Amplification par détection synchrone Principe : Dans une chaîne de mesure, il est possible que le...

Amplification par détection synchrone

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).

LGT Frantz Fanon - BTS systèmes électroniques - Cours de physique appliquée de Mr Pontalier

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

Influence du bruit sur le signal

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 0,5 1 1,5 2Vs

Vbruité

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

Influence du bruit sur le signal

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0 0,5 1 1,5 2

Vs

Vbruité

Amplification par détection synchroneExemple 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)


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.


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


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)


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 (2e.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


Le spectre du signal de sortie du multiplieur comporte 4 raies :(représentation pour Îe = 1)

f2fe0fbrfbr+fefbr-feK2K2Îbr


Ve représente le signal envoyé par la diode émettriceVr est le signal bruité reçu par la diode réceptrice pour (K = 1)

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Ve Vr


Vm représente le signal obtenu à la sortie du multiplieurVs représente le signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 1) La valeur finale de Vs tend vers 0,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Vm Vs


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


Spectre du signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 1) La composante très basse fréquence conservée par le filtre

est le signal utile

Le spectreDe Bruit a

disparu

Composanteutile conservée

la composante2fe est rabotée


Ve représente le signal envoyé par la diode émettriceVr représente le signal reçu par la diode réceptrice pour K = 0

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Ve Vr


Vm représente le signal obtenu à la sortie du multiplieurVs représente le signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 0) La valeur finale de Vs tend vers 0

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Vm Vs


Spectre du signal de sortie après filtrage passe-bas (K = 0) La composante basse fréquence a disparu

La composante utileayant disparu, il ne reste que le spectredu bruit qui est très

faible (10-3)


Ve représente le signal envoyé par la diode émettriceVr représente le signal reçu par la diode réceptrice pour K = 0,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Ve Vr


Vm représente le signal obtenu à la sortie du multiplieurVs est le signal de sortie après filtrage passe-bas pour (K = 0,5) La valeur finale de Vs tend vers 0,25

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Vm Vs

Amplification par détection synchroneRéalisation 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


Montage utilisant un transistor JFET fonctionnant en découpage.

Signal issu dela LED

réceptrice

CommandeLED émettrice


Montage utilisant un transistor JFET fonctionnant en découpage.

10 k Ω10 kΩ50 kΩJFET 848AD+-VrVm

od


Le transistor JFET est bloqué (RDS ) :10 k Ω10 kΩ50 kΩJFET 848AD+-VrVm

Vmod = - Vr + 2Vr = + Vr

od


Le transistor JFET est saturé (RDSon 50Ω) :10 k Ω10 kΩ50 kΩJFET 848AD+-VrVm

Vmod = - Vr

od


Le filtre passe-bas du 1er ordre est réalisé par l’étage suivant :



1 M Ω1 MΩ 648AD+-VfVmod220 nF



€ T = VfVmod = − Z2Z1 = − 1Y2.Z1

€ T = − 1Cp+1R2 ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟.R1 = − R2R1 1R2Cp+1( )

Sa fréquence de coupure vaut : fc = 75 Hz

€ c= 1R2C = 1106.22.10-8 = 455 rad/s

Amplification par détection synchroneSimulation du multiplieur « à découpage »

Tension Vmod en sortie de l’AOP et après filtrage passe-bas Vf(t)

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Vmod Vf

Amplification par détection synchroneSimulation du multiplieur « à découpage »

Spectre de la tension de sortie après filtrage passe-bas Vf(t)(fe = 5Hz)

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

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Vm Vs

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

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