Résumé de Théorie





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Royaume du Maroc



OFFICE DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE ET DE LA PROMOTION DU TRAVAIL




MODULE 08

Traitement du Signal

Résumé de Théorie

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TABLE DES MATIÈRES

4. Applications à l’instrumentation 1

4.1 Transmission de signaux analogiques industriels 1

4.2 Notions de bases 1

4.2.1 Étendue de mesure 1

4.2.2 Étendue d’échelle 1

4.2.3 Fonction de transfert 1

4.2.4 Ligne balancée et ligne non-balancée 2

4.3 Chaîne de mesure 2

4.4 Circuits de traitement de signaux industriels 3

4.4.1 Contrôle de décalage 3

4.4.2 Amplificateur différentiel 1 3

4.4.3 Amplificateur différentiel 2 4

4.4.4 Amplificateur différentiel 3 4

4.4.5 Amplificateur d’instrumentation 5

4.4.6 Transmetteur 4-20 mA 5

4.5 Multiplexeur analogique 7

4.6 Exercices 9


4.Applications à l’instrumentation

4.1Transmission de signaux analogiques industriels


Des solutions particulières doivent être envisagées lors de la transmission de signaux dans un contexte industriel. En effet, il existe des champs magnétiques et des variations de tensions importants aux abords de machines tournantes qui peuvent limiter le rapport signal/bruit. C’est pour ces raisons que des liens de transmission particuliers sont utilisés dans un tel contexte.

4.2Notions de bases

4.2.1Étendue de mesure


L’étendue de mesure correspond à l’intervalle comprise entre les deux valeurs extrêmes de la grandeur mesurée. Les deux valeurs extrêmes se nomment la portée maximale et la portée minimale.

Les portées maximale et minimale peuvent être, par exemple:

1- 0 à 1000 kPa 4- 4mA à 20 mA

2- -10 oC à 60 oC 5- 1 V à 5 V

3- -200 oC à -100 oC 6- 10 kg à 100 kg

4.2.2Étendue d’échelle


L’étendue d‘échelle (ou dynamique) est la différence algébrique entre la valeur de la portée maximale et la portée minimale; ainsi, pour les six exemples d’étendues de mesure citées plus haut, les étendues d’échelle sont:

1- 1000 kPa 4- 16 mA

2- 70 oC 5- 4 V

3- 100 oC 6- 90 kg

4.2.3Fonction de transfert


La relation existant entre le signal d’entrée et le signal de sortie d’un transducteur ou d’un transmetteur détermine la fonction de transfert. Si le transfert comporte un rapport constant, la fonction est dite linéaire.

Parfois le signal de sortie d’un transmetteur, correspondant à l’absence totale du signal d’entrée ou à sa valeur minimale, est d’une valeur non nulle. On dit que celui-ci possède un zéro surélevé ou un décalage (« offset »). Par exemple, dans le cas d’un signal 4-20 mA, le décalage est de 4 mA. Ici, la valeur 4mA correspond à l’information 0% et la valeur 20mA correspond l’information 100%. Notez la différence avec l’étendue d’échelle qui est de 16 mA et qui correspond à une variation ou un écart de 100%.

Si le transfert comporte une relation quadratique, la fonction de transfert est dite logarithmique. Dans certain cas, le transfert est régie par une fonction non-linéaire. En général, ce type de fonction est représenté par une série polynomiale (Série de Taylor ou de McLauren).

Exemple de fonction de transfert (y = variable de sortie, x = variable d’entrée)

Linéaire : y = ax où a est le gain du système

Linéaire avec décalage : y = mx + b où a est le gain du système et b est le décalage

Logarithmique : y = ax2

Non-linéaire : y = anxn + ... + a3x3 + a2x2 + a1x + a0

4.2.4Ligne balancée et ligne non-balancée


Une ligne est dite balancée lorsque les deux conducteurs présentent la même impédance par rapport à la masse. Une sortie différentielle d’un amplificateur différentiel est un exemple de ligne balancée. L’avantage d’une ligne balancée est qu’une induction parasite a de forte probabilité d’apparaître symétriquement et simultanément sur deux conducteurs situés à proximité. La tension différentielle du bruit induit entre les deux conducteurs est donc théoriquement nulle (entrées en mode commun).

Une ligne est non-balancée lorsque les deux conducteurs présentent une impédance différente par rapport à la masse. Un câble coaxial a généralement son conducteur externe relié à la masse. Il est donc non-balancé.

4.3Chaîne de mesure


Une chaîne de mesure analogique comprend un transducteur, un conditionneur de signal, une boucle de transmission et un circuit de réception (avec parfois un conditionneur de signal).



Figure 4-1 Chaîne de mesure analogique.

  • Transducteur : convertie une grandeur physique en une grandeur électrique.

  • Conditionneur de signal: règle l’étendue d’échelle et le zéro surélevé (décalage). Peut parfois modifier la fonction de transfert : linéariser, intégrer, différencier, etc, la réponse du transducteur.

  • Boucle de transmission : lien entre le conditionneur et le récepteur. En industrie: ligne balancée avec transmission d’un courant 4 mA (0% ) à 20 mA (100%) ou sous forme de variation de fréquence (nécessite alors un convertisseur V/F à l’émission et un convertisseur F/V à la réception).

  • Récepteur: détecte l’information transmsise sur la boucle de transmisssion.

Une chaîne de mesure numérique est similaire à la boucle analogique, sauf que l’information est transmise sous forme de données numériques. Un convertisseur numérique-analogique et un convertisseur analogique-numérique sont donc inclus dans la boucle de transmsission.



Figure 4-2 Chaîne de mesure numérique.

4.4Circuits de traitement de signaux industriels

4.4.1Contrôle de décalage


  • Change le zéro en surimposant une tension continue au signal.

  • Le décalage peut être positif ou négatif.



Figure 4-3 Amplificateur inverseur avec réglage du zéro.

4.4.2Amplificateur différentiel 1


L’amplificateur différenciel (ou amplificateur de différence) amplifie la différence de potentiel à ses deux entrées. Ce circuit est utilisé lors de la transmission d’un signal sur une ligne balancée ou avec un circuit de mesure en pont.

  • Qualités d’un bon amplificateur de différence:
  1. Taux de rejet en mode commun élevé: CMRR > 100 dB.
  2. Peu bruyant (rapport Signal/Bruit élevé).
  3. Faible dérive d’entrée en fonction de la température.
  4. Zentrée élevée.
  5. Condition de calcul pour le circuit de la Figure 4 -4.

  • Conditions 1 : R1 = R2 et R3 = R4

Vsortie = (Ventrée + - Ventrée -)

  • Conditions 2 : R1 = R3 = Ri et R3 = R4 = Rf

Vsortie = - Rf / Ri (Ventrée - - Ventrée +)

  • Remarque : Zin - = R3 ; Zin+ = R1 + R2 ; donc, Zin-  Zin+



Figure 4-4 Amplificateur différentiel à ampli op.

4.4.3Amplificateur différentiel 2


  • Conditions: R2= R4 = Rf et R1 = R3= Ri

Vsortie = ( Rf / Ri + 1)(v2 - v1)

  • Remarque : Circuit plus couteux mais Zin1 = Zin2 , si U1 = U2



Figure 4-5 Amplificateur différentiel 2

4.4.4Amplificateur différentiel 3


  • Condition: R1 = R3 = R

Vsortie = 2( R / R2 + 1)(v2 - v1)

  • Remarque : Zin1 = Zin2 ,si U1 = U2



Figure 4-6 Amplificateur différentiel avec sortie différentielle.

4.4.5Amplificateur d’instrumentation


L’amplificateur d’instrumentation est surtout utilisé pour amplifier des signaux transmis en mode différentiel (ligne balancée, pont de mesure, etc.). U1 et U2 forment un préamplificateur à sortie différentielle et U3 forme un amplificateur de différence.

La caractéristique de taux de rejet en mode commun (CMRR) en fait un circuit très fiable pour amplifier des signaux de bas niveaux dans un environnement industriel. En effet, ces signaux appliqués en mode différentiel sont amplifiés alors que le bruit capté par la paire de conducteurs, appliqué en mode commun, est atténué.

  • Condition de calcul : R1 = R3

vsortie = 2( R / R2 + 1)(ventrée diff.)



Figure 4-7 Amplificateur d’instrumentation.

Remarques :

  • Zin1 = Zin2 , si U1 = U2

  • La tension de décalage permet de varier le zéro (décalage) et R2 règle le gain (étendue d’échelle).

4.4.6Transmetteur 4-20 mA


Le circuit de la Figure 4 -8 permet la conversion d’un signal 0-1V en un courant 4-20 mA. Ici, la résistance maximale de la boucle de courant est d’environ 500 .
Avec 0 V à l’entrée, on règle R5 (contrôle du décalage) pour un courant de boucle de 4 mA; puis, avec 1 V à l’entrée, on règle R4 (étendue d’échelle) pour un courant de boucle de 20 mA.

Caractéristiques principales d’une boucle 4-20 mA:
  1. Détection de conducteur brisé (zéro vivant): 0 mA = rupture de la boucle.
  2. Résistance maximale: charge + Rboucle ; limitée par la saturation de la source de courant de sortie.
  3. Bonne immunité aux bruits grâce aux faibles impédances.



Figure 4-8 Transmetteur 4-20 mA.

  • U1-Q1 Amplificateur inverseur.

  • Q2-Q3 Miroir de courant.

  • Q4 Source de courant constant.

4.5Multiplexeur analogique


Un multiplexeur analogique est un circuit qui permet de sélectionner alternativement différentes entrées analogiques. Il est réalisé à l’aide de portes analogiques formés de deux transistors MOSFET en parallèle. Une porte analogique est bidirectionelle.


Figure 4-9 A) porte analogique B) symbole.

.

Figure 4-10 Multiplexeur analogique à 4 entrées.


Figure 4-11 Signaux de contrôle pour un multiplexeur à 4 entrées.

Un démultiplexeur analogique effectue la fonction inverse d’un multiplexeur analogique. Il convertie un signal multiplexé en temps, en un nombre n de signaux analogiques indépendants. Les signaux de contrôle doivent être en phases avec les impulsions de contrôle utilisées lors du multiplexage.


Figure 4-12 Démultiplexeur analogique à 4 sorties.

4.6Exercices

#1Une pression peut varier de 2 à 10 kPascal.


a) Quelle est l’étendue d’échelle?

b) Quelle est la portée minimale? maximale?

#2Quelle est l’utilitée d’une ligne balancée?

#3Complétez le tableau suivant.




Étendue de mesure

Portée minimale

Étendue d’échelle

Sensibilité du transducteur

Sortie du transducteur

0 oC à

+100 oC







10 mV/ oC







-50 oC

100 oC


20 mV/ oC




0 oC à

+100 oC










0 à 2 V


#4Déterminez les valeurs des composants pour obtenir un gain de 900.


Av3 = 30 R2 = 1 k R6 = 220 k.

.

#5Déterminez les valeurs des composants pour obtenir une tension pouvant varier de 6 à 10 Volts pour une tension d’entrée de -1 Volt. Posez R2 = R5 = 10 k.



#6Déterminez les courants suivants : IR7; IR6; IR9; ISortie..



#7Décrivez la différence entrele R (on) et le R (on) d’une porte analogique?




Première Année
Programme de Formation des Techniciens Spécialisés en Électronique

DIRECTION DE LA RECHERCHE ET INGENIERIE DE LA FORMATION

Septembre 1995


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