Travaux Pratiques de Conditionnement de Signaux Analogiques et

optique. Ce schéma fait appel à toutes les notions abordées en cours d’électronique
d’instrumentation I & II (voir le schéma d’introduction du cours). La plupart des étages (au moins
des étages très proches) constituant cette chaîne seront dans ces TP.
Le travail qui sera demandé s’apparente, dans beaucoup de ses aspects, à un vrai travail que le
technicien aurait à effectuer dans un environnement professionnel réel.
Travaux Pratiques de Conditionnement de Signaux
Analogiques et d’Electronique d’Instrumentation
I.
Semestre SP3, Année 2017
Ces travaux pratiques d’Electronique d’instrumentation traitent de 6 sujets :
TP1 : Introduction : Oscilloscope numérique (texte à part)
TP2 : Caractérisation de l’ampli-op réel
TP3 : L’amplificateur différentiel et l’amplificateur d’instrumentation
TP4 : Filtrage actif et application
TP5 : Oscillateurs et générateur de signaux
TP6: Etude d’une électronique de chaîne de mesure: L’électrocardiogramme (ECG)
TP7 : Partiels de TP (2h)
Les TP nécessite une préparation. Les sujets de TP constituent, pour la plupart d’entre eux, une
application directe du cours et des TD. Il est impératif donc de disposer des documents du cours et
de TD lors de la séance de TP. Aucune question théorique de ce polycopié ne se sera refaite lors
de la séance de TP.
Dans certaines parties des TP 2, 3, 4 et 5, nous étudions des montages proches (ou
identiques parfois) à ceux qui constituent l’électronique de l’acquisition des signaux
d’électrocardiogramme ECG (voir schéma en introduction ci-dessous et en introduction du
cours) Le TP6 consiste à étudier la maquette complète de cette électronique d’ECG.
Introduction général sur le projet
Contexte du projet et problématique
Ce projet, ayant une application réelle, a été largement inspiré des travaux effectués dans un
laboratoire de recherche sur l’IRM. En effet, le laboratoire (Grenoble Institut des Neurosciences
GIN) s’intéresse aux applications biomédicales in vivo de la RMN (Résonance Magnétique
Nucléaire). Les travaux sont effectués tant sur l’homme que sur le petit animal (rat, souris). Ils
visent au développement, à l’évaluation et à l’exploitation du potentiel en neurosciences cliniques,
biologiques et cognitives de l’ensemble des méthodes de neuroimagerie par IRM (Imagerie par
Résonance Magnétique nucléaire).
Surveiller l’état du sujet (homme, rat) lors de l’expérience ou de l’examen d’IRM revêt d’une
importance majeure. Cette surveillance consiste à enregistrer plusieurs signaux physiologiques
d’intérêt. La température, la pression artérielle, le rythme respiratoire ou encore l’activité cardiaque
(ECG : Électrocardiogramme) et l’activité cérébrale (EEG : Électroencéphalogramme) sont les
signaux les plus couramment mesurés.
ème
Dans le cadre d’un stage d’ingénieur de 2
et d’un stage de fin de DUT de Mesures Physiques
(MPH-Grenoble 2008), nous avons mis en place, dans ce laboratoire, des systèmes électroniques
permettant l’acquisition et la transmission par fibre optique de signaux de l’ECG et de l’activité
respiratoire du sujet depuis l’intérieur de l’aimant d’IRM et sa cage de Faraday jusqu’à l’ordinateur
de visualisation et de traitement placé à distance. L’électronique utilisée dans ces systèmes fait à
appel à la quasi-totalité des notions que nous avons abordées en cours d’électronique
d’Instrumentation 1 et 2 (voir le chapitre 0 : Introduction).
Le principe simplifié de l’IRM consiste à placer l’échantillon (homme ou animal d’expérience)
dans un aimant produisant un champ magnétique statique intense B0 (2.35 T dans notre
application). Une impulsion d’excitation d’un second champ magnétique B1 radiofréquence est
ensuite envoyée dans l’échantillon grâce à une bobine d’excitation. La fréquence de l’excitation
dépend du champ B0 et elle vaut 100 MHz à 2.35 T. La bobine d’excitation est accordée à la
fréquence de résonance 100 MHz. A la fin de cette excitation, un signal de résonance (signal RMN)
en provenance de l’échantillon est détecté. Ce signal s’apparente à une sinusoïde amortie, à la
même fréquence de 100 MHz. Il est détecté, par induction, par la même bobine qui assure
l’excitation (La bobine est accordée, avec une capacité, à la fréquence de résonance de 100 MHz
selon exactement le même principe que l’antenne de votre radio que vous avez réalisé en S2). Le
signal reçu est exploité pour être utilisé dans la reconstruction d’une image par exemple.
La problématique du projet (du stage) est la suivante (voir figure 1) :
(Voir aussi l’introduction au cours)
L’ensemble de ces TP ont pour objectif TP d’acquérir les connaissances et les compétences
nécessaires à la réalisation d’une électronique d’une chaîne de mesure complète permettant de
collecter les signaux d’électrocardiogramme (ECG) et de les transmettre à distance par fibre
1
2
Nous ne souhaitons donc pas utiliser de câbles électriques pour transmettre le signal ECG
en dehors de la cage de Faraday. Ces câbles peuvent en effet rompre « l’étanchéité » de la
cage de Faraday.
La solution est donc de transmettre ces signaux ECG par fibre optique.
II.
Le cahier des charges de l’électronique à réaliser :
1
Nous utilisons 3 électrodes : deux électrodes, P1 et P2, sont placées sur les poignets du
sujet et une électrode de référence (P3) placée sur le pied droit qui servira d’électrode de
masse (le patient va être relié à la masse du circuit).
Les signaux d’intérêt sont différentiels. l’information clinique est contenue dans la
différence du potentiel (P1-P2). Le niveau des signaux différentiels est d’environ 1 mV.
Nous fixons donc un gain total d’environ 1000.
Dans notre application, la bande passante d’intérêt des signaux de l’ECG est entre 0.2 Hz
et 25-30 Hz environ.
Une fois amplifiés et filtrés, ces signaux doivent être transmis par fibre optique après une
modulation en largeur d’impulsion (MLI).
Le circuit d’émission sera alimenté par 2 piles de 9 V.
A la réception, une électronique de réception permet d’effectuer la conversion
optique/électrique et la démodulation.
Par contraintes de temps, nous ne réalisons pas ici les circuits. Vos connaissances vous
permettent néanmoins de les concevoir et de les réaliser dans leur intégralité. D’ailleurs, les
circuits (maquettes) mis à votre disposition ont été conçus, simulés (sous PSPICE) et
réalisés par vos camarades du groupe SP3 (ayant donc les mêmes pré- requis que vous)
sous forme d’un projet de 20 heures de travail.
Figure 1 : Problématique du projet
Pendant l’examen d’IRM, et pour des raisons multiples, nous avons besoin de connaître
l’activité cardiaque du sujet.
Nous nous contentons ici, notamment lors du TP, d’analyser et de comprendre l’ensemble
des étages intervenant dans ces circuits et tester leur fonctionnement. Ce travail de test
s’apparente à un travail concret de technicien.
Il faut donc réaliser un système électronique permettant l’acquisition des signaux de l’ECG.
Le circuit électronique doit naturellement être placé dans l’aimant de l’IRM au plus près du
sujet qui sera muni d’électrodes (capteurs).
La visualisation de signaux se fait sur un PC ou un oscilloscope situé à environ 10 mètres de
l’aimant.
L’aimant de l’IRM est situé dans une cage de Faraday permettant d’atténuer les
interférences et les bruits extérieurs notamment dans notre cas où la fréquence de travail de
l’IRM est autour de 100 MHz (dans la bande des stations radio FM). Ces interférences se
traduisent par des défauts sur l’image et par dégradation de sa qualité diagnostique.
1
3
Pour les applications en clinique, un ensemble de 12 électrodes peut être nécessaire
4
TP2 : Caractérisation de l’ampli-op réel
(Chapitre I du cours )
Le but de cette séance de TP est de d’illustrer quelques caractéristiques de l’ampli-op réel à
travers l’étude d’un montage de base. On s’intéressera dans un deuxième temps à l’étude du
gain, de la bande passante du montage non inverseur et de l’effet du slew rate.
On utilisera l’ampli-op LM741 dont la fiche technique (Datasheet) est donnée en annexe.
I. Effets la tension de décalage d’entrée VOS
1.
Réaliser le montage de la figure 1. On utilisera l’amplificateur opérationnel LM741 (fiche
technique en annexe) alimenté en ± 15 V et on choisira R1=1 kΩ et R2=10 kΩ.. Quelle valeur
doit-on choisir pour la résistance R3? Justifier.
R3
+
-
e
s
R2
R1
Figure 1
5
2.
Exprimer le gain A0 du montage si l’on considère que l’ampli-op est idéal.
3.
Mesurer la valeur du gain à la fréquence 100 Hz et pour une amplitude de 50 mV du signal
d’entrée. Comparer cette valeur mesurée avec la valeur théorique.
4.
Proposer une méthode de mesure de la tension de décalage (Soffset) à la sortie de
l’amplificateur. Mesurer, si cela est possible, cette tension
N.B. La tension observée à la sortie dans ce cas est probablement très bruitée, utiliser la
fonction appropriée de l’oscilloscope numérique pour réduire le bruit.
5.
Proposer une solution pour avoir une valeur de Soffset plus grande (plus facilement mesurable
donc) ? Tester.
6
6.
Quelle sera l’erreur de mesure commise si on utiliserait ce montage pour amplifier une
tension continue E=1 mV si on ne tient pas compte de la tension de décalage en sortie (voir
TD 3)?
7.
En se basant sur les données du fabricant du LM741, quelle est la valeur du le facteur de
mérite de l’ampli-op ? Quelle est la valeur de son gain statique en boucle ouverte ?
7.
Le fabricant du LM741 propose un montage simple permettant la compensation de l’offset
(voir la fiche technique). Réaliser ce montage et tester.
8.
Tracer sur la même feuille semi-logarithmique l’asymptote oblique de la courbe de gain
boucle ouverte de l’ampli-op.
9.
Comparer les résultats expérimentaux (gain et bande passante du montage) aux résultats
de la théorie (vérifier que le produit gain-bande passante est presque constant).
Par la suite, on peut conserver le circuit de compensation réalisé. Dans le cas contraire
(conseillé pour ne pas encombrer le montage), on tiendra compte de la tension de
décalage si on effectue des mesures en continu.
N.B. Dans le schéma de l’électrocardiogramme, le montage formé par l’ampli-op
U2 :B TL064 et les résistances R8 et R9 est un montage non inverseur. Nous
verrons le rôle de la capacité C10 en TP6.
II. Gain et bande passante du montage (voir TD 2- exercice 1)
On reprend le montage de la figure avec 1 R1=1 kΩ et R2=100 kΩ.. On souhaite tracer sur
une feuille semi-logarithmique la courbe du module de gain du montage en fonction de la
fréquence.
Quelle est la valeur du gain statique du montage (ne tenez pas compte de C10) ?
III.
1.
Quel type signal d’entrée e(t) faut-il choisir ? justifier.
2.
Comment choisir l’amplitude de l’entrée (quel(s) phénomène(s) faut-il éviter en sortie du
montage)?
Effet du Slew Rate (SR) : vitesse maximale de balayage (voir TD2exercice 3)
1.
Réaliser et tester un montage suiveur à base de l’ampli-op 741.
2.
Le signal d’entrée e(t) est sinusoïdal de 5 V crête à crête et de fréquence égale à une
centaine de Hz. Visualiser sur l’oscilloscope les tensions e(t) et s(t). Quel est le gain du
montage?
3.
Augmenter progressivement la fréquence du signal d’entrée (aller jusqu’à 100 kHz voire
plus) et commenter vos observations sur le signal de sortie.
Par la suite, on choisira l’amplitude de l’entrée permettant d’éviter ces phénomènes en
sortie et aussi de réaliser les mesures les plus précises possibles.
3.
La courbe du module de gain sera tracée sur une feuille semi-logarithmique à 6 décades
dans la plage de fréquences [1 Hz, 1 MHz]. Comment procède-t-on pour préparer la feuille
à une utilisation optimale ?
4.
Tracer donc la courbe de gain du montage en dB en fonction de la fréquence. Quels
appareil(s) de mesure peut-on/doit-on utiliser ? Peut-on utiliser le dBmètre pour la
mesure ? justifier soigneusement votre réponse.
5.
Déduire de la courbe les valeurs du gain statique et de la fréquence de coupure à -3 dB.
6.
Tracer sur la même feuille la courbe de gain mesuré lorsque R2=10 kΩ.. Déduire de la
courbe la nouvelle valeur du gain statique et celle de la fréquence de coupure à -3 dB.
7
4.
Mesurer aussi précisément que possible la fréquence à partir de laquelle on observe une
distorsion du signal de sortie?
5.
Mesurer le slew rate de l’ampli-op et comparer à la valeur fournie par la fiche technique.
6.
La tension crête à crête du signal d’entrée est maintenant de 10 V. Mesurer avec la plus de
précision possible la nouvelle valeur de fmax.
8
1. .Question de préparation théorique : En appliquant le théorème de superposition ou la
loi des nœuds, montrer que
TP3 : Amplificateur différentiel et amplificateur d’instrumentation
(Chapitre II du cours )
s = Ad (e1 − e2 )
N.B. Dans le schéma de l’électrocardiogramme, le montage formé par le
composant U1 AD620 et la résistance R3 est un amplificateur d’instrumentation
(amplificateur différentiel) permettant de faire la différence entre les potentiels P1
et P2 des deux électrodes et d’amplifier cette différence. On rappelle que
l’information utile l’ECG est contenue dans la différence (P1-P2). C’est ce type de
montage qui nous étudions dans ce TP.
Attention : le paragraphe II.2 est prioritaire. Il nécessite au moins 1 heure
environ. Il faut traiter ce paragraphe quelque soit l’état d’avancement sur les
autres partie du TP.
On s’intéresse donc dans cette séance aux caractéristiques de l’amplificateur différentiel et
de l’amplificateur d’instrumentation. On étudiera en particulier l’influence de la tension de mode
commun sur la précision des mesures. On utilisera finalement un amplificateur d’instrumentation
intégré pour la mesure du courant d’une photodiode (mesure de flux lumineux).
Où Ad est le gain différentiel que l’on exprimera en fonction des résistances.
2.
technique en annexe) alimenté en ± 15 V et on prenant R1=1 kΩ et R2=10 kΩ.
3.
Mesurer (valeur et signe) le gain différentiel Ad du montage à 100 Hz en utilisant un seul
GBF. Expliquer la procédure de mesure.
4.
Déconnecter le GBF du montage (de la maquette).
5.
Appliquer maintenant une même tension continue de +15V sur les deux entrées e1 et e2 (la
tension +15 V est déjà disponible pour l’alimentation + VCC de l’ampli-op) Quelle est la
valeur de la tension qu’on doit avoir théoriquement à la sortie? Mesurer à l’aide de
l’oscilloscope cette tension de sortie. Quelle est l’origine de cette tension ? s’agit-il
uniquement de la tension d’offset liée à la tension d’offset Vos d’entrée (voir TP1) ?
6.
Déconnecter la tension continue de +15 V des entrées e1 et e2
7.
On applique maintenant une même tension sinusoïdale e (fréquence d’environ 50Hz et
sans tension de décalage) sur les deux entrées e1 et e2 :
I. Amplificateur différentiel (amplificateur de différence):
I.1.
Réaliser le montage de la figure 1 en utilisant l’amplificateur opérationnel LM741 (fiche
Amplificateur différentiel simplifié et notion de mode commun
On considère le montage de la figure 1 ci-dessous où l’on suppose que le gain en boucle
ouverte, l’impédance d’entrée et la réjection en mode commun de l’ampli-op sont infinis.
e2
R2
R1
7.1
Faire varier, par pas de 2 volts, la valeur crête à crête de cette tension e entre
2 V et la valeur maximale fournie par le GBF disponible et mesurer à chaque fois la
valeur crête à crête de la tension de sortie de l’amplificateur (cette tension peut être
faible et bruitée, on utilisera donc la fonction appropriée de l’oscilloscope numérique
pour réduire le bruit).
-
s
+
R1
7.2 Tracer sur feuille millimétrique la courbe de s en fonction de
e1
e1 + e2
.
2
R2
7.3
Déduire de cette courbe la valeur du gain en mode commun Amc défini par
Amc =
Figure 1
9
s
(e1 + e2 )
2
10
7.4
Quelle est la valeur du CMRR du montage différentiel? On prendra pour ce calcul
R
la valeur mesurée du gain différentiel Ad (question 3). Exprimer la valeur du CMRR en
dB.
e2
7.5
I.2.
R
-
s
Quels sont alors les inconvénients de l’amplificateur différentiel réalisé?
Amélioration du montage précédent: adaptation d’impédance
On vient de voir qu’une tolérance (même de 1%) sur les résistances entraîne une
augmentation du gain Amc (dégradation importante du CMRR) et par conséquent une erreur de
mesure plus importante. Il faut donc utiliser des résistances de précision. On dispose
actuellement dans le commerce de résistances de précision avec des tolérances comprises
entre 0,1% et 1%. Cependant, deux problèmes persistent toujours :
Lors d’une mesure différentielle, les signaux d’entrée e1 et e2 dont on cherche à mesurer
la différence sont fournis par des sources ayant des résistances de sortie différentes, ce
qui influence le gain et diminue le taux de réjection.
On peut montrer par le calcul que la contribution des résistances dans le gain en mode
commun est minimale lorsque R1=R2, et maximale lorsque R1<<R2. Il faut donc utiliser des
résistances identiques si l’on souhaite minimiser le gain en mode commun (R1=R2=R), et
ceci au détriment du gain différentiel.
+
R
e1
+
s2
R
Même question en plaçant cette fois une résistance R3 de 100 Ω en série avec
l’une des résistances R2.
7.7
s1
Placer maintenant une résistance R3 =10 Ω en série avec l’une des résistances
R1=1 kΩ. Mesurer la valeur crête à crête de la tension de sortie pour e1=e2=20V
(crête à crête). En déduire la nouvelle valeur du gain en mode commun Amc et du
CMRR en dB. Comparer les valeurs de Amc et de CMRR avec celles mesurées
plus haut (sans la résistance R3).
7.6
+
-
Figure 2
1.
Réaliser le montage de la figure 2 avec R=1 kΩ.
2.
Quelle est la valeur du gain différentiel Ad de ce montage? Vérifier cette valeur par la
mesure.
3.
Mesurer la valeur crête à crête de la tension de sortie pour e1=e2=20V (crête à crête).
En déduire la valeur du gain en mode commun Amc et du taux de réjection CMRR en
dB.
4.
Placer sur l’une des deux entrées une résistance R3 =10 Ω. Mesurer le gain Amc et
calculer le taux de réjection mode commun en dB (CMRR). Comparer avec les valeurs
obtenues à la question précédente.
5.
Reprendre la question 4 avec R3 =100 Ω.
6.
Quel est l’ordre de grandeur des impédances d’entrée des deux voies de
l’amplificateur?
7.
Conclusions. Préciser en particulier l’avantage et l’inconvénient de ce montage par
rapport au montage de la figure 1 (paragraphe I.1)
8.
Questions d’approfondissement théoriques (à faire en dehors de la séance : voir
le l’exercice 1 du TD4 pour le calcul) : Avec le taux de réjection de notre
amplificateur mesuré précédemment, analyser les deux cas suivants :
Le montage de la figure 2 permet de résoudre ces deux problèmes.
er
1 cas : L’amplitude crête à crête de e1 est E1 = 1,0005mV et celle e2 est E2 =
0,9995mV. On suppose aussi que e1 et e2 sont en phase. Quelle est l’amplitude
crête à crête de la tension qu’on doit mesurer théoriquement à la sortie de
l’amplificateur ? Quelle sera la valeur mesurée réellement? Calculer (en %) l’erreur
commise.
11
12
e2
R
+
2ième cas : On utilise maintenant cet amplificateur pour mesurer une tension
différentielle de 1 µV avec une tension de mode commun de 1 V à l’entrée. Quelle
est la valeur de la tension mesurée à la sortie ? Quelle est alors l’erreur de mesure
commine ?
R
s1
-
R4
-
RG
s
A
RG
• Conclusion.
+
R4
-
e1
R
s2
+
R
Etage d’amplification et
d’adaptation d’impédance
Ad = 1 +
Etage de différence
Ad = −1
Amc ≠ 1
R4
RG
Amc = 1
Figure 4
II. Amplificateur d’instrumentation
Le paragraphe II.2 est prioritaire sur le paragraphe II.1. Chaque paragraphe nécessite 1 heure
environ. Selon le temps dont on dispose, on traitera les deux paragraphes ou bien seulement le
paragraphe II.2.
II.1.
On montre que le gain différentiel de ce montage est donné par (voir cours/chapitre 2)
Ad =1+ R4
RG
Montage de base :
Le montage réalisé dans le paragraphe I.2 permet de résoudre le problème lié aux
résistances de sortie des sources e1 et e2. Par ailleurs la contribution des résistances dans la
réjection mode commun est minimale (résistances identiques). Par contre, il est nécessaire
d’avoir un gain différentiel Ad bien supérieur à 1.
1.
Réaliser le montage ci-dessus (R=1 kΩ, RG=1 kΩ et R4=9,1 kΩ) et mesurer la valeur
du gain différentiel. Comparer avec la valeur théorique.
Pour cela, on réalise le montage à trois ampli-op (figure 4). C’est la structure générale d’un
amplificateur d’instrumentation.
2.
Mesurer le gain en mode commun et en déduire le taux de réjection en mode commun
(CMRR). Comparer ces résultats avec ceux des paragraphes I.1 et I.2. Conclusions.
II.2.
Amplificateur d’instrumentation intégré (exemple AD620) :
L’amplificateur d’instrumentation existe en circuit intégré. Il est optimisé pour posséder les
caractéristiques suivantes :
Impédances d’entrée élevées sur les deux voies (>100 MΩ)
13
14
Taux de réjection en mode commun (CMRR) très élevé (110 à 130 dB
typiquement)
Impédance de sortie très faible
Faible niveau de bruit
1.
Consulter en annexe la fiche technique de l’amplificateur AD620 pour la
signification des broches de cet amplificateur. Quelles sont les valeurs de
l’impédance d’entrée et du CMRR?
2.
Comment régler le gain différentiel? Réaliser un montage permettant d’avoir un
gain d’environ 50. Mesurer le gain différentiel à 50 Hz.
3.
Pour une fréquence d’environ 50Hz du signal d’entrée e (e=e1= e2) et pour ce
même gain de 50, mesurer le gain du mode commun de cet amplificateur.
Conclusion sur la valeur du CMRR (comparer avec la fiche technique).
TP4 : Filtrage actif
(Chapitre III du cours )
N.B. Dans le schéma de l’électrocardiogramme, les deux montages identiques
formé par l’ampli U2 :C, R11, R12, C11, C12 puis U2 :D, R13, R14, C13, C14 sont des
filtres actifs d’ordre 2 (corriger sur le schéma la valeur de C14 qui vaut 22 nF au
lieu de 100 nF)
Le but de cette séance de TP est d’étudier donc les caractéristiques fréquentielles de différents
types de filtres actifs (pas forcément les mêmes cités ci-dessus). On s’intéressera à l’application du
filtrage actif pour extraire un signal noyé du bruit ou taché par un autre signal parasite.
III.
4.
Application: Mesure du flux lumineux
On souhait utiliser l’amplificateur AD620 pour mesurer un flux lumineux. Le détecteur de
lumière est une photodiode dont le spectre de sensibilité s’étend dans la gamme des longueurs
d’onde de 400 à 1100nm (voir fiche technique en annexe).
Caractérisation des filtres
I.1 Réaliser le montage de la figure 1 ci-dessous (voir cours et TD6 d’électronique). Prévoir sur la
maquette un emplacement pour les deux autres montages (figure 2 et figure 3) qu’on
réalisera ultérieurement.
Pour collecter le courant dû à la lumière, la photodiode doit être polarisée en inverse. Dans
ce cas, le courant mesuré est la somme du courant inverse d’une diode normale et du courant
créé par la lumière. Ce mode de fonctionnement nécessite la connaissance exacte du courant
inverse lorsqu’on souhaite mesurer de très faibles flux lumineux2.
C2
R
Il existe, cependant, un autre mode de fonctionnement où le courant de la photodiode est
parfaitement proportionnel au flux lumineux. Ceci est réalisé en connectant, parallèlement à la
photodiode, une résistance de charge de faible valeur par rapport à sa propre résistance.
R
R
v
A
Pour nos mesures, on utilisera une résistance charge de 10 kΩ.
u
e
On câblera la photodiode et on utilisera l’amplificateur AD620 avec un gain d’environ 50.
Visualiser la sortie de l’amplificateur et interpréter la forme du signal observé. Quelle est
la valeur du courant de la photodiode?
+
s
C1
R = 15 kΩ
5. 2ème exemple d’utilisation : Dans le schéma de l’électrocardiogramme, quel
est le gain théorique de l’amplificateur d’instrumentation ? Quelle est la réjection
de mode commun (donner une fourchette de valeurs) ?
C1 = 100 nF
C2 = 1n F
Figure 1
On rappelle la différence (P1-P2) est de l’ordre de 1 mV chez l’homme et que P1
et P2 sont de l’ordre de 300 mV. Comparer, par le calcul les valeurs du terme de
tension différentielle en sortie avec le terme du mode commun.
2
Le TP de physique Photodiode vous fournira de plus amples renseignements sur les
caractéristiques d’une photodiode.
15
1.
Tracer sur une échelle semi-logarithmique la courbe de gain H
dB
(avec H =
S
) dans la
E
plage de fréquences [10 Hz, 10 kHz]. On veillera à d’étalonner auparavant la feuille semilogarithmique et à prendre un nombre de points de mesure suffisant autour des
extremums de la courbe.
16
2.
3.
Quel est le type de ce filtre ? Tracer l’asymptote oblique et déterminer graphiquement sa
pente.
C
S
Rappeler l’expression théorique de la fonction de transfert H ( jω ) =
E
R1
a. Justifier alors la pente de l’asymptote oblique déterminée graphiquement en (2)
C
R2
b. Quelle est la valeur théorique de la fréquence caractéristique de ce filtre ? Quelle est la
valeur mesurée de H à cette fréquence ? comparer à la valeur théorique attendue.
c. Déduire graphiquement la valeur du coefficient d’amortissement z et comparer avec la
v
valeur théorique attendue.
-
e
4.
5.
Modifier la valeur de R à 68 kΩ et de C1 à 4.7 nF. Tracer sur la même feuille semilogarithmique, de la question 1, le module en dB de la nouvelle fonction de transfert.
u
+
s
R1 = 2 kΩ = 1 kΩ + 1 kΩ
Comparer vos mesures à la théorie (valeur maximale de la courbe ; valeur de z ; valeur
du gain à la fréquence caractéristique).
R2 = 10 kΩ
C = 100 nF
Figure 2
Conserver le montage réalisé
7.
6.
N.B. Exercice à faire en dehors de la séance : Dans le schéma de
l’électrocardiogramme, les deux montages identiques formé par l’ampli U2 :C,
ème
ordre
R11, R12, C11, C12 puis U2 :D, R13, R14, C13, C14 sont des filtres actif de 2
de type passe-bas. Vous pouvez d’ors et déjà déterminer l’expression de la
fonction de transfert et identifier les différents paramètres (gain statique,
pulsation caractéristique, coefficient d’amortissement, pente de l’asymptote).
La démarche de leur étude est identique à celle effectuée ci-dessus. Nous
reviendrons sur ces filtres en TP6.
N.B. Un filtre parfaitement identique aux deux précédents est utilisé pour la
démodulation à la réception après fibre optique (vois schéma en Annexe 2)
Tracer sur une échelle semi-logarithmique la courbe de gain H
dB
(avec H =
S
) dans la
E
plage de fréquences [10 Hz, 10 kHz]. On veillera à d’étalonner auparavant la feuille semilogarithmique et à prendre un nombre de points de mesure suffisant autour des
extremums de la courbe.
8.
Quel est le type de ce filtre ? Tracer l’asymptote (les asymptotes) oblique(s) et déterminer
graphiquement sa (leurs) pente(s).
9.
Rappeler l’expression théorique de la fonction de transfert H ( jω ) =
S
E
a) Justifier alors la (leurs) pentes de l’asymptote (des asymptotes) oblique(s)
déterminée graphiquement en (7).
b) Déterminer graphiquement la fréquence centrale du filtre et comparer à la valeur
théorique attendue.
c) Quelle est la valeur mesurée du maximum de la courbe ? Quelle est la valeur
théorique attendue ?
I.2.
Réaliser le montage de la figure 2 ci-dessous (voir TD6 d’électronique). Prévoir sur la
maquette un emplacement pour le montage de la figure 3 qu’on réalisera ultérieurement.
d) Déterminer, à partir de la courbe, les deux fréquences de coupure et la largeur de la
bande passante du filtre. En déduire la valeur du facteur de qualité Q et de
l’amortissement z. Quelles sont les valeurs théoriques attendues de Q et de z ?
Conserver le montage réalisé
17
18
Applications du filtrage : cette partie nécessite l’utilisation de deux GBF
L’application principale du filtrage actif est l’extraction d’un faible signal utile (fourni par un
capteur pas exemple) noyé dans du bruit. On appelle bruit toute sorte de signal indésirable qui
s’ajoute au signal utile. Ce bruit peut être d’origine interne au circuit (bruit aléatoire toujours
présent et lié à l’agitation thermique des électrons libres dans les résistances) ou d’origine
extérieure au circuit (émission radio, bruit des machines tournantes, signal du secteur à 50Hz
…etc).
6.
La sortie s(t) du générateur des signaux bruités attaque l’entrée du filtre passe-bas
réalisé plus haut (figure 1 avec R = 68 kΩ et C1 à 4.7 nF). Visualiser s(t) et la sortie
du filtre. Commenter vos observations et justifier la différence d’amplitudes entre
les deux signaux.
7.
Reprendre les questions 5 & 6 si e2(t) est sinusoïdal de 10 kHz de fréquence et de
0.5 V d’amplitude.
Dans le cadre de ce TP, on réalisera un générateur de signaux bruités. Ce générateur
nécessite deux GBF et un montage électronique basé sur l’utilisation d’un ampli-op. Les signaux
fournis par ce générateur peuvent être ensuite traités pour en extraire les signaux utiles.
8.
e1(t) est un signal sinusoïdal de fréquence égale à la fréquence centrale du filtre
passe-bande étudié précédemment (environ 350 Hz) et de 50 mV d’amplitude.
e2(t) est un bruit de haute fréquence fourni par le générateur Agilent (on réglera la
valeur crête à crête Vpp affichée par le générateur à 2 V avec sortie en High Z).
Observer e1(t) et e2(t) sur l’oscilloscope. Observer ensuite e1(t) et s(t).
Commentaires.
9.
La sortie s(t) du générateur de signaux bruités attaque maintenant l’entrée du filtre
passe-bande. Observer simultanément s(t) et la sortie du filtre, puis e1(t) et la
sortie du filtre. Justifier vos observations (notamment l’amplitude de la sortie du
filtre).
10.
Reprendre les questions 8 & 9 si e1(t) est sinusoïdal de 350 Hz de fréquence et de
0.5 V d’amplitude, et e2(t) est sinusoïdal de 10 kHz de fréquence et de 0.5 V
d’amplitude.
11.
e2(t) est maintenant un signal sinusoïdal de 50 Hz puis 10 Hz de fréquence et 0.5
V d’amplitude (signal parasite). Observer simultanément s(t) et la sortie du filtre,
puis e1(t) et la sortie du filtre. Commenter. Peut-on enlever dans ce cas le signal
parasite avec le filtre passe-bas ? Tester.
IV.
IV.1. Réalisation d’un générateur de signaux bruités:
On considère le montage de la figure 3 ci-dessous :
R3
R5
e 1 (t)
v
-
R4
e 2 (t)
u
+
s
Figure 3
1.
Question de préparation théorique (voir TD ampli-op d’ d’électronique I en
S2) : En appliquant la loi des nœuds en v, montrer que la sortie s peut s’écrire :
s=−(
2.
R5
R
e1 + 5 e 2 )
R3
R4
Que devient l’expression précédente si R3 = R4 = R5 ?
3.
4.
Réaliser le montage avec R3 = R4 = R5 = 10 kΩ .
On applique sur les deux entrées une même tension sinusoïdale e(t) = e1(t) = e2(t),
de fréquence égale à 100 Hz et 50 mV d’amplitude. Vérifier la fonction réalisée par
le montage en visualisant les tensions e(t) et s(t).
Par la suite, on conviendra que la tension e1(t) (fourni par le GBF HAMEG) désignera
le signal utile et e2(t) (fourni par le GBF AGILENT) le signal parasite
5.
e1(t) est un signal sinusoïdal de 100 Hz de fréquence et de 50 mV d’amplitude.
e2(t) est un bruit de haute fréquence fourni par le générateur Agilent (on réglera la
valeur crête à crête Vpp affichée par le générateur à 2 V environ avec sortie en
High Z). Observer e1(t) et e2(t) sur l’oscilloscope. Observer ensuite e1(t) et s(t).
Commentaires.
19
20
5.
Visualiser sur l’oscilloscope la caractéristique s(e). On prendra pour e une tension
triangulaire de 20 V crête à crête et de 100 Hz de fréquence. Interpréter la
caractéristique observée. Mesurer en particulier la largeur de l’hystérésis et comparer
avec la théorie.
6.
Reprendre la question 5 avec R1=100 Ω.
7.
Avec toujours R1=100 Ω, augmenter progressivement la fréquence du signal d’entrée et
interpréter les modifications de la caractéristique s(e).
TP5 : Triggers, oscillateurs et générateurs de signaux
(Chapitre IV du cours)
N.B. Dans le schéma de l’électrocardiogramme, le montage formé par formé les
ampli-op U3 :B et U3 :C et par les composants R16, R17, R18 et C16 est un générateur
de signaux triangulaires. L’ampli-op U3 :A est en boucle ouverte.
Ces deux montages vont permettre d’effectuer un type de modulation du signal
ECG avant transmission par fibre optique (voir TP6)
II. Oscillateur à relaxation: générateur de signaux carrés
1.
Le but de cette séance de TP est donc d’illustrer le fonctionnement de l’ampli-op en régime non
linéaire à travers l’étude d’un trigger de Schmitt. On étudiera ensuite différents types d’oscillateurs
et de générateurs de signaux basés sur l’utilisation d’ampli-op.
Réaliser le montage de la figure 2 avec R1=R2=1 kΩ, R= 100 kΩ et C= 1 µF
R
I. Trigger de Schmitt:
C
1.
Réaliser le montage de la figure 1 ci-dessous avec R1=10 kΩ et R2=100 kΩ..
R1
2
e
+
2
-
+
Figure 2
e(t) une tension triangulaire de 20 V crête à crête et de 100 Hz de fréquence. Visualiser
sur l’oscilloscope les tensions e(t) et s(t) et commenter vos observations (forme de
signaux, amplitude, fréquence).
Mesurer aussi précisément que possible les valeurs de e(t) pour lesquelles s(t) bascule
de +Vsat à –Vsat et inversement.
III.
4.
u
s
R1
Figure 1
3.
-
R2
R2
s
2.
v
2.
Relever l’oscillogramme de s. Mesurer la période T et comparer avec la valeur
théorique (donnée en cours et en TD).
3.
Visualiser simultanément les tensions s et v et interpréter la forme de la tension v.
Est-ce qu’on observe un changement sur la valeur de la période T du fait que l’on
visualise s et v simultanément? Interpréter.
4.
Visualiser simultanément les tensions s et u et commenter vos observations (forme
des signaux, amplitude, période…)
5.
Quelle pourrait être l’application d’un tel montage?
Générateur de signaux carrés et rectangulaires
Visualiser simultanément les tensions u et v. Ces deux tensions sont-elles identiques ?
Justifier.
1.
Réaliser le montage de la figure 3 ci-dessous avec R1=1 kΩ, R2=10 kΩ, R= 220 kΩ
et C=1 µF
21
22
2.
Réaliser un montage permettant au monostable de générer une impulsion de sortie
d’environ 450µs de durée lorsqu’il est déclenché par un front montant d’une
impulsion d’entrée.
C
+
R1
R2
R
IV.2. Le temporisateur (Timer) 555
-
s1
-
s
+
Le temporisateur 555 (fiche technique en annexe) est un circuit intégré de 8 broches
spécialisé dans la production de signaux. Il peut être facilement configuré (avec des
composants externes) pour fonctionner en mode monostable ou bistable (astable). Ce circuit est
très répandu et utilisé dans les applications nécessitant une temporisation, la génération
d’oscillations et d’horloges de fréquences facilement ajustables. Nous étudions ici son
focntionement en bistable.
Figure 3
4.
2.
Relever les oscillogrammes de s1 et de s et interpréter les formes de ses signaux. Mesurer
les amplitudes et comparer avec les valeurs théoriques.
3.
Mesurer la période T et comparer avec la théorie.
On souhaite configurer le circuit 555 en générateur de signaux rectangulaires. Deux
résistances (R1 et R2) et un condensateur C externes sont nécessaires.
Dans le schéma de l’électrocardiogramme, calculer la valeur de la période (et de
la fréquence) du signal triangulaire générés par l’oscillateur formé de U3 :B et
U3 :C, R16, R17, R18 et C16.
5.
a) Fonctionnement en astable (bistable)
1.
Réaliser alors le montage ci-dessous (figure 4) avec R1=100 kΩ, R2=220 kΩ et
C=10nF. Le circuit sera alimenté avec Vcc=5 V.
Vcc
Pour ce même montage, calculer une valeur approximative de l’amplitude des
ces signaux si les ampli-op sont alimentés en VCC = ±9V .
6.
R1
Quelle est la fonction réalisée par l’ampli-op U3 :A ?
IV.
4
7
Multivibrateurs: monostables et bistables
3
R2
IV.1. Le monostable 74123
uc
5
10nF
C
2
1
Figure 4
Consulter la fiche technique et expliquer, en s’aidant de la table de vérité du circuit,
la signification et le rôle des différentes broches du circuit.
23
s
555
6
Le 74123 comporte deux multivibrateurs monostables (fiche technique en annexe). Il est basé
sur l’utilisation de bascule R-S et de portes logiques.
Ce circuit, probablement le plus largement répandu comme monostable, peut produire des
impulsions de durées programmables à l’aide de composants externes (une résistance Rext et un
condensateur Cext). L’impulsion en sortie est déclenchée par un front actif (montant ou
descendant de l’impulsion d’entrée).
1.
8
2.
Visualiser sur l’oscilloscope les tensions uc et s. Justifier l’allure de ses signaux
3.
Mesurer la valeur maximale et la valeur minimale de uc. Comparer à Vcc.
24
4.
Mesurer la largeur de l’impulsion, la période, la fréquence et le rapport cyclique
de s. Comparer aux résultats théoriques (cours d’électronique ou fiche
technique du circuit 555).
TP6: Etude d’une électronique de chaîne de mesure :
Acquisition et transmission par fibre optique de signaux d’électrocardiogramme
(ECG)
b) Application : Alarme
II.1. Première partie : Amplification et filtrage des signaux de l’ECG
1.
Quel est le rôle de la broche 4 du circuit 555 ?
2.
Pour illustrer le rôle de cette broche, on modifie légèrement le schéma de
la figure 4. Réaliser alors le montage ci-dessous (figure 5) :
La chaîne est constituée d’une association de différents étages de filtrage et
d’amplification (voir schéma disponible sur le poste de travail et en introduction du
polycopié). Relire l’introduction aux TP.
Vcc
R3=1kΩ
8
R1
4
7
3
R2
s
555
10nF
C
2
Figure 5
4.
o
Pour les besoins de mesures, des interrupteurs permettent de connecter ou
déconnecter les différents étages. L’interrupteur est fermé en position « on »
(position indiquée par des flèches sur les interrupteurs).
o
Un interrupteur permet de mettre l’entrée P2 à la masse (voir le dessin sur la
maquette).
o
Une entrée GBF permet de connecter un GBF externe pour les besoins de
mesure.
o
Des points de test permettent de visualiser des tensions à l’aide de sonde
d’oscilloscope ou des grippes-fils. Ces points de test sont placés, à l’exception
du « test 8 » avant et après chaque interrupteur.
er
1 étage, choix et test du composant U1 (voir TD4-exercice 3)
Le premier étage est formé autour du circuit intégré U1 (amplificateur
d’instrumentation AD620) et la résistance R3.
Visualiser la tension de sortie s quand l’interrupteur est ouvert. Que se
passe-t-il lorsqu’on ferme l’interrupteur ?
On rajoute entre la sortie (broche 3) et la masse une association série d’un
condensateur C3=1µF, d’une résistance R4= 100Ω et d’un haut-parleur de
8 Ω d’impédance. On ouvre l’interrupteur, écouter!
5.
La maquette permet le choix de l’alimentation (alimentation externe ou
alimentation par piles 9 V).
1
1.
3.
o
5
6
uc
Remarques sur la présentation de la maquette (à lire impérativement avant
manipulation)
Quel est le rôle de ce circuit? Quel est le rôle de la résistance R3 ?
L’impédance de source des électrodes P1 et P2 (placées sur la peau) est
typiquement de quelques 100 kΩ. Quelle caractéristique essentielle doit posséder
le circuit U1 ? Donner la valeur de cette caractéristique.
Quel est le rôle du condensateur C3 et de R4 ? Justifier les valeurs choisies.
Les potentiels P1 et P2 ont des valeurs typiques autour de 0.3 V. Nous
rappelons que la tension d’intérêt est la différence entre P1 et P2 et qu’elle est de
l’ordre de 1 mV. Quelle est la problématique fondamentale dans la mesure de (P1-
25
26
P2) ? Quel est le paramètre essentiel que doit posséder le composant U1 ? Donner
une fourchette de la valeur de ce paramètre.
Alimenter la maquette « d’amplification-filtrage » en
l’alimentation continue du laboratoire.
Pour une meilleure précision des mesures, l’amplitude de l’entrée peut être
modifiée pour les différentes fréquences afin lorsque la sortie est très
atténuée (ATTENTION toutefois à ne pas saturer la sortie de l’ampli-op U2 :B)
± 9 V à l’aide de
•
Quelle est la bande passante à – 3 dB ? Des mesures précises des fréquences de
coupure sont exigées (mesure à 1 ou 2 Hz près pour la fréquence de coupure
haute et à 0.05 Hz près pour la fréquence de coupure basse).
•
Quel est le gain maximum du montage dans sa bande passante ?
Fermer l’interrupteur qui permet de mettre l’entrée de l’électrode P2 à la
masse.
•
Quelles sont les pentes des asymptotes ? (Pour ce faire, vous pouvez par
exemple imprimer votre courbe et tracer les asymptotes).
Mesurer le gain de l’étage à 10 Hz en utilisant un GBF. Vérifier qu’il correspond
au gain attendu.
•
Vous pouvez atténuer au maximum le signal d’entrée et observer successivement
les sorties des ampli-op U2 :B, U2 :C et U2 :D. Commenter.
er
Déconnecter le 1 étage du reste du montage en ouvrant de l’interrupteur « test
1»
2.
Gain total et bande passante de la chaîne d’amplification-filtrage:
2.2.
2.1 Mesures et étude Expérimentale
On se propose de vérifier si le montage répond au cahier des charges en termes de
bande passante et de gain dans la bande passante. On trace donc la fonction de
transfert.
Fermer les interrupteurs « test 1 », « test 2 » « test 3 ». Les interrupteurs suivants
restent ouverts.
•
•
•
La sortie du montage sera mesurée avec une sonde (ou des grippes-fils) au
niveau de l’interrupteur « test 4 » qui reste ouvert. L’impédance d’entrée de
l’oscilloscope « joue » le rôle de la résistance R15 (justifier).
Utiliser le GBF et l’atténuateur disponible sur la maquette habituelle de câblage
pour appliquer à l’entrée du montage P1 (P2 étant toujours à la masse) un signal
sinusoïdal de 1 mV crête à crête environ. Visualiser la sortie et faire un balayage
rapide en fréquence. Constater que la fonction de transfert est de type passebande.
Tracer le module (en dB) de la fonction de transfert dans l’intervalle [0.1 Hz, 100
Hz ou 1000 Hz si possible] sous le logiciel Excel (ou sur une feuille semi-log).
ATTENTION au couplage de l’oscilloscope AC/DC notamment pour les
mesures à basses fréquences ! (se mettre en DC par défaut)
27
Interprétation et justification des résultats
La chaîne est constituée d’une association de différents étages de filtrage et
d’amplification :
Les démonstrations des relations théoriques (fonctions de transfert) est à dehors de la
séance (à faire après le TP).
er
1 étage : Amplificateur d’instrumentation (AD620) de gain T0
précédemment)
d’environ 51 (vu
2ème étage : le circuit C9 - R10
•
Sa fonction de transfert est (à démontrer)
T 1 ( jω ) =
R10 C9 . jω
1 + R10 C9 . jω
•
Quel est le type de ce filtre ? Donner sa fréquence de coupure.
•
Justifier l’utilisation de cet étage ici
3ème étage : Etage formé par l’ampli-op U2:B, les résistances R8 et R9, et la
capacité C10
•
Mesurer le gain de cet étage à basses fréquences (0.1 Hz ou 5 Hz par exemple)
puis à hautes fréquence (1kHz ou 10k Hz)
•
Justifier qualitativement les valeurs mesurées.
28
Indication : comparer la valeur du module de l’impédance de C10 à la valeur de R9
à basse fréquence (5 Hz par exemple) et à haute fréquence (10 kHz). Quel à votre
avis le rôle de la capacité C10 ?
A la lumière des éléments fournis ci-dessus, Faire une synthèse justifiant la courbe que vous
avez mesurée.
En particulier
Quelle est l’expression de la fonction de transfert de la chaîne ?
N.B. Dans certaines applications, lors de la réalisation d’un montage amplificateur
non inverseur destiné à amplifier des signaux de basses fréquences, on choisit de
« limiter sa bande passante » (plus exactement : de ne pas amplifier les hautes
fréquences). Une solution simple consiste à connecter une capacité en parallèle avec la
résistance de la contre-réaction (C10 en parallèle avec R9 ici)
N.B2. Une justification rigoureuse nécessite, bien évidemment, la détermination de la
fonction de transfert de cet étage. Montrer que cette fonction de transfert est donnée par :
Z

(gain d’un montage non inverseur) avec Z = R9 //  1

R8
 jC10ω 
1 + τ 1 jω
On obtient T 3 ( jω ) = A0
1 + τ 2 jω
R
R9 R8
et τ = R C
Avec Ao = 1 + 9 , τ 1 = C10 (R9 // R8 ) = C10
(R9 + R8 ) 2 9 10
R8
T 3 ( jω ) = 1 +
Quel est le type attendu du filtre obtenu par l’association de l’ensemble des étages ?
Quelles sont les pentes des asymptotes ?
Quel est le gain théorique dans la bande passante ?
Quelle est la fréquence de coupure basse de ce filtre ?
N.B. ATTENTION : La fréquence de coupure haute de l’association est différente des
ème
ème
fréquences de coupure des étages individuels (les filtres passe-bas 4
et 5 étages) et
ème
le 3
étage). Ici, Il n’y pas de relation simple entre la fréquence de coupure de
l’association. La fréquence de coupure totale a été ajustée par simulation.
A ce stade, on pourrait en principe connecter les électrodes pour acquérir un signal d’ECG.
MAIS ATTENTION, nous ne réalisons pas cette opération pour des rasions de sécurité que
nous exposons par la suite.
Vous pouvez tracer la courbe réduite aux asymptotes de T 3 ( jω ) et la courbe réelle
II.2. Deuxième partie : Transmission par fibre optique :
ème
ème
4
et 5
chapitre 3)
étages : les étages formés par les ampli-op U2:C et U2 :D (voir cours1. Modulation en larguer d’impulsion (MLI)
(Corriger sur le schéma la valeur de C14 qui vaut 22 nF au lieu de 100 nF)
•
Remarquer que ces deux étages sont identiques. Le premier est formé par U2:C,
R11, R12, C11, C12 et le deuxième par U2:D, R13, R14, C13, C14. Leurs fonctions de
transfert sont (à démontrer) :
1
T 4 ( jω ) = T 5 ( jω ) =
2
1 + 2 zτ . jω + τ 2 ( jω )
Et τ = R11 C11 = R 12 C12
ème
6
Tracer la courbe réduite aux asymptotes de l’association de ces deux étages.
•
Quelle est la pente de l’asymptote oblique ?
• Mesurer les amplitudes et les fréquences de ces signaux.
• Quel est le montage réalisé autour des ampli-op U3:B et U3:C et des composants
R16, R17, R18 et C16 (voir TD1 d’électronique d’instrumentation et TP4)? Comparer les
mesures et la théorie.
Où z = 1
•
• L’interrupteur « test 4 », « test 5 » et « test 6) sont ouverts. Visualiser les sortie des
ampli-op U3 :B (au niveau de « test 8 ») et U3 :C (au niveau de « test 5 »).
Quelle est la fonction réalisée par l’ampli-op U3:A?
étage : Circuit C15 - R15
Remarquer que cet étage est identique au 2ème étage. Quelle est la fonction réalisée par ce
circuit ? Justifier son utilisation ici et la valeur choisie pour le produit C15 -R15.
Fermer les interrupteurs « test 4 », « test 5 ». L’interrupteur « test 6 » reste ouvert.
Appliquer à l’entrée de la chaîne (P1) un signal sinusoïdal de fréquence situé dans la
bande passante (10 Hz par exemple) et de 1 mV crête à crête.
Visualiser la sortie de l’ampli-op U3:A? Interpréter le signal obtenu (voir chapitre 1
du cours et exercice 4 du TD2 d’électronique d’instrumentation).
Association de l’ensemble des étages
29
30
Le composant HFBR 2524 est une photodiode suivie d’un transistor bipolaire à
collecteur ouvert. Quel est le rôle de la résistance R3 de 3.3 kΩ ? (une explication
pourrait être fournie par l’enseignant).
N.B On parle ici de Modulation en Largeur d’Impulsion (MLI ou PWD pour Pulse-Width
Modulation). Une explication sera fournie par l’enseignant.
Mais en résumé, le signal triangulaire (haute fréquence) est appelé porteuse et le signal de
basse fréquence est appelé « modulant » ou « message ». La largeur de l’impulsion est
proportionnelle à la valeur instantanée du signal modulant (voir cours chapitre 4).
Alimenter la maquette en ± 5 V à l’aide de la deuxième alimentation continue de
laboratoire. Attention : Ne pas dépasser 5 V sinon le composant est grillé !! son
coût est de 15 €).
Vous avez vu en S2 la modulation et démodulation d’amplitude lors de la réalisation de
votre radio. Ici, nous utilisons une « modulation en largeur d’impulsion MLI » (ou PWM pour
Pulse-Width Modulation). Cette modulation est par exemple utilisée pour transmettre des
signaux basses fréquences par fibre optique ou par infrarouge.
Dans ce type, la porteuse est un signal périodique constitué d’impulsions d’une certaine
largeur W. Cette largeur est constante en l’absence du signal modulant (l’information) m(t).
Fermer l’interrupteur « test 6 » et connecter la fibre optique entre la LED de la
maquette d’amplification-filtrage et la photodiode de la maquette de
réception/démodulation
•
L’interrupteur « test 1 » de la maquette de réception est ouvert. Visualiser le
signal à la sortie de ce composant (broche 1) et vérifier qu’on retrouve le signal
modulé en MLI. (le signal d’entrée de la chaîne est toujours sinusoïdal de 1 mV
crête à crête et de fréquence située dans la bande passante.)
•
Fermer l’interrupteur « test 1 » et Visualiser le signal à la sortie du filtre R4C4.
Quel est le rôle ce filtre ?
•
Quel est le montage réalisé autour de l’ampli-op U1 (TL081) ? Visualiser le signal
à la sortie de l’ampli-op et vérifier qu’on retrouve un signal proportionnel au signal
transmis. Quelle est alors la fonction réalisée par cet étage ?
Signal modulant
Porteuse sans modulation
Signal modulé en largeur d’impulsions
La modulation consiste à modifier la larguer des impulsions de la porteuse en fonction du signal
N.B. Constater que la porteuse n’est pas complètement supprimée
modulant m(t). A un instant donné t, la largeur de l’impulsion dépend de la valeur du signal
modulant à ce même instant. En d’autres terme W devient variable : w(t)=f(m(t)).
II.4. Visualisation des signaux ECG :
2. Conversion électrique/optique
Le signal modulé MLI en converti en signal optique à l’aide d’une LED (composant HFBR1524). Cette diode LED dispose d’un boîtier et d’un connecteur adapté à la fibre optique
• Quel est le rôle du composant 7805 ? (consulter sa fiche technique sur Internet si le
temps le permet, sinon une explication sera fourni par l’enseignant) composant ?
•
Quel est le rôle de la résistance R19 ?
Il est FORMELLEMENT INTERDIT de visualiser les signaux d’ECG à l’oscilloscope du
côté de la maquette d’amplification –filtrage. La visualisation se fera uniquement après la
transmission par fibre optique (sur la petite maquette). Justifier (une explication pourrait
être fournie par l’enseignant)
•
Alimenter la maquette d’émission en ± 9 V à l’aide de deux piles de 9 V. La
maquette de réception reste alimentée par une alimentation continue de
laboratoire ± 5 V.
•
Déconnecter le GBF de la maquette. Ouvrir l’interrupteur pour que l’électrode P2
ne soit plus mise à la masse.
•
Placer deux électrodes sur les poignets et les connecter aux entrées P1 et P2 de
la maquette. Observer les signaux ECG. Mesurer approximativement leur valeur
crête. Quelle est alors la valeur de (P1-P2) au niveau des électrodes ?
II.3. Troisième partie: Conversion optique/électrique et démodulation
(voir schéma disponible sur le poste de travail).
31
32
•
Remarquer que l’amplitude des pics est variable. Le signal ECG est modulé pour
la respiration (mouvement du thorax).
•
Vous pouvez mesurer le rythme cardiaque3 et éventuellement la fréquence
respiratoire…
•
Vous pouvez placer l’électrode P3 sur le pied DROIT et constater éventuellement
une amélioration de la qualité du signal.
ANNEXE A: Extrait de la fiche Technique de la LED et de la photodiode.
ANNEXE B: Schéma électronique de réception et de démodulation après
transmission par fibre optique.
3
Les fumeurs pourraient constater une nette accélération du rythme cardiaque en général…L’effet est bien plus prononcé immédiatement après avoir
fumé !
33
34