MASTER CSER Cours d`Instrumentation

Université de Versailles Saint-Quentin
MASTER CSER
Cours d’Instrumentation
(CSER2 - 105)
2005-2006
Luc Chassagne
Chapitres :
Documents associés :
1 – Position des problèmes
2 – Amplificateurs d’instrumentation
3 – Systèmes d’isolement
4 – Analyseur de spectre
Manuel de Travaux pratiques
Version du 31 octobre 2005
TABLE DES MATIÈRES
..............................................................................................................................................1
CHAPITRE 1 .........................................................................................................................................................4
POSITION DES PROBLÈMES ...........................................................................................................................4
1.
INTRODUCTION .....................................................................................................................................4
2.
QUELQUES EXEMPLES.........................................................................................................................5
3.
2.1.
Fort offset inutile..............................................................................................................................5
2.2.
Problème d’alimentation et de masse ..............................................................................................6
2.3.
Instabilités de la mesure...................................................................................................................7
CONCLUSIONS .......................................................................................................................................8
CHAPITRE 2 .........................................................................................................................................................9
AMPLIFICATEURS D'INSTRUMENTATION ................................................................................................9
1.
DÉFINITION ET PROPRIÉTÉS...............................................................................................................9
1.1.
Définition .........................................................................................................................................9
1.2.
Propriétés - TRMC.........................................................................................................................10
1.3.
Réalisations pratiques....................................................................................................................11
NOTE : L’ENSEMBLE DE CES MONTAGES EST DÉTAILLÉ EN TD ...............................................................................14
CONCLUSIONS...............................................................................................................................................15
CHAPITRE 3 .......................................................................................................................................................16
SYSTÈMES D’ISOLEMENT.............................................................................................................................16
1.
2.
3.
4.
DÉFINITION ET PROPRIÉTÉS.............................................................................................................16
1.1.
Utilisations .....................................................................................................................................16
1.2.
Symbole ..........................................................................................................................................17
1.3.
Propriétés.......................................................................................................................................17
ISOLATION PAR TRANSFORMATEUR .............................................................................................19
2.1.
Principe..........................................................................................................................................19
2.2.
Réalisation .....................................................................................................................................19
ISOLATION PAR COUPLAGE OPTIQUE ...........................................................................................21
3.1.
Principe..........................................................................................................................................21
3.2.
Réalisation .....................................................................................................................................21
CONCLUSIONS .....................................................................................................................................22
2
CHAPITRE 4 .......................................................................................................................................................23
ANALYSEUR DE SPECTRE.............................................................................................................................23
1.
INTRODUCTION ...................................................................................................................................23
2.
DIFFÉRENTS TYPES D’APPAREILS ..................................................................................................24
3
CHAPITRE 1
POSITION DES PROBLÈMES
1. INTRODUCTION
Dans une chaîne de mesures classique – représentée Figure 1 – on appelle communément
conditionnement du signal, la partie qui succède directement au capteur, avant un traitement
du signal analogique ou numérique plus complet. Si le système comporte plusieurs capteurs, il
est important que le signal de chacun soit exploité au mieux. Le capteur transforme une
grandeur physique en un signal électrique, courant ou tension. Il est important d’obtenir ce
signal avec le meilleur rapport signal à bruit possible, quel que soit l’environnement. La partie
conditionnement du signal concerne le traitement immédiat du signal, au plus près du capteur.
Elle est inévitablement analogique. Sans vraiment parler d’amplification ou de filtrage, elle
comporte souvent une pré-amplification, une mise en valeur du signal par rapport au bruit,
une isolation par rapport aux perturbations qui permettent ensuite de transporter le signal vers
des systèmes de traitement plus complexes.
…..
Capteur 1
Capteur n
Conditionnement du
signal n
Conditionnement du
signal 1
Traitement du signal
global et complexe
Figure 1 : Chaîne de mesure
Certains types de problèmes classiques existent, et des composants dédiés ont été développés.
La suite du premier chapitre donne quelques exemples et la suite du cours quelques solutions.
4
2. QUELQUES EXEMPLES
2.1. Fort offset inutile
Le premier cas fréquemment rencontré consiste en l’exploitation d’une tension alternative de
très faible amplitude qui est superposée avec un signal continu qui ne porte pas d’information
utile.
Prenons l’exemple d’une tension utile alternative de 100 µV superposée avec une tension
continue de 1 V. On ne peut pas directement amplifier le signal car les amplificateurs
satureraient très rapidement à cause de la tension continue, et le signal utile serait
inexploitable. Dans notre exemple, un gain de 20 donnerait 2 mV utile superposé à 20 V
continu. Si l’on considère un système à amplificateur opérationnel classique alimenté en
± 15 V, le signal atteint la tension de saturation et devient sans intérêt.
Les possibilités pour s’en affranchir sont multiples. Il n’y a pas de solution universelle, le
choix se fait selon le système. On peut néanmoins distinguer les cas suivants :
9 un signal alternatif superposé à une forte tension continue liée par exemple à une
polarisation. Plusieurs exemples courant tels : un signal optique issu d’une
photodiode polarisée, un petit signal superposé à une tension de polarisation d’un
transistor.
Une première solution est d’utiliser un filtre passe haut pour supprimer la partie
continue. Attention toutefois si les signaux utiles ont des composantes basses
fréquences cela peut s’avérer délicat à mettre en œuvre.
Une seconde solution consiste à mettre en œuvre un montage soustracteur. On
retranche une tension de référence afin de recentrer le signal autour d’une tension
moyenne nulle. Toutefois si la partie continue du signal évolue dans le temps cela
peut amener des fluctuations difficiles à maîtriser à moins de les mesurer en temps
réel pour les compenser.
9 un signal utile qui est une tension différentielle mesurée entre deux points eux-mêmes
à un potentiel continu assez élevé. Le meilleur exemple est le cas du pont de
Wheastone polarisé par une tension V0 comme illustré Figure 2.
V0
+
VA
VB
Figure 2 : Exemple du pont de Wheastone polarisé
5
L’élément sensible est représenté ici par une résistance variable, cela peut par exemple
être une thermistance. La tension utile est la tension différentielle Vd = VA – VB. Or les
potentiels milieux du pont sont à une tension commune VA = VB = V0/2. Cette tension
commune ne porte pas d’information, elle n’a pas besoin d’être amplifiée alors que Vd
doit l’être. La tension utile est donc une tension différentielle. La solution du filtrage
ou de la soustraction serait possible mais avec les défauts mentionnés ci-dessus. Un
amplificateur différentiel qui n’amplifie que la tension différentielle en
s’affranchissant des fluctuations de V0 est une bien meilleure solution.
En résumé, il n’y a pas de règle générale, la solution devant être adapté au problème.
Solution
Soustraction
Avantage
Pas de fréquence de coupure
Filtrage
Simplicité
Ampli diff.
Pas de fréquence de coupure
Bonne réjection du mode commun
Inconvénient
Mauvaise réjection du mode
commun
Délicat pour les signaux utiles
basse fréquence
Plus complexe
2.2. Problème d’alimentation et de masse
Lors de l’exploitation de signaux faibles, les alimentations sont fréquemment sources de
perturbations. En effet, les alimentations sont souvent communes à plusieurs systèmes. Un
composant peut faire de forts appels de courant qui perturbent l’alimentation générale ce qui
s’en ressent alors sur d’autres parties électroniques plus sensibles. Il est indispensable de
prêter une forte attention à la qualité des alimentations et à leur distribution :
9 dans les systèmes sensibles, éviter les alimentations à découpage. Celles-ci sont
basées sur des systèmes à découpage qui fonctionnent typiquement à plusieurs
dizaines de kilohertz, voir quelques centaines de kilohertz. De forts appels de courant
sont nécessaires à ces fréquences. Malgré tout le soin qu’on peut apporter ensuite au
filtrage et au découplage des alimentations, une composante résiduelle est toujours
présente sur l’alimentation et la masse,
9 particulièrement prêter attention à la masse. Un fil de masse n’est pas infiniment
conducteur et présente une impédance complexe non nulle. Ceci peut avoir de fortes
répercutions. On veille alors à réaliser des plans de masse, voire des anneaux de garde
les plus soigneux possibles autour des composants sensibles.
6
9 afin de résoudre ces problèmes de perturbations qui passent par les alimentations ou la
masse, certains systèmes d’isolement galvanique ou optique existent ; ils feront l’objet
d’une étude détaillée dans la suite de ce cours.
2.3. Instabilités de la mesure
Considérons une chaîne de mesure comme représentée Figure 3. Il peut arriver que la
grandeur au niveau de la chaîne de conditionnement évolue avec le temps à cause de
perturbations d’origines soit environnementales (température, vibrations, etc), soit
instrumentales (dérive ou dysfonctionnement des capteurs ou des électroniques de traitement).
Grandeur à
mesurer
Conditionnement du
signal
Capteur
+ perturbations instrumentales
+ perturbations environnementales
Figure 3 : Perturbations sur les mesures
L’influence de ces perturbations se traduit sur le signal en sortie du conditionnement soit par
une dérive constante du signal en fonction du temps, soit par du bruit. Les dérives, si elles
sont lentes et faibles, peuvent être mesurées et compensées par calibration régulière ou par
normalisation en temps réel. Le bruit, s’il est gaussien à valeur moyenne nulle peut être
fortement diminué par une intégration (moyennage) du signal sur des temps plus long.
7
3. CONCLUSIONS
9 On appelle classiquement conditionnement du signal le traitement immédiat après un
capteur afin de rendre le signal exploitable et/ ou transportable,
9 Plusieurs problèmes typiques existent mais chaque solution doit être adaptée au cas en
vigueur.
9 On peut citer parmi les systèmes particuliers connus les amplificateurs d’instrumentation
et les amplificateurs d’isolement.
8
CHAPITRE 2
AMPLIFICATEURS D'INSTRUMENTATION
L’amplificateur d’instrumentation répond à un problème particulier où il s’agît d’amplifier
une tension variant dans le temps et d’amplitude assez faible qui est superposée à une tension
continue forte.
L’exemple courant est l’information portée par une tension prises aux points milieux d’un
pont de Wheastone où le point milieu peut avoir une tension de polarisation très forte.
1. DÉFINITION ET PROPRIÉTÉS
1.1. Définition
Un amplificateur d’instrumentation est avant tout un amplificateur différentiel. Considérons
deux tensions définies par ve1 (t ) = VMC + v1 (t ) et ve 2 (t ) = VMC + v2 (t ) . VMC représente une
tension continue, dite de mode commun qui en l’occurrence est inutile. Elle peut dépendre du
temps mais pour plus de simplicité, on la notera indépendante de t. v1 (t ) et v2 (t ) représentent
les signaux alternatifs utile, dit de mode différentiel.
L’amplificateur d’instrumentation a pour charge d’amplifier uniquement vd (t ) = v1 (t ) − v2 (t ) et
de supprimer au mieux l’incidence de VMC en sortie. L’entrée de l’amplificateur n’est donc
pas référencée par rapport à la masse, mais par rapport à VMC , alors que la sortie est prise par
rapport à la masse. On peut modéliser l’amplificateur d’instrumentation par le schéma
suivant :
9
ZM1
ve1(t)
Zs
Ze
ve(t)
vs(t)
A×ve(t)
ve2(t)
ZM2
Figure 4 : Schéma de principe d’un amplificateur d’instrumentation
Z e représente l’impédance d’entrée différentielle,
Z M 1 et Z M 2 les impédances d’isolation des deux entrées vis-à-vis de la masse, appelées
impédances de mode commun,
Z s l’impédance de l’étage de sortie, prise par rapport à la masse,
A l’amplification ; le signal de sortie est idéalement indépendant de la tension d’entrée de
mode commun VMC , si tout est parfait, on note A = Ad, amplification différentielle.
Ce type de schéma est souvent réalisé à partir de structure à transistor différentielle ou bien de
structure évoluée à amplificateurs opérationnels assemblés symétriquement.
1.2. Propriétés - TRMC
Le schéma ci-dessus résume les caractéristiques principales importantes : l’impédance
d’entrée différentielle comme toute impédance d’entrée est idéalement infinie ; elle dépend
naturellement du type de montage utilisé ; l’impédance de sortie référencée par rapport à la
masse ; idéalement nulle ; l’amplification de mode différentiel qui permet d’amplifier le
signal utile. Pour beaucoup d’amplificateurs d’instrumentation existant, cette amplification
est assez élevée – de l’ordre de plusieurs centaines à quelques milliers – car les signaux
exploités par ce type d’amplificateurs sont souvent très faibles.
Toutefois, l’amplificateur présente inévitablement des défauts et l’amplification ne peut être
strictement différentielle. On note alors souvent :
vs (t ) = Ad vd (t ) + AMCVMC
10
où Ad est le gain différentiel et AMC le gain de mode commun, que l’on espère le plus faible
possible.
On définit le Taux de Rejection de Mode Commun (CMRR en anglais pour Common Mode
Rejection Ratio) caractéristique très importante d’un amplificateur d’instrumentation :
 A 
TRMC = 20 × log  d  dB.
 AMC 
Ce taux de réjection peut être plus moins grand selon la structure de l’amplificateur. Un
amplificateur différentiel réalisé à base d’amplificateur opérationnel discret (voir le schéma
ci-dessous) peut avoir un TRMC de 60 dB. Le TRMC est limité par les dissymétries des
composants. Un amplificateur d’instrumentation tout intégré permet d’appairer correctement
les paires différentielles et d’éviter ainsi les courants et tensions parasites, ce qui permet
d’atteindre des TRMC supérieurs à 110 dB.
1.3. Réalisations pratiques
1.3.1. Composants existants
Les amplificateurs d’instrumentation sont des composants complexes car ils réunissent des
nombreuses caractéristiques délicates à réaliser. Des composants monolithiques existent
(AD620 par exemple) qui permettent d’optimiser les performances, notamment le TRMC.
Cela reste toutefois des composants spécifiques dédiés uniquement à des applications
particulières car leur prix est nettement supérieur à un amplificateur opérationnel traditionnel.
La plupart des circuits intégrés sont disponibles avec une amplification assez élevée,
typiquement 1000. Avec un gain aussi fort, l’ensemble est déjà précablé et compensé en
fréquence pour assurer la stabilité. L’ajout d’une résistance unique extérieure permet d’ajuster
l’amplification et rend le composant très simple d’utilisation.
1.3.2. Schémas possibles
Il est bien sur toujours possible de réaliser soit même un montage réalisant la fonction
d’amplificateur d’instrumentation. Le schéma de la Figure 5 permet d’obtenir une sortie
proportionnelle à la différence des tensions d’entrée. Toutefois, l’amplification n’est réglable
qu’en agissant sur les quatre résistance, ce qui n’est pas assez souple. De plus, les impédances
d’entrée ne sont pas infinies et le TRMC reste limité car d’inévitables dispersions sur les
valeurs des résistances apportent des dissymétries qui peuvent entraîner une amplification de
mode commun non négligeable. Ce type de montage n’est donc pas très conseillé si l’on
désire un TRMC important.
11
R1
ve1
R2
+
ve2
Vs
R3
R4
Figure 5 : Amplificateur différentiel à base d’AOP
L’amplification différentielle vaut ici 1 si toutes les résistances sont égales mais peut être
réglée à une valeur Ad supérieure à 1 en ajustant les valeurs des résistances. On montre que le
taux de réjection vaut environ :
 1 + Ad 
TRMC = 20 × log 

 4 × ∆R 
où ∆R représente la dispersion sur les valeurs nominales des résistances (typiquement 0,05
ou 0,01 pour des résistances un peu plus évoluées).
On peut obtenir une amélioration notable de ce schéma en utilisant les schémas de Figure 6
ou Figure 7. Dans le premier schéma, 2 AOP sont utilisés. Il s’agit là d’un montage simple
qui a été développé en circuit monolithique pour mettre sur le marché des amplificateurs
d’instrumentations aux performances honorables et peu chers. Dans le second schéma, les
performances sont meilleures, notamment pour le TRMC, mais la structure étant plus
complexes et plus difficiles à rendre parfaitement symétrique, les composants monolithiques
qui utilisent cette structure sont plus coûteux.
+
ve1
-
Vs
R
+
ve2
nR
-
R
nR
Figure 6 : Réalisation d’un amplificateur d’instrumentation avec 2 AOP
12
Pour le circuit de la Figure 6, on montre que l’on a les caractéristiques suivantes :
9 amplification différentielle : Ad = n + 1 ,
 n +1
9 TRMC = 20 × log 

 ∆R 
On voit donc que le TRMC dépend d’une part de l’amplification ; il n’est intéressant que pour
des amplifications grandes et peut être même mauvais pour des amplifications unitaires.
D’autre part le TRMC dépend de l’ajustement exact des valeurs de résistances. Lorsque l’on
réalise soit même un tel circuit, il est inévitable de ne pas pouvoir avoir des résistances
parfaitement égales. C’est le principal intérêt des circuits monolithiques qui permettent
d’appairer les valeurs et d’atteindre ainsi des valeurs de TRMC importantes.
Pour le circuit de la Figure 7, les deux amplificateurs opérationnels d’entrée assurent des
impédances d’entrées différentielles et de mode commun infinies. Le gain est aisément
réglable par la seule résistance Rext.
R2
+
ve1
R2
R1
+
Rext
R1
-
-
R2
Vs
R2
+
ve2
Figure 7 : Réalisation d’un amplificateur d’instrumentation avec 3 AOP
On montre que l’on a les caractéristiques suivantes :
9 amplification différentielle : Ad = 1 +
2 R1
(voir TD),
Rext
 2R 
9 TRMC = 20 × log 1 + 1  + TRMCAOPsortie
 Rext 
13
On voit que le taux de réjection peut être assez important, puisqu’il est composé du TRMC de
l’AOP de sortie ajouté (en dB !) au TRMC du premier étage. Dans cet exemple d’étage de
 1 
sortie où toutes les résistances sont égales, le TRMCAOPsortie vaut 20 × log 
.
 2 × ∆R 
Note : l’ensemble de ces montages est détaillé en TD
14
CONCLUSIONS
9 Un amplificateur d’instrumentation permet d’amplifier une faible tension utile superposée
à une forte tension continue inutile,
9 Il s’agit d’une structure différentielle,
9 Le taux de réjection du mode commun définit le résidu de la tension parasite de mode
commun.
15
CHAPITRE 3
SYSTÈMES D’ISOLEMENT
Les amplificateurs d’isolement sont des amplificateurs d’instrumentation particuliers utilisés
lorsque l’on désire assurer une isolation galvanique entre les signaux d’entrée et les signaux
de sortie.
1. DÉFINITION ET PROPRIÉTÉS
1.1. Utilisations
Même avec un taux de réjection très grand, les amplificateurs d’instrumentation ne
conviennent pas à toutes les applications :
9 les amplificateurs d’instrumentation monolithiques que l’on peut trouver sur le marché
sont limités à des tensions d’alimentations faibles, typiquement ± 15 V. Or il peut
arriver dans des applications de puissance que la tension de mode commun soit bien
supérieure, quelques centaines voire de milliers de volts. Il est alors nécessaire
d’utiliser un amplificateur qui ne ce soucie pas du potentiel absolu d’entrée, c'est-àdire dont la masse d’entrée soit distincte de la masse de sortie,
9 également problématiques dans les applications de puissance, les alimentations sont
fréquemment sources de perturbations pour les signaux sensibles. Les signaux de
puissance qui ne portent pas d’informations sont alors néfastes car ils partagent les
plans d’alimentation et de masse sur la même carte électronique. Il est dans ce cas
intéressant de séparer clairement les signaux utiles des signaux de puissance. Pour que
l’isolation soit complète, il devient indispensable de dissocier également les potentiels
de référence car de nombreux signaux parasites peuvent circuler par la masse.
Ce type de propriétés est regroupé dans les amplificateurs d’isolement. On peut distinguer
deux techniques principales pour réaliser l’isolement galvanique :
9 isolement par transformateur,
9 isolement par liaison optique.
Ces deux techniques vont être détaillées séparément dans la suite de ce chapitre.
16
1.2. Symbole
Comme l’objectif d’un amplificateur d’isolement est avant tout une isolation galvanique, le
symbole propre est coupé en deux parties. On distingue la masse du côté entrée de la masse
du côté sortie par deux symboles de masse différents. Bien évidemment, la partie amont du
schéma doit utiliser le même symbole qu’à l’entrée, et la partie aval le même symbole qu’en
sortie.
ve1(t)
Ze
ve(t)
vs(t)
G
ve2(t)
Masse de sortie
Masse d’entrée
Figure 8 : Symbole d’un amplificateur d’isolement
Il existe souvent une broche notée G qui correspond à un circuit de garde. Un circuit de
garde est un ensemble de piste interne, souvent relié à la masse et qui entoure les points
sensibles. Le constructeur spécifie dans la documentation le branchement nécessaire, en règle
générale il faut le connecter à la masse d’entrée. Il permet d’augmenter le taux de réjection de
mode commun.
1.3. Propriétés
Un amplificateur d’isolement est également un amplificateur d’instrumentation. On peut y
retrouver les caractéristiques propres à ce type d’amplificateur, c'est-à-dire impédance
d’entrée de mode différentiel et de mode commun, impédance de sortie, etc… On y retrouve
également la notion de taux de réjection de mode commun qui dépend de la technique
d’isolement adoptée mais peut être très supérieur à 100 dB. La réalisation nécessite toutefois
un soin particulier pour limiter les effets parasites entre les plans de masse.
On peut introduire une propriété importante supplémentaire que l’on appelle tension
d’isolement. Il s’agît de la différence de potentiel entre la masse de l’entrée et la masse de
sortie. Le maximum admissible est souvent de l’ordre de plusieurs kilovolts.
17
Ze
ve(t)
vs(t)
G
Ciso
VMC
+
Riso
Viso
Figure 9 : Caractéristiques d’un amplificateur d’isolement
Un courant de fuite peut apparaître entre les deux potentiels de référence, on introduit dans le
modèle une résistance de fuite et une capacité de fuite entre l’entrée et la sortie.
En règle générale la tension d’isolement est très supérieure à la tension de mode commun. Par
souci de précision, on peut décliner les différents taux de réjection de l’amplificateur :
9 le TRMC : qui correspond à celui vu pour un amplificateur d’instrumentation,
9 le Tiso, qui correspond au taux de réjection de la tension d’isolation,
9 le taux de réjection global qui teint compte de VMC + Viso. (souvent Viso >> VMC) ;
c’est a priori ce chiffre qui est spécifié dans les documentations.
18
2. ISOLATION PAR TRANSFORMATEUR
2.1. Principe
Le schéma de principe simplifié d’un isolement par transformateur est illustré Figure 10. Pour
des raisons de place, le modulateur et le démodulateur sont souvent intégrés dans un même
circuit mais pas le transformateur. Celui-ci est branché au composant via des broches
d’entrées/sorties.
Démodulateur
Modulateur
ve(t)
vs(t)
Figure 10 : Isolation galvanique par transformateur
Le transformateur assure l’isolation galvanique complète. Toutefois il ne peut évidemment
pas transmettre de courant ou de tension continues. Selon sa structure, il a une bande de
fréquence utile plus ou moins grande. Un système de modulation – démodulation est donc
inséré. L’information utile est modulée autour d’une porteuse centrée sur la bande de
fréquence optimum du transformateur. C’est souvent la modulation de fréquence qui est
utilisée pour s’affranchir des défauts du transformateur ; d’autre part celui-ci est assez
sensible aux rayonnements et pourraient apporter beaucoup de bruit sur une modulation
d’amplitude.Un démodulateur se charge ensuite de retransformer le signal pour ne garder que
le signal utile.
2.2. Réalisation
Le schéma simplifié ci-dessus ne tient pas compte du problème de l’alimentation des
composants. Tant le modulateur que le démodulateur doivent être alimentés par une tension
continue pour assurer leur fonctionnement. Cette tension d’alimentation doit être
indépendante entre l’entrée et la sortie, sinon l’isolation serait perdue. Pour cela, un système
d’oscillateur et de redressement permet également de passer une alimentation unique entre les
deux parties comme illustré Figure 11.
19
ve(t)
Démodulateur
Modulateur
vs(t)
± Vcc
± Vcc
Redressement
+ Filtrage
→ Alimentation
Redressement
+ Filtrage
→ Alimentation
Oscillateur
Vcc
Figure 11 : Schéma complet d’une isolation des alimentations
Une alimentation unique, généralement fournie par l’étage de sortie alimente un oscillateur.
Celui-ci est couplé par un transformateur à un ou deux étages chargés de redresser puis filtrer
le signal alternatif afin d’obtenir une tension continue qui alimente l’ensemble. Le signal issu
de l’oscillateur peut aussi servir pour générer la porteuse du système de modulation.
Les fréquences typiques de modulation – démodulation des composants que l’on peut trouver
sur le marché sont de l’ordre de quelques dizaines de kilohertz.
20
3. ISOLATION PAR COUPLAGE OPTIQUE
3.1. Principe
L’isolation galvanique par liaison optique est symbolisée sur la Figure 12. L’étage d’entrée
assure la polarisation d’un élément émetteur, typiquement une LED. L’étage de sortie assure
la reconversion de la lumière par un photodétecteur suivi d’un circuit de conversion couranttension. On se reportera aux cours d’optoélectronique pour plus de détails.
ve(t)
vs(t)
Étage d’entrée et de
polarisation de
l’émetteur lumineux
Étage de conversion
du courant en tension
Figure 12 : Isolation galvanique par liaison optique
On peut voir ce principe comme une transmission par modulation, avec pour porteuse une
onde lumineuse. Les deux composants émetteur – récepteur sont souvent appairés dans des
composants monolithiques appelés coupleurs optiques. Intégrés dans le circuit, il permet de
parfaitement aligner les deux éléments et d’optimiser la transmission. La proximité des deux
éléments peut toutefois entraîner des effets parasites qui limitent la réjection d’isolement.
Mais on peut concevoir le schéma de principe ci-dessus en considérant une liaison par fibre
optique longue distance, ce qui permet d’augmenter l’isolement.
3.2. Réalisation
L’élément émetteur est dans la plupart des cas une LED. L’élément récepteur peut quand à lui
être un détecteur à photodiode PIN, un phototransistor, un phototriac, etc… Pour des raisons
d’intégration dans les circuits, il ne peut s’agir bien sur que de détecteur à jonction semiconducteur.
La réalisation est plus délicate que pour les amplificateurs à transformateur qui sont donc les
plus répandus.
21
4. CONCLUSIONS
9 Un amplificateur d’isolement est un amplificateur d’instrumentation susceptible d’isoler
les masses d’entrée et de sortie, permettant ainsi une tension de mode commune en entrée
très élevée,
9 Deux principales techniques d’isolation galvanique : par transformateur et par liaison
optique,
9 La tension d’isolement caractérise l’amplificateur.
22
CHAPITRE 4
ANALYSEUR DE SPECTRE
1. INTRODUCTION
L’analyseur de spectre est un instrument de mesure particulièrement important. Il permet de
mesurer et tracer sur un écran le spectre en fréquence d’un signal. L’étude en fréquence d’un
signal est souvent tout aussi importante, voire même plus, que son étude temporelle. De plus
les analyseurs de spectres disponibles sur le marché ont des performances qui permettent de
détecter des signaux extrêmement faibles (10-20 W ce qui reste incomparablement plus
performant qu’un oscilloscope).
Dans cette version de ce document, le cours concernant l’analyseur de spectre est résumé
dans le polycopié de travaux pratiques auquel on se réfèrera.
On retiendra tout particulièrement les points suivants :
9 sensibilité extrême en puissance,
9 très large gamme d’analyse en fréquence (balayage sur plusieurs gigahertz),
9 schéma de principe par changement de fréquence et filtre passe-bande,
9 réglages parfois délicats et souvent issus de compromis entre étendue de mesure,
résolution fréquentielle, plancher de bruit.
23
2. DIFFÉRENTS TYPES D’APPAREILS
Dans le document de travaux pratiques n’est détaillé que l’analyseur de spectre. Il existe
toutefois plusieurs types d’appareils pour tracer le spectre d’un signal. Ils ne seront pas
développés plus en détail dans cette version du cours, on peut néanmoins citer :
9 l’analyseur de spectre tel que décrit. Sa gamme de mesure fréquentielle pour les appareils
commerciaux va de 9 kHz à plusieurs gigahertz. Environ 2,5 GHz pour les appareils bas
de gamme, 24 GHz voire plus pour les appareils plus performant. Ce type d’instrument ne
couvre pas la très basse fréquence en dessous de 9 kHz,
9 pour couvrir la gamme basse fréquence, on peut faire appel à des analyseurs FFT (Fast
Fourier Transform). Ces analyseurs numérisent le signal puis calculent la transformée de
Fourier rapide par des algorithmes de calcul. L’affichage du spectre est ensuite assuré.
Comme il est nécessaire de numériser le signal, ce type d’appareil ne peut absolument pas
convenir pour les hautes fréquences où les convertisseurs analogiques numériques
n’existent pas. D’autre part, pour avoir une bonne résolution de mesure et pouvoir
exploiter des signaux faibles, les CAN utilisés ont souvent un nombre de bits élevés, ce
qui nécessite un temps de mesure non négligeable. Les appareils commerciaux typiques
ont une étendue de mesure de 0 Hz à 100 kHz. Ces appareils sont par contre
particulièrement bien adapté pour des fréquences très basses (<< Hz).
9 les analyseurs temps réel. Ces appareils on pour but d’avoir des temps de mesures très
réduits tout en conservant les performances, notamment en gamme de mesure, que les
analyseurs classiques. Ils fonctionnent sur un principe similaire à celui présenté dans le
TP, mais possèdent en plus une batterie de filtre passe-bande afin de pouvoir explorer
simultanément plusieurs bandes de fréquences et ainsi d’avoir des temps de balayage plus
courts.
9 les analyseurs optiques qui procèdent sur un principe de mélange optique comme pour
l’analyseur électronique. Ils permettent d’explorer le spectre de signaux optiques, bien
trop haut en fréquence pour des analyseurs électroniques.
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