Agrégation de Physique Philippe Brulard 2002Université Joseph Fourier, Grenoble

Instrumentation numérique

Bibliographie : STI Physique appliquée Terminale STI, Battesti, Brisse, Terrier, éd. HachetteDA Expériences d’électronique Agrégation, R. Duffait, éd. BréalDico Dictionnaire de Physique expérimentale, Tome électronique, D. Aubert, éd. PierronJou Travaux pratiques, Journeaux, éd. De Boeck

IntroductionQue regroupe l’instrumentation numérique et quel est son intérêt ?L’instrumentation se rapporte essentiellement à la mesure de grandeurs physiques. L’instrumentation numériquesuppose d’abord la conversion analogique-numérique (CAN). La conversion des signaux analogiques en signauxnumériques va faciliter le traitement des signaux et permettre leur mémorisation. Autre intérêt : les signaux numériquessont beaucoup moins sensibles aux bruits (immunité au bruit des portes logiques).Les précautions à prendre pour la conversion de tensions variables dans le temps seront évoquées mais peu développées(car un autre montage traite de l’acquisition et du traitement des signaux) : nous nous intéresserons surtout à la nécessitéde l’échantillonnage-blocage et à ses conséquences sur le spectre du signal obtenu par rapport à celui du signal étudié.Enfin, l’instrumentation devient de plus en plus automatisée et nous réaliserons une chaîne de mesure automatique danslaquelle s’insère un calculateur. Dans ce type de système, la conversion numérique-analogique est également nécessaire.

I - Conversion numérique-analogique (exemple du convertisseur à réseau R-2R 8 bits)Il semblerait plus logique a priori de commencer par la conversion numérique-analogique (CNA). Si nous ne lefaisons pas ici, c’est parce que le convertisseur NA proposé sera réutilisé dans le convertisseur analogique-numérique (CAN) que nous étudierons.On pourra utiliser la maquette CAN-CNA de notre préparation pour une présentation rapide et pédagogique.

Caractéristiques : déterminer :- le quantum ou résolution analogique- la pleine échelle (P.E.)- la résolution numérique

Pourquoi ce montage est-il préféré au convertisseur à résistances pondérées ?

II - Conversion analogique-numérique

1) Immunité au bruitExpérience élémentaire (figure ci-dessous ou Dico 61) :

- V1 = tension rectangulaire (comprise entre 0 et 5V)- V2 = « bruit » (ce peut être une tension sinusoïdale de fréquence très supérieure à celle de V1)- montage à A.O. = sommateur inverseur : VS1 = -(V1 + V2)

VS VS2VS1V2v1

10 k�

10 k�

10 k�

& &

Vérifier que VS2 reproduit le signal d’entrée V1 et que les portes logiques permettent de s’affranchir du « bruit »même pour une amplitude importante de ce bruit (amplitude que l’on évaluera). Indépendamment des problèmes debruit, le traitement numérique est également insensible aux dérives et décalages des composants électroniques.

2) Exemple de CAN : conversion tension-temps simple rampeOn peut réaliser un convertisseur tension � temps, dont la sortie est envoyée sur un chronomètre numérique(montage : Journeaux p.176).

Vous pouvez aussi réaliser un CAN par comptage : il s'agit de comparer le signal analogique à convertir (tensionV0), à une tension de référence issue d'un CNA incrémenté par un compteur binaire. Lorsque le comparateurbascule, l’incrémentation est arrêtée et le nombre binaire correspondant à V0 est déduit des entrées du CNA. Letemps de conversion de ce convertisseur est d'autant plus long que la valeur à mesurer est grande. Lesconvertisseurs plus rapides fonctionnent par dichotomie (approximations successives).

Une partie du montage Journeaux p.177 (ou Dico p.92) a été réalisée sur une plaquette. On utilise le CNA à réseauR/2R 8 bits présenté auparavant. Pour montrer le fonctionnement du compteur, vous pouvez visualiser àl’oscilloscope ses 8 sorties ainsi que le signal d’horloge (GBF en TTL) et vérifier que la fréquence est divisée pardeux à chaque sortie. Vérifiez ensuite que la sortie du CNA augmente par sauts réguliers.

Vérifiez que l’incrémentation du CNA est automatiquement stoppée lorsque le comparateur bascule, et que lenombre binaire affiché par les 8 LED correspond bien alors à la valeur de V0.

Si f est la fréquence d’horloge du compteur, quelle est la durée maximale de conversion ? A combien peut êtreramenée cette durée au minimum ?

Caractéristique : déterminer la résolution de ce CAN.

Simple rampe ou double rampe ? voir STI p 225 et 228.

3) Illustration de l’acquisition numérique par une interface informatique :

En faisant un zoom sur un signal acquis avec une interface (ou avec un oscilloscope numérique), vérifiez que lesignal varie par sauts réguliers. En comparant la hauteur d’un saut au calibre de mesure, déterminez le nombre debits de codage vertical du CAN de la carte d’acquisition.

4) Application courante : multimètre numériqueDans un multimètre numérique, toutes les grandeurs à mesurer sont d’abord converties en une tension continue.Cette cette tension continue qui subira la conversion analogique-numérique.Pour un multimètre numérique usuel, définir :

- le nombre de points- la résolution (pour un calibre donné)- relier les défauts de linéarité aux incertitudes de mesure indiquées dans la notice (DA 284).

III - Conversion analogique-numérique d’une tension variable dans le temps

On suppose connu le théorème de Shannon. On ne s’intéresse ici qu’à la réalisation du blocage et à l’influence del’échantillonnage-blocage sur le spectre.

1) Echantillonnage-blocageQuand une tension est variable dans le temps, il va falloir prélever à intervalles de temps réguliers des« échantillons ». La durée minimale entre deux échantillons est fixée par le temps de conversion nécessaire au CAN.De plus, la tension à convertir ne devant pas varier pendant la conversion (CAN), il faut assurer le « blocage » decette tension : on parle alors d’échantillonnage-blocage.

Le montage de principe est exposé dans DA p 280 ou Dico p 143 ; il peut être simplifié.

Objectif : réaliser l’échantillonnage-blocage de la tension Ve.

Quelques précautions :Le circuit 4066 (CMOS) est alimenté entre 0 et 15V.La tension Ve doit être positive (sinusoïde + décalage) : choisir une tension entre 0 et 10 V pour l’enregistrer surl’interface.Les impulsions (dont la fréquence correspond à la fréquence d’échantillonnage) doivent atteindre 10V.Un A.O. type 741 nécessiterait un condensateur de capacité plus élevée.Se rapporter à DA p 280 pour le choix des fréquences de la tension Ve et des impulsions.

2) Influence sur le spectre du signalRéaliser l’analyse spectrale du signal échantillonné-bloqué (FFT du logiciel synchronie). On voit apparaître lesfréquences féch – f et féch + f, 2féch – f et 2féch + f, 3féch – f et 3féch + f etc.Remarques : les raies du spectre sont multipliées par une fonction SINC(�.f.Téch).

IV - Chaîne de mesure automatisée

La structure de la chaîne de mesure utilisant l’ordinateur (figure ci-dessous) est utilisable pour d’autres applications :surveillance, asservissement.

A titre d’illustration, on peut réaliser :- le relevé de la caractéristique courant-tension d’un composant (mais dans de nombreux cas, il y a des façons

plus simples de le réaliser)- le tracé automatique de la courbe vitesse-tension d’alimentation d’un moteur à courant continu (la vitesse est

alors mesurée à l’aide d’une génératrice tachymétrique)- le tracé du flux lumineux émis par une lampe blanche (ampoule halogène) en fonction de la tension

d’alimentation. C’est cette expérience que nous réaliserons.

Système physique : lampe alimentée par une tension continue 12V maximum (courant nominal de l’ordre de 5 A).Capteur : montage à A.O. délivrant une tension continue proportionnelle au courant d’une photodiode polarisée en

inverse, donc proportionnelle au flux lumineux.CAN, CNA et calculateur : interface informatique (exemple : carte Sysam et logiciel Synchronie d’Eurosmart).Actionneur : amplification en courant : les interfaces informatiques ne peuvent pas fournir suffisamment de puissance

(la carte Sysam, par exemple, ne peut débiter que 20 mA au maximum). C’est un problème important à

SYSTEME

PHYSIQUE

Capteur

analogique

Actionneur

analogique

C.A.N.

C.N.A.

CALCULATEUR

+Vcc(+15 V)

7

14 13

21

interrupteur électronique(circuit 4066)

générateurd’impulsions

boîtex10 nF

Ve

générateurde fonctions

vers oscillo.ou interfaceA.O. TL81

(-15V,+15V)

souligner. Il faut donc réaliser un montage de type amplificateur de puissance (il s’agit d’amplifier en courant).Pour cela, on aura recours à un transistor de puissance (vérifier que le transistor choisi est bien dimensionné)et, le courant de base de ce transistor étant lui-même trop important, on utilisera un montage Darlington (figureci-dessous).

On fait évoluer la tension de sortie de l’interface Vmaximale). La pente de la rampe Vsi (t) est choisacquiert simultanément sur les entrées de l’interfadélivrée par le montage « capteur » (entrée EA1). Il

+12V

C.N.A.(sortie interfaceinformatique)

Vsi

si en « rampe » (fonction intégrée au logiciel) de 0 à 10V (valeurie de façon à tenir compte du temps de réponse de la lampe. Once la tension aux bornes de la lampe (entrée EA0) et la tension

ne reste qu’a afficher la courbe EA1 = f(EA0).

lampe