Travaux Pratiques d’Electronique d’Instrumentation I & II...Déconnecter la tension continue de +15 V des entrées e 1 et e 2 7. On applique maintenant une même tension sinusoïdale

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Travaux Pratiques d’Electronique d’Instrumentation I & II

Semestre SP3

Année 2011

Ces travaux pratiques d’Electronique d’instrumentation traitent de 5 sujets :

TP1 : Caractérisation de l’ampli-op réel

TP2 : L’amplificateur différentiel et l’amplificateur d’instrumentation

TP3 : Filtrage actif et application

TP4 : Oscillateurs et générateur de signaux

TP5 : Techniques particulières en électronique d’instrumentation

TP6 : séance de partiel de TP

Les sujets de TP constituent, pour la plupart d’entre eux, une application directe du cours et des TD d’électronique d’instrumentation. 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.

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TP1 : Caractérisation de l’ampli-op réel (Chapitre I du cours d’électronique d’instrumentation)

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 VOS

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 R1=1 kΩ et R2=10 kΩ.. Quelle valeur doit-on choisir pour la résistance R3? Justifier.

+

-

R1 R2

R3

e s

Figure 1

2. Exprimer le gain A0 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 (Soffset) à la sortie de

l’amplificateur. Mesurer, si cela est possible, cette tension (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 Soffset plus grande (plus facilement mesurable

donc) ? Tester.

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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?

7. En se basant sur les données fournies par le fabricant du LM741, réaliser le montage simple

permettant la compensation de l’offset.

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

On reprend le montage de la figure avec 1 R1=1 kΩ et R2=100 kΩ.. 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 de façon à avoir 1 V maximum d’amplitude en sortie (on se servira si nécessaire de l’atténuateur disponible sur la maquette)

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. 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 R2=10 kΩ.. Déduire de la courbe la nouvelle valeur du gain statique et celle de la fréquence de coupure à -3 dB.

7. En se basant sur les données du fabricant du LM741, tracer sur la même feuille semi-logarithmique l’asymptote oblique de la courbe de gain boucle ouverte de l’ampli-op.

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8. Expliquer soigneusement comment on peut comparer les résultats expérimentaux aux données de la fiche technique de l’ampli-op et à la théorie.

III. Effet du Slew Rate (SR) : vitesse maximale de balayage

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 hertz. 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

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 le plus de précision possible la nouvelle valeur de fmax. Conclusion.

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TP2 : Amplificateur différentiel et amplificateur d’instrumentation (Chapitre II du cours d’électronique d’instrumentation)

On s’intéresse 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

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.

+

-

R1

e1

e2

s

R1

R2

R2

Figure 1

1. .Question de préparation théorique : En appliquant le théorème de superposition ou la loi des nœuds, montrer que

)( 21 eeAs d −=

Où Ad est le gain différentiel que l’on exprimera en fonction des résistances.

6

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 R1=1 kΩ et R2=10 kΩ.

3. Mesurer (valeur et signe) le gain différentiel Ad 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 e1 et e2 (la tension +15 V est déjà disponible pour l’alimentation + VCC 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. Interpréter.

6. Déconnecter la tension continue de +15 V des entrées e1 et e2

7. On applique maintenant une même tension sinusoïdale e (fréquence d’environ 50Hz et sans tension de décalage) sur les deux entrées e1 et e2 :

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 Amc défini par

2)(

21 ee

sAmc +=

7.4 Quelle est la valeur du CMRR du montage différentiel? On prendra pour ce calcul la valeur mesurée du gain différentiel dA (question 3). Exprimer la valeur du CMRR en dB.

7.5 Placer maintenant une résistance R3 =1 Ω en série avec l’une des résistances R1=1 kΩ. Mesurer la valeur crête à crête de la tension de sortie pour e1=e2=20V (crête à crête). En déduire la nouvelle valeur du gain en mode commun Amc et du

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CMRR en dB. Comparer les valeurs du Amc et du CMRR avec celles mesurées plus haut (sans la résistance R3).

7.6 Reprendre la question précédente avec R3 =10 Ω. Comparer les nouvelles valeurs du Amc et du CMRR avec celles mesurées plus haut (sans la résistance R3).

7.7 Même question en plaçant cette fois une résistance R3 de 100 Ω en série avec l’une des résistances R2.

7.8 Quels sont alors les inconvénients de l’amplificateur différentiel réalisé?

I.2. Amélioration du montage précédent: adaptation d’impédance

On vient de voir qu’une tolérance (même de 1%) sur les résistances entraîne une

augmentation du gain Amc (dégradation importante du CMRR) et par conséquent une erreur de mesure plus importante. Il faut donc utiliser des résistances de précision. On dispose actuellement dans le commerce de résistances de précision avec des tolérances comprises entre 0,1% et 1%. Cependant, deux problèmes persistent toujours :

Lors d’une mesure différentielle, les signaux d’entrée e1 et e2 dont on cherche à mesurer la différence sont fournis par des sources ayant des résistances de sortie différentes, ce qui influence le gain et diminue le taux de réjection.

On peut montrer par le calcul que la contribution des résistances dans le gain en mode commun est minimale lorsque R1=R2, et maximale lorsque R1

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II. Amplificateur d’instrumentation

Le paragraphe II.2 est prioritaire sur le paragraphe II.1. Chaque paragraphe nécessite 1 heure environ. Selon le temps dont on dispose, on traitera les deux paragraphes ou bien seulement le paragraphe II.2.

II.1. Montage de base :

Le montage réalisé dans le paragraphe I.2 permet de résoudre le problème lié aux résistances de sortie des sources e1 et e2. Par ailleurs la contribution des résistances dans la réjection mode commun est minimale (résistances identiques). Par contre, il est nécessaire d’avoir un gain différentiel Ad bien supérieur à 1.

Pour cela, on réalise le montage à trois ampli-op (figure 4). C’est la structure générale d’un amplificateur d’instrumentation.

+

-

-

-

+

+

R

R R

R4

RG

RG

R4

e1

e2

s2

s1

s A

R

Etage d’amplification et d’adaptation d’impédance

Gd R

RA 41+=

1=mcA

Etage de différence

1−=dA 1≠mcA

Figure 4

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On montre que le gain différentiel de ce montage est donné par (voir cours/chapitre 2)

Gd R

RA 41+=

1. Réaliser le montage ci-dessus (R=1 kΩ, RG=1 kΩ et R4=9,1 kΩ) et mesurer la valeur du gain différentiel. Comparer avec la valeur théorique.

2. Mesurer le gain en mode commun et en déduire le taux de réjection en mode commun (CMRR). Comparer ces résultats avec ceux des paragraphes I.1 et I.2. Conclusions.

II.2. Amplificateur d’instrumentation intégré (exemple AD620) :

L’amplificateur d’instrumentation existe en circuit intégré. Il est optimisé pour posséder les caractéristiques suivantes :

Impédances d’entrée élevées sur les deux voies (>100 MΩ) Taux de réjection en mode commun (CMRR) très élevé (110 à 130 dB

typiquement) Impédance de sortie très faible Faible niveau de bruit

1. Consulter en annexe la fiche technique de l’amplificateur AD620 pour la signification des broches de cet amplificateur. Quelles sont les valeurs de l’impédance d’entrée et du CMRR?

2. Comment régler le gain différentiel? Réaliser un montage permettant d’avoir un

gain d’environ 50. Mesurer le gain différentiel à 50 Hz.

3. Pour une fréquence d’environ 50Hz du signal d’entrée e (e=e1= e2) et pour ce

même gain de 50, mesurer le gain du mode commun de cet amplificateur. Conclusion sur la valeur du CMRR (comparer avec la fiche technique).

4. Application: Mesure du flux lumineux

On souhait utiliser l’amplificateur AD620 pour mesurer un flux lumineux. Le détecteur de lumière est une photodiode dont le spectre de sensibilité s’étend dans la gamme des longueurs d’onde de 400 à 1100nm (voir fiche technique en annexe).

Pour collecter le courant dû à la lumière, la photodiode doit être polarisée en inverse. Dans ce cas, le courant mesuré est la somme du courant inverse d’une diode normale et du courant

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créé par la lumière. Ce mode de fonctionnement nécessite la connaissance exacte du courant inverse lorsqu’on souhaite mesurer de très faibles flux lumineux1.

Il existe, cependant, un autre mode de fonctionnement où le courant de la photodiode est parfaitement proportionnel au flux lumineux. Ceci est réalisé en connectant, parallèlement à la photodiode, une résistance de charge de faible valeur par rapport à sa propre résistance.

Pour nos mesures, on utilisera une résistance charge de 10 kΩ.

On câblera la photodiode et on utilisera l’amplificateur AD620 avec un gain d’environ 50. Visualiser la sortie de l’amplificateur et interpréter la forme du signal observé. Quelle est la valeur du courant de la photodiode?

1 Le TP de physique Photodiode vous fournira de plus amples renseignements sur les

caractéristiques d’une photodiode.

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TP3 : Filtrage actif (Chapitre III du cours d’électronique d’instrumentation)

Le but de cette séance de TP est d’étudier les caractéristiques fréquentielles de différents types de filtres actifs. On s’intéressera à l’application du filtrage actif pour extraire un signal noyé du bruit ou taché par un autre signal parasite.

III. Caractérisation des filtres

I.1 Réaliser le montage de la figure 1 ci-dessous (voir cours et TD6 d’électronique). Prévoir sur la maquette un emplacement pour les deux autres montages (figure 2 et figure 3) qu’on réalisera ultérieurement.

Figure 1

1. Tracer sur une échelle semi-logarithmique la courbe de gain dB

H (avec ESH = ) dans

la plage de fréquences [10 Hz, 10 kHz]. On veillera à d’étalonner auparavant la feuille semi-logarithmique et à prendre un nombre de points de mesure suffisant autour des extremums de la courbe.

2. Quel est le type de ce filtre ? Tracer l’asymptote oblique et déterminer graphiquement sa

pente.

3. Rappeler l’expression théorique de la fonction de transfert ESjH )( =ω

a. Justifier alors la pente de l’asymptote oblique déterminée graphiquement en (2)

+

-

s

v

u

C1

R

R

e

A

C2

R

R = 15 kΩ C1 = 100 nF C2 = 1n F

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b. Quelle est la valeur théorique de la fréquence caractéristique de ce filtre ? Quelle est la valeur mesurée de H à cette fréquence ? comparer à la valeur théorique

attendue. c. Déduire graphiquement la valeur du coefficient d’amortissement z et comparer avec la

valeur théorique attendue.

4. Modifier la valeur de R à 68 kΩ et de C1 à 4.7 nF. Tracer sur la même feuille semi-logarithmique, de la question 1, le module en dB de la nouvelle fonction de transfert.

5. Comparer vos mesures à la théorie (valeur maximale de la courbe ; valeur de z ; valeur

du gain à la fréquence caractéristique).

Conserver le montage réalisé

I.2. Réaliser le montage de la figure 2 ci-dessous (voir TD6 d’électronique). Prévoir sur la maquette un emplacement pour le montage de la figure 3 qu’on réalisera ultérieurement.

Figure 2

6. Tracer sur une échelle semi-logarithmique la courbe de gain dB

H (avec ESH = ) dans

la plage de fréquences [10 Hz, 10 kHz]. On veillera à d’étalonner auparavant la feuille semi-logarithmique et à prendre un nombre de points de mesure suffisant autour des extremums de la courbe.

7. Quel est le type de ce filtre ? Tracer l’asymptote (les asymptotes) oblique(s) et

déterminer graphiquement sa (leurs) pente(s).

R2

+

-

e

s

v

R1 = 2 kΩ = 1 kΩ + 1 kΩ R2 = 10 kΩ C = 100 nF

u

C

R1 C

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8. Rappeler l’expression théorique de la fonction de transfert ESjH )( =ω

a) Justifier alors la (leurs) pentes de l’asymptote (des asymptotes) oblique(s) déterminée graphiquement en (7).

b) Déterminer graphiquement la fréquence centrale du filtre et comparer à la valeur théorique attendue.

c) Quelle est la valeur mesurée du maximum de la courbe ? Quelle est la valeur théorique attendue ?

d) Déterminer, à partir de la courbe, les deux fréquences de coupure et la largeur de la bande passante du filtre. En déduire la valeur du facteur de qualité Q et de l’amortissement z. Quelles sont les valeurs théoriques attendues de Q et de z ?

Conserver le montage réalisé

IV. Applications du filtrage : cette partie nécessite l’utilisation de deux GBF

L’application principale du filtrage actif est l’extraction d’un faible signal utile (fourni par un capteur pas exemple) noyé dans du bruit. On appelle bruit toute sorte de signal indésirable qui s’ajoute au signal utile. Ce bruit peut être d’origine interne au circuit (bruit aléatoire toujours présent et lié à l’agitation thermique des électrons libres dans les résistances) ou d’origine extérieure au circuit (émission radio, bruit des machines tournantes, signal du secteur à 50Hz …etc).

Dans le cadre de ce TP, on réalisera un générateur de signaux bruités. Ce générateur nécessite deux GBF et un montage électronique basé sur l’utilisation d’un ampli-op. Les signaux fournis par ce générateur peuvent être ensuite traités pour en extraire les signaux utiles.

IV.1. Réalisation d’un générateur de signaux bruités: On considère le montage de la figure 3 ci-dessous :

+

-

R3

e1(t)

s

R5

R4 e2(t)

u

v

Figure 3

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1. Question de préparation théorique (voir TD ampli-op d’ d’électronique I en S2) : En appliquant la loi des nœuds en v, montrer que la sortie s peut s’écrire :

)( 24

51

3

5 eRR

eRR

s +−=

2. Que devient l’expression précédente si R3 = R4 = R5 ?

3. Réaliser le montage avec R3 = R4 = R5 = 10 kΩ . 4. On applique sur les deux entrées une même tension sinusoïdale e(t) = e1(t) =

e2(t), de fréquence égale à 100 Hz et 50 mV d’amplitude. Vérifier la fonction réalisée par le montage en visualisant les tensions e(t) et s(t).

Par la suite, on conviendra que la tension e1(t) (fourni par le GBF HAMEG) désignera le signal utile et e2(t) (fourni par le GBF AGILENT) le signal parasite

5. e1(t) est un signal sinusoïdal de 100 Hz de fréquence et de 50 mV d’amplitude. e2(t) est un bruit de haute fréquence fourni par le générateur Agilent (on réglera la valeur crête à crête Vpp affichée par le générateur à 2 V environ avec sortie en High Z). Observer e1(t) et e2(t) sur l’oscilloscope. Observer ensuite e1(t) et s(t). Commentaires.

6. La sortie s(t) du générateur des signaux bruités attaque l’entrée du filtre passe-bas réalisé plus haut (figure 1 avec R = 68 kΩ et C1 à 4.7 nF). Visualiser s(t) et la sortie du filtre. Commenter vos observations et justifier la différence d’amplitudes entre les deux signaux.

7. Reprendre les questions 5 & 6 si e2(t) est sinusoïdal de 10 kHz de fréquence et de 0.5 V d’amplitude.

8. e1(t) est un signal sinusoïdal de fréquence égale à la fréquence centrale du filtre passe-bande étudié précédemment (environ 350 Hz) et de 50 mV d’amplitude. e2(t) est un bruit de haute fréquence fourni par le générateur Agilent (on réglera la valeur crête à crête Vpp affichée par le générateur à 2 V avec sortie en High Z). Observer e1(t) et e2(t) sur l’oscilloscope. Observer ensuite e1(t) et s(t). Commentaires.

9. La sortie s(t) du générateur de signaux bruités attaque maintenant l’entrée du filtre passe-bande. Observer simultanément s(t) et la sortie du filtre, puis e1(t) et la sortie du filtre. Justifier vos observations (notamment l’amplitude de la sortie du filtre).

10. Reprendre les questions 8 & 9 si e1(t) est sinusoïdal de 350 kHz de fréquence et de 0.5 V d’amplitude, et e2(t) est sinusoïdal de 10 kHz de fréquence et de 0.5 V d’amplitude.

11. e2(t) est maintenant un signal sinusoïdal de 50 Hz puis 10 Hz de fréquence et 0.5 V d’amplitude (signal parasite). Observer simultanément s(t) et la sortie du filtre, puis e1(t) et la sortie du filtre. Commenter. Peut-on enlever dans ce cas le signal parasite avec le filtre passe-bas ? Tester.

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TP4 : Triggers, oscillateurs et générateurs de signaux (Chapitre IV du cours d’électronique d’instrumentation)

Le but de cette séance de TP est d’illustrer le fonctionnement de l’ampli-op en régime non

linéaire à travers l’étude d’un trigger de Schmitt. On étudiera ensuite différents types d’oscillateurs et de générateurs de signaux basés sur l’utilisation d’ampli-op.

V. Trigger de Schmitt:

1. Réaliser le montage de la figure 1 ci-dessous avec R1=10 kΩ et R2=100 kΩ..

Figure 1

2. e(t) une tension triangulaire de 20 V crête à crête et de 100 Hz de fréquence. Visualiser sur l’oscilloscope les tensions e(t) et s(t) et commenter vos observations (forme de signaux, amplitude, fréquence).

3. Mesurer aussi précisément que possible les valeurs de e(t) pour lesquelles s(t) bascule de +Vsat à –Vsat et inversement.

4. Visualiser simultanément les tensions u et v. Ces deux tensions sont-elles identiques ? Justifier.

5. Visualiser sur l’oscilloscope la caractéristique s(e). On prendra pour e une tension triangulaire de 20 V crête à crête et de 100 Hz de fréquence. Interpréter la caractéristique observée. Mesurer en particulier la largeur de l’hystérésis et comparer avec la théorie.

6. Reprendre la question 5 avec R1=100 Ω.

7. Avec toujours R1=100 Ω, augmenter progressivement la fréquence du signal d’entrée et interpréter les modifications de la caractéristique s(e).

+

- e s

R2R1

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VI. Oscillateur à relaxation: générateur de signaux carrés

1. Réaliser le montage de la figure 2 avec R1=R2=1 kΩ, R= 100 kΩ et C= 1 µF

+

-

R1R2

R

C

s

u

v

Figure 2

2. Relever l’oscillogramme de s. Mesurer la période T et comparer avec la valeur théorique (donnée en cours et en TD).

3. Visualiser simultanément les tension s et v et interpréter la forme de la tension v.

Est-ce qu’on observe un changement sur la valeur de la période T du fait que l’on visualise s et v simultanément? Interpréter.

4. Visualiser simultanément les tension s et u et commenter vos observations (forme

des signaux, amplitude, période…)

5. Quelle pourrait être l’application d’un tel montage?

VII. Générateur de signaux carrés et rectangulaires 1. Réaliser le montage de la figure 3 ci-dessous avec R1=1 kΩ, R2=10 kΩ, R= 220 kΩ

et C=1 µF

s+

-

CR

s1-

+R2

R1

Figure 3

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2. Relever les oscillogrammes de s1 et de s et interpréter les formes de ses signaux. Mesurer les amplitudes et comparer avec les valeurs théoriques.

3. Mesurer la période T et comparer avec la théorie.

VIII. Multivibrateurs: monostables et bistables

VIII.1. Le monostable 74123

Le 74123 est comporte deux multivibrateurs monostables (fiche technique en annexe). Il est basé sur l’utilisation de bascule R-S et de portes logiques.

Ce circuit, probablement le plus largement répandu comme monostable, peut produire des impulsions de durées programmables à l’aide de composants externes (une résistance Rext et un condensateur Cext). L’impulsion en sortie est déclenchée par un front actif (montant ou descendant de l’impulsion d’entrée).

1. Consulter la fiche technique et expliquer, en s’aidant de la table de vérité du circuit, la signification et le rôle des différentes broches du circuits.

2. Réaliser un montage permettant au monostable de générer une impulsion de

sortie d’environ 450µs de durée lorsqu’il est déclenché par un front montant d’une impulsion d’entrée.

VIII.2. Le temporisateur (Timer) 555

Le temporisateur 555 (fiche technique en annexe) est un circuit intégré de 8 broches spécialisé dans la production de signaux. Il peut être facilement configuré (avec des composants externes) pour fonctionner en mode monostable ou bistable (astable). Ce circuit est très répandu et utilisé dans les applications nécessitant une temporisation, la génération d’oscillations et d’horloges de fréquences facilement ajustables. Nous étudions ici son focntionement en bistable.

a) Fonctionnement en astable (bistable)

On souhaite configurer le circuit 555 en générateur de signaux rectangulaires. Deux résistances (R1 et R2) et un condensateur C externes sont nécessaires.

1. Réaliser alors le montage ci-dessous (figure 4) avec R1=100 kΩ, R2=220 kΩ et C=10nF. Le circuit sera alimenté avec Vcc=5 V.

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R1

C

R2

7

6

2 1

5

3

48

10nF

s

uc

555

Vcc

Figure 4

2. Visualiser sur l’oscilloscope les tensions uc et s. Justifier l’allure de ses signaux 3. Mesurer la valeur maximale et la valeur minimale de uc. Comparer à Vcc.

4. Mesurer la largeur de l’impulsion, la période, la fréquence et le rapport cyclique

de s. Comparer aux résultats théoriques (cours d’électronique ou fiche technique du circuit 555).

b) Application : Alarme

1. Quel est le rôle de la broche 4 du circuit 555 ? 2. Pour illustrer le rôle de cette broche, on modifie légèrement le schéma de

la figure 4. Réaliser alors le montage ci-dessous (figure 5) :

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R1

C

R2

7

6

2 1

5

3

48

10nF

s

uc

555

Vcc

R3=1kΩ

Figure 5

3. Visualiser la tension de sortie s quand l’interrupteur est ouvert. Que se passe-t-il lorsqu’on ferme l’interrupteur ?

4. On rajoute entre la sortie (broche 5) et la masse une association série

d’un condensateur C3=1µF, d’une résistance R4= 100Ω et d’un haut-parleur de 8 Ω d’impédance. On ouvre l’interrupteur, écouter!

5. Quel est le rôle du condensateur C3 et de R4 ? Justifier les valeurs

choisies.

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TP5 : Techniques particulières en électronique d’instrumentation (Synthèse)

Le but de cette séance de TP est d’illustrer les différentes possibilités qui s’offrent à nous pour conditionner un capteur passif et le signal qui lui est associé. On étudiera ainsi les types potentiométriques, pont et oscillateur.

Mise en situation : Le bureau d’étude en mesures physiques dont vous faites partie, est spécialisé dans le conditionnement de capteurs à variations capacitives. Selon l’architecture, ce genre de capteur permet de mesurer neuf grandeurs différentes (longueur, pression, force, déplacement, allongement, position, humidité, ph, accélération). Cette famille de capteur est donc particulièrement polyvalente !

En fonction du besoin formulé par le client, votre bureau d’étude est donc « en mesure » de proposer trois solutions en précisant pour chacune d’elles les avantage et inconvénients. Voici les trois principales solutions : un conditionneur basé sur un montage potentiométrique, un autre basé sur un montage en pont ; et enfin un dernier basé sur un montage oscillant.

Dans les étapes qui suivent nous allons réaliser ces trois systèmes de conditionnement. Pour des raisons de simplicité le capteur capacitif sera incarné par un condensateur variable C=500 pF.

I. Montage potentiométrique On souhaite relever les oscillogrammes de s(t) et e(t) en fonction de C…

1. Compléter le schéma (Figure 1), puis réaliser le montage.

s C (Boite à décade)e(t)=sin(2π.104.t)

50ΩR1=1MΩ

GBF

CAPTEUR

Figure 1 2. Tracer l’amplitude Samp de s(t) en fonction de ZC. On fera varier C de 100pF à 1nF. 3. Montrer que ΔSamp≈(e/R1).ΔZC et vérifier expérimentalement.

On souhaite à présent caractériser ce type de conditionnement. On admettra que C est inversement proportionnel à un déplacement d : le mesurande (C=10-16/d) …

4. Pour quelles valeurs de C, ce conditionnement semble t’il linéaire ? 5. Quelle est la sensibilité ΔSamp/Δd dans la zone de linéarité ? 6. Que ce passe t’il si e(t) n’est pas stable ? (e(t) et R1 sont des grandeurs d’influence) 7. Faire l’expérience en modulant l’amplitude de e(t).

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Il est cependant possible de s’affranchir de l’instabilité de e(t) avec ce montage complémentaire… mais la réponse n’est plus linéaire.

A=-1s C (Boite à décade)e(t)=sin(2π.104.t)

50ΩR1=1MΩ

GBF

CAPTEUR

2.R

R

R

2.R

B=x/yx

y

e(t)

s’

S’=2.S/(2.S-E)

A=-1s C (Boite à décade)e(t)=sin(2π.104.t)

50ΩR1=1MΩ

GBF

CAPTEUR

2.R

R

R

2.R

B=x/yx

y

e(t)

s’

S’=2.S/(2.S-E)

II. Montage à Pont (de Sauty) On souhaite relever les oscillogrammes de s(t) et e(t) en fonction de C…


Sonde différentielle

e1

e2

e1-e2

R=100Ω

Ce (a

justab

R=10

0ΩC (Boite à décade)

CAPTEUR

s

e(t)=sin(2π.104.t)50Ω

GBF

Sonde différentielle

e1

e2

e1-e2

R=100Ω

Ce (a

justab

R=10

0ΩC (Boite à décade)

CAPTEUR

s

e(t)=sin(2π.104.t)50Ω

GBF

Figure 2 9. Equilibrer préalablement le pont autour de ZC=ZC0=500pF. 10. Tracer l’amplitude Samp de s(t) en fonction de ZC. On fera varier C de 100pF à 1nF. 11. Montrer que Samp≈(e/4).ΔZC/ZC0 et vérifier expérimentalement.


12. Pour quelles valeurs de C, ce conditionnement semble t’il linéaire ?

23

13. Quelle est la sensibilité ΔSamp/Δd dans la zone de linéarité ? 14. Que ce passe t’il si e(t) n’est pas stable ? (e(t), R et Ce sont des grandeurs d’influence) 15. Faire l’expérience en modulant l’amplitude de e(t).

Le montage en pont dérive tout naturellement du montage potentiométrique lorsque l’on cherche à éliminer la composante permanente de la tension de mesure et qu’il ne constitue en fait qu’un potentiomètre double avec mesure différentielle de tension. L’intérêt des ponts résulte précisément de la nature différentielle de la mesure qui la rend moins sensible aux bruits et dérives de la source…

III. Montage à oscillateur On souhaite relever les oscillogrammes de s(t) et e(t) en fonction de C…


C (Boite à décade)

R-

+

vu

Gs

R1

R1

t

v(t)

0+aVsat

-aVsat

Inverseur

-Vsat

+Vsat s(t)

T

v1(t)

CAPTEUR

a= 1/2

Figure 3 17. Tracer l’amplitude Samp de s(t) en fonction de ZC. On fera varier C de 100pF à 1nF. 18. Montrer que ΔTde s(t) ≈2.R. ΔC.Log(3) et vérifier expérimentalement.


19. Pour quelles valeurs de C, ce conditionnement semble t’il linéaire ? 20. Quelle est la sensibilité ΔSamp/Δd dans la zone de linéarité ? 21. Que ce passe t’il si l’alimentation de l’AOP n’est pas stable ? (R, R1 et R2 sont des

grandeurs d’influence) 22. Faire l’expérience en modulant l’alimentation.

24

Document à LAISSER EN SALLE TP

Fiches Techniques des composants utilisés en

TP d’électronique d’instrumentation

Semestres S3, SP3, FC-N3, Alternants

ANNEXE: fiches techniques (Data Sheet)

LM741 AD620

Photodiode BPW 34 Monostable 74123

Timer 555

25

Fiche Technique de l’ampli-op 741

26

27

28

29

30

Fiche Technique de l’ampli d’instrumentation AD620

33

Fiche Technique de la photodiode BPW 34 S

34

37

Annexe A: Fiche Technique du monostable 74123

38

39

40

43

Fiche Technique du Timer 555

44

47

48

51

52

Documents

Travaux Pratiques d’Electronique d’Instrumentation I & II...Déconnecter la tension continue de +15 V des entrées e 1 et e 2 7. On applique maintenant une même tension sinusoïdale