COURS : LE TRAITEMENT ANALOGIQUE DE L'INFORMATION

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1 1 LA CHAÎNE D'ACQUISITION D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE Effectuer une mesure, c'est determiner quantitativement la valeur d'une grandeur physique de nature quelconque (mesurande) et l'exprimer dans l'unité appropriée. La grandeur à mesurer est traduite en une grandeur électrique pouvant ensuite être adaptée pour être traitée par un système de traitement de l'information (automate, microcontrôleur) : Grandeur physique à mesurer Capter la grandeur physique à mesurer info. analogique Filtrer Amplifier CONDITIONNEMENT DU SIGNAL Comparer Convertir la tension en un nombre Les fonctions de conditionnement du signal peuvent être réalisées par des montages à ALI. Elles servent à adapter les signaux issus du capteur pour les rendre compatible avec le dispositif de traitement de l'information. Dans ce chapitre seront présentées les montages à ALI qui permettent de réaliser les fonctions AMPLIFIER et METTRE EN FORME. 2 IDENTIFICATION DE LA FONCTION TECHNIQUE RÉALISÉE info. logique N info. numérique 2.1 SYMBOLE ET DESCRIPTION DES ALI Les amplificateurs linéaires intégrés (ALI), aussi appelés amplificateurs opérationnels (AO) sont utilisés pour effectuer des opérations linéaires sur des signaux électriques : - addition, soustraction, multiplication... - amplification de tension ou de courant. Ils doivent leur nom (ALI ou AO) à ces applications, mais ils sont aussi utilisés pour des opérations non linéaires comme la comparaison de tensions. Un amplificateur linéaire intégré comporte : - une entrée inverseuse, e- symbolisée par le - ; - une entrée non inverseuse, e+ symbolisée par le + ; - une sortie repérée S. L'alimentation du composant nécessite deux tensions +Vcc et -Vcc. En général ces tensions continues sont symétriques (+15V et -15V par ex.). Les bornes d'alimentation du circuit ne sont pas représentées. 2.2 MODÈLE ÉQUIVALENT À L'ALI IDÉAL L'ALI est un amplificateur de différence de tension.en fonctionnement linéaire : e+ V+ = Ad. [(V+) - (V-)] = Ad. e- V- S Les ALI réalisent la fonction TRAITER de la chaîne d'information : physiques à Grandeurs acquérir Consignes Chaîne d'information ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER entrées analogiques sorties logiques et analogiques Ordres Vu des bornes d'entrée e+ et e-, l'amplificateur se comporte comme un circuit ouvert : les courants d'entrées I+ et I- sont nuls (la résistance entre les entrées est infinie). Vu des bornes de sortie, il se comporte comme une source de tension parfaite : = Ad. La tension de sortie est limitée par deux valeurs +at et -at (appelées respectivement tension de saturation positive et négative) : - pour l'ali parfait, on considère que +at et -at sont égales aux tensions d'alimentation +Vcc et -Vcc ; ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE ACTION Energie d'entrée Chaîne d'énergie B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 1 /

2 2.3 RÉGIME DE FONCTIONNEMENT D'UN ALI La caractéristique de transfert met en évidence les deux modes de fonctionnement possibles pour l'ali. 3 LA FONCTION AMPLIFIER Cette fonction est réalisée par des montages à ALI fonctionnant en régime linéaire. +at Saturation 3.1 MONTAGE AMPLIFICATEUR NON INVERSEUR La tension d'entrée est appliquée sur l'entrée Exprimer en fonction de Ve Linéaire Saturation -at Ve Le fonctionnement en régime linéaire qui s'obtient en réalisant une contre-réaction (rebouclage de la sortie sur l'entrée e- direct ou par une résistance pour limiter l'amplification) : -at < < +at = 3.2 MONTAGE AMPLIFICATEUR INVERSEUR Le fonctionnement en régime de saturation quis'obtient sans contre-réaction ou avec un rebouclage de la sortie sur l'entrée e+ : La tension d'entrée est appliquée sur l'entrée Exprimer en fonction de Ve Si V+ < V- = Si V+ > V- = Ve B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 2 /

3 3.3 MONTAGE SOMMATEUR NON INVERSEUR 4 LA FONCTION : COMPARER Exprimer en fonction de Ve1 et Ve2 R4 Cette fonction peut être réalisée par des montages à ALI fonctionnant en régime de saturation. Ils sont appelés montages comparateurs. R3 Les montages comparateurs réalisent la comparaison entre une tension d'entrée Ve variable au cours du temps et une tension de référence constante ou seuil (Vref). La tension de sortie ne peut prendre que deux valeurs (+at ou -at). Ve2 Ve1 Dans ce mode de fonctionnement il n'est pas possible d'exprimer en fonction de Ve. On pourra uniquement : - calculer les seuils de basculement ; - traduire le fonctionnement par la caractéristique de transfert graphique = f(ve). 4.1 MONTAGES COMPARATEURS SIMPLES (À UN SEUIL) Si les résistances sont égales : COMPARATEUR NON INVERSEUR À UN SEUIL La tension d'entrée est appliquée sur l'entrée 3.4 MONTAGE SOUSTRACTEUR Vcc CARACTERISTIQUE DE TRANSFERT (V) +at Exprimer en fonction de Ve1 et Ve2 Vref Ve 5 10 Ve (V) Ve2 Ve1 R3 R4 Expression littérale de Vref : = -at si Ve > Vref = Si les résistances sont égales : si Ve < Vref = Application numérique Vcc = 10 V = 10 kω = 10 kω Calculer Vref : B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 3 /

4 4.1.2 COMPARATEUR INVERSEUR À UN SEUIL 5 MONTAGES D'APPLICATION : THERMOSTAT ÉLECTRONIQUE La tension d'entrée est appliquée sur l'entrée R3 Vcc CARACTERISTIQUE DE TRANSFERT (V) +at Le montage suivant réalise un thermostat électronique. Il est utilisé pour réaliser la commande d'un chauffage. La température de consigne, à partir de laquelle le chauffage est activé, est réglable par un potentiomètre (P1). La mesure de la température est réalisée par une sonde dont la résistance varie proportionnellement à la température. 5.1 SCHÉMA FONCTIONNEL R4 Vref Ve 5 10 Ve (V) Température de l'air CONVERSION TEMPERATURE TENSION FP1 Vt AMPLIFICATION FP2 V2 COMPARAISON FP4 Expression littérale de Vref : -at GENERATION D'UNE TENSION DE REFERENCE FP3 Vref = 5.2 SCHÉMA STRUCTUREL Application numérique Vcc = 10 V R3 = 12 kω R4 = 12 kω Calculer Vref : si Ve > Vref si Ve < Vref = = I=1 ma Rt Vt A2 V2 R3 P1 R4 Vcc x. P1 Vref A3 = 1kΩ = 71,2 kω R3 = 19,6 kω R4 = 74, kω P1 = 5,6 kω 0 < x < 1 Les ALI seront considérés comme parfaits (courants d'entrées nuls, résistance de sortie nulle). Ils sont alimentés entre +10V et -10V. La tension Vcc est égale à 10 V. La sonde de température Pt 100 est une résistance dont la valeur Rt est régie par la formule : Rt = R0 (1 + α. T) R0 désigne la valeur de la résistance pour une température de 0 C; R0 = 100 Ω. α est le coefficient de température du capteur ; α = 0,0035 / C. T désigne la température exprimée en C. B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 4 /

5 5.3 ANALYSE FONCTIONNELLE Calculer l'amplification A = V2 / Vt : Encadrer sur le schéma structurel les différentes fonctions principales. 5.4 CONVERSION TEMPÉRATURE / TENSION (FP1) Calculer la valeur de la résistance du capteur Rt pour les températures 0 C et 100 C : Calculer V2 à 0 C et à 100 C : Etablir l'expression littérale de Vt en fonction de Rt et de I : Représenter V2 = f(t ) pour une température comprise entre 0 et 100 C : V2 (V) Calculer Vt pour les températures 0 et 100 C : AMPLIFICATION (FP2) Indiquer le régime de fonctionnement de l'ali repéré A2 (justifier votre réponse). Donner le nom du montage réalisé : 5 Etablir l'expression littérale de V2 en fonction de Vt et des résistances : T ( C) B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 5 /

6 Etablir l'expression littérale de Vref en fonction de Vcc, R3, R4, P1 et x : Le chauffage se met en marche dès que V2 devient supérieure à Vref. Calculer les températures de consigne minimale et maximale qu'il est possible de régler avec le potentiomètre : Etablir l'expression de Vref min. pour la position basse du curseur de P1 (x = 0). Effectuer l'application numérique : Etablir l'expression de Vref max. pour la position haute du curseur de P1 (x = 1). Effectuer l'application numérique : 5.6 COMPARAISON (FP4) Donner le nom du montage réalisé par l'ali repéré A3 : 5.7 MODIFICATION DU MONTAGE Indiquer quel est le principal défaut de ce thermostat : Que vaudra la tension si : - Tmesurée > Tconsigne : - Tmesurée < Tconsigne : Pour quelle valeur de le chauffage devra-t-il être activé : Proposer une modification du montage permettant de remédier à ce défaut : Etablir l'équation de la droite V2 = a T + V0. Calculer a et V0 B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 6 /

7 COURS : LE TRAITEMENT ANALOGIQUE DE L'INFORMATION 6 BALISE MARITIME : DÉTECTION DE LA NUIT 6.5 ANALYSE DE LA FONCTION CONVERSION ÉCLAIREMENT / TENSION 6.1 PRÉSENTATION? La fonction a pour rôle de produire un signal logique (NUIT) représentatif de l'éclairement extérieur. Ce signal est au niveau logique '1' lorsque l'éclairement mesuré est inférieur au seuil fixé (10 lux). Il permet la mise en service automatique de la lampe de la balise dès la tombée de la nuit. A l'aide de la documentation technique de la LDR, déterminer graphiquement la valeur de la résistance du capteur pour les éclairements : 1 lux, 10 lux, 100 lux et 1000 lux. On prendra les valeurs sur la courbe Max repérée par une flêche. Reporter ces valeurs dans le tableau ci-dessous. 6.2 SCHÉMA FONCTIONNEL Eclairement naturel exterieur CONVERSION ECLAIREMENT TENSION FS1.1 VE COMPARAISON NUIT FS1.3 GENERATION D'UNE TENSION DE REFERENCE VREF FS SCHÉMA STRUCTUREL (À COMPLÉTER) Le schéma structurel (à compléter) est donné ci-dessous :?? Etablir l'expression de VE, la tension aux bornes de, en fonction de LDR, et V1 : Compléter le tableau en calculant VE pour les éclairements : 1 lux, 10 lux, 100 lux et 1000 lux éclairement (lux) LDR (Ω) VE (V) ANALYSE FONCTIONNELLE? B2. Encadrer sur le schéma structurel les fonctions FS1.1 à FS1.3. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 7 /

8 Tracer la caractéristique VE = f(éclairement) pour un éclairement compris entre 1 et 1000 lux (en utilisant l'échelle logarithmique sur l'axe des abscisses) : VE (V) La série E12 est constituée des valeurs suivantes (x 10 n kω) : 10, 12, 15, 1, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 6, 2. Choisir sa valeur normalisée dans la série E12 : 6.7 CÂBLAGE DU COMPARATEUR CALCUL DE LA RÉSISTANCE R4 éclairement (lx) Compléter le schéma structurel (page 7) permettant d'obtenir le signal NUIT selon le fonctionnement décrit dans la présentation. Justifier les liaisons réalisées et donner le nom du montage réalisé par l'ali repéré U1A : Le pont R3 - R4 génère la tension de seuil VREF du comparateur (limite jour / nuit : 10 lx). Etablir l'expression littérale de VREF en fonction des éléments du montage : Représenter sur la caractéristique VE = f(éclairement) : - la tension VREF; - le signal logique NUIT. Calculer la valeur de la résistance R4 pour obtenir le seuil voulu : B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page /