PROGRAMME : TECHNOLOGIE SYSTÈMES ORDINÉS (243.A0) AUTOMNE 2013 PLAN DE COURS CONDITIONNEMENT DE SIGNAUX ANALOGIQUES SH (2 UNITÉS)

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1 . PROGRAMME : TECHNOLOGIE SYSTÈMES ORDINÉS (243.A0) AUTOMNE 2013 PLAN DE COURS CONDITIONNEMENT DE SIGNAUX ANALOGIQUES SH (2 UNITÉS) GROUPES: 2257, 2267 PRÉALABLE RELATIF: COMPLÉMENTS D ÉLECTRONIQUE ANALOGIQUE SERA PRÉALABLE RELATIF À : APPLICATIONS INDUSTRIELLES DES SYSTÈMES EMBARQUÉS ( SH) ( SH) PROFESSEUR : Nicolas Huppé Bureau : poste 4092 Courriel : nicolas.huppe@cegepsherbrooke.qc.ca

2 NOTES PRÉLIMINAIRES Le programme de Technologie de systèmes ordinés est naturellement associé aux ordinateurs et à la programmation. Cependant, la conception de nouveaux produits industriels, commerciaux ou domestiques requiert le plus souvent la lecture et l interprétation de variables physiques comme la température, via des signaux générés par des capteurs analogiques. Le traitement de ces signaux et la transmission de ces informations seront effectués par des circuits électroniques analogiques ou en mode mixte (analogique et numérique). La capacité de procéder à la sélection du circuit le plus adapté aux capteurs utilisés et de procéder au diagnostic de fonctionnement de ces circuits est donc requise. Le cours Conditionnement de signaux analogiques est le troisième et dernier cours de l axe Électronique analogique et conditionnement de signal et est offert en 3e session. Suite du cours Compléments d électronique analogique, il fera appel aux notions acquises sur la topologie de circuits, les lois fondamentales des circuits, la mesure des caractéristiques d un signal électrique et son contenu spectral, les circuits de base de filtrage basse fréquence, les circuits de base d amplification à amplificateur opérationnel et les circuits de base de régulation linaire de tension ainsi que les techniques de diagnostic en électronique analogique basse fréquence. Le cours Conditionnement de signaux analogiques vise à familiariser l élève avec : les principaux types de fonctionnements utilisés par les capteurs électriques ou électroniques permettant la lecture de diverses variables physiques comme la température, la lumière, la position et la vitesse, la force, la pression ou le débit; les principaux circuits d amplification et de filtrage analogique reliés à ces divers types de capteurs et l influence du bruit électronique et électromagnétique dans la précision des mesures; les caractéristiques et les principes d utilisation des principaux circuits et composants spécialisés de mesure comme les amplificateurs d instrumentation, les amplificateurs à isolation galvanique; les caractéristiques et les principes d utilisation des principaux types de transmetteurs de signaux (comme les transmetteurs 4-20 ma, PWM ou tension/fréquence); les caractéristiques et les principes d utilisation des circuits de conversion analogique/numérique et numérique/analogique, particulièrement sous l angle du traitement analogique; les caractéristiques et les principes d utilisation des circuits d opto-isolation; les techniques de diagnostic en électronique analogique et de conditionnement de signaux. NICOLAS HUPPÉ PAGE 2

3 Comme le cours Conditionnement de signaux analogiques constitue la dernière étape dans l axe électronique analogique et conditionnement de signaux, on visera donc, par des montages de complexité modérée à soutenue, à développer des réflexes de lecture et d interprétation de plans, de mesures rigoureuses sur les circuits correspondants et de comparaison des résultats avec des cibles explicites de comportement de ces circuits. Le cours se situe donc en partie dans l ordre du développement d une capacité limitée de conception de nouveaux circuits ou d adaptation de circuits déjà maîtrisés. Il veut aussi compléter le développement chez l élève de méthodes d analyse de circuits et de travail en laboratoire, notamment sur des matérialisations de circuits représentatives de celles utilisées en industrie (notamment par l emploi de composants de surface). Le cours SH Conditionnement de signaux est responsable de l évaluation de l atteinte de la compétence 037E Diagnostiquer un problème d électronique analogique. Par ailleurs, en raison de l utilisation des capteurs et des circuits de conditionnement de leurs signaux dans les applications industrielles des micro-ordinateurs et microcontrôleurs, ce cours est préalable au cours SH Applications industrielles de systèmes embarqués. TEXTE MINISTÉRIEL 37E- Diagnostiquer un problème d électronique analogique. 1 Prendre connaissance du problème et des spécifications 2 Repérer les anomalies 3 Prendre des mesures 4 Analyser les résultats obtenus 5 Déterminer la ou les causes du problème 6 Rédiger un rapport À la fin de ce cours, l élève devra être en mesure de : assurer le fonctionnement adéquat d une chaîne de mesure et de conditionnement de signal analogique, en fonction d un devis descriptif, et ce en incluant divers capteurs, amplificateurs et filtres, transmetteurs et convertisseurs requis par une situation donnée et connue; effectuer sur cette chaîne des mesures complètes et précises et en juger la conformité des signaux; identifier avec justesse la fonction de divers éléments constituant une chaîne de mesure et de conditionnement de signal et calculer les valeurs requises des divers composants afin de réaliser l un ou l autre des blocs de cette chaîne de mesure; utiliser seul et avec justesse les appareils usuels de mesure d un poste de travail analogique, notamment dans un contexte de résolution de pannes forcées; procéder au branchement adéquat des sources et des interfaces numériques dans un contexte connu; NICOLAS HUPPÉ PAGE 3

4 présenter clairement la démarche de diagnostic utilisée, les résultats obtenus et les conclusions découlant du diagnostic, pouvant aller jusqu à l exécution du dépannage de circuit dans les cas simples de composants défectueux. OBJECTIFS ET CONTENU DU COURS THÉORIE MODULE #1 CHAÎNE DE MESURE (SEMAINES 1 À 2) Schéma bloc d une mesure réalisée à l aide d un système ordiné Rôle de chacun des éléments de la chaîne de mesure Exemples de mesures MODULE #2 CAPTEURS (SEMAINES 3 À 5) Caractéristiques physiques, statiques et dynamiques Types de capteurs (logique, numérique, analogique) Signaux de capteurs (passifs, sources V ou I, ponts de mesure) Principales mesures (température, niveau, pression, force, position, vitesse, débit) MODULE #3 TRAITEMENT DE SIGNAL ANALOGIQUE (SEMAINES 6 À 10) Amplification, types d amplificateurs, conversion I/V, V/I Décalage, alimentations unipolaires et bipolaires Filtration Isolation Bruit et interférence Circuits typiques MODULE #4 CONVERSION ANALOGIQUE /NUMÉRIQUE (SEMAINES 11 À 13) Principes des convertisseurs A/N et N/A Théorème de l échantillonnage Performances et applications des convertisseurs A/N MODULE #5 TRAITEMENT DE SIGNAUX NUMÉRIQUES (SEMAINES 14 À 15) Facteurs d échelles Filtrage numérique, compression NICOLAS HUPPÉ PAGE 4

5 MÉTHODOLOGIE THÉORIE L ensemble de la matière traitée dans chacune des périodes de cours se compose de notions fondamentales qui seront presque toutes récupérées et nécessaires dans tous les cours ultérieurs du même axe de formation. En général, les cours théoriques prendront la forme de leçons magistrales assistées de moyens didactiques tels qu un volume, des notes et des moyens audiovisuels. L élève doit conserver la documentation fournie en ordre dans un cartable et prendre des notes dans un cahier à l usage exclusif de ce cours. Toutes les parties du cours gagneront à être complémentées par des lectures dans les notes de cours. L'élève devra aussi compléter sa formation et assurer la base de sa compréhension en solutionnant des exercices. Ces exercices seront fournis par le professeur. Les exercices seront seulement suggérés. L élève assume la responsabilité de préparer les heures de formation par ses lectures et de parfaire sa compréhension par des exercices. PRATIQUE Avant chaque période de laboratoire, l élève devra fournir une préparation (voir critères d évaluation : Préparation et compte-rendu de laboratoire). Les habiletés qui y sont développées ne peuvent s acquérir sans utiliser les équipements de laboratoire. L'élève absent obtiendra la note zéro pour la préparation et le compte-rendu du dit laboratoire. Si, pour des raisons sérieuses, un élève doit s absenter, il devra justifier son absence auprès du professeur et prendre les arrangements nécessaires pour réaliser ses travaux. Il y aura des comptes-rendus à remettre concernant les laboratoires. Ces comptes-rendus seront précisés à la fin de chaque laboratoire. Vous aurez une semaine pour les remettre. À la fin de la session, durant les trois dernières semaines, l élève aura à réaliser un projet de conception d un module de conditionnement de signal, mettant à contribution les compétences développées dans la conception et la mise au point de circuits électroniques et aussi dans le prototypage et le test de ces circuits. Le travail en laboratoire sera réalisé individuellement. Il est important que chaque élève prenne les moyens de développer ses compétences individuelles. On demande à chaque élève de tenir son propre cahier de laboratoire et d y consigner ses préparations et observations. NICOLAS HUPPÉ PAGE 5

6 Chaque élève est responsable du matériel de laboratoire qu il utilise. Tout bris majeur de matériel par négligence de l élève entraînera une perte partielle ou totale des points selon la valeur du matériel endommagé. La négligence consiste : à omettre de se documenter adéquatement avant d effectuer les manipulations; à ne pas suivre les directives données par le professeur verbalement ou par écrit; à prendre une chance dans l'incertitude de faire quand même une manipulation; à trouver le bon branchement d'un équipement par essai et erreur. Toute atteinte aux consignes de sécurité et aux codes élémentaires de comportement, mettant en danger le matériel ou la santé de l élève lui-même ou celle des autres, entraînera la note zéro des points alloués au laboratoire (préparation et comptes-rendus de laboratoires.). ÉVALUATION Type d évaluation Pondération Test #1 (écrit) 15% Préparations + comptes-rendus de labs. 40% Quiz 5% Projet intégrateur 20% Test final (écrit) 20% TOTAL 100% CRITÈRES D'ÉVALUATION Voici les critères généraux d évaluation du travail des étudiants. Des grilles plus détaillées seront fournies aux étudiants avant chaque évaluation. TESTS THÉORIQUES ÉCRITS (UNE FEUILLE RECTO-VERSO DE DOCUMENTATION PERMISE) : Solutions claires et indication des calculs intermédiaires menant aux résultats; Utilisation correcte des éléments de topologie des circuits; Identification et utilisation adéquate des éléments de solutions graphiques; NICOLAS HUPPÉ PAGE 6

7 PRÉPARATION ET COMPTES-RENDUS DE LABORATOIRES: Préparation complétée avant d'arriver au laboratoire (le moment et les modalités de la remise seront indiqués par le professeur); Réponse individuelle aux questionnaires à la fin des laboratoires; Solutions claires et indication des calculs menant aux résultats; Conformité aux normes des schémas, des graphiques et des tableaux; Interprétation juste des résultats obtenus. PROJET INTÉGRATEUR: Qualité du montage sur «breadboard» Fonctionnalité du circuit de conditionnement de signal selon le cahier des charges Fonctionnalité du montage final avec le microcontrôleur Qualité de la fiche technique du montage et de l explication du circuit Qualité de la présentation orale et de la démonstration complète PROFESSIONNALISME: Présence et ponctualité; Remise des travaux; Attention et constance à la tâche; Qualité du travail; Comportement en classe et au laboratoire; Respect d autrui; Capacité de travailler en équipe; Attitude positive; Usage du matériel avec précaution; L ordre et la propreté dans la tenue de la documentation; Comportement sécuritaire (pour la personne et l équipement) en laboratoire. RÉTROACTION La rétroaction se fera en continu, tout au long de la session. Les périodes de laboratoire sont des moments privilégiées pour la rétroaction puisque le professeur est alors en contact individuel direct avec les élèves. Les commentaires des élèves (par écrit ou verbalement) sur l orientation, la méthodologie, le contenu, les tests, la correction ou tout autre aspect susceptible d améliorer le cours sont les bienvenus. NICOLAS HUPPÉ PAGE 7

8 MODALITÉS D ENCADREMENT Les modalités spécifiques pour rencontrer le professeur seront fixées lors des premières rencontres de la session. De façon générale, le professeur demeure disponible à son bureau en dehors des périodes prévues à l horaire pour répondre aux questions des élèves. Il est par contre préférable pour l élève de prendre rendez-vous avec son professeur afin de s assurer de sa disponibilité. Des activités d encadrement sont prévues au calendrier et se tiendront du 28 octobre au 1ier novembre 2013 ainsi que le 18 décembre pour: Rencontres individuelles avec les élèves Laboratoires supervisés selon les demandes CALENDRIERS DES ACTIVITÉS THÉORIE Semaines No Sujet mod Présentation du plan de cours. Chaîne de mesure Capteurs TEST # Traitement de signaux analogiques Conversion analogique/numérique Traitement de signaux numériques TEST FINAL LABORATOIRE Lab no Titre Chaîne de mesure Mesure de température Mesure de niveau Mesure de niveau isolée 10 5 Conversion N/A Conversion A/N Projet de module de conditionnement de signal 16 PRÉSENTATION DU PROJET INTÉGRATEUR NICOLAS HUPPÉ PAGE 8

9 RETARDS DANS LA REMISE DES TRAVAUX Une note de zéro (0) sera attribuée pour des travaux non remis. Les travaux remis en retard sont corrigés et la note est complétée avec une diminution de 25% maximum par jour de retard. ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DU FRANÇAIS Pour les différentes productions, la qualité de la langue française sera notée de la façon suivante : Productions longues Exemples : Rapports de laboratoire, manuels techniques et autres types de manuels. 20% de la note totale du travail sont réservés au français. Les critères sont les suivants : Organisation du texte Qualité de la ponctuation Qualité de l orthographe Qualité de la syntaxe Qualité du vocabulaire Qualité de la grammaire Le professeur ou la professeure pourra choisir, au hasard, le sixième (1/6) de la production pour évaluer le français. Productions courtes Exemples : Commentaires dans les listages de programme et comptes rendus de laboratoire 10% de la note totale du travail sont réservés au français. Les critères sont les suivants : Qualité de la syntaxe Qualité de l orthographe Qualité de la grammaire Si la quantité de mots utilisés dans le travail est jugée insuffisante par la professeure ou le professeur, elle ou il se réserve le droit de ne pas évaluer le français. NICOLAS HUPPÉ PAGE 9

10 MÉDIAGRAPHIE VOLUMES ET AUTRES ITEMS OBLIGATOIRES Calculatrice scientifique, cartable, règle, etc. VOLUMES DE RÉFÉRENCE TRUSSART, Louis. L'électronique, Montréal, Éditronique, 2006, 850 p. LEKAS, Steve, Signal Conditioning and Pc-Based Data Acquisition Handbook, ISBN : KEITHLEY, Joseph, Low Level Measurements 6 th edition, JUNG, W. Op amp applications handbook, Analog Devices/Newnes, 2005, 895 p., ISBN : (disponible en version électronique) Oméga Inc, Temperature,Pressure,Flow,PH, etc Handbooks, Oméga, 2011 SITES WEB DE RÉFÉRENCE Analog Devices : Burr-Brown : Texas instruments: Omega : NICOLAS HUPPÉ PAGE 10