Amplification par détection synchrone

Amplification par détection synchrone
LGT Frantz Fanon - BTS systèmes électroniques - Cours de physique appliquée de Mr Pontalier
Principe :
Dans une chaîne de mesure, il est possible que le signal reçu
par le capteur soit très faible et noyé dans le bruit.
Il existe plusieurs techniques, analogiques et numériques pour
extraire un signal utile du bruit.
Parmi les méthodes analogiques, une se révèle très efficace,
c’est la détection synchrone.
Cette méthode s’appuie sur un principe mis en œuvre dans les
démodulateurs d’amplitude (AM).
Amplification par détection synchrone
Dans le cas présent, on arrive encore à reconnaître le signal.
Influence du bruit sur le signal
1,5
1
0,5
0
0
- 0,5
-1
- 1,5
-2
0,5
1
1,5
2
Vs
Vbruité
Amplification par détection synchrone
Dans ce nouveau cas, il est difficile de reconnaître le signal.
Influence du bruit sur le signal
0,6
0,4
0,2
0
0
- 0,2
- 0,4
- 0,6
0,5
1
1,5
2
Vs
Vbruité
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Supposons que l’intensité lumineuse Ie du faisceau émis par la LED
émettrice soit modulée selon une loi sinusoïdale :
Ie (t) = Îe cos (e.t)
Si le milieu n’est pas bruité, l’intensité du faisceau reçu par la LED
réceptrice est proportionnelle à l’intensité émise; le coefficient K
de proportionnalité sera caractéristique de la turbidité du fluide :
• milieu clair: K => 1
• milieu très trouble: K => 0
Ir (t) = K. Îe cos (e.t)
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Si le milieu est bruité, l’intensité du faisceau reçu par la LED
réceptrice est la somme du signal utile caractéristique de la
turbidité du fluide, et d’un signal de bruit Ibr(t) qui est
généralement de nature aléatoire, mais que nous simulerons comme
un signal périodique de fréquence élevée :
Ibr (t) = Îbr cos (br.t)
D’où:
Ir (t) = K. Îe cos (e.t) + Îbr cos (br.t)
Dans certains cas (fort bruit), le premier terme devient négligeable
devant le second, et l’information reçue n’est plus exploitable.
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Dans l’exemple présent, l’émetteur et le récepteur sont situés dans
le même boîtier, ce qui fait que nous disposons en permanence d’une
image « propre » du signal émis .
Signal « propre »
X
x
Sortie
Y
Mass e
Ve
Emet
Fluide
Récept
Sortie
Signal bruité
C
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Nous allons utiliser cette image « propre » pour extraire du bruit
le signal reçu fortement dégradé.
Ie (t) = Îe cos (e.t)
Pour cela, nous effectuons, à l’aide d’un multiplieur analogique le
produit de l’ image « propre » Ie(t) par le signal bruité reçu Ir(t)
Ir (t) = K. Îe cos (e.t) + Îbr cos (br.t)
A la sortie du multiplieur, nous obtenons :
Im (t) = [K. Îe cos (e.t) + Îbr cos (br.t)] . Îe cos (e.t)
Im (t) = K. Îe2 cos2 (e.t) + K. Îbr .Îe cos (br.t).cos (e.t)
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
A la sortie du multiplieur, nous obtenons :
Im (t) = K. Îe2 cos2 (e.t) + K. Îbr .Îe cos (br.t).cos (e.t)
Im (t) = K/2 . Îe2 [1 + cos (2e.t)]
+ K/2. Îbr .Îe [cos (br+ e) .t + cos (br- e) .t ]
Le spectre du signal de sortie du multiplieur comporte 4 raies :
1. fréquence nulle :
2.
3.
4.
K/2 . Îe2
fréquence 2fe:
K/2 . Îe2
fréquence fbr-fe: K/2. Îbr .Îe
fréquence fbr+fe: K/2. Îbr .Îe
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Le spectre du signal de sortie du multiplieur comporte 4 raies :
(représentation pour Îe = 1)
K
2
K λbr
2
f
0
2fe
fbr-fe
fbr fbr+fe
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Ve représente le signal envoyé par la diode émettrice
Vr est le signal bruité reçu par la diode réceptrice pour (K = 1)
Ve
Vr
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
-2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Vm représente le signal obtenu à la sortie du multiplieur
Vs représente le signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 1)
 La valeur finale de Vs tend vers 0,5
Vm
Vs
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
-2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Spectre du signal à la sortie du multiplieur (K = 1)
 on distingue 2 groupes bien distincts que l’on isolera (filtrage)
2 fe
fbr - fe
fbr + fe
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Spectre du signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 1)
 La composante très basse fréquence conservée par le filtre
est le signal utile
Composante
utile conservée
la composante
2fe est rabotée
Le spectre
De Bruit a
disparu
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Ve représente le signal envoyé par la diode émettrice
Vr représente le signal reçu par la diode réceptrice pour K = 0
Ve
Vr
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
-2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Vm représente le signal obtenu à la sortie du multiplieur
Vs représente le signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 0)
 La valeur finale de Vs tend vers 0
Vm
Vs
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
-2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Spectre du signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 0)
 La composante basse fréquence a disparu
La composante utile
ayant disparu, il ne
reste que le spectre
du bruit qui est très
faible (10-3)
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Ve représente le signal envoyé par la diode émettrice
Vr représente le signal reçu par la diode réceptrice pour K = 0,5
Ve
Vr
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
-2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Amplification par détection synchrone
Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre
Vm représente le signal obtenu à la sortie du multiplieur
Vs est le signal de sortie après filtrage passe-bas pour (K = 0,5)
 La valeur finale de Vs tend vers 0,25
Vm
Vs
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
-2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Amplification par détection synchrone
Réalisation d’un multiplieur « bon marché »
Les multiplieurs analogiques intégrés présentent 2 inconvénients
• ils ont chers
• ils ont une bande passante peu élevée
Dans certaines applications, on peut les remplacer par des
composants discrets (transistors) fonctionnant en découpage.
La solution mise en œuvre dans le turbidimètre utilise un
transistor JFET fonctionnant en commutation.
Il est commandé par une image du signal de commande de la
LED émettrice
Amplification par détection synchrone
Réalisation d’un multiplieur « bon marché »
Montage utilisant un transistor JFET fonctionnant en découpage.
Signal issu de
la LED
réceptrice
Commande
LED émettrice
Amplification par détection synchrone
Réalisation d’un multiplieur « bon marché »
Montage utilisant un transistor JFET fonctionnant en découpage.
10 k 
10 k 
AD 848
50 k 
+
Vr
Vm
od
JFET
Amplification par détection synchrone
Réalisation d’un multiplieur « bon marché »
Le transistor JFET est bloqué (RDS ) :
10 k 
10 k 
AD 848
50 k 
+
Vr
JFET
Vmod = - Vr + 2Vr = + Vr
Vmod
Amplification par détection synchrone
Réalisation d’un multiplieur « bon marché »
Le transistor JFET est saturé (RDSon  50) :
10 k 
10 k 
AD 848
50 k 
+
Vr
JFET
Vmod = - Vr
Vmod
Amplification par détection synchrone
Réalisation d’un multiplieur « bon marché »
Le filtre passe-bas du 1er ordre est réalisé par l’étage suivant :
Amplification par détection synchrone
Réalisation d’un multiplieur « bon marché »
Le filtre passe-bas du 1er ordre est réalisé par l’étage suivant :
220 nF
1M
1M
AD 648
Vmod
+
Vf
Amplification par détection synchrone
Réalisation d’un multiplieur « bon marché »
Le filtre passe-bas du 1er ordre est réalisé par l’étage suivant :
Vf
Z2
1
T 
 
 
Vmod
Z1
Y2 .Z1
T  
1

1 
Cp + .R1
R 2 

R2
 
R1
1
R 2Cp +1
Sa fréquence de coupure vaut : fc = 75 Hz
1
1
c 

6
-8  455 rad / s
R 2C
10 .22.10
Amplification par détection synchrone
Simulation du multiplieur « à découpage »
Tension Vmod en sortie de l’AOP et après filtrage passe-bas Vf(t)
Vmod
Vf
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Amplification par détection synchrone
Simulation du multiplieur « à découpage »
Spectre de la tension de sortie après filtrage passe-bas Vf(t)
(fe = 5Hz)
Amplification par détection synchrone
A titre de comparaison, voici ce qu’on aurait obtenu avec un vrai
multiplieur analogique (fe = 5Hz) : Vm(t) et Vs(t)
Vm
Vs
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Amplification par détection synchrone
A titre de comparaison, voici ce qu’on aurait obtenu avec un vrai
multiplieur analogique (fe = 5Hz) : Ve(t) et Vs(t)