S3-Ploy_TP_2014_2015-pour Olivier

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Travaux Pratiques de Conditionnement de Signaux
Analogiques et d’Electronique d’Instrumentation
Semestre SP
3
, Année 2015
Ces travaux pratiques d’Electronique d’instrumentation traitent de 6 sujets :
TP1 : Introduction : Oscilloscope numérique (texte à part)
TP2 : Caractérisation de l’ampli-op réel
TP3 : L’amplificateur différentiel et l’amplificateur d’instrumentation
TP4 : Filtrage actif et application
TP5 : Oscillateurs et générateur de signaux
TP6: Etude d’une électronique de chaîne de mesure: L’électrocardiogramme (ECG)
TP7 : Partiels de TP (2h)
Les TP nécessite une préparation. Les sujets de TP constituent, pour la plupart d’entre eux, une
application directe du cours et des TD. Il est impératif donc de disposer des documents du cours et
de TD lors de la séance de TP. Aucune question théorique de ce polycopié ne se sera refaite lors
de la séance de TP.
Dans certaines parties des TP 2, 3, 4 et 5, nous étudions des montages proches (ou
identiques parfois) à ceux qui constituent l’électronique de l’acquisition des signaux
d’électrocardiogramme ECG (voir schéma en introduction ci-dessous et en introduction du
cours) Le TP6 consiste à étudier la maquette complète de cette électronique d’ECG.
2
Introduction général sur le projet
(Voir aussi l’introduction au cours)
L’ensemble de ces TP ont pour objectif TP d’acquérir les connaissances et les compétences
nécessaires à la réalisation d’une électronique d’une chaîne de mesure complète permettant de
collecter les signaux d’électrocardiogramme (ECG) et de les transmettre à distance par fibre
optique. Ce schéma fait appel à toutes les notions abordées en cours d’électronique
d’instrumentation I & II (voir le schéma d’introduction du cours). La plupart des étages (au moins
des étages très proches) constituant cette chaîne seront dans ces TP.
Le travail qui sera demandé s’apparente, dans beaucoup de ses aspects, à un vrai travail que le
technicien aurait à effectuer dans un environnement professionnel réel.
I. Contexte du projet et problématique
Ce projet, ayant une application réelle, a été largement inspiré des travaux effectués dans un
laboratoire de recherche sur l’IRM. En effet, le laboratoire (Grenoble Institut des Neurosciences
GIN) s’intéresse aux applications biomédicales in vivo de la RMN (Résonance Magnétique
Nucléaire). Les travaux sont effectués tant sur l’homme que sur le petit animal (rat, souris). Ils
visent au développement, à l’évaluation et à l’exploitation du potentiel en neurosciences cliniques,
biologiques et cognitives de l’ensemble des méthodes de neuroimagerie par IRM (Imagerie par
Résonance Magnétique nucléaire).
Surveiller l’état du sujet (homme, rat) lors de l’expérience ou de l’examen d’IRM revêt d’une
importance majeure. Cette surveillance consiste à enregistrer plusieurs signaux physiologiques
d’intérêt. La température, la pression artérielle, le rythme respiratoire ou encore l’activité cardiaque
(ECG : Électrocardiogramme) et l’activité cérébrale (EEG : Électroencéphalogramme) sont les
signaux les plus couramment mesurés.
Dans le cadre d’un stage d’ingénieur de 2
ème
et d’un stage de fin de DUT de Mesures Physiques
(MPH-Grenoble 2008), nous avons mis en place, dans ce laboratoire, des systèmes électroniques
permettant l’acquisition et la transmission par fibre optique de signaux de l’ECG et de l’activité
respiratoire du sujet depuis l’intérieur de l’aimant d’IRM et sa cage de Faraday jusqu’à l’ordinateur
de visualisation et de traitement placé à distance. L’électronique utilisée dans ces systèmes fait à
appel à la quasi-totalité des notions que nous avons abordées en cours d’électronique
d’Instrumentation 1 et 2 (voir le chapitre 0 : Introduction).
Le principe simplifié de l’IRM consiste à placer l’échantillon (homme ou animal d’expérience)
dans un aimant produisant un champ magnétique statique intense B
0
(2.35 T dans notre
application). Une impulsion d’excitation d’un second champ magnétique B
1
radiofréquence est
ensuite envoyée dans l’échantillon grâce à une bobine d’excitation. La fréquence de l’excitation
dépend du champ B
0
et elle vaut 100 MHz à 2.35 T. La bobine d’excitation est accordée à la
fréquence de résonance 100 MHz. A la fin de cette excitation, un signal de résonance (signal RMN)
en provenance de l’échantillon est détecté. Ce signal s’apparente à une sinusoïde amortie, à la
même fréquence de 100 MHz. Il est détecté, par induction, par la même bobine qui assure
l’excitation (La bobine est accordée, avec une capacité, à la fréquence de résonance de 100 MHz

3
selon exactement le même principe que l’antenne de votre radio que vous avez réalisé en S2). Le
signal reçu est exploité pour être utilisé dans la reconstruction d’une image par exemple.
La problématique du projet (du stage) est la suivante (voir figure 1) :
Figure 1 : Problématique du projet
Pendant l’examen d’IRM, et pour des raisons multiples, nous avons besoin de connaître
l’activité cardiaque du sujet.
Il faut donc réaliser un système électronique permettant l’acquisition des signaux de l’ECG.
Le circuit électronique doit naturellement être placé dans l’aimant de l’IRM au plus près du
sujet qui sera muni d’électrodes (capteurs).
La visualisation de signaux se fait sur un PC ou un oscilloscope situé à environ 10 mètres de
l’aimant.
L’aimant de l’IRM est situé dans une cage de Faraday permettant d’atténuer les
interférences et les bruits extérieurs notamment dans notre cas où la fréquence de travail de
4
l’IRM est autour de 100 MHz (dans la bande des stations radio FM). Ces interférences se
traduisent par des défauts sur l’image et par dégradation de sa qualité diagnostique.
Nous ne souhaitons donc pas utiliser de câbles électriques pour transmettre le signal ECG
en dehors de la cage de Faraday. Ces câbles peuvent en effet rompre « l’étanchéité » de la
cage de Faraday.
La solution est donc de transmettre ces signaux ECG par fibre optique.
II. Le cahier des charges de l’électronique à réaliser :
Nous utilisons 3 électrodes
1
: deux électrodes, P1 et P2, sont placées sur les poignets du
sujet et une électrode de référence (P3) placée sur le pied droit qui servira d’électrode de
masse (le patient va être relié à la masse du circuit).
Les signaux d’intérêt sont différentiels. l’information clinique est contenue dans la
différence du potentiel (P1-P2). Le niveau des signaux différentiels est d’environ 1 mV.
Nous fixons donc un gain total d’environ 1000.
Dans notre application, la bande passante d’intérêt des signaux de l’ECG est entre 0.2 Hz
et 25-30 Hz environ.
Une fois amplifiés et filtrés, ces signaux doivent être transmis par fibre optique après une
modulation en largeur d’impulsion (MLI).
Le circuit d’émission sera alimenté par 2 piles de 9 V.
A la réception, une électronique de réception permet d’effectuer la conversion
optique/électrique et la démodulation.
Par contraintes de temps, nous ne réalisons pas ici les circuits. Vos connaissances vous
permettent néanmoins de les concevoir et de les réaliser dans leur intégralité. D’ailleurs, les
circuits (maquettes) mis à votre disposition ont été conçus, simulés (sous PSPICE) et
réalisés par vos camarades du groupe SP3 (ayant donc les mêmes pré- requis que vous)
sous forme d’un projet de 20 heures de travail.
Nous nous contentons ici, notamment lors du TP, d’analyser et de comprendre l’ensemble
des étages intervenant dans ces circuits et tester leur fonctionnement. Ce travail de test
s’apparente à un travail concret de technicien.
1
Pour les applications en clinique, un ensemble de 12 électrodes peut être nécessaire

5 6
TP2 : Caractérisation de l’ampli-op réel
(Chapitre I du cours )
Le but de cette séance de TP est de d’illustrer quelques caractéristiques de l’ampli-op réel à
travers l’étude d’un montage de base. On s’intéressera dans un deuxième temps à l’étude du
gain, de la bande passante du montage non inverseur et de l’effet du slew rate.
On utilisera l’ampli-op LM741 dont la fiche technique (Datasheet) est donnée en annexe.
I. Effets la tension de décalage d’entrée V
OS
1. Réaliser le montage de la figure 1. On utilisera l’amplificateur opérationnel LM741 (fiche
technique en annexe) alimenté en V 15
±
et on choisira R
1
=1 k Ω et R
2
=10 k Ω. . Quelle valeur
doit-on choisir pour la résistance R
3
? Justifier.
+
-
R
1
R
2
R
3
e s
Figure 1
2. Exprimer le gain A
0
du montage si l’on considère que l’ampli-op est idéal.
3. 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.
4. Proposer une méthode de mesure de la tension de décalage (S
offset
) à la sortie de
l’amplificateur. Mesurer, si cela est possible, cette tension
N.B. 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.
5. Proposer une solution pour avoir une valeur de S
offset
plus grande (plus facilement mesurable
donc) ? Tester.

7
6. Quelle sera l’erreur de mesure commise si on utiliserait ce montage pour amplifier une
tension continue E=1 mV si on ne tient pas compte de la tension de décalage en sortie (voir
TD 3)?
7. Le fabricant du LM741 propose un montage simple permettant la compensation de l’offset
(voir la fiche technique). Réaliser ce montage et tester.
Par la suite, on peut conserver 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.
II. Gain et bande passante du montage (voir TD 2- exercice 1)
On reprend le montage de la figure avec 1 R
1
=1 k Ω et R
2
=100 k Ω. . On souhaite tracer sur
une feuille semi-logarithmique la courbe du module de gain du montage en fonction de la
fréquence.
1. Quel type signal d’entrée e(t) faut-il choisir ? justifier.
2. Comment choisir l’amplitude de l’entrée (quel(s) phénomène(s) faut-il éviter en sortie du
montage)?
Par la suite, on choisira l’amplitude de l’entrée permettant d’éviter ces phénomènes en
sortie et aussi de réaliser les mesures les plus précises possibles.
3. La courbe du module de gain sera tracée sur une feuille semi-logarithmique à 6 décades
dans la plage de fréquences [1 Hz, 1 MHz]. Comment procède-t-on pour préparer la feuille
à une utilisation optimale ?
4. Tracer donc la courbe de gain du montage en dB en fonction de la fréquence. Quels
appareil(s) de mesure peut-on/doit-on utiliser ? Peut-on utiliser le dBmètre pour la
mesure ? justifier soigneusement votre réponse.
5. Déduire de la courbe les valeurs du gain statique et de la fréquence de coupure à -3 dB.
6. Tracer sur la même feuille la courbe de gain mesuré lorsque R
2
=10 k Ω. . Déduire de la
courbe la nouvelle valeur du gain statique et celle de la fréquence de coupure à -3 dB.
8
7. En se basant sur les données du fabricant du LM741, quelle est la valeur du le facteur de
mérite de l’ampli-op ? Quelle est la valeur de son gain statique en boucle ouverte ?
8. Tracer sur la même feuille semi-logarithmique l’asymptote oblique de la courbe de gain
boucle ouverte de l’ampli-op.
9. Comparer les résultats expérimentaux (gain et bande passante du montage) aux résultats
de la théorie (vérifier que le produit gain-bande passante est presque constant).
N.B. Dans le schéma de l’électrocardiogramme, le montage formé par l’ampli-op
U2 :B TL064 et les résistances R
8
et R
9
est un montage non inverseur. Nous
verrons le rôle de la capacité C
10
en TP6.
Quelle est la valeur du gain statique du montage (ne tenez pas compte de C
10
) ?
III. Effet du Slew Rate (SR) : vitesse maximale de balayage (voir TD2-
exercice 3)
1. Réaliser et tester un montage suiveur à base de l’ampli-op 741.
2. Le signal d’entrée e(t) est sinusoïdal de 5 V crête à crête et de fréquence égale à une
centaine de Hz. Visualiser sur l’oscilloscope les tensions e(t) et s(t). Quel est le gain du
montage?
3. Augmenter progressivement la fréquence du signal d’entrée (aller jusqu’à 100 kHz voire
plus) et commenter vos observations sur le signal de sortie.
4. Mesurer aussi précisément que possible la fréquence à partir de laquelle on observe une
distorsion du signal de sortie?
5. Mesurer le slew rate de l’ampli-op et comparer à la valeur fournie par la fiche technique.
6. La tension crête à crête du signal d’entrée est maintenant de 10 V. Mesurer avec la plus de
précision possible la nouvelle valeur de f
max
.

9
TP3 : Amplificateur différentiel et amplificateur d’instrumentation
(Chapitre II du cours )
N.B. Dans le schéma de l’électrocardiogramme, le montage formé par le
composant U1 AD620 et la résistance R
3
est un amplificateur d’instrumentation
(amplificateur différentiel) permettant de faire la différence entre les potentiels P1
et P2 des deux électrodes et d’amplifier cette différence. On rappelle que
l’information utile l’ECG est contenue dans la différence (P
1
-P
2
). C’est ce type de
montage qui nous étudions dans ce TP.
Attention : le paragraphe II.2 est prioritaire. Il nécessite au moins 1 heure
environ. Il faut traiter ce paragraphe quelque soit l’état d’avancement sur les
autres partie du TP.
On s’intéresse donc 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).
I. Amplificateur différentiel (amplificateur de différence):
I.1. Amplificateur différentiel simplifié et notion de mode commun
On considère le montage de la figure 1 ci-dessous où l’on suppose que le gain en boucle
ouverte, l’impédance d’entrée et la réjection en mode commun de l’ampli-op sont infinis.
+
-
R
1
e
1
e
2
s
R
1
R
2
R
2
Figure 1
10
1. .Question de préparation théorique : En appliquant le théorème de superposition ou la
loi des nœuds, montrer que
)(
21
eeAs
d
−
=
Où A
d
est le gain différentiel que l’on exprimera en fonction des résistances.
2. Réaliser le montage de la figure 1 en utilisant l’amplificateur opérationnel LM741 (fiche
technique en annexe) alimenté en V 15
±
et on prenant R
1
=1 k Ω et R
2
=10 k Ω.
3. Mesurer (valeur et signe) le gain différentiel A
d
du montage à 100 Hz en utilisant un seul
GBF. Expliquer la procédure de mesure.
4. Déconnecter le GBF du montage (de la maquette).
5. Appliquer maintenant une même tension continue de +15V sur les deux entrées e
1
et e
2
(la
tension +15 V est déjà disponible pour l’alimentation + V
CC
de l’ampli-op) 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. Quelle est l’origine de cette tension ? s’agit-il
uniquement de la tension d’offset liée à la tension d’offset Vos d’entrée (voir TP1) ?
6. Déconnecter la tension continue de +15 V des entrées e
1
et e
2
7. On applique maintenant une même tension sinusoïdale e (fréquence d’environ 50Hz et
sans tension de décalage) sur les deux entrées e
1
et e
2
:
7.1 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 à chaque fois la
valeur crête à crête de la tension de sortie de l’amplificateur (cette tension peut être
faible et bruitée, on utilisera donc la fonction appropriée de l’oscilloscope numérique
pour réduire le bruit).
7.2 Tracer sur feuille millimétrique la courbe de s en fonction de
2
21
ee
+
.
7.3 Déduire de cette courbe la valeur du gain en mode commun A
mc
défini par
2
)(
21
ee s
A
mc
+
=