Electronique d`Instrumentation I

Travaux Pratiques
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Electronique
d’Instrumentation I
(SP3 08-09)
TP Electronique d’Instrumentation I (SP3 08-09) 2/15
Sommaire
TP1: Caractérisation de l’ampli-op réel gain et bande passante en BF (Ch1-8h) ...................... 3
1. Effets des tensions de décalage, courant d’entrée, capacité en entrée ........................... 3
2. Gain et bande passante petits signaux ............................................................................ 3
3. Bande passante grands signaux (ou bande passante de puissance)................................ 4
TP2: Amplificateur différentiel et amplificateur d’instrumentation (Ch2-8h)........................... 5
1. Amplificateur différentiel (amplificateur de différence): Amplificateur différentiel
simplifié.................................................................................................................................. 5
2. Amélioration du montage précédent: adaptation d’impédance...................................... 6
3. Amplificateur d’instrumentation: Montage de base....................................................... 7
4. Amplificateur d’instrumentation intégré (exemple AD620).......................................... 8
TP3: Filtrage actif (Ch3-8h)....................................................................................................... 9
1. Caractérisation des filtres ............................................................................................... 9
2. Applications du filtrage :.............................................................................................. 10
2.1. Réalisation d’un générateur de signaux bruité: .................................................... 10
2.2. Filtrage des signaux parasités:.............................................................................. 11
TP4: Oscillateurs et générateurs de signaux EI II MC (Ch4-8h) ............................................. 12
1. Trigger de Schmitt:....................................................................................................... 12
2. Oscillateur à relaxation: générateur de signaux carrés................................................. 12
3. Générateur de signaux carrés et rectangulaires ............................................................ 13
4. Multivibrateurs: monostables et bistables.................................................................... 13
Le temporisateur (Timer) 555 .......................................................................................... 13
Fonctionnement en astable (bistable)............................................................................... 14
Application : Alarme........................................................................................................ 14

TP Electronique d’Instrumentation I (SP3 08-09) 3/15
TP1: Caractérisation de l’ampli-op réel gain et bande passante en BF (Ch1-8h)
Le but de cette séance de TP est de d’étudier quelques caractéristiques de l’ampli-op à
travers un montage de base. On s’intéressera dans un deuxième temps à l’étude du gain, de la
bande passante petits et grands signaux du montage non inverseur. On utilisera l’ampli-op
LM741 dont la fiche technique (Data Sheet) est donnée en annexe.
1. Effets des tensions de décalage, courant d’entrée, capacité en entrée
1.1. Réaliser le montage de la figure 1. On utilisera l’amplificateur opérationnel LM741
alimenté en V 15± et on choisira R1=1 kΩ et R2=10 kΩ.
1.2. Quelle valeur doit-on choisir pour la résistance R3? Justifier.
+
-
R1
R2
R3
e s
Figure 1
1.3. Exprimer le gain A0 du montage si l’on considère que l’ampli-op est idéal.
1.4. 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.
1.5. Proposer une méthode de mesure de la tension de décalage (offset) à la sortie de
l’amplificateur. Mesurer cette tension, si cela est possible. 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.
1.6. Déduire la valeur de la tension de décalage d’entrée VOS. Comparer cette valeur avec
celle donnée dans la fiche technique de l’ampli-op.
1.7. Quelle sera l’erreur de mesure commise si on utilise ce montage pour amplifier une
tension continue E=1 mV si on ne tient pas compte de la tension de décalage?
1.8. La résistance R3 est maintenant nulle. Mesurer la nouvelle valeur de la tension
d’offset à la sortie. Comparer avec la valeur mesurée dans la question précédente.
Interprétation.
1.9. On remet la valeur de la résistance R3 nécessaire à l’équilibrage. En se basant sur les
données fournies par le fabricant du LM741, réaliser le montage simple permettant la
compensation de l’offset.
On peut conserver, par la suite 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.
2. Gain et bande passante petits signaux
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Sur le même montage de la figure 1, l’entrée e est un signal sinusoïdal de 0,1 V crête à
crête, et de fréquence égale à une centaine de hertz…
2.1. Tracer sur une feuille semi-logarithmique la courbe de gain en dB en fonction de la
fréquence. Déduire les valeurs du gain statique de la fréquence de coupure à -3 dB.
2.2. Tracer sur la même feuille la courbe de gain mesuré lorsque R2=100 kΩ. On choisira
la valeur crête à crête de l’entrée de façon à avoir 1 V maximum de valeur crête en sortie (on
se servira si nécessaire de l’atténuateur disponible sur la maquette).
2.3. Déduire de la courbe la nouvelle valeur du gain statique et celle de la fréquence de
coupure à -3 dB.
2.4. Expliquer soigneusement comment on peut comparer ces résultats aux données de la
fiche technique de l’ampli-op et à la théorie.
3. Bande passante grands signaux (ou bande passante de puissance)
3.1. Réaliser un montage suiveur à base de l’ampli-op 741. Le signal d’entrée e(t) est
sinusoïdal de 5 V crête à crête et de fréquence égale à une centaine de hertz. Visualiser sur
l’oscilloscope les tensions e(t) et s(t). Quel est le gain du montage?
3.2. Augmenter progressivement la fréquence du signal d’entrée (aller jusqu’à 100 kHz). A
partir de quelle fréquence, on observe une distorsion du signal de sortie?
3.3. Mesure le slew rate de l’ampli-op et comparer à la valeur fournie par la fiche
technique.
3.4. Mesurer avec le plus de précision possible la bande passante grands signaux.
Comparer avec la théorie.
3.5. La tension crête à crête du signal d’entrée est maintenant de 10 V. Mesurer la nouvelle
bande passante grands signaux. Conclusion.

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TP2: Amplificateur différentiel et amplificateur d’instrumentation (Ch2-8h)
On s’intéresse 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).
1. Amplificateur différentiel (amplificateur de différence): Amplificateur différentiel
simplifié
1.1. Réaliser le montage de la figure 1. On utilisera l’amplificateur opérationnel LM741
alimenté en V 15± et on choisira R1=1 kΩ et R2=10 kΩ.
+
-
R1
e1
e2
s
R1
R2
R2
Figure 1
1.2. On suppose que le gain en boucle ouverte et la réjection en mode commun de l’ampli-
op sont infinis. En appliquant le théorème de superposition ou la loi des nœuds, montrer que
)( 21 eeAs d−= Où Ad est le gain différentiel à exprimer en fonction des résistances.
1.3. Réaliser le montage (R1=1 kΩ et R2=10 kΩ). Mesurer (valeur et signe) le gain
différentiel Ad du montage. Expliquer la procédure de mesure.
1.4. Appliquer une même tension continue de +15V sur les deux entrées e1 et e2. 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. Interpréter.
1.5. On applique maintenant une même tension sinusoïdale e (fréquence d’environ 50Hz et
sans tension de décalage) sur les deux entrées e1 et e2. 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 chaque fois la valeur crête à crête de la tension de sortie de
l’amplificateur (cette tension peut faible et bruité, on utilisera donc la fonction appropriée de
l’oscilloscope numérique pour réduire le bruit)
1.6. Tracer sur feuille millimétrique s en fonction de (e1+e2)/2. Déduire la valeur du gain
en mode commun Amc défini par:
2
)(
21 ee s
Amc +
=
1.7. Quelle est la valeur du CMRR du montage différentiel? On prendra pour ce calcul la
valeur mesurée du gain différentiel Ad. Exprimer cette valeur en dB.
1.8. Placer une résistance de R3 =1 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
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déduire la nouvelle valeur du gain en mode commun Amc et du CMRR en dB. Comparer les
valeurs du Amc et du CMRR avec celles mesurées plus haut (sans la résistance R3).
1.9. Même question avec R3 =10 Ω
1.10. Même question en plaçant cette fois une résistance R3 de 100 Ωen série avec l’une des
résistances R2.
1.11. Quels sont alors les inconvénients de l’amplificateur différentiel réalisé?
2. 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. Le montage de la figure 2
permet de résoudre ces deux problèmes.
2.1. Réaliser le montage de la figure 2 avec R=1 kΩ.
R
-
+
s
R
R
R
e2 +
-
e1
-
+
s1
s2
Figure 2
2.2. Quelle est la valeur du gain différentiel Ad de ce montage? Vérifier cette valeur par
mesure.
2.3. Tracer sur feuille millimétrique la tension mesurée à la sortie s en fonction de
(e1+e2)/2 (quelques points suffisent : 5, 10, 15 et 20 volts crête à crête pour e1 et e2). En
déduire le gain en mode commun Amc et le taux de réjection CMRR en dB.
2.4. Quel est l’ordre de grandeur des impédances d’entrée des deux voies de
l’amplificateur?
2.5. 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 ci-dessus.

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2.6. Même question pour R3 =100 Ω.
2.7. Conclusion.
Avec le taux de réjection de notre amplificateur mesuré précédemment, analyser les
deux cas suivants :
2.8. 1er 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.
2.9. 2ième cas : même question avec E1= 1,0000005V et E2= 0,9999995V.
2.10. Conclusion.
3. Amplificateur d’instrumentation: Montage de base
Le montage réalisé dans le paragraphe précédent 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 (résistance identiques). Par contre, il est nécessaire
d’avoir un gain différentiel Ad bien supérieur à 1. Pour cela, on réalise le montage à trois
ampli-op (figure 4). C’est la structure générale d’un amplificateur d’instrumentation. On
montre que le gain différentiel de ce montage est donné par
G
dR
R
A4
1+=
+
-
-
-
+
+
R
R R
R4
RG
RG
R4
e1
e2
s2
s1
s
A
R
Etage d’amplification et
d’adaptation d’impédance
G
dR
R
A4
1+=
1=
mc
A
Etage de différence
1−=
d
A
1≠
mc
A
Figure 4
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3.1. 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.
3.2. Mesurer le gain du mode commun et en déduire le taux de réjection en mode commun
(CMRR). Comparer avec le résultat du paragraphe I.1.
3.3. Conclusion.
4. 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 Taux de réjection en mode commun (CMRR) très élevé (110 à 130 dB typiquement)
Impédance de sortie très faible. Faible niveau de bruit.
4.1. 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?
4.2. Comment régler le gain différentiel? Réaliser un montage permettant d’avoir un gain
d’environ 50. Tester.
4.3. 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).
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. 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 lumineux. 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. Pour nos mesures, on utilisera une
résistance charge de 10 kΩ.
4.4. 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?

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TP3: Filtrage actif (Ch3-8h)
Le but de cette séance de TP est d’étudier les caractéristiques fréquentielles des
différents types de filtres actifs. On s’intéressera à l’application du filtrage actif pour extraire
un signal noyé du bruit ou taché par un autre signal parasite.
1. Caractérisation des filtres
On propose d’étudier le montage de la figure 1. Ce montage combine, rappelons-le, plusieurs
types de filtres actifs.
e(t)
C
R1
R = 15KΩ, C = 10 nF, R1 = 1KΩ, R2 = 1KΩ
+
-
+
-
+
- +
-
C
R
R
R
R
k.R1
R2
R2
R2/2
R1
s2(t)
s3(t)
s4(t)
s1(t)
Figure 1
1.1. Rappeler les expressions des fonctions de transfert:
E
S
jH 1
1)( =
ω
, E
S
jH 2
2)( =
ω
, E
S
jH 3
3)( =
ω
et E
S
jH 4
4)( =
ω
1.2. Pour k = 20 (soit kR1=47 kΩ), réaliser le montage (On s’attachera à optimiser les
connections et le nombre de fils et à prévoir sur la maquette un emplacement pour un 5ième
ampli-op).
1.3. Tracer sur une échelle semi-logarithmique la courbe de gain
dB
H2.
1.4. En déduire la valeur du gain maximum et la valeur de la fréquence correspondant. On
précisera également la largeur de la bande passante à –3dB. Comparer les différentes mesures
avec la théorie.
1.5. Pour k = 20, tracer sur une échelle semi-logarithmique dB
H4.
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1.6. Quel est le type de ce filtre ?
1.7. Quelles sont les valeurs du gain maximum et celle à la fréquence f0 ?
1.8. Quelle est la bande passante à –3dB? Comparer avec les résultats théoriques.
2. Applications du filtrage :
On conservera le montage réalisé. Cette partie nécessite l’utilisation de deux GBF, On
se regroupera donc en deux binômes! 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). 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.
2.1. Réalisation d’un générateur de signaux bruité:
2.1.1. On considère le montage de la figure 2. En appliquant la loi des nœuds en v, montrer
que la sortie s peut s’écrire :
)( 2
4
5
1
3
5e
R
R
e
R
R
s+−=
+
-
R3
e1(t)
s
R5
R4
e2(t) u
v
Figure 2
2.1.2. Réaliser le montage avec R3 = R4 =R5 = 10 kΩ. On applique sur les deux entrées une
même tension, e(t)=e1(t)=e2(t), sinusoïdale de fréquence égale à 1kHz et d’amplitude égale à
0,1V. Observer sur l’oscilloscope les tensions e(t) et s(t) et comparer leurs amplitudes,
conclusion (quelle est la fonction réalisée par ce montage ?).
2.1.3. Réaliser maintenant le montage avec R3 = R5 = 10 kΩ et R4 = 1 kΩ. e1(t) est un
signal sinusoïdal de 1060Hz de fréquence et de 50mV d’amplitude. e2(t) est un bruit haute
fréquence fourni par le générateur HP (on réglera la valeur crête affichée par le générateur à 1
V environ). Observer e1(t), e2(t) et s(t) sur l’oscilloscope. Commentaires.
2.1.4. Reprendre la question précédente dans le cas où e2(t) serait un signal sinusoïdal de
50mV d’amplitude et de 50Hz de fréquence.