1 Ce que chacun sait 1.1 Courant et tension Chacun sait que le courant électrique appelé également intensité électrique, correspond à la circulation d électrons dans un conducteur. Ces électrons sont des particules d électricité dites négatives. La charge électrique d un électron notée Q, est de -1,602.10-19 coulombs. Cette circulation du courant électrique, correspond à la quantité d électricité Q circulant dans un conducteur (en coulombs) par unité de temps (seconde). dq Figure 1. Le courant circulant dans la conducteur est : i = dt Le courant électrique a pour unité l Ampère. En électronique on utilise plus souvent des sous multiples de l ampère le milliampère ma (10-3 ) et le µa (10-6 ). L intensité est une grandeur algébrique, son signe est imposé par convention. Elle garde la même valeur tout le long du conducteur. Le courant électrique est repéré par une flèche signalant le sens algébrique. La valeur du courant est repérée par un indice. I 1 Figure 2. Représentation d un courant électrique dans un conducteur Pour que les électrons soient mis en mouvement et génèrent un courant électrique, ils doivent être d une part issus d un point et d autre part attirés par un autre. Cette mise en mouvement est donc réalisée par une différence de potentiel entre ces deux points. Soit le potentiel en un point A et celui en un point B, la différence de potentiel V repérée par la flèche orientée est V=V A - V B. La différence de potentiel également notée d.d.p est mesurée en Volt (V). V A V = V A - V B V B Figure 3. Représentation d une d.d.p. 1.2 Electronique analogique et forme du signal Les structures électroniques, sont utilisés pour traiter stoker ou transmettre des informations. Informations qui peuvent être des sons, des images ou d autres phénomènes physiques issues de capteurs. Elles sont essentiellement issues de phénomènes naturels donc continues dans le temps (figure 1). Il semble évident que la «forme» du signal électrique dans le temps, doit être identique donc «analogue» à la variable physique à convertir(1). La tension ou le courant résultant est en ce cas appelé signal analogique. 1 Avec proportionnalité.
Elément d électronique analogique 2 «phénomène physique» Tension électrique Temps Temps Figure 4. Représentation d une tension analogique dans le temps En ce cas, la chaîne électronique peut être représentée de la manière suivante : Détecteur Traitement Opérateur Variable physique Electronique Figure 5. Chaîne de traitement analogique Utilisation Le bloc nommé détecteur a pour rôle de convertir la variable physique en une tension analogique, quand au bloc opérateur, il réalise la fonction opposée. Entre les deux ce sont des structures électroniques analogiques qui réalisent un ensemble de traitements à partir des fonctions élémentaires telles que l amplification, le filtrage, la modulation etc... Associer à ces fonctions de base, il faut ajouter des fonctions particulières telles que le stockage, permanent ou temporaire, ainsi que tout ce qui concerne la transmission de signaux avec les fonctions d émission et réception. 1.2.1 Exemple de forme de signal électrique Si nous envisageons le signal analogique, comme le support d une informations, celle ci est inscrite dans la forme du signal. Cette forme est fonction de : l amplitude du signal, la fréquence et les harmoniques constituant le signal, la phase. Les circuits électroniques constituant les appareillages électroniques ont essentiellement pour rôle ou pour effet de modifier la forme du signal donc des informations contenues dans le signal. Afin de vérifier le bon fonctionnement des circuits électroniques, les techniciens en électronique doivent pouvoir visualiser la forme du signal. C est le rôle des appareils de mesure de type oscilloscope et analyseur de spectre etc. Prenons un première exemple très simple : si nous injections un des signaux, de la figure suivante, dans un amplificateur suivi d un haut parleur, un auditeur percevra le son issu du signal A plus aigu que le B et que le C. La fréquence du signal A étant plus élevée que le signal B et de C. Cerf eea01-09/02/05
3 B A 1.5 3 ms Figure 6. Illustration d un signal sinusoïdale injecté dans un amplificateur audio. Le signal A correspondant à la note LA de 440 Hz, B note SOL de 396 Hz et signal C note FA de 351 Hz. Nous verrons, par la suite, qu une modification intentionnel ou fortuite de la «forme» du signal électrique peut entraîner une modification de l information contenue dans le signal. Si l altération du signal est involontaire il y a perturbation et création de «distorsion». Mais si un signal intempestifs est ajouté au signal de base il y a alors création de «bruit». Les modifications du signal dans le domaine temporel, entraîne également une modification dans le domaine fréquentiel. En effet, il peut y avoir soit ajout de certaines fréquences au signal de base, soit au contraire diminution de l amplitude de fréquences. Les trois graphiques suivants représente le déroulement des vibrations d un même son dans le temps. Le son original est au milieu. Si l on retire de ce son une grande partie des fréquences hautes, il ne reste que les informations représentées par les fréquences basses (figure de gauche). Par contre si l on retire maintenant l ensemble des fréquences basses, il ne reste que les vibrations de fréquence élevée (figure de droite). C Nous retrouvons cette même analyse lorsque nous agissons sur un signal électrique de forme carré. En filtrant les fréquences hautes, les fronts s arrondissent. En accentuant par étape le filtrage, le signal carré se transformera tout d abord en une sinusoïde de fréquence identique à celle du signal d origine. Puis cette sinusoïde s estompera pour laisser place à une tension continue. Le filtrage des fréquences basses fait essentiellement ressortir les variations. Les zones où les tensions sont constantes, perdent leurs valeurs moyenne.
Elément d électronique analogique 4 1.3 Electronique numérique De plus en plus, les fonctions de traitement réalisés «analogiquement» sont remplacées par des calculateurs numérique. Pour que cela soit possible, la tension analogique est «discrétisée» c est à dire qu elle est «découpée» selon le temps et l amplitude afin de créer des échantillons. Ces échantillons sont par la suite codées par une succession de données binaires (figure 7). «phénomène physique» Tension électrique Signal échantillonné Temps Figure 7. Signal échantillonné Temps Les fonctions électroniques initialement réalisées analogiquement par des composants discrets ou intégrés, deviennent alors des algorithmes de calcul exécutés par des microprocesseurs. Dans ce cas, les fonctions s organisent de la manière suivantes (figure 8) : Variable physique Détecteur C.A.N. Calculateur C.N.A. Opérateur Utilisation Mémoires Electronique Figure 8. Chaîne de traitement numérique Les blocs notés C.A.N. et C.N.A. ont pour rôle de convertir dans un sens et dans l autre les données analogiques et numériques. Dans certains cas ces deux blocs sont intégrés dans un même circuit appelé CODEC (codeur - décodeur). Cerf eea01-09/02/05
5 1.4 Les appareils de mesure Comme nous venons de le voir, pour vérifier le bon fonctionnement des circuits électroniques, il est nécessaire de visualiser la forme et le contenu des signaux. C est le rôle est dédié aux appareils de mesure de type oscilloscope et analyseur de spectre. 1.4.1 Structure d un banc de mesure Un «banc» de mesure doit être composé autour de la «carte électronique» ou du circuit à tester. Tout d abord, il faut une alimentation qui fournie une ou des tensions continues pour donner l énergie au circuit. Puis le générateur basse fréquence qui a pour rôle de simuler le signal d entrée. Les caractéristiques de ce signal sont connues. En troisième point, il faut l ensemble des appareils de mesure qui permettent de comparer quantitativement les signaux de l entrée et de la sortie. Alimentation DC G.B.F. : Générateurs Carte à tester Appareils de mesure Oscilloscope Multimètre FFT Traitement et analyse informatique Dans un système de mesure plus élaboré, les appareils sont reliés à une unité informatique qui permet d automatiser l ensemble de l expérimentation. Pour cela, un programme configure les appareils, effectue les mesures, récupère les donnés, réalise le traitement et génère un rapport. Il s agit de logiciels tel que LABVIEW ou VEE. 0 1.4.2 Alimentation TPS 4000 Cet appareil est composé de trois alimentations qui génèrent uniquement des tensions continues. Deux modules identiques permettent d obtenir des tensions réglables entre 0 et 30 Volts avec une disponibilité de courant de 0 à 3 A. Un autre module propose une tension fixée à 5 volts avec un courant disponible jusqu'à 3 A.
Elément d électronique analogique 6 Affichage tension Affichage courant Réglage tension Réglage courant - + - + Sorties 0 30 V Sortie 5 V Le schéma structurel d une des alimentation est le suivant. Affichage du courant Affichage de la tension Sortie rouge Positive (+) Réglages de la tension et du courant Sortie noir négative (-) Sortie TERRE Le mode «maître-esclave» permet d obtenir un réglage identique pour les deux alimentations variables. Les deux alimentations variables peuvent être associés pour obtenir des caractéristiques différentes. Exemple d alimentation double pour AOP : - V 0 +V 1.4.3 Générateur de fonctions METRIX GX 245 Cet appareil a deux fonctions qui peuvent êtres indépendantes : un générateur de signaux électriques dont les réglages sont disponible sur la partie haute de la face avant, puis un fréquencemètre réglable sur la partie basse de cette face avant. Nous utiliserons plus particulièrement le générateur de fonctions. Les caractéristiques de l appareil sont : Gamme de fréquence comprise entre 0,02 Hz et 5 MHz. o Touche 1 et potentiomètre 10. Cerf eea01-09/02/05
7 Amplitude du signal comprise ente 0 et 20 volts crête-crête à vide. o Atténuateur 4 de 2 20 db et potentiomètre LEVEL 7. Signaux carrés, triangulaires où sinusoïdaux (dissymétrie possible). o Touches 3 et potentiomètre 9 pour la dissymétrie (PULL). Tension continue ou offset de +- 10 volts. o Potentiomètre 8 (PULL). Sortie par le connecteur BNC noté OUT 5. Le graphique suivant représentent les caractéristiques de base d un signal issu du générateur. Amplitude Tension d offset V Tension crête Période = 1/fréquence 0 temps 1.4.4 L oscilloscope. L oscilloscope permet de visualiser sur un écran une partie du signal électrique : tension en fonction du temps : V=fonction(temps). E(V) Temps (ms) Figure 9. La fenêtre de visualisation de l oscilloscope Les oscilloscopes numériques offrent une utilisation simplifiée, des possibilités de fonctionnement accrues associés a des caractéristiques très intéressantes. La difficulté principale rencontrée par les débutants est liée aux multiples réglages. Sur ces machines, après avoir relié l appareil à la carte à
Elément d électronique analogique 8 tester, il suffit d appuyer sur la touche AUTO-SCALE pour qu automatiquement une courbe apparaisse à l écran. Après cela, l utilisateur a la possibilité comme sur tous les oscilloscopes, d agir sur le format et l emplacement de la fenêtre de visualisation en modifiant : la largeur de la base de temps La valeur du calibre Le type et la valeur de la tension de synchronisation Réglage de la synchronisation : Type de synchronisation Tension de synchronisation E(V) Réglage de la base de temps : Largeur offset Réglage du calibre : Amplitude offset Temps (ms) Figure 10. Réglage de la fenêtre de l oscilloscope La figure suivante représente trois cas de réglage du seuil de synchronisation, en fonction de la tension de seul et du choix du sens d évolution du signal ascendant ou descendant. Le rectangle représente ce qui serra visualiser sur l écran. Pour le troisième cas, il n y a pas de synchronisation car la tension choisie est supérieur à la limite maximum du signal à visualiser. Cas N 1 Il y a synchronisation sur un front ascendant. Cas N 2 Il y a synchronisation sur front descendant. Cas N 3 Il n y a pas de synchronisation car la tension de seuil ne «coupe» pas la signal à visualiser Les oscilloscopes ont également des fonctions qui permettent de mémoriser les courbes, de calculer les valeurs des signaux telles que l amplitude la fréquence la valeurs moyennes, et bien d autres La détermination de ces valeurs sont fonctions l atténuateur de la sonde (PROBE) connectée. Il faut donc tout d abord vérifier ce réglage. La majorité des ces appareils ont également les fonctions de visualisation du spectre du signal sous la forme de la FFT. Ils sont tous dotés d interface numériques afin de les connecter à un ordinateur. Par exemple par une liaison direct avec le logiciels EXCEL, la courbe, et les points acquis, sont transmis directement vers une feuille de calcul du tableur. La figure suivante représente la face avant de l oscilloscope AGILENT 544622D. Cerf eea01-09/02/05
9 Réglage calibres voies 1 et 2 Réglage base de temps Ecran Fonctions de calcul Lecteur de disquettes Entrées 1 et 2 analogiques Entrée numérique Outre les fonctions précédemment décrites, cet appareil est également un analyseur logique 16 voies. La mesure ainsi que l écran peuvent êtres mémorisés sur disquette. 1.4.5 L analyseur de spectre Comme le présente la figure 11, l analyseur de spectre fournit un autre point de vue du signal électrique. Il visualise les constituants fréquentiels du signal à analyser et donne des courbes de type : V = fonction(fréquence) G( db ) = fonction(fréquence). Les détails concernant l analyse spectrale seront développés dans un autre feuillet. Amplitude f 1 f 2 f 3 Fréquence e(t) Temps Représentation Fréquentielle Représentation temporelle E(f) Figure 11. Représentation temporelle et fréquentielle d un signal
Elément d électronique analogique 10 Les courbes obtenues correspondent a ce que l on appelle le spectre du signal. E(V) Figure 12. Spectre d un signal Fréquence(Hz) Certains oscilloscopes proposent une fonction FFT réalisant un calcul numérique du spectre. L utilisation de l analyseur de spectre impose une connaissance plus précise de ce que l on désire visualiser. Comme pour l oscilloscope, il est possible d agir sur la fenêtre de visualisation en réglant : La largeur de la fenêtre en définissant deux paramètres : start fréquence et stop fréquence. Le réglage de l amplitude ou de la hauteur de la fenêtre est automatisé bien qu il soit possible de la modifier, mais le choix des unités est indispensable : Volts ou décibels (db). La face avant de l appareil Agilent 8560 se présente sous cette forme. 3 2 Ecran 6 5 1 Entrée 4 Touche 1 Touche 2 Touche 3 Touche 4 Touche 5 Touche 6 Ecran Mise sous tension Calibration pleine échelle Réglage de l échelle fréquence : fréqunences minimale, maximale centrale. Ces valeurs peuvent être fixés par le clavier 5 ou la molette 4. Molette de réglage Clavier de réglage Peak search. Cette touche permet de positionner le curseur (un petit losange) sur la valeur la plus élevée du signal. Les cooredobbées de ce point s affichent alors en haut à gauche de l écran (dbm et fréquence). La molette permet de déplacer le curseur et d an afficher les nouvelles valeurs. La courbe représentée à l écran a une l échelle de fréquence linéaire et non logarithmique. L amplitude en automatiquement en dbm. 1.4.6 L analyseur logique Pour l étude des signaux de type numériques, il est indispensable de pouvoir visualiser les données binaires (état haut ou bas), ainsi que l enchaînement des programmes. Pour cela l électronicien utilise un analyseur logique ou il apparaît sur une fenêtre et en plusieurs lignes les Cerf eea01-09/02/05
11 états binaires des «Bus» non plus en fonction du temps mais en fonction d un signal d horloge (figure 13). Voie 1 2 3 4 5 6 7 8 Figure 13. Représentation sur un analyseur logique n(horloge)