Amplification par détection synchrone LGT Frantz Fanon - BTS systèmes électroniques - Cours de physique appliquée de Mr Pontalier Principe : Dans une chaîne de mesure, il est possible que le signal reçu par le capteur soit très faible et noyé dans le bruit. Il existe plusieurs techniques, analogiques et numériques pour extraire un signal utile du bruit. Parmi les méthodes analogiques, une se révèle très efficace, c’est la détection synchrone. Cette méthode s’appuie sur un principe mis en œuvre dans les démodulateurs d’amplitude (AM).

Amplification par détection synchrone Dans le cas présent, on arrive encore à reconnaître le signal.

Amplification par détection synchrone Dans ce nouveau cas, il est difficile de reconnaître le signal.

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Supposons que l’intensité lumineuse Ie du faisceau émis par la LED émettrice soit modulée selon une loi sinusoïdale : Ie (t) = Îe cos (e.t) Si le milieu n’est pas bruité, l’intensité du faisceau reçu par la LED réceptrice est proportionnelle à l’intensité émise; le coefficient K de proportionnalité sera caractéristique de la turbidité du fluide : milieu clair: K => 1 milieu très trouble: K => 0 Ir (t) = K. Îe cos (e.t)

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Si le milieu est bruité, l’intensité du faisceau reçu par la LED réceptrice est la somme du signal utile caractéristique de la turbidité du fluide, et d’un signal de bruit Ibr(t) qui est généralement de nature aléatoire, mais que nous simulerons comme un signal périodique de fréquence élevée : Ibr (t) = Îbr cos (br.t) D’où: Ir (t) = K. Îe cos (e.t) + Îbr cos (br.t) Dans certains cas (fort bruit), le premier terme devient négligeable devant le second, et l’information reçue n’est plus exploitable.

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Dans l’exemple présent, l’émetteur et le récepteur sont situés dans le même boîtier, ce qui fait que nous disposons en permanence d’une image « propre » du signal émis . Signal « propre » Signal bruité

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Nous allons utiliser cette image « propre » pour extraire du bruit le signal reçu fortement dégradé. Ie (t) = Îe cos (e.t) Pour cela, nous effectuons, à l’aide d’un multiplieur analogique le produit de l’ image « propre » Ie(t) par le signal bruité reçu Ir(t) Ir (t) = K. Îe cos (e.t) + Îbr cos (br.t) A la sortie du multiplieur, nous obtenons : Im (t) = [K. Îe cos (e.t) + Îbr cos (br.t)] . Îe cos (e.t) Im (t) = K. Îe2 cos2 (e.t) + K. Îbr .Îe cos (br.t).cos (e.t)

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre A la sortie du multiplieur, nous obtenons : Im (t) = K. Îe2 cos2 (e.t) + K. Îbr .Îe cos (br.t).cos (e.t) Im (t) = K/2 . Îe2 [1 + cos (2e.t)] + K/2. Îbr .Îe [cos (br+ e) .t + cos (br- e) .t ] Le spectre du signal de sortie du multiplieur comporte 4 raies : fréquence nulle : K/2 . Îe2 fréquence 2fe: K/2 . Îe2 fréquence fbr-fe: K/2. Îbr .Îe fréquence fbr+fe: K/2. Îbr .Îe

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Le spectre du signal de sortie du multiplieur comporte 4 raies : (représentation pour Îe = 1)

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Ve représente le signal envoyé par la diode émettrice Vr est le signal bruité reçu par la diode réceptrice pour (K = 1)

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Vm représente le signal obtenu à la sortie du multiplieur Vs représente le signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 1)  La valeur finale de Vs tend vers 0,5

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Spectre du signal à la sortie du multiplieur (K = 1)  on distingue 2 groupes bien distincts que l’on isolera (filtrage) 2 fe fbr - fe fbr + fe

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Spectre du signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 1)  La composante très basse fréquence conservée par le filtre est le signal utile Composante utile conservée Le spectre De Bruit a disparu la composante 2fe est rabotée

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Ve représente le signal envoyé par la diode émettrice Vr représente le signal reçu par la diode réceptrice pour K = 0

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Vm représente le signal obtenu à la sortie du multiplieur Vs représente le signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 0)  La valeur finale de Vs tend vers 0

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Spectre du signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 0)  La composante basse fréquence a disparu La composante utile ayant disparu, il ne reste que le spectre du bruit qui est très faible (10-3)

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Ve représente le signal envoyé par la diode émettrice Vr représente le signal reçu par la diode réceptrice pour K = 0,5

Amplification par détection synchrone Exemple de chaîne de mesure: le turbidimètre Vm représente le signal obtenu à la sortie du multiplieur Vs est le signal de sortie après filtrage passe-bas pour (K = 0,5)  La valeur finale de Vs tend vers 0,25

Amplification par détection synchrone Réalisation d’un multiplieur « bon marché » Les multiplieurs analogiques intégrés présentent 2 inconvénients ils ont chers ils ont une bande passante peu élevée Dans certaines applications, on peut les remplacer par des composants discrets (transistors) fonctionnant en découpage. La solution mise en œuvre dans le turbidimètre utilise un transistor JFET fonctionnant en commutation. Il est commandé par une image du signal de commande de la LED émettrice

Amplification par détection synchrone Réalisation d’un multiplieur « bon marché » Montage utilisant un transistor JFET fonctionnant en découpage. Signal issu de la LED réceptrice Commande LED émettrice

Amplification par détection synchrone Réalisation d’un multiplieur « bon marché » Montage utilisant un transistor JFET fonctionnant en découpage. od

Amplification par détection synchrone Réalisation d’un multiplieur « bon marché » Le transistor JFET est bloqué (RDS ) : od Vmod = - Vr + 2Vr = + Vr

Amplification par détection synchrone Réalisation d’un multiplieur « bon marché » Le transistor JFET est saturé (RDSon  50) : od Vmod = - Vr

Amplification par détection synchrone Réalisation d’un multiplieur « bon marché » Le filtre passe-bas du 1er ordre est réalisé par l’étage suivant :

Amplification par détection synchrone Réalisation d’un multiplieur « bon marché » Le filtre passe-bas du 1er ordre est réalisé par l’étage suivant :

Amplification par détection synchrone Réalisation d’un multiplieur « bon marché » Le filtre passe-bas du 1er ordre est réalisé par l’étage suivant : Sa fréquence de coupure vaut : fc = 75 Hz

Amplification par détection synchrone Simulation du multiplieur « à découpage » Tension Vmod en sortie de l’AOP et après filtrage passe-bas Vf(t)

Amplification par détection synchrone Simulation du multiplieur « à découpage » Spectre de la tension de sortie après filtrage passe-bas Vf(t) (fe = 5Hz)

Amplification par détection synchrone A titre de comparaison, voici ce qu’on aurait obtenu avec un vrai multiplieur analogique (fe = 5Hz) : Vm(t) et Vs(t)

Amplification par détection synchrone A titre de comparaison, voici ce qu’on aurait obtenu avec un vrai multiplieur analogique (fe = 5Hz) : Ve(t) et Vs(t)