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 :La cha ne de mesureAcquisition des donn es (mesures)Traitement de l informationSortie desr sultatsChaque fonction est assur e par des appareils particuliers.

2 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 (+)) 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.

3 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 : 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.

4 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 ( )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.

5 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 ( ).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.

6 /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:refTSSVT tdttVTVmoy== 0)(1T = p riode de d coupage (20kHz < F < 1 MHz)MASTER ISICLes Sch ma fonctionnelDeux technologies courantes.