Séance 2 : Capteur et interface analogique et interface analogique I

Option Architecture et traitement des signaux – 2016
Séance 2 : C apteur et interface analogique
I. Capteur OPT101
L’OPT101 (datasheet en annexe) est un capteur de lumière qui intègre une photodiode. La
photodiode est un dispositif électronique de conversion des photons en électrons. La
photodiode génère un courant proportionnel à la quantité de photon (lumière reçue). Le
capteur OPT1010 intègre une photodiode et un étage d’amplification de type transimpédance. Il convertit le courant généré par la photodiode en une tension. Le synoptique du
composant est ci-dessous.
Figure 1. capteur OPT101 et synoptique électrique
Travail à réaliser
1.1.1 Câbler sur une plaque Labdec l’OPT101 en respectant le schéma de câblage donné sur
la figure 1. L’alimentation du capteur sera entre 0 et 5v.
1.1.2 Avec une LED rouge, alimentée en continue, vérifier que la tension de sortie est
proportionnelle à la quantité de lumière reçue, en faisant varier la distance de la LED
au capteur ou en faisant varier le courant traversant la LED via un potentiomètre.
1.1.3 Positionner les doigts entre la LED et le capteur, et observer en sortie du capteur sur
l’oscilloscope le signal cardiaque.
1.1.4 Consigner dans le CR l’observation.
1.1.5 Alimenter la LED avec un GBF.
1.1.5.1 Déterminer le temps de réponse de la photodiode.
1.1.5.2 Déterminer la bande passante du capteur.
1.1.5.3 Mettre entre la sortie 5 et la broche 2 une résistance de 100k. Recommencer la
mesure du temps de réponse et de la bande passante du capteur.
1.1.6 Déduire de cette observation, les spécifications du pré-traitement analogique à réaliser
(filtrage, amplification, etc.). La fréquence cardiaque est comprise entre 50 et 200
battements par minutes.
Pr. Olivier ROMAIN
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II. Etage d’amplification
On souhaite pouvoir filtrer et amplifier la tension en sortie du capteur avant d’acquérir le
signal via un ADC de type AD7810.
Figure 2. Synopsis de l’acquisition
Les filtres passe-haut et passe-bas utiliseront la structure de Rauch ci-dessous :
Figure 3. Structure de Rauch
II.1 Filtre passe-haut
Travail à réaliser
On prendra Z1=Z3=Z4=C avec C=1uF, et, Z2=R1 et Z5=R2.
1.1.7
1.1.8
1.1.9
1.1.10
Dessinez la structure du filtre passe-haut
Déterminer la fonction de transfert H1(p) du filtre
Déterminer l’expression de la fréquence wo en fonction de C, R1 et R2
Déterminer l’expression du coefficient de surtension q=1/2*m (où m représente le
coefficient d’amortissement) en fonction de R1 et R2.
1.1.11 En prenant une fréquence fo de 0.5Hz et q=1, déterminer les valeurs de R1 et R2
1.1.12 Vérifier sous Matlab la réponse fréquentielle de H1(p) en utilisant le script ci-dessous
Pr. Olivier ROMAIN
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clear all;
close all;
clc;
C=1e-6;%1uF
fo=0.5;%0.5Hz
q=1;
R1= ;%à déterminer
R2= ;%à déterminer
num=[-C*C*R1*R2 0 0]
den=[R1*R2*C*C 3*R1*C 1];
H1=tf(num,den);
f=0:0.01:10000;
bode(H1,f)
1.1.13 Câbler sur plaquette Labdec le filtre passe-haut. On utilisera pour cela une tension
d’alimentation des amplificateurs entre 0 et 5v. La référence sera à 2.5v comme pour
le filtre ci-dessous.
Figure 4. Filtre passe-haut
1.1.14 Proposer un montage avec un amplificateur et des composants passifs pour réaliser la
référence de tension à 2.5v à partir du 5v. Faites vérifier par le surveillant.
1.1.15 Consigner le schéma du montage dans votre compte-rendu.
1.1.16 Relever expérimentalement le diagramme de bode du filtre passe-haut sur papier
semilog.
II.2 Etage d’amplification
On souhaite faire un étage d’amplification non-inverseur. Le montage qui réalise cette
fonction est donné ci-dessous.
Pr. Olivier ROMAIN
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Figure 5. Etage amplification
Travail à réaliser
1.1.17 Déterminer la fonction de transfert H2(p) de cet étage
1.1.18 Déterminer la fonction de transfert H2(p) du montage
1.1.19 On souhaite avoir un gain variable entre 0 et 20dB. Déterminer le gain en dB de
H2(P). La résistance R2 est fixe. Quelle est la plage de variation de R1 ?
1.1.20 Quel composant permet de faire varier R1 ?
1.1.21 Câbler sur plaquette Labdec l’étage d’amplification derrière le filtre passe-haut.
1.1.22 Relever sur la même papier semilog que précédemment la réponse fréquentielle de cet
étage pour le gain minimal et maximal.
1.1.23 Pour les deux valeurs extrêmes de R1, déterminer expérimentalement le gain de cet
étage.
II.3 Filtre passe-bas
Travail à réaliser
On prendra Z1=Z3=Z4=R avec R=100k, et, Z2=C1 et Z5=C2.
1.1.24
1.1.25
1.1.26
1.1.27
Dessinez la structure du filtre passe-bas
Déterminer la fonction de transfert H3(p) du filtre
Déterminer l’expression de la fréquence wo en fonction de R, C1 et C2
Déterminer l’expression du coefficient de surtension q=1/2*m (où m représente le
coefficient d’amortissement) en fonction de C1 et C2.
1.1.28 En prenant une fréquence fo de 3Hz et q=1, déterminer les valeurs de C1 et C2
1.1.29 Vérifier sous Matlab la réponse fréquentielle de H3(p) en utilisant le script ci-dessous
clear all;
close all;
clc;
R=100000;%100k
fo=3;%3Hz
q=1;
Pr. Olivier ROMAIN
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C1= ;%à déterminer
C2= ;%à déterminer
num=[-1];
den=[R*R*C1*C2 3*R*C2 1];
H3=tf(num,den);
f=0:0.01:10000;
bode(H3,f)
1.1.30 Câbler sur plaquette Labdec le filtre passe-bas. On utilisera pour cela une tension
d’alimentation des amplificateurs entre 0 et 5v. La référence sera à 2.5v comme pour
le filtre ci-dessous.
Figure 6. Filtre passe-bas
1.1.31 Consigner le schéma du montage dans votre compte-rendu.
1.1.32 Relever expérimentalement le diagramme de bode du filtre passe-bas sur le même
papier semilog que les autres filtres.
1.1.33 Connecter tous les étages entres eux et vérifier expérimentalement que l’étage
d’amplification correspond bien à un filtre passe-bande à gain variable à l’aide d’un
GBF. Faites vérifier par le surveillant.
II.4 Mesure du rythme cardiaque
L’objectif est de vérifier que l’étage d’amplification permet d’obtenir une bonne dynamique
du rythme cardiaque.
Travail à réaliser
Connecter la sortie du capteur OPT101 à l’entrée de l’étage d’amplification (entrée du filtre
passe-haut). Utiliser une LED rouge et positionner votre index entre le capteur OPT101 et la
LED rouge.
1.1.34 Pour les deux valeurs extrêmes de R1, mesurer la dynamique expérimentale du signal
cardiaque en sortie du filtre passe-bas.
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1.1.35 Mesurer la fréquence cardiaque que vous obtenez à l’aide de l’oscilloscope.
1.1.36 Relever la courbe dans votre compte-rendu
1.1.37 Faites vérifier par l’encadrant
Compte rendu à rendre en fin de séance
Consigner dans votre compte rendu, les résultats que vous avez obtenus pour cette partie.
Vous mettrez en annexe de votre compte rendu les différents programmes que vous avez
développés ainsi que la méthodologie que vous avez adopté pour développer cette IP.
Fin Séance 2
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