Ce thème est constitué de 2 séances de 4h30.
Objectifs pédagogiques
A la fin des deux séances de ce thème, les étudiant·e·s seront capables de :
- lister les paramètres importants pour la bonne utilisation d’un composant (LED et photodiode)
- définir et exécuter un protocole expérimental pour :
- caractériser un dipôle linéaire ou non-linéaire
- caractériser un système linéaire, en continu et dans le domaine fréquentiel
- valider le fonctionnement d’un système vis-à-vis d’un cahier des charges (contraintes et performances)
- synthétiser et documenter chaque étape de la réalisation et des tests d’un système
Matériels à utiliser
- un amplificateur linéaire intégré (ALI) de type TL071 ou TL081
- une LED (rouge, bleu, verte…)
- une photodiode (SFH206 – PDF)
- un multimètre
- une alimentation stabilisée (multi-tensions)
- un oscilloscope
- un générateur de fonction
- quelques câbles, une plaquette de prototypage et des composants standards : résistances, capacités, ALI…
Vous pouvez également trouver des fiches explicatives sur le matériel de la salle de TP ici : ALI et résistances / Générateurs de signaux / Oscilloscopes / Alimentations
Etapes
Afin de faciliter le travail des deux séances, nous vous proposons de suivre les missions suivantes.
Les missions 0 à 5 devront être réalisées durant la séance 1. Les missions 6 et 7 devront être réalisées durant la séance 2.
Mission 0 / Câbler sur un breadboard
Vous serez amené à réaliser vos montages sur des platines de prototypage, également appelées breadboard.
Vous pouvez consulter la page suivante pour connaître le fonctionnement de ces plaques : https://www.robot-maker.com/ouvrages/2-1-utiliser-breadboard/
Attention, aucun câblage dans cette mission !
Mission 1 / Caractériser un dipôle
Votre mission est de caractériser une LED visible (rouge, verte, bleue…), c’est à dire tracer la loi mathématique qui lie le courant traversant le dipôle et la différence de potentiel à ses bornes.
Pour cela, vous utiliserez les deux méthodes Caractéristique manuelle et Caractéristique automatique du tutoriel Caractériser statiquement un dipôle.
Documentation technique LED Rouge
Documents à produire
- Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
- Protocoles de mesure et de réglage / Schémas de mesure, de câblage
- Tableau de mesures, courbes
- Un texte de quelques phrases expliquant :
- dans quelle zone la LED peut-être utilisée pour moduler la lumière émise.
Mission 2 / Réaliser une alimentation symétrique
Certains composants, notamment les amplificateurs linéaires intégrés, sont capables de traiter des différences de potentiel positives et négatives. Pour cela, il est nécessaire de les alimenter de manière symétrique, c’est-à-dire, avec deux sources de tension fournissant des tensions opposées, souvent notées +VCC, pour l’alimentation positive, et -VCC, pour l’alimentation négative. On trouvera aussi les nominations +VS et -VS (selon les constructeurs).
Votre mission est de réaliser une alimentation symétrique +10V / -10V à partir des alimentations stabilisées disponibles et de mettre en place un système de contrôle de ces tensions.
Vous pouvez vous aider du tutoriel suivant : Générer des tensions stabilisées (dans la rubrique Démarche & méthodes de la MInE ).
Documents à produire
- Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
- Protocoles de mesure et de réglage / Schémas de mesure, de câblage
- Photo du câblage de l’alimentation
Mission 3 / Réaliser un montage comparateur à l’aide d’un ALI
Votre mission est de comparer une tension sinusoïdale à une tension de référence fixe à l’aide d’un comparateur, c’est à dire réaliser un montage comparateur autour d’un amplificateur linéaire intégré (non rebouclé).
Pour cela, vous pouvez utiliser les informations contenues sur la fiche suivante : Amplificateur Linéaire Intégré.
Quelques informations sur les ALI
Les amplificateurs linéaires intégrés (ALI) ou amplificateurs opérationnels (AOP) sont des composants actifs, c’est-à-dire, nécessitant une alimentation externe. Ils sont capables d’amplifier une différence de potentiel.
Ainsi, en première approximation (sans prendre en compte les défauts possibles des ALI), la tension de sortie vaut : \(VS(t) = A \cdot (V+(t)–V−(t))\) avec \(A\) l’amplification différentielle. Cette dernière est cependant limitée à la tension d’alimentation du composant.
Etapes de la mission
Pour cette mission, vous allez devoir :
- Réaliser une alimentation symétrique
- Alimenter un ALI de type TL081 ou Tl071
- Appliquer un signal de référence continu sur l’une des broches d’entrée ( voir tutoriel : Générer des tensions stabilisées – dans la rubrique Démarche & méthodes de la MInE )
- Appliquer un signal sinusoïdal sur l’autre broche d’entrée
- Visualiser les signaux d’entrée et de sortie à l’aide de l’oscilloscope ( voir tutoriel : Visualiser un signal à l’oscilloscope – dans la rubrique Démarche & méthodes de la MInE )
- Faire varier la fréquence du signal d’entrée entre 10 Hz et 6 MHz
Documents à produire
- Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
- Tableau de mesures, courbes, captures d’écran d’oscilloscope
- Protocoles de mesure et de réglage / Schémas de mesure, de câblage
- Un texte de quelques phrases expliquant :
- le fonctionnement de l’ALI dans ce montage,
- le rôle des entrées,
- les limites de fonctionnement de l’ALI.
Mission 4 / Réaliser un montage suiveur à l’aide d’un ALI
Les ALI sont souvent utilisés pour amplifier des signaux. Mais, dans le mode de fonctionnement précédent, seuls de très faibles signaux à des fréquences très basses sont capables d’être amplifier.
Votre mission est de réaliser un montage suiveur et d’étudier son comportement en fréquence.
Etapes de la mission
Pour cette mission, vous allez devoir :
- Réaliser une alimentation symétrique
- Alimenter un ALI de type TL081 ou Tl071 et le câbler selon un montage suiveur
- Appliquer un signal sinusoïdal sur l’entrée du montage
- Visualiser les signaux d’entrée et de sortie à l’aide de l’oscilloscope ( voir tutoriel : Visualiser un signal à l’oscilloscope – dans la rubrique Démarche & méthodes de la MInE )
- Tracer son diagramme de Bode – allure rapide ( voir tutoriel : Tracer le diagramme de Bode – dans la rubrique Démarche & méthodes de la MInE )
- Déduire le modèle de ce montage et mesurer les différents paramètres caractéristiques
Documents à produire
- Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
- Tableau de mesures, courbes, captures d’écran d’oscilloscope
- Protocoles de mesure et de réglage / Schémas de mesure, de câblage
- Diagramme de Bode en gain du montage
- Un texte de quelques phrases expliquant :
- le fonctionnement de l’ALI dans ce montage,
- l’intérêt d’un tel montage (on pourra par exemple mesurer la réponse en fréquence – à l’aide d’un oscilloscope – d’un circuit RC avec R = 1M\(\Omega\) et C = 100nF avec et sans ce montage suiveur)
Mission 5 / Réaliser un montage amplificateur à l’aide d’un ALI
Votre mission est de réaliser un montage amplificateur de gain 14 dB et d’étudier son comportement en fréquence.
On prendra une résistance de contre-réaction de l’ordre de 10kΩ.
Documents à produire
- Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
- Tableau de mesures, courbes, captures d’écran d’oscilloscope
- Protocoles de mesure et de réglage / Schémas de mesure, de câblage
- Diagramme de Bode en gain du montage – allure rapide
- Un texte de quelques phrases expliquant :
- le fonctionnement de l’ALI dans ce montage
- le lien entre la bande passante et le gain du montage (vous pourrez modifier le gain global du montage – en changeant l’une des résistances – pour déterminer ce lien)
Mission 6 / Caractériser un filtre actif analogique
Votre mission est d’étudier le comportement en fréquence de deux filtres actifs d’un des boitiers proposés (boitiers 8, 9 et 10 – A, B ou C).
ATTENTION : Les boitiers doivent être alimentés avec une alimentation symétrique. Le bornier noir correspond à la masse, le bornier bleu à -10V et le bornier rouge à +10V. Les signaux d’entrée ne doivent pas dépasser une amplitude de 10V.
Le premier filtre est la mise en cascade de deux filtres d’ordre 1 (attention, les types et les valeurs des composants ne sont pas contractuels) :
Le second filtre est une structure de Rauch (attention, les types et les valeurs des composants ne sont pas contractuels) :
Le schéma interne des boitiers est également donné dans le document suivant : Schéma Carte Filtrage Analogique Actif.
Documents à produire
- Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
- Tableau de mesures, courbes, captures d’écran d’oscilloscope
- Protocoles de mesure et de réglage / Schémas de mesure, de câblage
- Diagramme de Bode en gain du montage
- Analyse du filtre
Mission 7 / Caractériser un système numérique
Votre mission est d’étudier le comportement en fréquence du système numérique proposé (mode Suiveur du boitier Filtrage Numérique).
ATTENTION : Les boitiers doivent être alimentés avec une alimentation simple continue de 5V. Le bornier noir ou bleu correspond à la masse, le bornier rouge à 5V. Les signaux d’entrée ne doivent pas dépassés une amplitude de 2V, et avoir une valeur moyenne nulle ou comprise entre -1V et 1V.
Le schéma interne du système est proposé dans le document suivant : Schéma Carte Filtrage Numérique (dsPIC30F3014).
Documents à produire
- Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
- Courbes, captures d’écran d’oscilloscope
- Protocoles de mesure et de réglage / Schémas de mesure, de câblage
- Un texte de quelques phrases expliquant :
- les limites de fonctionnement de ce boitier
Mission 8 / Caractériser un filtre numérique
Votre mission est d’étudier le comportement en fréquence du filtre numérique proposé (mode Filtre du boitier Filtrage Numérique).
ATTENTION : Les boitiers doivent être alimentés avec une alimentation simple continue de 5V. Le bornier noir ou bleu correspond à la masse, le bornier rouge à 5V. Les signaux d’entrée ne doivent pas dépassés une amplitude de 2V, et avoir une valeur moyenne nulle ou comprise entre -1V et 1V.
Le schéma interne du système est proposé dans le document suivant : Schéma Carte Filtrage Numérique (dsPIC30F3014).
Documents à produire
- Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
- Tableau de mesures, courbes, captures d’écran d’oscilloscope
- Protocoles de mesure et de réglage / Schémas de mesure, de câblage
- Diagramme de Bode en gain du système
- Un texte de quelques phrases expliquant :
- les limites de fonctionnement de ce boitier,
- les avantages et inconvénients d’un filtre numérique (par rapport à un filtre analogique)