Année universitaire: 2010–2011

M AÎTRISE DES R ISQUES I NDUSTRIELS 1 ÈRE ANNÉE
T RAVAUX P RATIQUES
D ’É LECTRONIQUES
A NALOGIQUES
Année universitaire: 2010–2011
Intervenants:
David FOLIO
<[email protected]>
&
Hamid LADJAL
<[email protected]>
http://perso.ensi-bourges.fr/dfolio/Teaching.php
2
MRI–1A
Année universitaire: 2010–2011
Table des matières
Préambule
4
I. Composants électroniques
I-1 Travail initiatique (prise en main du matériel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I-2 Circuit à Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I-3 Circuit à transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
6
7
II. Les AOP
II-1 Montages de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II-2 Filtre Actif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
10
11
3
4
Préambule
Ce travail de laboratoire est prévu sur deux séances de 3h :
– TP-1 Composants Électroniques : initiation à l’électronique avec l’étude de composants et instruments de base de l’électroniques ;
– TP-2 Les Amplificateurs Opérationnels : étude des AOP et de leurs utilisation.
Vous êtes fortement encouragés à préparer ces TP avant la 1ère séance et notamment les études théoriques.
Le travail est effectué en équipe. Un compte rendu est à réaliser par l’équipe sur l’ensemble du TP, et
devra être rendu lors de l’examen en seconde période (P2) : une feuille d’émmargement devra être signé par
tous les membres de l’équipe.
Le compte rendu
Le compte rendu de TP doit présenter les différentes étapes de la démarche adoptée pour résoudre un
problème scientifique clairement défini. En effet un TP est le plus souvent constitué d’une ou plusieurs
expériences qui s’inscrivent dans une démarche de résolution de problème scientifique. Il doit donc être rédiger
comme un rapport scientifique, et comporter les étapes (non-exhaustives) présentées ci-dessous.
– Protocole
Exposer clairement et brièvement les manipulations réalisées. Il faut justifier l’emploi du matériel utilisé.
Si ce protocole est décrit dans une fiche, faire référence à celle-ci sans la recopier.
– Résultats
La présentation des résultats doit être claire et sans ambiguïté (dimensions, unités, etc.). Elle peut être
sous la forme d’un tableau, d’un graphique, d’un schéma ou d’un court texte. Ces résultats doivent être
commentés, légendés (notamment dans le cas de graphique et schéma) et référencés dans le texte.
– Interprétation/Analyse
Se fait comme toute interprétation de document. La synthèse que vous rédigez doit rendre compte du
raisonnement suivi pour construire votre conclusion.
– Conclusion
La réponse au problème posé doit être clairement exposée et il faut s’assurer que le but du TP est atteint.
Si les résultats obtenus ne viennent pas confirmer les hypothèses sur lesquelles on travaille, rechercher
si cette différence est due à une erreur de manipulation, de conception du protocole, ou du principe
de l’expérience. Si de telles erreurs n’ont pas eu lieu, alors on peut conclure que l’hypothèse testée est
erronée et on doit en reformuler ne nouvelle, et ce à la lumière de ce que la manipulation nous a appris.
Indiquer sur votre compte rendu :
– les noms et prénoms de tous les membres de l’équipe ;
– la date de la séance ;
– les références du matériel utilisé.
Le poster
En plus du compte rendu, chaque équipe peut réaliser un poster qui permettra l’obtention de points bonus.
Le poster doit présenter une vue synthétique des résultats de TP, et devra traiter de l’une ou des deux séances
de TP, ou simplement sur un montage particulier réaliser en séance.
Outre le fait que la réalisation de ces posters constitue un très bon exercice de style, nous attirons
votre attention sur l’impact qu’ils seront amenés à avoir auprès de vos camarades des promotions suivantes
et des visiteurs industriels. Nous vous demandons donc d’apporter le plus grand soin à cette opération de
communication.
Les instructions pour la réalisation de vos posters sont les suivants :
– Format A4 (210 × 297mm) ou A3 (297 × 420mm) ;
– Fond blanc impérativement ;
– Ne pas trop charger le poster ;
– Indiquer : le titre, noms et prénoms des membres de l’équipe.
– Liser attentivement et préparer les TP avant de venir en séance.
– Porter une attention particulière à commenter et légender vos figures.
– Ranger le matériel et nettoyer vos paillasses en fin de séance.
MRI–1A
Année universitaire: 2010–2011
TP I. Composants Électroniques
Objectif : Ces expériences doivent compléter votre apprentissage des instruments de mesures,
des composants électroniques présentés en cours, et soumettre à l’expérience votre compréhension
des notions de base de l’électronique.
I-1
Travail initiatique
(prise en main du matériel)
Ce travail initiatique doit vous permettre de renforcer vos connaissances de l’électronique pratique
et avancer sereinement dans la suite du TP.
I-1-1. Identifier les différentes parties de la plaquette ead 110.
I-1-2. Test de l’alimenation :
– Mettre la maquette sous tension et vérifier à l’oscilloscope le +12V et le −12V, ainsi que les
deux tension variables : 0V à +10V, puis −10V à 0V.
– Observer la sortie S2 du bloc MESURE.
I-1-3. Test du GBF :
– Observer la sortie du GBF à l’oscilloscope.
– Appuyer successivement sur le bouton poussoir TYPE et vérifier que le signal de sortie passe
de sinus, à carré puis triangle.
– Vérifier le réglage du gain via le potentionmètre GAIN.
– Vérifier les excursions de fréquence à l’aide du potentionmètre FREQUENCE et du bouton
poussoir GAMME
I-1-1. Test de l’oscilloscope :
– Observez un signal DC avec l’oscilloscope, en mode AC et DC. Familiarisez vous avec le
niveau déclencheur (trigger) en mode auto et single.
– Observez un signal sinusoïdal produit par le GBF avec l’oscilloscope, en mode AC et DC.
Familiarisez vous avec les échelles de fréquences et de tension.
– Avant d’appliquer une tension à un montage vérifier et observer l’amplitude du signal.
– Familiarisez-vous avec les composants électroniques utiliser pour les montages :
– liser leurs spécifications et caractéristiques électriques (cf. documents annexes fournis en séance) ;
– déterminer leurs limites de fonctionnement, tolérances, etc. ;
– identifier leurs brochage.
5
Composants électroniques
I-2
6
Circuit à Diodes
I-2-1. Prenez une diode de la plaquette :
(a) identifier le type, son brochage et ces caractéristiques ;
(b) mesurez la “résistance de la diode” dans le sens directe et dans la sens inverse. Commenter
vos résultats.
D1
Uin
D2
A
D3
R
D4
B
VA
C
VB
b in sin(ωt), avec U
b in = 10 V et f = 50 Hz
Montage I.1 – Uin (t) = U
Les valeurs indiqués ne sont que des ordres de grandeurs. Il vous incombe de relever les valeurs que vous employées.
I-2-2. Réaliser le montage I.1 sans la capacité.
(a) Déterminer la valeur de la résistance R du montage, puis mesurer sa valeur. Préciser ma
tolérance par rapport à la valeur indiquée sur le composant.
(b) Appliquer en entrée une tension sinusoïdale, et relever les allures des signaux Uin et VA en
précisant l’état des diodes en fonction des alternances de Uin .
(c) Déterminer les amplitudes, valeurs efficaces et valeurs moyennes de ces signaux.
(d) Faites varier la valeur de la résistance R et comparer les allures de la tension de sortie.
(e) Conclure sur les résultats obtenus. Qu’elle est la fonction du montage ?
I-2-3. Réaliser le montage I.1 avec la capacité C.
(a) Caractériser la valeur de la capacité C, et préciser sa tolérance.
(b) Appliquer en entrée une tension sinusoïdal, et relever les allures des signaux Uin et VB .
(c) Déterminer les amplitudes, valeurs efficaces et valeurs moyennes de ces signaux.
(d) Démontrer que la tension de sortie VB peu se mettre sous la forme : vB (t) = Vb B exp − τt ,
en précisant la valeur de τ .
(e) Identifier les instants t1 et t2 correspondant respectivement au début des phases de décharge
et de charge de la capacité C, et mesurer les tensions de sortie correspondante.
Déduire la valeur la tension d’ondulation ∆V .
(f) Changer la valeur de la capacité et comparer les allures de la tension de sortie. Comment
évolue la tension d’ondulation ∆V ?
(g) Conclure sur les résultats obtenus. Qu’elle est la fonction du montage ?
I-2-4. On souhaite réguler la sortie VB du montage pour avoir en sortie Vs ' 5V et un courant de
charge Ismax ' 5mA. Préciser :
(a) le type de composants que vous utiliserez et ces caractéristiques,
(b) le schéma du montage que vous mettriez en œuvre.
Uin
RP
D
Vout
Montage I.2
On considère à présent le montage I.2 constitué d’une seule diode.
I-2-5. Déterminer l’équation de la droite de charge.
I-2-6. Tracer la courbe caractéristique courant/tension pour une diode classique et une diode zener.
MRI–1A
Année universitaire: 2010–2011
Composants électroniques
I-3
7
Circuit à transistors
I-2-1. Tester le fonctionnement du transistor :
(a) Identifier le type et les caractéristiques du transistors, ainsi que son brochage.
(b) Mesurer la résistance de chacune des 3 jonctions possibles de Q1 dans les deux directions.
En déduire le comportement des jonctions BE, BC, et CE.
Montage I.3 – vin (t) = vbin sin(ωt), avec bvin ' 100 mV
On s’intéresse au montage I.3.
I-2-2. Étude de la polarisation
(a) Mesurer les résistances utilisées pour le montage I.3.
(b) Déterminer les équations des droites d’attaque et de charge du circuit.
(c) Caractériser entièrement le point de fonctionnement de Q1 théorique et expérimental.
I-2-3. Étude dynamique
(a) Dessiner le schéma équivalent dynamique petit signaux du montage I.3.
(b) Caractériser (de manière théorique et expérimental) le gain en tension Av , l’impédance d’entrée
Zin et de sortie Zout du montage. Conclure sur l’intérêt de ce montage.
I-2-4. Relever les tensions d’entrée Vin et de sortie Vout .
(a) Déterminer les amplitudes, valeurs efficaces et valeurs moyennes de ces signaux.
(b) Caractériser le déphasage entre Vin et Vout . Expliquer l’origine de ce déphasage.
(c) En faisant varier la fréquence de Vin , relever l’évolution du gain Av . Conclure.
MRI–1A
Année universitaire: 2010–2011
Composants électroniques
MRI–1A
8
Année universitaire: 2010–2011
TP II. Les Amplificateurs Opérationnels
Objectif : Vous apprendrez à caractériser les Amplificateurs OPérationnels (AOP) et leur utilisation.
Présentation
L’amplificateur opérationnel est un composant actif constitué d’une association de transistors
en cascade avec un étage amplificateur différentiel en entrée. Pour fonctionner, il doit donc être
polarisé (entre −Vcc et +Vcc ). Suivant le montage réalisé, il peut fonctionner en amplificateur (il est
alors polarisé en zone linéaire) ou en comparateur (dans ce cas, il va fonctionner en passant d’un zone de
saturation à l’autre).
II.1.a – Notations
II.1.b – Caractéristique
de transfert
Les caractéristique de l’AOP sont les suivante :
– v+ : l’entrée non-inverseuse ;
– v− : l’entrée inverseuse ;
– VE = v+ − v− : la tension différentielle ;
– Vout = AVE : la tension de sortie ;
– A : l’amplification en boucle ouverte de l’AOP.
En continue A = A0 .
En première approximation, un AOP est considéré comme idéale, soit : A0 = ∞ et les courants
i+ et i− sont supposés nuls.
Pour un AOP réel 1 , on peut considérer que son gain en tension à un comportement de filtre
passe-bas du premier ordre. Ce gain en boucle ouverte, peut donc se mettre sous la forme suivante :
Vout
A0
A(ω) =
=
(II.1)
VE
1 +  ωωc
Lorsque l’AOP est utilisé en comparateur (i.e. , utilisé dans sa zone non-linéaire), la tension de
sortie ne peut valoir que ±Vsat , soit :
– Vout = +Vsat , si v− > v+
– Vout = −Vsat , si v− < v+
où Vsat est la tension de saturation de l’AOP. Elle est voisine de ±Vcc (tension d’alimentation de l’AOP).
Avant d’utiliser les AOP, et d’injecter le signal d’entrée d’une source extérieure à la
plaque ead 110, assurez vous que l’AOP est alimenté en allumant la plaquette.
1. On considère dans tout le TP que la seule imperfection réside sur le gain de l’AOP.
9
Les AOP
II-1
10
Montages de base
II-1-1. Identifier le type et les caractéristiques de l’AOP, ainsi que son brochage.
Montage II.1
II-1-2. Réaliser le montage II.1.
(a) Caracteriser Vout en fonction de Vin , en considérant dans un premier temps un AOP parfait,
puis en considérant un AOP réel (selon les hypothèses faites précédemment).
(b) Mesurez le gain en fonction de la fréquence. À quelle fréquence le gain commence-t-il à
diminuer ? En déduire la fréquence de coupure. Expliquer/commenter vos observations.
(c) Qu’elle est la fonction du montage ?
Montage II.2
II-1-3. Réalisez le montage II.2
(a) Caracteriser Vout en fonction de Vin , en considérant un AOP parfait.
(b) Choisir R1 et R2 de façon à obtenir un gain proche de 3.5dB. Valider et vérifier vos choix
expérimentalement.
(c) Relever les allures des signaux Vin et Vout , et comparer leurs formes, amplitude, phase, etc.
(d) Expliquer/commenter vos observations. Expliquer pourquoi on appelle la borne d’entrée
v+ non-inverseuse et v− inverseuse.
(e) Qu’elle est la fonction du montage ?
Montage II.3
On considère le montage II.3 sans le condensateur Cp :
II-1-4. Caracteriser Vout en fonction de Vin , en considérant un AOP parfait.
II-1-5. Réalisez le montage II.2, où Vin est un signal triangulaire de période T ' 2ms, et Vb in ' 2.5V.
(a) Relever les allures des signaux Vin et Vout , et comparer leurs formes, amplitude, phase, etc.
(b) Observer les oscillations sur les fronts montants et descendants de Vout (t). Proposer une
explication.
(c) Qu’elle est la fonction du montage ?
MRI–1A
Année universitaire: 2010–2011
Les AOP
11
On considère à présent le montage II.3 avec le condensateur Cp :
II-1-6. Caracteriser Vout en fonction de Vin , en considérant un AOP parfait.
II-1-7. Réalisez le montage II.2, où Vin est un signal triangulaire de période T ' 2ms, et Vb in ' 2.5V.
(a) Relever les allures des signaux Vin et Vout , et comparer leurs formes, amplitude, phase, etc.
(b) Observer l’abscence d’oscillations sur les fronts montants et descendants de Vout (t). Proposer
une explication.
Montage II.4
II-1-8. Caracteriser Vin en fonction de Vout , en considérant un AOP parfait en mode comparateur.
II-1-9. Réalisez le montage II.4
– Relever les allures des signaux Vin et Vout , et comparer leurs formes, amplitude, phase, etc.
– Dessiner la courbe entrée/sortie (i.e. , Vout en fonction de Vin ) et identifier les tensions de
basculement.
– Conclure sur la nature du montage.
II-2
Filtre Actif
Montage II.5
II-1-10. Exprimer Vout en fonction de Vin
(a) Montrer que la fonction de transfert peut se mettre sous la forme :
T (ω) =
1+
x
Q
K
+ (x)2
avec x =
ω
ω0
(II.2)
(b) Identifier les paramètres K, ω0 et Q en fonction des composants du circuit,
(c) Déterminer la sensibilité de ces paramètres vis-à-vis des composants du circuit II.5.
q√
(d) Démontrer que la fréquence de coupure est donné par : fc = f0
2−1
II-1-11. Réalisez le montage II.5
(a) Relever le diagramme de Bode (gain et phase), et caractériser les paramètres K, ω0 et Q.
Comparer aux valeurs théoriques obtenus précédemment.
(b) Conclure sur la nature du montage
MRI–1A
Année universitaire: 2010–2011