Activités expérimentales

Chapitre communiquer avec les ondes. Activités expérimentales
le
SPCL - ondes
T STL
Communiquer avec les ondes.
I. Propagation libre de la lumière.
1. Observer l'effet de la distance sur la lumière émise par une source classique (par exemple une LED blanche).
2. Proposer puis observer une expérience simple permettant d'expliquer ce résultat.
II. Propagation guidée de la lumière.
3. Observer ce qu'il en est lorsque la lumière passe par une
fibre optique ?
4. Observer une expérience permettant d'expliquer ce résultat
puis interpréter ce phénomène.
(en verre)
(en verre)
III. Émission d'un signal électrique et propagation libre.
5. Générer un signal sinusoïdal d'amplitude maximale et de fréquence 5 MHz et le visualiser sur l'oscilloscope.
6. Puis, sans changer aucun réglage, retirer les câbles de connexion électrique et mettre un câble d'environ 1 m
nd
sur la borne rouge du GBF (l'autre extrémité du câble restant débranchée) et un 2 câble d'environ 1 m sur la
nd
borne rouge de l'oscilloscope (l'autre extrémité de ce 2 câble restant débranchée) puis augmenter la
sensibilité de l'oscilloscope et interpréter le résultat.
7. Débrancher un des deux câbles (ou l'autre) pour vérifier l'effet puis le rebrancher.
8. Observer l'effet de la distance sur le phénomène et interpréter le résultat.
9. Remplacer un des deux câbles (ou l'autre) par un câble coaxial d'environ 1 m et observer l'effet.
isolant
externe
isolant
métal conducteur
isolant
isolant
externe
métal conducteur
isolant
métal conducteur
métal conducteur
câble classique
câble coaxial
IV. Propagation guidée le long d'un câble coaxial.
10. Avec ce même câble coaxial d'environ 1 m, relier le GBF à l'oscilloscope et observer l'effet.
11. Générer un signal créneau, d'amplitude moyenne (Level en position médiane), avec le bouton Symmetry en
position tirée (et non pas enfoncée) et de fréquence 250 kHz et le visualiser sur l'oscilloscope. Tourner le bouton
Symmetry afin que le signal soit le moins de temps possible au maximum et le plus de temps possible au
minimum. Mettre le bouton DC Offset en position tirée (et non pas enfoncée) et le tourner afin que la tension
minimale soit égale à 0 V.
12. Puis, sans changer aucun réglage, débrancher le câble coaxial d'environ 1 m et brancher un câble coaxial de
100 m entre la sortie du GBF et la voie 2 de l'oscilloscope, tout en continuant à observer sur la voie 1 de
l'oscilloscope le signal tout juste à la sortie du GBF (grâce à une fiche BNC en T). Observer les phénomènes et
interpréter.
13. Détermine la célérité de l'onde dans le câble coaxial.
14. Soit Ue la tension du signal à l'entrée et Us sa tension à la sortie, alors l'atténuation (en dB) du signal est
A
10log
Us
Ue
et l'atténuation linéique (en dB/m) est AL
A
l
10
l
log
Us
Ue
avec l la longueur du câble.
En utilisant uniquement la voie 1 de l'oscilloscope, déterminer l'atténuation linéique du câble (à la fréquence de
250 kHz).
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15. Observer le signal tout juste à la sortie du GBF (utiliser uniquement la voie 1 de l'oscilloscope), et
interpréter, lorsqu'au bout du câble coaxial se trouve :
- une résistance infinie ;
- une résistance nulle ;
- une résistance prenant différentes valeurs comprises entre 10 Ω et 900 Ω ;
- un "bouchon" de résistance 50 Ω.
16. À le fin, remettre le bouton Symmetry en position enfoncée (et non plus tirée).
V. Modulation et démodulation d'amplitude.
Les signaux informatifs à transmettre par voie hertzienne (propagation libre d'ondes électromagnétiques, pour
la télévision, la radio, le téléphone …) ont une fréquence peu adaptée à ce mode de transmission. On utilise
alors un signal de plus haute fréquence pour les transporter.
Le signal informatif à transporter est appelé le signal modulant ui et le signal de haute fréquence est appelé la
porteuse up .
On peut par exemple utiliser la technique de la modulation d'amplitude qui consiste à moduler l'amplitude de
la porteuse (de haute fréquence) en utilisant le signal modulant (signal informatif à transporter).
17. Observer sur la voie 1 de l'oscilloscope le signal modulant ui (signal sinusoïdal de fréquence 100 Hz,
d'amplitude assez faible - level en position
- avec une composante continue telle que le signal soit toujours
positif) et sur la voie 2 de l'oscilloscope la porteuse up (signal sinusoïdal de fréquence 2,9 kHz, d'amplitude
maximale - level en position max - puis modifier légèrement la fréquence de cette porteuse pour que l’affichage
soit à peu près stable).
Pour la suite, retirer les 2 câbles de connexion électrique de la voie 2.
18. Alimenter un circuit multiplieur avec générateur +15V/0V/-15V (schéma ci-dessous à gauche).
alim +15V
alim -15V
alim +15V
V1
V2
alim -15V
V1
GBF
1
0V
V2
ui
GBF
2
alim 0V
0V
um
up
alim 0V
Puis, pour obtenir le signal modulé um , envoyer les deux tensions ui et up sur les entrées du circuit multiplieur
(schéma ci-dessus à droite). Puis visualiser le signal modulé um sur la voie 2 de l'oscilloscope (ui étant toujours
sur la voie 1) et décrire le résultat.
19. Changer modérément la fréquence du signal informatif à transporter pour observer le bon fonctionnement
de cette modulation d'amplitude. Puis repasser à un signal sinusoïdal de fréquence 100 Hz.
20. En utilisant le module d'acquisition Orphy (durée d'acquisition = 150 à 200 ms) et les fonctions du tableurgrapheur Regressi, visualiser le spectre en fréquence du signal modulé um.
21. En déduire une façon de ne conserver que le signal modulé qui nous intéresse lorsque plusieurs signaux
hertziens sont captés en même temps par une antenne.
22. La première étape de la démodulation consiste à ne garder que la partie positive du signal modulé (grâce à
un montage redresseur) en utilisant une diode et un résistor (ici de 10 kΩ) comme indiqué sur le schéma cidessous à gauche. Visualiser sur la voie 2 de l'oscilloscope le signal us obtenu (ui étant toujours sur la voie 1).
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alim +15V
alim -15V
alim +15V
V1
GBF
1
V2
ui
GBF
2
le
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alim -15V
V1
0V
um
R
us
GBF
1
V2
ui
GBF
2
up
alim 0V
0V
um
R
us
up
alim 0V
23. En utilisant le module d'acquisition Orphy (durée d'acquisition = 150 à 200 ms) et les fonctions du tableurgrapheur Regressi, visualiser le spectre en fréquence du signal us obtenu après redressement. En déduire une
façon de réobtenir le signal informatif à partir de ce signal us.
24. La deuxième étape de la démodulation consiste à se débarrasser des hautes fréquences du signal (grâce à un
circuit passe-bas) en ajoutant un condensateur (ici de 100 nF) comme indiqué sur le schéma ci-dessus à droite.
Visualiser sur la voie 2 de l'oscilloscope le signal us obtenu après redressement et filtrage (ui étant toujours sur
la voie 1).
25. À la fin, commencer tout d'abord par éteindre les deux GBF et remettre le bouton DC Offset en position
enfoncée (et non pas tirée), puis éteindre le générateur +15V/0V/-15V.
C
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Éléments de correction.
I. Propagation libre de la lumière.
Plus la distance est importante et moins la lampe éclaire.
En effet, la lampe éclaire dans de nombreuses directions donc si la distance augmente alors la
surface éclairée augmente et donc l'énergie lumineuse est plus "diluée", répartie sur une plus
grande surface.
II. Propagation guidée de la lumière.
3. La lumière peut être guidée dans une fibre optique, sur de
longues distances.
4. Il y a, tout le long de la fibre optique, de nombreuses
réflexions totales car le cœur et la gaine ont des indices
optiques assez différents.
cœur
gaine
III. Émission d'un signal électrique et propagation libre.
6. On remarque qu'un signal très proche de celui émis par le GBF (même forme et même fréquence mais
amplitude plus faible) est reçu par l'oscilloscope bien que l'oscilloscope et le GBF ne soient pas reliés : le signal
est transmis par voie hertzienne, dans l'air, sous forme de rayonnement (onde) électromagnétique.
7. Lorsqu'un des deux câble est débranché, plus rien n'est reçu car le câble branché sur le GBF sert d'antenne
émettrice et celui branché sur l'oscilloscope sert d'antenne réceptrice.
8. Plus la distance entre les deux antennes augmente et plus l'amplitude du signal reçu diminue car l'antenne
émet dans toutes les directions comme la lampe dans la partie I.
9. Lorsqu'un des deux câble est remplacé par un câble coaxial, plus rien n'est reçu. Un tel câble n'a pas d'effet
d'antenne car le conducteur extérieur sert de blindage face aux rayonnements électromagnétiques.
IV. Propagation guidée le long d'un câble coaxial.
10. Lorsque le câble coaxial relie le GBF à l'oscilloscope, le signal du GBF est bien évidemment transmis par ce
câble électrique.
11. On obtient le signal noté "signal généré " ci-dessous.
u
signal généré
t
Ue
u
τ2
signal observé près du GBF
Us
t
0
u
τ1
signal observé à l'autre
extrémité du câble
12. Sur la voie 1, le signal est modifié : on obtient le signal noté "signal observé près du GBF " ci-dessus.
Sur la voie 2, on obtient le signal noté "signal observé à l'autre extrémité du câble " ci-dessus.
Sur la voie 2, en bout de câble, le signal est reçu avec un retard τ1 car l'onde a dû parcourir 100 m de câble.
t
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Sur la voie 1, en plus du pic émis, un second pic (de plus faible amplitude) est observé avec un retard τ2 qui se
trouve être égal à 2 fois τ1 soit la durée nécessaire pour parcourir 2 fois la longueur du câble. En effet l'onde se
réfléchit à la sortie du câble coaxial et est observée à l'entrée de ce câble après avoir parcouru un aller-retour.
13. La durée que met le signal électrique (l'onde électromagnétique) pour parcourir les 100 m de câble est
τ1 = 0,5 µs (mesuré à l'oscilloscope) donc la célérité de l'onde dans le câble coaxial est
distance 100
100
soit les 2/3 de la célérité c de la lumière dans le vide.
v
2 108 m/s
durée
τ1
0,5 10 6
14. Avec l'oscilloscope, on mesure la tension Ue émise au niveau du GBF et la tension Us de l'onde réfléchie
lorsqu'elle arrive au niveau du GBF. Sachant que la longueur l est celle d'un aller-retour, c’est-à-dire 2 100 m ,
10
on peut calculer l'atténuation linéique du câble (à la fréquence de 250 kHz) : AL
log
l
Us
Ue
15. Lorsqu'au bout du câble coaxial se trouve une résistance infinie (le circuit reste ouvert), comme cela a déjà
été observé (question 12), le signal réfléchi est de même signe que le signal émis.
Au contraire, lorsqu'au bout du câble coaxial se trouve une résistance nulle (le circuit est fermé par un courtcircuit), le signal réfléchi est de signe opposé au signal émis.
Si la résistance en bout de ligne augmente, le signal réfléchi (de signe opposé au signal émis) est de plus en
faible et fini même par être nul pour une résistance de 50 Ω (l'onde est totalement absorbée). Si la résistance
continue d'augmenter, le signal réfléchi (maintenant de même signe que le signal émis) est de plus en fort et
atteint son maximum pour une résistance infinie.
Lorsqu'au bout du câble coaxial se trouve un "bouchon" de résistance 50 Ω, il n'y a plus de signal réfléchi (l'onde
est totalement absorbée).
17. Sur la voir 1, on observe ui , l'évolution temporelle du signal informatif de fréquence 100 Hz, c’est-à-dire
er
0,1 kHz (1 graphique).
e
Sur la voie 2, on observe up , l'évolution temporelle de la porteuse de fréquence 2,9 kHz (2 graphique).
ui
spectre en
fréquence
évolution temporelle du signal informatif
f (kHz)
0 0,1
up
évolution temporelle de la porteuse
spectre en
fréquence
0
um
2,9
spectre en
fréquence
évolution temporelle du signal modulé
2,8 2,9 3,0 f (kHz)
0
us
évolution temporelle du signal redressé
spectre en
fréquence
0 0,1
us
évolution temporelle du signal redressé et filtré
f (kHz)
2,9
f (kHz)
spectre en
fréquence
f (kHz)
0 0,1
e
18. Sur la voie 2, on observe um , l'évolution temporelle du signal modulé (3 graphique) qui est une
combinaison du signal informatif et de la porteuse : on obtient un signal qui ressemble au signal informatif (et
qui permettre par la suite de le réobtenir) mais qui a la fréquence de la porteuse (ce qui est adapté à la
transmission par voie hertzienne).
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e
20. Le signal modulé (3 graphique à droite) est en fait la somme de 3 signaux : un signal à la même fréquence
que la porteuse (2,9 kHz), un signal dont la fréquence est celle de la porteuse plus celle du signal informatif
(2,9+0,1=3kHz) et un signal dont la fréquence est celle de la porteuse moins celle du signal informatif (2,90,1=2,8kHz).
21. Pour ne conserver que le signal modulé qui nous intéresse (c’est-à-dire un signal de fréquence comprise
entre 2,8 et 3 kHz) lorsque plusieurs signaux hertziens sont captés en même temps par une antenne, il suffit
d'utiliser un filtre passe-bande qui ne laisse passer que les fréquences autour de celle de la porteuse (ici entre
2,8 et 3 kHz).
e
22. Sur la voie 2, on observe us , l'évolution temporelle du signal redressé (4 graphique) qui est la partie
positive du signal modulé.
e
23. Le signal redressé (4 graphique à droite) est en fait la somme de 2 signaux : un signal à la même fréquence
que la porteuse (2,9 kHz) et un signal à la même fréquence que le signal informatif (0,1kHz).
Pour réobtenir le signal informatif ui à partir de ce signal redressé us il suffit de ne conserver que la partie à
basse fréquence de ce signal (et d'éliminer la partie à haute fréquence) en utilisant un filtre passe-bas.
e
24. Sur la voie 2, on observe us , l'évolution temporelle du signal redressé et filtré (5 graphique) qui est le
même que le signal informatif ui .
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Liste du matériel.
Au bureau :
□ lampe à LED blanche ne contenant qu'une seule LED - je m'en charge
□ grand écran blanc
□ laser rouge
□ fibre optique
□ formes en plexiglass permettant de mettre en évidence le fonctionnement d'une fibre optique
Pour chaque binôme (en au moins 5 exemplaires) :
□ nombreux câbles de connexion électrique Radiall
□ 2 GBF
□ oscilloscope
□ au total 4 adaptateurs BNC/fiches banane 4 mm (pour l'oscilloscope et les GBF)
□ fiche BNC en T
□ fiche BNC male/male
□ bouchon 50 Ω pour câble coaxial
□ très long câble coaxial (100 m)
□ câble coaxial (1 m de long)
□ longue boite à décade de résistances DR07 (ayant au moins ×10Ω et ×100Ω)
□ module d'acquisition Orphy
□ ordinateur avec logiciel Regressi
□ alimentation électrique +15V/-15V/0V
matériel électrique des classe prépa pour la modulation et la démodulation d'amplitude :
□ plaque d'essais
□ circuit multiplieur
□ diode
□ résistor 10 kΩ
□ condensateur 100 nF
le
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