ce maximum.
Q12 Expliquer la présence de ces maxima ainsi que les valeurs des amplitudes
mesurées.
Mesurer les amplitudes des harmoniques suivantes d’un signal carré.
Q13 Comparer aux valeurs attendues demandées à la question de préparation P1.
Refaire ces mesures en utilisant un signal périodique triangulaire en entrée.
Q14 Comparer au cas précédent.
Ne pas décâbler vos circuits, vous les utiliserez la semaine prochaine.
48THÈME 2 - SÉANCE 1. MESURE D’UNE COMPOSANTE FRÉQUENTIELLE.
5
Pour aller plus loin
Un composant dédié au filtrage a été utilisé pour réaliser le filtre passe-bande
étroit qui sélectionne la fréquence. Sa structure est celle de la figure 1.5.
R
Cf
+
_
R
R
R
Ve
+
_
RF
A
Cf
B
R
RF
+
_
C
RQ
Vs
Figure 1.5 – Structure du filtre passe-bande utilisé
Pour analyser son fonctionnement on décompose le circuit en 3 parties. La première partie du circuit (figure 1.6) réalise une fonction d’addition-soustraction :
R
+
_
R
R
VC
R
VE
VB
RQ
VA
Figure 1.6 – 1er étage du circuit
Q15 Montrer que l’expression de la tension VA en fonction de VE , VB et VC s’écrit :
2R1
· (VE + VB )
R + 2R1
Les 2 parties suivantes réalisent une fonction d’intégration :
VA = −VC +
VB (jω) VC (jω)
−1
=
=
VA (jω)
VB (jω) jRF Cf ω
5. POUR ALLER PLUS LOIN
49
Q16 En déduire que l’expression de la fonction de transfert du filtre est bien celle
d’un filtre passe-bande, qui peut s’écrire selon :
j ωω0
G(jω) = −G0 ·
1+
avec G0 =
2R1
R+2R1 ,
Q=
R+2R1
2R1
et ω0 =
1
RF C f .
j Q1 ωω0
−
2
ω
ω0
50THÈME 2 - SÉANCE 1. MESURE D’UNE COMPOSANTE FRÉQUENTIELLE.
Thème 2 - Séance 2
Analyseur de spectre à
balayage
Les questions P1 à P3 doivent être préparées avant la séance.
Objectifs de la séance
Fonctions de l’électronique
Décalage en fréquence
Filtrage passe-haut
Analyse spectrale
Savoir-faire - Technologies
Multiplieur analogique
GBF : balayage en fréquence.
Oscillo : trigger
Lire une datasheet
Sommaire
1
2
3
4
Préparation : multiplication et décalage de fréquence
Décalage en fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
Mise en œuvre d’un multiplieur . . . . . . . . . . . . .
2.2
Décalage en fréquence à l’aide du multiplieur. . . . . .
Analyseur de spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1
Signal d’étude sinusoïdal . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2
Signal quelconque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3
Signal audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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52
53
53
55
55
55
56
57
57
Introduction
Lors de la première partie du TP, vous avez réalisez un dispositif, filtre et détecteur de crête, permettant de mesurer l’amplitude d’une composante spectrale à
une fréquence fI . Afin d’étudier l’ensemble des composantes spectrales d’un signal
51
52
THÈME 2 - SÉANCE 2. ANALYSEUR DE SPECTRE À BALAYAGE
inconnu, il est possible de réaliser une série de dispositifs de ce type afin de couvrir
toutes les bandes spectrales d’intérêt.
Une autre approche, et c’est celle qui nous intéresse ici, consiste à translater le
spectre du signal à étudier au cours du temps, pour ’faire passer devant le filtre’ les
différentes composantes spectrales du signal. C’est le principe de fonctionnement de
l’analyseur de spectre à balayage rappelé par la figure suivante.
L’objet de cette séance est de concevoir la partie balayage en fréquence et de
l’associer avec le circuit précédent pour réaliser un analyseur de spectre complet.
Spectre s
−f
f
p
p
−f
Filtre
passe-bande
Signal à
analyser
X
f
f
I
Détecteur
de crête
I
Affichage
du spectre
Oscillateur
Local
f
I
Voie Y
p
Span
f
p
Voie X
Span
t
Figure 2.1 – Schéma de principe d’un analyseur de spectre à balayage
L’oscillateur local sera le GBF en mode Sweep. Le multiplieur fait l’objet de la
première partie de la séance.
1
Préparation : multiplication et décalage de fréquence
La fonction multiplication est la fonction centrale dans l’analyseur de spectre.
Le multiplieur permet de faire le produit entre une tension sinusoïdale de fréquence fP et une tension sinusoïdale de fréquence f0 .
P1 Montrer que ce produit peut s’écrire comme la somme de deux tensions sinusoïdales. Quelles sont les fréquences de ces deux tensions sinusoïdales ? Expliquer
pourquoi parle-t-on, dans ce cas, de décalage en fréquence ?
2. DÉCALAGE EN FRÉQUENCE
53
Pour effectuer la fonction multiplication, nous utiliserons un multiplieur analogique AD 633JN d’Analog Devices. Ce composant est onéreux et devra être câbler
avec précaution (il coûte 10e environ pièce).
P2 En préparation de ce TP, chercher la documentation de ce composant (AD 633JN
datasheet). À partir de la lecture de la documentation constructeur :
– Préciser la fonction exacte réalisée par le composant.
– Quelles sont les valeurs typiques des tensions d’alimentation ?
– Quelle est la gamme des tensions d’entrée possibles ?
– Quelles sont les valeurs de la bande-passante et du slew-rate ?
– Quelle est la valeur de l’impédance d’entrée ?
P3 Ce composant permet-il de travailler dans le domaine des fréquences audio
(50 Hz à 10 kHz) ?
2
2.1
Décalage en fréquence
Mise en œuvre d’un multiplieur
La fonction de multiplication entre deux signaux est réalisable par des composants dédiés, les multiplieurs analogiques. Cette fonction a de nombreuses applications et notamment le décalage en fréquence.
On utilise le multiplieur analogique AD 633 d’Analog Devices étudié en préparation.
On propose dans un premier temps le circuit de la figure 2.2 pour le mettre en
œuvre.
Q1 Quelle est la nature et le rôle des deux filtres CR placés en entrée du multiplieur ?
On propose de choisir les valeurs de ces composants de l’ordre de R = 100 kΩ et
C = 100 nF.
Q2 Quelle est la fréquence de coupure correspondante ? Ces filtres seront-il gênants
pour l’étude de signaux audio ?
54
THÈME 2 - SÉANCE 2. ANALYSEUR DE SPECTRE À BALAYAGE
+
V1
C
R
X
Σ
Vs
+
V2
C
R
AD633
Figure 2.2 – Produit de deux signaux. Circuit utilisant un multiplieur AD633JN.
Réaliser le câblage du multiplieur afin de multiplier un signal sinusoïdal d’amplitude 5 V crête à crête et de fréquence 3 kHz par lui-même.
Q3 Comparer les amplitudes des signaux d’entrée et de sortie. Vérifier que le circuit
effectue bien la multiplication attendue.
Afin d’obtenir une amplitude de signal de sortie plus grande, on propose le circuit
de la figure 2.3 qui utilise deux potentiomètres multi-tours de l’ordre de P1 = 470 kΩ
et P2 = 10 kΩ.
+
V1
C
R
X
Σ
+
V2
C
Vs
P1
R
AD633
-15V
P2
+15V
Figure 2.3 – Produit de deux signaux. Circuit de gain et d’offset réglables.
Modifier le montage selon la figure 2.3.
Q4 Modifier les positions des curseurs des potentiomètres et vérifier que le potentiomètre P1 permet de régler le gain et que le potentiomètre P2 permet de modifier
la tension d’offset en sortie.
3. ANALYSEUR DE SPECTRE
55
Régler soigneusement les deux potentiomètres afin d’annuler la tension d’offset
et d’avoir une amplitude de quelques volts en sortie.
2.2
Décalage en fréquence à l’aide du multiplieur.
En utilisant les deux GBF, placer deux signaux sinusoïdaux d’amplitude 5 V
en entrée du multiplieur :
– V0 à la fréquence f0 = 13 kHz
– et Vp à la fréquence fp = 10 kHz .
Vérifier que le signal de sortie peut être vu comme la somme de deux sinusoïdes.
Mesurer leurs fréquences et leurs amplitudes respectives.
Q5 Le résultat est-il conforme à la réponse à la question de préparation P1 ? Quel
serait le résultat pour deux sinusoïdes l’une à 500 Hz et l’autre à 2, 5 kHz ?
Q6 Pour une tension sinusoïdale de fréquence f0 donnée, par exemple f0 = 500 Hz,
quelles sont les deux fréquences fp qui permettent d’obtenir un signal de sortie du
multiplieur qui contienne une composante spectrale à la fréquence fI ? On rappelle
que fI est la fréquence centrale du filtre que vous avez construit à la séance précédente.
Le vérifier expérimentalement.
3
3.1
Analyseur de spectre
Signal d’étude sinusoïdal
Premières mesures
Connecter le circuit multiplieur à l’ensemble ’filtre passe-bande + détecteur de
crête’ et placer à nouveau deux signaux sinusoïdaux en entrée du multiplieur,
– l’un, V0 , à la fréquence f0 = 500 Hz
– le deuxième à fp = fI −f0 , où fI est la fréquence centrale du filtre passe-bande.
Vérifier, en modifiant la fréquence fp , que le signal de sortie passe bien par un
maximum à la fréquence fp attendue.
Montrer qu’il existe un second maximum et vérifier la valeur de la fréquence fp
correspondante.
56
THÈME 2 - SÉANCE 2. ANALYSEUR DE SPECTRE À BALAYAGE
Vérifier que la valeur de ces maxima est bien proportionnelle à l’amplitude du
signal V0 .
Balayage en fréquence avec le mode Sweep du GBF
Faire varier la fréquence fp au cours du temps en utilisant le mode Sweep du
GBF. Réaliser un balayage linéaire en fréquence de 1 à 6 kHz en 500 ms (Sweep Time).
Afficher le signal de sortie et le signal (sync) de synchronisation du GBF. Utiliser
ce dernier pour synchroniser l’oscilloscope, en mode normal (et non auto).
Pour mesurer la fréquence, fp , en abcisse, utiliser l’onglet Marker du mode
Sweep. La valeur de la fréquence réglée pour le marker correspond au front descendant du signal de synchronisation. Placer le marker à la fréquence fI et synchroniser
l’oscilloscope sur le front descendant du signal Sync.
Q7 Pourquoi observe-t-on deux composantes fréquentielles ? Quelles sont leurs fréquence ?
Diminuer le temps de balayage. Mesurer précisément la largeur des pics.
Q8 De quoi dépend cette largeur ?
La résolution d’un analyseur de spectre est sa capacité à résoudre deux fréquences
très proches. Elle est quantifiée par sa bande passante de résolution (RBW : résolution Bandwidth).
Q9 Quelle résolution peut-on obtenir avec votre analyseur de spectre ? Par quelle
partie du montage est-elle limitée ?
3.2
Signal quelconque
Placer à l’entrée de l’analyseur un signal V0 rectangulaire de fréquence 300 Hz.
Q10 Expliquer l’allure des spectres obtenus. Vérifier que l’analyseur de spectre
que vous avez construit permet d’obtenir les composantes spectrales du signal V0 .
Mesurer les valeurs des fréquences et des amplitudes de ces composantes spectrales de V0 .
4. POUR ALLER PLUS LOIN
57
Refaire la même étude pour un signal triangulaire et/ou un signal carré de
rapport cyclique égal à 0, 25. Commenter.
La résolution d’un analyseur de spectre est sa capacité à résoudre deux fréquences
très proches.
Mesurer la résolution obtenue obtenue avec votre analyseur de spectre.
Q11 Comment pourrait-on essayer de l’améliorer ?
3.3
Signal audio
Dans cette partie, on utilisera la sortie "casque" de la carte son de l’ordinateur
pour mesurer les spectres de différents sons. Un câble mini Jack-RCA et un adapteur
RCA - coaxial permettent d’appliquer cette sortie audio sur votre analyseur de
spectre.
Analyser les échantillons sonores issus de sons divers. Vous pouvez utiliser des
sons que vous avez préparé ou utilisez les notes d’une clarinette ou d’un saxophone,
disponibles sur le site libres savoirs. Vous pouvez aussi rechercher des sons sur internet.
Q12 Analyser soigneusement quelques sons : fréquences, hauteur de la note, présence et amplitude des d’harmoniques, etc. Vérifier par exemple que la clarinette a
préférentiellement des harmoniques impaires (tiens, pourquoi ?).
4
Pour aller plus loin
Pour la fonction de multiplication, nous utilisons (circuit de la figure 2.3) un montage permettant d’obtenir un gain et un offset réglable décrit dans la documentation
sous l’appellation connection for variable scale factor. La sortie du multiplieur peut
être alors représentée par le schéma de principe de la figure 2.4.
58
THÈME 2 - SÉANCE 2. ANALYSEUR DE SPECTRE À BALAYAGE
X .Y
10V
Σ
W
R1
A
R2
S
Figure 2.4 – Principe du montage Variable scale factor du multiplieur. Les notations X, Y, W et S sont celles du constructeur.
Q13 Le pont diviseur de tension formé par les 2 résistances R1 et R2 permet
d’écrire que :
R2
(W − S)
A−S =
R1 + R2
En déduire que l’expression de la tension de sortie est de la forme :
W =α·
Quelle est l’expression de α ?
X ·Y
+S
10 V