TP P7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à un oscilloscope

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1 TP P7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à un oscilloscope I. Notion de signal chaîne de transmission de l information 1. Exemples de chaîne de transmission de l information Exemple de chaîne de transmission d une information sonore avec amplification : Figure 1 : chaîne de transmission d une information sonore Cette chaîne de transmission fait apparaître plusieurs couples émetteur-récepteur, plusieurs types de signaux et canaux de transmission : Émetteur 1 : la voix signal sonore, canal de transmission : l'air récepteur 1 : le micro + amplificateur Émetteur 2 : le micro + amplificateur signal électrique, canal de transmission : les ils électriques récepteur 2 : amplificateur + haut-parleur Émetteur 3 : amplificateur + haut-parleur signal sonore, canal de transmission : l'air récepteur 3: oreille Chaque conversion du signal est due à un transducteur. TPP7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à l oscilloscope Page 1

2 2. Définitions La chaîne de transmission permet une transmission de l information sur des distances plus ou moins grandes. Signal : Le signal est la représentation physique de l information qui est transmise de sa source à son destinataire. Sa forme peut évoluer au cours de la transmission mais il doit conserver la quasiintégralité de l information émise. Émetteur : L émetteur est chargé d élaborer un signal (en y incorporant l information à transmettre) qui sera adapté à la nature du canal de transmission Récepteur : Le récepteur est chargé d interpréter le signal afin d y extraire l information Canal de transmission : Le canal de transmission permet de transmettre l information 3. Signal analogique Signal numérique Signal analogique : Un signal analogique est la représentation d une grandeur physique qui varie et qui est mesurable de façon continue dans le temps. Les signaux électriques analogiques sont obtenus aux moyens de transducteurs. Par exemple le micro convertit les variations de pression ressenties sur sa membrane en variation de tension électrique à ses bornes. Les variations de pression et celle de tension sont analogues en termes d amplitude et d évolution temporelle (d où l origine du terme analogique) Remarques : - La transmission dans une fibre optique, dans des câbles ou fils électriques est dite guidée, le signal est contraint de se propager dans un espace limité La transmission dans l air est dite libre, le signal peut se propager dans toutes les directions. - Une onde (mécanique ou électromagnétique) est un signal qui dépend d une ou plusieurs variables d espace et du temps. Exemples : le son, la lumière Un signal électrique, dans l approximation des états quasi-stationnaire, ne dépend que de la variable temporelle Signal numérique : Un signal numérique est la représentation d une grandeur physique dont on mesure un nombre fini de valeurs dans le temps. Le signal est une succession d impulsions d amplitudes variables. TPP7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à l oscilloscope Page 2

3 II. Caractéristiques des signaux périodiques Exemples : La plupart des signaux transmis possède un caractère périodique. Nous allons donc rappeler différentes définitions et caractéristiques des signaux périodiques. 1. Définitions type de signal alternatif valeur moyenne nulle non alternatif valeur moyenne non nulle Définition : Signal périodique : Un signal périodique est un signal qui évolue au cours du temps mais se répète identique à lui-même à intervalles de temps égaux. Sinusoïdal Signal alternatif : Un signal est dit alternatif si sa valeur moyenne est nulle. 2. Caractéristiques des signaux périodiques cas particulier des signaux alternatifs sinusoïdaux Créneau a. Grandeurs caractéristiques des signaux périodiques Grandeurs caractéristiques des signaux périodiques : Période : la période (en seconde) d un phénomène périodique est la plus petite durée au bout de laquelle le phénomène se reproduit identique à lui-même Fréquence : la fréquence (en hertz ou s ) d un phénomène périodique correspond au nombre de périodes par unités de temps Triangulaire = 1 Amplitude : l amplitude amp est la différence entre la valeur la plus haute et la valeur moyenne du signal Valeur crête à crête : la valeur crête à crête c-c est telle que cc = max min Remarque : selon les appareils de mesure (oscilloscope), la valeur crête à crête est parfois aussi appelée amplitude crête à crête, voire amplitude tout court. Il faudra donc vérifier ce que l appareil mesure. Propriété : Tout signal périodique non alternatif, de période, peut être décomposé en la somme d un signal périodique alternatif de période et d un signal constant (appelé signal continu). TPP7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à l oscilloscope Page 3

4 b. Cas particulier des signaux sinusoïdaux Définition d un signal sinusoïdal alternatif: Un signal est dit sinusoïdal si sa variation %(') suit une loi de variation temporelle de la forme : %(') = amp cos()'+φ) )'+φ est appelée la phase de la fonction cosinus, en rad amp : l amplitude du signal (dans la même unité que %) ) : la pulsation du signal (ou fréquence angulaire) en rad.s φ : la phase à l origine du signal en rad On peut définir de la période et de la fréquence du signal: 3. Signal périodique quelconque Le mathématicien joseph Fourier ( ) a montré qu un signal %(') périodique peut être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux % 4 (') appelés harmoniques, dont les fréquences sont des multiples de la fréquence de %('), appelée fondamentale. L ensemble formé par le fondamental et ses harmoniques constitue le spectre d un signal. L analyse spectrale est réalisée à l aide d un outil mathématique appelé transformée de Fourier, elle permet d indiquer l importance relative de chaque fréquence au sein du signal. Le signal peut donc s écrire : = 2. ) et = 1 = ) 2. %(') = amp cos/ 2. '+φ0 = ampcos(2.'+φ) ampcosφ Démonstration : D après la définition de la période : ampcos()('+)+φ) = amp cos()'+φ) cos()('+)+φ) = cos()'+φ) )('+)+φ = )'+φ+22. = 22. ) La période étant la plus petite durée au bout de laquelle le phénomène se reproduit identique à lui-même : = 2. ) Figure 2 : exemples d analyse spectrale TPP7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à l oscilloscope Page 4

5 III. Visualisation de signaux électriques grâce à un oscilloscope 1. Présentation d un oscilloscope Interface 2 des oscilloscopes du lycée : Définition : Un oscilloscope est un appareil qui permet de visualiser une différence de potentiel (tension) en fonction du temps. Interface 1 des oscilloscopes du lycée : TPP7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à l oscilloscope Page 5

6 Interface 3 des oscilloscopes du lycée : Interface 4 des oscilloscopes du lycée : TPP7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à l oscilloscope Page 6

7 1. Branchements d un oscilloscope Branchements : 2. Visualisation d un signal constant (régime stationnaire) Manipulation 1 : mesurer la tension aux bornes d un générateur délivrant une tension constante à l aide d un voltmètre puis à l aide d un oscilloscope sur un des canaux. Remarque : on rappelle que pour que le générateur délivre une tension constante il faut désenclencher les fonctions périodiques et régler la valeur de la tension à l aide du bouton «DC offset». Le voltmètre permet de connaître précisément la tension délivrée. Conséquence : TPP7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à l oscilloscope Page 7

8 Manipulation 2 : Construire le montage suivant : U R2 Effectuer les branchements qui permettraient de visualiser ; <> sans modifier la position des dipôles et noter que la valeur mesurée est incohérente. Pourquoi? R 2 e R 1 U R1 5 =2,0 V 7 = 3,0 kω 7 : = 1,2 kω Figure 3 : Circuit étudié Effectuer les branchements pour visualiser 5 sur la voie 1 et ; <= sur la voie 2 Modifier le circuit pour visualiser ; <> et effectuer la mesure. TPP7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à l oscilloscope Page 8

9 2. Visualisation d un signal périodique (régime permanent périodique) Pour régler la fréquence et l amplitude d une tension périodique délivrée par un générateur basse fréquence (GBF) l utilisation d un oscilloscope est très pratique. Manipulation 1 : A l aide de la visualisation à l oscilloscope, régler le générateur de manière à ce qu il délivre une tension sinusoïdale (puis carré et triangulaire) d amplitude de 5 V, de fréquence 2 khz, de valeur moyenne nulle. Vous visualiserez plusieurs périodes. Utiliser l oscilloscope pour qu il affiche les différentes grandeurs caractéristiques : amplitude, valeur crête à crête, fréquence, période. ATTENTION : Les grandeurs caractéristiques de la tension se règlent sur le GBF, on règle sur l oscilloscope uniquement l affichage et on l utilise pour faire des mesures. Manipulation 2 : A l aide de la visualisation à l oscilloscope, régler le GBF de manière à ce qu il délivre une tension sinusoïdale d amplitude de 5 V, de fréquence 2 khz, de valeur moyenne de 1 V. 3. Outils particuliers de l oscilloscope a. Le «Trigger» (système de déclenchement) Pour que le signal affiché à l écran soit stable il faut que la vitesse de balayage soit asservie à la vitesse du signal affiché : c est le but du trigger. On fixe une valeur seuil : le balayage est déclenché lorsque la valeur seuil choisie sur la voie choisie est atteinte dans un sens ascendant ou descendant. Manipulation : Visualiser une tension sinusoïdale de manière à ce que le signal commence par : - un maximum - un minimum - la valeur nulle, la première période commençant par les valeurs positives - la valeur nulle, la première période commençant par les valeurs négatives Faire en sorte que le signal ne soit pas stable. Manipulation : b. Le couplage AC/DC à l oscilloscope Visualiser une tension sinusoïdale dont la valeur moyenne est non nulle. Changer le mode de couplage : AC ou DC. Observations : Couplage AC/DC : Mode DC «direct current» : Mode AC «alternative current» : TPP7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à l oscilloscope Page 9

10 c. Le couplage AC/DC au voltmètre Notion de grandeur efficace Manipulation : Mesurer la tension aux bornes du générateur réglé sans composante continue à l aide d un voltmètre en mode DC et en mode AC. Couplage AC/DC : Mode DC : «direct current» Dans ce mode le voltmètre mesure à chaque instant la valeur de la tension aux bornes du dipôle considéré, et l affiche. Mode AC : «alternative current» Dans ce mode le voltmètre affiche une valeur constante, appelée valeur efficace, différente de la valeur de l amplitude du signal. Définition : valeur efficace La valeur efficace d une tension variable au cours du temps, correspond à la valeur de la tension constante qui fournirait la même puissance que la tension variable étudiée. C est ce qu affiche un voltmètre en mode AC. Dans le cas d un signal sinusoïdal : eff = amp / 2 Remarque : Les réseaux électriques européens sont caractérisés par une tension de 220 V. Cette valeur est en réalité la tension efficace du signal sinusoïdal (d amplitude et de fréquence 50 Hz). TPP7 : Signaux Notion de signal, types de signaux, visualisation de signaux électriques grâce à l oscilloscope Page 10