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2009/2010. Electronique d’instrumentation. Répartition horaire : . cours : . 4 h. TD : . 8 h. TP : . 14 h. Auteurs du document :      Myriam Chesneau. Responsable du document :      idem. Intervenants      André Betemps Myriam Chesneau Laurent Goujon.

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  1. 2009/2010 Electronique d’instrumentation Répartition horaire : cours : 4 h TD : 8 h TP : 14 h • Auteurs du document : •      Myriam Chesneau • Responsable du document : •      idem • Intervenants •      André Betemps • Myriam Chesneau • Laurent Goujon Dernière mise à jour : 28/08/2009 Instrumentation 1

  2. MPh1 : Électronique : ampli op « parfait » Instrumentation : utilisation des CAN et CNA sur une carte d’acquisition. MPh2 : Ampli Op réel, en boucle ouverte Principe électronique des CAN et CNA Amplificateurs spécifiques à l’instrumentation ELECTRONIQUE D’INSTRUMENTATION Instrumentation 1

  3. L’amplificateur opérationnel réel diffère sensiblement du modèle étudié en premier année. Nous proposons ici des modèles plus élaborés tenant compte de ces écarts. Une connaissance des caractéristiques et des limites de l’amplificateur opérationnel réel permet de l’utiliser à bon escient dans le domaine de la mesure. CH 1 : AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL REEL Instrumentation 1

  4. i+ i- + -  vs Rs + - Ad  vs Rd AOP « idéal » rappels MPh1 1.1. Modèle Le modèle étudié en première année suppose • L’amplification différentielle infinie pour toute la gamme de fréquenceAd = Vs / eAd  fréquence • La tension de sortie limitée vs max = Vsat 0,9 Vccvsmin = - Vsat - 0,9 Vcc. • Les courants d’entrée nulsi+ = i- = 0 Rd =. • La résistance de sortie nulleRs = 0 Instrumentation 1

  5. 1.2. Deux modes de fonctionnement • Si le montage fonctionne en régime linéaire, il possède une contre-réaction, alors • e+ = e- = 0 • on réalise ainsi des amplificateurs, des sommateurs, des filtres…. • Si le montage fonctionne en boucle ouverte, il est en régime non-linéaire : • la sortie est saturée : si  > 0 vs = Vsat, si  <0 vs = - Vsat • montages étudiés au chapitre 3 Instrumentation 1

  6. + - + - VIO 0 V - + VS 2. Caractéristiques réelles statiques 2.1 Tension de décalage : VIO • définition • si e+ = e- = 0,  = 0, vs0. • VIO est la tension continue à appliquer en entrée pour annuler la tension de sortie • mesure : • Pour un A.O. monté en amplificateur (A), on mesure la tension de sortie pour e+ = e- = 0 V soit Vs cette tension, alors Vio = Vs / A Instrumentation 1

  7. 2.2 Courant de polarisation IB et de décalage IIO • Le courant de polarisation est la moyenne des courants d'entrée lorsque la tension de sortie est nulle IB = ( IB+ + IB-)/2 • Le courant de décalage est la différence entre les courants d’entrée : IIO = IB+ - IB- IB+ IB- + - Instrumentation 1

  8. IS RS A Ve VS 2.3 Caractéristique de sortie • La sortie d’un ampli-op est équivalente à une source de tension imparfaite, de résistance Rs, limitée en courant. • Le courant maximum en sortie est de l’ordre de 20 mA VS Pour Vs positif IS 20 mA Instrumentation 1

  9. Exemple • Ampli Op : Rs = 100 , ISmax = 16 mA. • Montage amplificateur non-inverseur, A = 10. • Ve = 1 V • À vide : Vs = 10 V + - Ve Vs Instrumentation 1

  10. + - Ve Vs RL • Pour RL = 10 k, • IS = 1 mA < 16 mA : pas de limitation • VS = 10 000 / (100 + 10 000) . 10  10 V : la résistance de sortie ne modifie pas la tension à vide. RS = 100 Ω IS A Ve=10 V RL VS Instrumentation 1

  11. Pour RL= 600  • IS = 10 / (100 + 600) = 14,2 mA < 16 mA : pas de limitation • VS = 600 / (100 + 600) . 10 = 8,57 V • Pour RL= 400  • IS = 10 / (100 + 400) = 25 mA IMPOSSIBLE donc Is = Ismax = 16 mA • VS = 16 m х 400 = 6,4 V Instrumentation 1

  12. Conclusion : • Pour une résistance de charge RL donnée, la tension de sortie ne peut dépasser (en valeur absolue) • VSAT • Imax RL Instrumentation 1

  13. 2.4 Taux de rejet de la tension de mode commun (TRMC) • (common mode rejection ratio : CMRR) • Idéalement, seule la différence des tensions  = (e+ - e-) est amplifiée. • Dans la réalité, vs = Ad (e+ - e-) + Ac (e+ + e-)/2 Instrumentation 1

  14. 3. Caractéristiques dynamiques 3.1 Bande passante • L'amplification différentielle Ad n'est pas infinie, et varie en fonction de la fréquence du signal d'entrée : • La largeur de bande passante (appeléebande passante, band width, BW ) est extrêmement faible : • f0  10 Hz. |Ad|dB Ad0 f0 Instrumentation 1

  15. En utilisant l'amplificateur opérationnel contre-réactionné, on étend la bande passante : • le produit gain-bande passante (gain-bandwidth product ) est généralement constant : • Ad0  f0 = Av1  f1 = 1  fT Boucleouverte Ad0(dB) Av1 (dB) f0 f1 fT Instrumentation 1

  16. Attention, on dit "produit gain-bande", mais il s'agit en fait du produit de l'amplification par la bande passante Instrumentation 1

  17. 3.2 Vitesse de variation maximale : slew-rate • Conséquence directe de la réponse en fréquence de l’ampli – op : l’ampli – op  « ne passe pas bien » les hautes fréquences. • La pente maximale du signal de sortie est appelée slew–rate : SR Av Ve vs(t) Pente max Ve ve(t) Instrumentation 1

  18. Cas d’un amplificateur inverseur A = -10, • ve(t) = VEMAX sin ( 2  f t) • Pour ne pas déformer le signal, il faut vérifier : • |A| . VEMAX . f < SR / 2 (cf. TD) Instrumentation 1

  19. Instrumentation 1

  20. Instrumentation 1

  21. L’amplificateur d’instrumentation permet, principalement, d’amplifier une tension utile de faible amplitude, variable, superposée à une tension continue plus élevée, « inutile ». C’est le cas par exemple de la tension de sortie d’un pont de Wheatstone alimenté entre 0 V et une tension positive. L’amplificateur d’isolation permet en plus une isolation galvanique entre les signaux d’entrée et de sortie. CH 2 :AMPLIFICATEUR D’INSTRUMENTATION& D’ISOLATION Instrumentation 1

  22. VA ≈ V0/2 • VB≈ V0/2 • Vutile = VA – VB • Vmode commun = (VA + VB)/2 V0 VA VB Instrumentation 1

  23. Amplificateur soustracteur 1.1 Amplifications (démo en TD) • Si R1 = R’1 et R2 = R’2 le montage soustracteur amplifie la différence des tensions présentes sur ses entrées : • Vs = R2/R1 . (v1-v2) • On parle alors d’amplification différentielle. R2 R1 - + v2 R’1 vs R’2 v1 • Si les résistances ne sont pas strictement égales(R1 R’1 ou R2 R’2 ), l’amplification ne concerne pas uniquement (v1-v2), et on peut écrire : • Vs = Ad (v1-v2) + Ac (v1+ v2)/2 : • Ac est l’amplification de mode commun • -> Si Ac est non nul, la tension de mode commun est mal « rejetée » : mauvais TRMC Instrumentation 1

  24. R2 1.2 Impédances d’entrée • Le montage soustracteur présente sur chacune de ses entrées une résistance finie : • Rin 1 = V1/I1 = R1 + R2 (pour v2 = 0) • Rin 2 = V2/I2 =R1 (pour v1 = 0) R1 - + I1 R1 v1 R2 R2 R1 I2 - + v2 R1 R2 Instrumentation 1

  25. 1.3 Limites • Si on souhaite obtenir une amplification élevée, il faut R2 grande et R1 petite, l’impédance d’entrée sur l’entrée inverseuse est « faible ». • Si les résistance ne sont pas bien ajustées (R1 = R’1 et R2 = R’2 ) , l’amplification de mode commun est non nulle, on n’amplifie pas uniquement la différence des tensions. Instrumentation 1

  26. R2 + - v2 R1 - + R’ R vs R’1 R’2 + - v1 R’ R 1.4 Solutions • On utilise l’impédance d’entrée « infinie » du montage non-inverseur: Rin = Rin AOP   • Les résistances du soustracteur sont ajustées par le constructeur. Instrumentation 1

  27. + - v2 - + 2R’ R vs - + A = 1 v1 2. Amplificateur d’instrumentation 2.1 Structure Instrumentation 1

  28. La structure est très proche de celle proposée précédemment : • Deux étages d’entrée non-inverseurs permettent d’avoir une forte impédance d’entrée. • Les deux résistances « R’ » sont reliées pour éviter des connexions masse et réduire ainsi les sources possible de bruit. • Le premier étage possède une forte amplification • L’amplificateur de différence possède souvent des résistances égales (R1 = R2 = R’1 = R’2 ) très ajustées, pour réduire le mode commun. Instrumentation 1

  29. 2.2 Amplification (démo en TD) • Ad = R2/R1 . ( 1 + 2R/ « 2R’ ») = • Exemple INA 114 Instrumentation 1

  30. 2.3 Caractéristiques • L’amplificateur d’instrumentation est donc une structure différentielle qui comme le soustracteur possède • une amplification différentielle • une très faible résistance de sortie • De plus, • l’impédance sur chaque entrée est élevée • l’offset est souvent très faible • Le taux de rejet de mode commun est élevé et permet en sortie un faible résidu de la tension parasite de mode commun • L’amplification est fixée par une seule résistance externe. Instrumentation 1

  31. v1 v2 RG Instrumentation 1

  32. 2.4 Limites • Si la tension de mode commun du signal est supérieure à la tension d’alimentation de l’amplificateur d’instrumentation, ce dernier ne peut être utilisé. • Si des signaux de puissance partagent les même lignes de masse que le signal utile, celui-ci risque d’être perturbé. Il faut alors séparer les signaux utiles et les signaux de puissance, ainsi que les masses de ces signaux. • L’amplificateur d’isolement permet de résoudre ces problèmes. Instrumentation 1

  33. 3. Amplificateur d’isolation 3.1 Fonctions • Un amplificateur d’isolement est un amplificateur d’instrumentation pour lequel les signaux d’entrée et de sortie sont isolés galvaniquement. • Il n’y a a pas de chemin direct pour le passage d’un courant entre l’entrée et la sortie. Les circuits d’entrée et de sortie sont isolés électriquement : les références de tensions (masses) en entrée et en sortie peuvent être à des potentiels différents. • Conséquences : les surtensions accidentelles provenant des équipements ou des défauts d’isolation, de masse au niveau de l’entrée ne sont pas transmis au système à mesurer… ce qui est primordial dans le cas de mesures sur un animal ou un homme ( ex : électrocardiogramme) Instrumentation 1

  34. Isolation électrique Ve Appareil de mesure Alim étage sortie Alimétage entrée Instrumentation 1

  35. 3.3 Réalisation • Le signal utile est transmis par couplage • capacitif • optique • magnétique (transformateur) ou galvanique Dans ce dernier cas, l’alimentation du circuit d’entrée peut également être transmise au circuit de sortie par transformateur. Le procédé d’isolation est « transparent » à l’utilisateur. Instrumentation 1

  36. AD 210 isolation galvanique Instrumentation 1

  37. ISO 122 isolation capacitive Instrumentation 1

  38. ISO 100 isolation optique Instrumentation 1

  39. L'amplificateur n'est pas contre-réactionné, il fonctionne en régime non-linéaire de saturation (ou commutation) : si  > 0 Vs = Vsat, si  <0 Vs = - Vsat CH 3 : AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL EN BOUCLE OUVERTE Instrumentation 1

  40. + - Ve Ve Vs Comparateur 1.1 Comparateur à zéro • si  > 0 Vs = Vsat, si  <0 Vs = - Vsat •  = e+ - e- = ve– 0 = ve Instrumentation 1

  41. Cas d’un signal bruité • Des commutations multiples du signal de sortie sont possibles quand la tension d’entrée est proche de 0 V (cf TD): Instrumentation 1

  42. Ve Vs 1.2 Comparateur à une référence • = e+ - e- = ve– Vref • si ve > Vref vs = Vsat, • si ve < Vref vs = - Vsat + - Ve Vs Vref Instrumentation 1

  43. - + ve R1 R2 vs 2. Trigger de Schmitt 2.1 Trigger de Schmitt inverseurappelé aussi comparateur à hystérésis, ou bascule à seuil • Principe • La sortie peut prendre deux états : + Vsat et – Vsat. • L’entrée inverseuse peut donc prendre deux valeurs : Vsat R1/(R1 + R2) ou - Vsat R1/(R1 + R2) • Ce sont ces deux valeurs de la tension d’entrée qui peuvent annuler , donc provoquer le basculement de la sortie. • Mise en équation •  = e+ - e- = Vs . R1/(R1 + R2) – Ve • Si Vs = + Vsat,  > 0 tant que Ve < Vsat R1/(R1 + R2) (Seuil positif) • Si Vs = - Vsat,  < 0 tant que Ve > - Vsat R1/(R1 + R2) (Seuil négatif) Instrumentation 1

  44. Vs +Vsat Seuil positif Seuil négatif Ve -Vsat Instrumentation 1

  45. R1 R2 + - ve vs Vs Vsat ve - R1/R2. Vsat R1/R2. Vsat - Vsat 2.2 Trigger de Schmitt non-inverseur •  = (VsR1 + VeR2)/(R1 + R2) • Vs =  Vsat • Seuils de basculement : (  = 0) =  Vsat. R1/R2 Instrumentation 1

  46. 2.3 Intérêt (cf TD) • Ces montages permettent d’éviter les commutations multiples autour de 0 en créant deux seuils de commutation -> meilleure insensibilité aux bruits. Instrumentation 1

  47. 3. Limitations de l’ampli opérationnel 3.1 Le slew-rate… • En régime de commutation, Vs = + Vsat ou Vs = - Vsat : • la sortie commute de –Vsat à + Vsat : • La pente du signal de sortie est limitée par le slew-rate de l’ampli-op. +Vsat Pente max -Vsat Instrumentation 1

  48. Pour travailler en commutation, on utilise des circuits spéciaux qui possèdent une bande passante plus large, donc un meilleur slew-rate que les ampli-op traditionnels. • Ils sont par contre moins stables et ne doivent pas être utilisés en boucle fermée. 3.2 Circuits utilisés • En boucle fermée : ampli-op type TL 081 • En commutation : comparateur type LM 311 Instrumentation 1

  49. 4. Comparateur type LM 311 4.1 Avantages du comparateur • Gamme d’alimentation variée, symétrique ou non : exemples • - 12 V ; + 12 V comme les AOP • 0 ; 5 V comme les circuits logiques TTL • Sortie de type « collecteur ouvert », permet de choisir les 2 niveaux de la sortie : exemples • 0 V et 5 V • Alimentation positive et 0 V • … Instrumentation 1

  50. 12 V R = 1 k Vs - 12 V 0 V 4.2 Collecteur ouvert… • Utilisation de la sortie collecteur ouvert en symétrique • États de sortie : • Transistor bloqué : • Vs = + 12 V • Transistor saturé : • Vs = - 12 V Instrumentation 1

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