Cours d'instrumentation électronique …

1 Cours d'instrumentation lectronique (instrumentation scientifique) 2009, Frank WAGNER (17 heures de Cours 1 heure d'examen) Les pages qui suivent sont les transparents montr s en Cours . Je rappelle que ces transparents ne refl tent pas forc ment le Cours en entier et qu'en particulier les questions d'examens peuvent porter sur des sujets qui ne sont pas d crit dans ces transparents. 1/6 Introduction et g n ralit s, pages 2-15 2/6 Les alimentations, pages 16-27 3/6 Les g n rateurs de fonctions, pages 28-42 4/6 Les multim tres, pages 43-52 5/6 Les oscilloscopes, pages 53-66 6/6 La d tection synchrone (bases) et les analyseurs de spectres (bases), pages 67-72 11 Master ISICI ntroduction1F. Wagner6 * 3h de Cours + 1h d'exam critMaster ISICI ntroduction2 Bref Historique de l instrumentation Science relative la conception et l utilisation rationnelle d instruments Science qui a l ge de l humanit et qui couvre tous les secteurs de l activit humaine volution troitement li e aux progr s techniquesEx: Silex taill , roue, t l graphe, moteur explosion, composants semi-conducteursIntroduction2 Outils de productionInstruments de mesure22 Master ISICI ntroduction3 Domaines d application de l instrumentation Scientifique M decine Chimie Biologie Physique (optique, lectricit , ) Math matiques AgronomieAcquisition de donn esTraitement de donn esProduction, transformation d nergieMaster ISICI ntroduction4 Mesure et traitement de l information.

2 La cha ne de mesureAcquisition des donn es (mesures)Traitement de l informationSortie desr sultatsChaque fonction est assur e par des appareils particuliers :Mesure :-Capteur / Sonde -ConditionneurTraitement:-Composant lectronique-Automate-Micro-ordinateur-Ce ntre de calculR sultats :-Afficheur-Actionneur-contr leur-G n ration d un signal-Alarme33 Master ISICI ntroduction5 laboration d un instrument scientifiqueBureau d tudeLaboratoireR&DUnit de fabricationServices technico-commerciauxPrincipe de mesureR alisation d'un appareilPratique, en concurrence des diff rents mod les, Cours d'utilisationMaster ISICI ntroduction6 Organisation de la m trologieAutorit s de M trologie l galeSDMSous direction de la m trologieDirection r gionale de l industrie de la recherche et de l environnementLaboratoires agr sCr ation et conservation d affili e groupe V ritasLaboratoire priv Compatibilit lectromagn tique, s curit lectrique, automobileBureau national de m trologie44 Master Le courant lectriqueFlux de charges ((-) ou (+))

3 Traversant un conducteurA/m2 Amp re/m2 JDensit de courantAAmp reIIntensit du courantC = A sCoulombQCharge lectriqueSymboleUnit Abr viationGrandeurPorteur de charge l mentaire : lectron 1,602 10-19 C (= e =q)Master La tension lectriqueForce qui assure le d placement des chargesForce lectromotrice ( ) ou potentielVvoltU,V,ETensionSymboleUnit Abr viationGrandeurLe g n rateur de tension est un dispositif qui d livre une tension et permet la circulation d un courant dans un circuit connect ses :Le courant a le sens des potentiels d La r sistance lectriqueComposant conducteur qui v rifie la loi d Ohm :U = R I = V / AOhmRR sistanceS = 1 / SiemensG =1/RConductanceSymboleUnit Abr viationGrandeurMaster Valeurs couramment utilis esLes plages de mesures sont trop grandes, il n existe pas d appareil universelfaire le bon choix10-15A>100 A10-3A10-6A10 AIntensit R sistance1012 109 103 0,1 10-12 VHte tension10-3V10-9V103 VTension1 VfApVnV AmAkVM G T 66 Master Circuits de mesureTension : montage //Courant : montage s rieMaster ISICI ntroduction12 Intensit constante dans le circuit, et tension d livr e par les g n rateurs Puissance lectrique en r gime continuWwattPPuissanceSymboleUnit Abr viationGrandeur Pour un g n rateur : P = V I Pour une r sistance : P = R I2 Ordres de grandeurs : - Four ou chauffage : 1kW 10kW- Circuits micro lectroniques.

4 NW qq W77 Master ISICI ntroduction13 Force magn tomotrice produite le long d'une courbe ferm e quelconque qui entoure une seule fois un conducteur parcouru par un courant lectrique de 1 amp reForcemagn to-motriceIntensit de champ magn tique produite dans le vide le long de la circonf rence d'un cercle de 1 m tre de circonf rence par n courant lectrique d'intensit 1 amp re maintenu dans un conducteur rectiligne de longueur infinie, de section circulaire n gligeable, formant l'axe du cercle consid r .A/mamp repar m treIntensit dechampmagn tiqueInduction magn tique uniforme qui, r partie normalement sur une surface de 1 m tre carr , produit travers cette surface un flux d'induction magn tique total de 1 tiqueFlux d'induction magn tique qui, traversant un circuit d'une seule spire, y produit une force lectromotrice de 1 volt si on l'annule en 1 seconde par d croissance 'inductionmagn tiqueInductance lectrique d'un circuit ferm dans lequel une force lectromotrice de 1 volt est produite lorsque le courant lectrique qui parcourt le circuit varie uniform ment raison de 1 amp re par lectriqueCapacit d'un condensateur lectrique entre les armatures duquel appara t une diff rence de potentiel de 1 volt lorsqu'il est charg d'une quantit d' lectricit de 1 lectriqueQuantit d' lectricit (charge) transport e en 3600 secondes par un courant de 1 amp re-heure ( )

5 Quantit d' lectricit (charge) transport e en 1 seconde par un courant de 1 amp d' lectricit ,charge lectriqueConductance lectrique d'un conducteur ayant une r sistance lectrique de 1 lectriqueIntensit d'un champ lectrique exer ant une force de 1 newton sur un corps charg d'une quantit d' lectricit de 1 m treIntensit de champ lectriqueR sistance lectrique entre deux points d'un conducteur lorsqu'une diff rence de potentiel constante de 1 volt, appliqu e entre ces deux points, produit dans ce conducteur un courant de 1 amp re ledit conducteur n' tant le si ge d'aucune force lectromotrice. ohmR sistance lectriqueDiff rence de potentiel lectrique qui existe entre deux points d'un conducteur parcouru par un courant constant de 1 amp re, lorsque la puissance dissip e entre ces deux points est gale 1 lectromotriceetdiff rencede potentiel(ou tension)Intensit d'un courant lectrique constant qui, maintenu dans deux conducteurs parall les, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire n gligeable et plac s une distance de 1 m tre l'un de l'autre dans le vide, produirait entre ces deux conducteurs une force de par m tre de reIntensit de courant lectriqueMultiples et sous-multiples ayant une d nomination particuli reet valeur en SI, ou unit hors syst me ( ).

6 SymboleD nominationD finitionSymboleD nominationGrandeurMaster ISICI ntroduction14Le courant circulant dans le circuit est alternatif, le signal se r p te apr s chaque cycle de p riode (temporelle) (t)= ( t+ ) et V(t)= ( t+ ) Avec I0 , V0les amplitudes, la pulsation( ) =2. /T=2 .f la phase(radian ou degr )Repr sentation complexe :88 Master Valeur moyenne (average value) =TmdttVTV0)(1 Repr sente le d calage du signal par rapport l origine. =TeffdttVTV02)( Valeur efficace (Root Mean Square RMS Value)NB : bien diff rencier les appareils RMS et Facteur de cr te crest factorFc= Vm/(2 Veff)Master ISICI ntroduction16 Propagation d une onde hertzienne f > 30 kHzOndes acoustiques (16Hz 15kHz) pas de transmission hertzienne possibleUtilisation d une onde PORTEUSER adio: 30kHz 300 MHz & TV : 50 MHz 1 GHzL information est transform e en signal lectrique qui module un des param tres de la porteuse 99 Master ISICI ntroduction17 Modulation d amplitude (AM)Modulation de fr quence (FM)I = (I0 + ISmaxsin St) sin 0tI = I0 sin( 0t + sin St)Master ISICI ntroduction18 Ondes longues : 150kHz - 285kHzOndes moyennes : 525kHz 1605kHzOndes courtes : 6,1 MHz 26 MHzOndes ultra-courtes.

7 87,5 MHz 104 MHzRadio diffusion sonore1010 Master La pr cisionPropri t d un appareil indiquer une valeur comprise dans un domaine sp cifi la plus proche de la vraie :Un multim tre num rique d une pr cision de 1% indique 5,01VV=5,01V V/V=0,01 V=0,0501V4,96V < V < 5,06 VOn crit alors : V = 5,01 0,05 VMaster La r solutionPlus petite variation d tect e par l :Pour les appareils affichage num rique la r solution peut tre exprim e en nombre de digits (nombre de chiffre) ou en nombre de points d digits 1/2100000000-99994 digits20000000-19993 digits 1/21000000-9993 digitsNombre de pointsAffichageNombre digits1/2 digit: affichage "0" ou "1"1111 Master Influence du courant : mod le de Th venin Sans charge on mesure la tension du g n rateur de Th veninVsZsVs= tension de sortie videZs= imp dance de sortieVco=Vso=VsVsZsZCou ZLAvecVCSCSCCVZZZV+=Master Configuration de l entr e d un instrument de Mesure d une grandeur continue :VsZsSignal ou circuit mesurerAppareil de mesure de r sistance d entr e Ri1212 Master Configuration de l entr e d un instrument de Mesure d une grandeur variable.

8 Signal ou circuit mesurerAppareil de mesure d imp dance d entr e ZiVsZsMaster ISICI ntroduction2410100Vi~ Vssi Zi/Zs>> 1 donc pour une imp dance d entr e infinie siVV1siZZiSiSiZZZVV+=1313 Master Configuration de l entr e d un instrument de Mesure d une grandeur variable et imp dance d entr e complexeSignal ou circuit mesurerAppareil de mesure d imp dance d entr e ZiVsZsRiCi iiiiCjRRZ+=1 Master Entr e haute imp danceLa haute imp dance optimise le transfert de valeur typique d imp dance d entr e d un appareil est:10 k < Z i< 1 M !Cas des hautes fr quences: iiiiCjRRZ+=12221 iiiiCRRZ+=Donc en hautes fr quences0iZ(filtre passe-bas)1414 Master ISICI ntroduction279. Bande passante (Bandwidth)Tous les appareils pr sentent une limite en fr quence, au del de laquelle les mesures effectu es ne sont plus (Hz)-3dB0 dBFmaxEx : * multim tre AC Fmax~ 300kHz* millivoltm tre AC Fmax~ 2 MHz* Oscilloscope Fmax~ 100 MHzFaire lebon choix(log-log plot)1 M 50 Master Entr e 50 ohmsLa plupart des appareils de mesures ou sources de signaux pr sentent une imp dance de m me l imp dance caract ristique des c bles coaxiaux est souvent de 50 ohm.

9 (attention ils existent aussi des c bles 75ohm -> r flexions si les deux types de c bles sont utilis es.)Ex: Transfert optimal de puissance en mission radio151 MASTER ISICLes Alimentations11. D finitions et classificationsUne alimentation est un convertisseur d alimentation lectrique transforme une nergie m canique, chimique, la restitue sous forme lectrique une charge connect e ses bornesL nergie lectrique d livr e peut alors se pr senter sous la forme d une tension ou d un courant constant ou encore variable (sinuso dale, )MASTER ISICLes Alimentations2 Classification par famille ou cat gorie en fonction de la nature de l nergie transform eEnergie m canique Energie chimique Energie lumineuse Energie lectrique- alternateurs- dynamos- pile- batterie/ accumulateur- cellule photovolta que- alimentation stabilis e [~\=]- convertisseur [=\=] - alimentation haute tension- onduleur [=\~] -g n rateur de fonctions162 MASTER ISICLes Alimentations32.

10 Alimentation stabilis Son butFournir une tension, un courant ou une puissance constante une charge connect e ses Caract ristique de sortieTension constantePuissance constanteCourant constantVccIccMASTER ISICLes Alimentations4 Sch mas quivalents d une alimentation (tension ou courant) RsRsIsVsVsSSSRVII =IVVS= V - RSISNB : La source de tension doit d livrer une tension aussi ind pendante que possible du courant d bit : (Vs = Vo qcq soit I)173 MASTER ISICLes Point de fonctionnement QC est le point d intersection de la caract ristique de sortie de l alimentation et de la droite de chargeVIRC1RC3RC2Q1Q2Q300V = R * IMASTER ISICLes Alimentations63. Les modes de r La r gulation s rie ou lin aire (Linear power supply) PrincipeRSRCVrefVSVref= csteSi RCvarie pour maintenir VSconstant, RSdoit varierSSrefrefCSCSIRVVRRRV =+=184 MASTER ISICLes Sch ma fonctionnelR gulationRsContr leVsRCVSVrefNB: RSest en fait un transistor travaillant dans sa zone de fonctionnement lin aire ALIMENTATION LINEAIREVoir sch ma d taill MASTER ISICLes Mise en oeuvre* Puissance de sortie faible ou moyenne (PS<100W) pas de probl me de dimensionnement des l ments constitutifs de l alimentation* Puissance de sortie lev e (PS>100W) la taille et le poids des composants deviennent tr s importants (transformateur, radiateur)195 MASTER ISICLes Les alimentations d coupage (Switched power supply) PrincipeRSVrefVSI 0 VreftTValeur moyenne de Vs.