TP N 3 CARACTERISATION DE DIODE LASER ET DETECTION SYNCHRONE PRE-REQUIS SAVOIR : AOP en régime linéaire et non linéaire OBJECTIFS SAVOIR : Valider par le calcul et la mesure, les performances des fonctions électroniques. Analyser les relations entre les sousensembles. Utiliser un logiciel de Simulation afin de valider le fonctionnement d'un amplificateur à détection synchrone. SAVOIR-FAIRE : Utiliser un banc de mesures. SAVOIR-FAIRE : Mesurer le diagramme de rayonnement d'une diode laser fonctionnant en LED en utilisant un amplificateur à détection synchrone Mesurer les performances de l'amplificateur à détection synchrone. Etudier le fonctionnement d un amplificateur à détection synchrone Chronologie Durée 4H Mise en œuvre du système de relevée du diagramme de rayonnement (avec un GBF et l'ampli à détection synchrone) Simulation du fonctionnement d'un amplificateur à détection synchrone. Moyens mis en œuvre..logiciel Excel +logiciel Diaray_LV Observations Logiciel de simulation électronique + fichiers correspondants Diode laser Toshiba TOLD à caractériser Alimentation diode laser Melles Griot Platine de rotation motorisée Polytec - Carte de commande platine installée dans micro - Carte A/N USB 6009 - imprimante Amplificateur à détection synchrone et GBF Détecteur Thorlabs - Evaluations : Autonomie de l élève. Lecture de la documentation. Relevés des mesures. Interprétations. Conclusions Réflexions. - /8-
CARACTERISATION DE DIODES LASER et détection synchrone A. Mise en situation A.. PROBLEMATIQUE LA société HAMAMATSU désire mettre en œuvre un procédé permettant de caractériser ses diodes laser (diagramme de rayonnement). Le système devra être capable de mesurer de faibles éclairements et être insensibles aux perturbations lumineuses (bruits 00Hz) ainsi qu au bruit électrique (50Hz).L acquisition de chaque valeur doit pouvoir se faire en moins d une seconde. A... Matériel Plan du TP A. Mise en situation A.. Eléments à votre disposition A... Matériel C. Réalisation du montage C.. Mesures C... Mesure du diagramme de rayonnement C..2. Caractérisation de l amplificateur D. Simulation du principe de la détection synchrone D.. Caractéristiques du signal d entrée D.2. Traitement du signal de sortie (avant filtrage) D.3. Réglage du filtre Diode laser Toshiba TOLD à caractériser Alimentation diode laser Melles Griot - Platine de rotation motorisée Polytec - Carte de commande platine installée dans micro - Carte A/N USB6009 - imprimante Amplificateur à détection synchrone et GBF Détecteur Thorlabs - Eléments électriques et mécaniques de liaison.. B. Principe théorique Le schéma de principe de la détection synchrone vous est présenté cadre. cadre : Schéma de principe de l amplificateur à détection synchrone - 2/8-
On suppose que le signal de référence est un signal sinusoïdal d expression A ref sin(ω ref.t) Le signal d entrée AC in qui sera le signal issu du capteur est lui un signal d amplitude différente,de même fréquence que le signal de référence mais qui présente en plus du bruit que l on notera B(t). Ainsi l expression du signal d entrée est : (A in.sin(ω ref.t))+ B(t) Le principe de la détection synchrone est de multiplier entre eux le signal de référence et le signal d entrée puis grâce à un filtre passe-bas de très basse fréquence de coupure, on fait la valeur moyenne de ce produit. Rappel: Donner le résultat du produit des deux signaux Combien de raies comporte le spectre fréquentiel de ce produit. Le filtre passe-bas ne doit garder que la composante de plus basse fréquence. Donner l amplitude maximum de celle-ci?. Préciser aussi si le signal après le filtre est continu ou alternatif? cadre 2 :montage Pour moduler la diode laser, on peut soit la moduler directement ou utiliser un chopper. Quel est selon vous l avantage de moduler directement la diode laser. Qu est-ce qu un CHOPPER? Que permet-il de réaliser? C. Réalisation du montage - 3/8-
ENTREE SIGNAL DETECTEUR ENTREE SIGNAL DE REFERENCE SORTIE AMPLIFICATEUR A DETECTION SYNCHRONE Relier le signal de référence du GBF au signal de référence de l amplificateur à détection synchrone et à l entrée modulation de la diode laser. Ajuster le gain de l ampli à détection synchrone pour avoir un signal compatible avec la carte USB6009 Rôle des différents composants : Carte de commande : Pilotage et asservissement en position et vitesse du moteur à courant continu de la platine de rotation. Carte USB6009 : Conversion analogique-numérique de la tension image de la puissance reçue par le détecteur pour l acquisition informatique. Micro-ordinateur : Acquisition des puissances lumineuses, pilotage angle, visualisation des résultats. Trou (scotch noir) : diaphragme à iris permettant de limiter la valeur de l angle solide du faisceau éclairant le détecteur (son diamètre d ouverture est inférieur à celui de la surface sensible de la cellule). GBF : Moduler le flux lumineux de la diode laser à une fréquence bien définie. Amplificateur à détection synchrone : Détecter uniquement des signaux à fréquence identique à celle du GBF. N I LASER Réf. Alimentation C.. Mesures C... Mesure du diagramme de rayonnement b) 2mA TOLD 932 cadre 3 Alim Melles Griot Alimenter la diode laser avec un courant de 2 ma. Positionner l extrémité de la diode laser sur l axe de rotation de la platine et positionner le capteur sur l axe principal de la diode. Appliquer un signal alternatif de fréquence 670Hz et d amplitude +/-20mV sur l entrée modulation de la diode laser ainsi que sur l entrée référence de l amplificateur à détection synchrone. Le signal lumineux perçu par le détecteur précédent est lui appliqué sur l entrée AC In de l amplificateur à détection synchrone. Lancer le logiciel Diaray_LV Faire la mesures b) spécifiées cadre 3 (le temps d intégration de l amplificateur à détection synchrone est réglé à 00ms) - 4/8-
Sous paramètre choisir la carte d acquisition USB6009 et configurer ensuite correctement la voie d acquisition Sous paramètre choisir ensuite la platine de rotation Mercury. sélectionner le port USB de la platine. En déplacement manuel, rechercher approximativement l angle initial = 0. Définir cette position comme position origine par Définir origine. Rechercher les positions à gauche et à droite de P MAXI (U MAXI ) jusqu à ce que P devienne négligeable. Vous aurez ainsi une idée de l angle d analyse. Définir paramètre acquisition le demi-angle d analyse ainsi que le nombre de points. Représenter I/I 0 en fonction de : Donner la valeur de l angle θ qui donne une puissance d émission égale à 50% du maximum. C..2. Caractérisation de l amplificateur Bande passante. On désire étudier les performances de l amplificateur d entrée en terme de bande passante Pour cela, tracer sous EXCEL la caractéristique G (db) =f(f (Hz) ). Pour 2 valeurs différentes de l amplification (0dB et 20dB). On utilisera un GBF dont l amplitude du signal d entrée sera fixée à 00mV et sera appliqué sur l entrée input de l amplificateur (entré ac-in). Le signal de sortie est observable sur la sortie (MON OUT) ETUDE DE L'AMPLIFICATEUR D'ENTREE ENTREE SIGNAL GBF SORTIE AMPLIFICATEUR D'ENTREE Conclusion (donner la relation liant l amplification à la fréquence de coupure) D. Simulation du principe de la détection synchrone Ouvrir sous PROTEUS le projet detection_synchrone.dsn (cadre 4 : Schéma électronique) La simulation va permettre d étudier un signal modulé à 670Hz de faible amplitude. Ce signal serait difficile à mesurer autrement qu en ayant recours à la détection synchrone. D.. Caractéristiques du signal d entrée En faisant une analyse de Fourier du signal d entrée et en configurant la transformée de fourier comme dans l exemple ci-dessous - 5/8-
Préciser quelles sont les composantes spectrales principales du signal d entrée. De quels bruits certaines composantes sont-elles représentatives? D.2. Traitement du signal de sortie (avant filtrage) Après multiplication du signal d entrée avec le signal de référence (fréquence du signal référence =670Hz), on obtient un signal comportant entre autre une raie spectrale à 0Hz dont l amplitude dépend des caractéristiques du signal de référence. Fixer l amplitude VA du signal de référence à V.Réaliser sur une durée de s comme précédemment l analyse du signal de sortie Vsfiltré d. Mesurer alors l amplitude de la composante continue du signal de sortie. Refaire cette mesure avec cette fois ci un signal de référence d amplitude 5V. Conclusion : Quelle est l influence de l amplitude du signal de référence sur l amplitude de la composante continue? cadre 4 : Schéma électronique - 6/8-
D.3. Réglage du filtre L amplitude du signal de référence est maintenue à 5V.Suite à l analyse temporelle précédente : Régler l amplification T du filtre pour obtenir en sortie un signal continue d amplitude V Régler le coefficient d amortissement à m=0.707(ajuster le coefficient B pourcentage du potentiomètre RV exemple 90% donne m=0.9) La fréquence de coupure du filtre sera choisie égale à 0 Hz. Déterminer alors R7 et R8? Le choix de la fréquence de coupure vous semble-t-il correct (examiner le spectre du signal avant filtrage)?. Faire une analyse temporelle sur s Conclusion : Le signal est-il celui attendu? D.4. PROBLEMATIQUE La détection synchrone permet-elle de s affranchir des bruits lumineux et électriques. L amplificateur étudié permet il de faire une mesure en moins d une seconde comment s appelle le paramètre qui permet d ajuster ce temps.? - 7/8-
NOTATION COMPTE RENDU B)Principe théorique Résultat du produit Nombre de raies du spectre Composante basse fréquence (amplitude) Nature du signal Avantage modulation directe diode laser Définition du chopper,utilité C)Réalisation du montage 2 C.)Mesure Représentation I/Io=f() Angle qui donne P-50% C..2)Amplificateur Courbes sous excels Relation entre l amplification et la fréquence de coupure D)SIMULATION Nature des composantes spectrales Amplitude du signal de sortie pour Vr=V Idem pour Vr=5V conclusion D.3)REGLAGE DU FILTRE Amplification T qui donne Vs=V Ajustement B=0.707 Fc=0Hz, valeur de R7 et R8 Choix de la fréquence de coupure Qualité signal Pts sur place Compte rendu 4.5 D4) PROBLEMATIQUE NOTE /20-8/8-