Mesures et instrumentation : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 10 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Tensions des diviseurs
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Sorties
Vab = Va − Vb
Bilan
R1/R2 = R3/R4
Pont à fil
R/Rx = l/(100 − l)
Résistance de Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Facteur de jauge
ΔR/R = GF·ε
Sortie du pont
quart Vs·GF·ε/4, demi Vs·GF·ε/2, complet Vs·GF·ε
Petite variation, un seul bras
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Contrainte
σ = E·ε

Méthode

  1. Considérez le pont comme deux diviseurs de tension alimentés par la même source.
  2. Pour l’équilibre, posez R₁/R₂ = R₃/R₄ et résolvez pour la résistance inconnue.
  3. Pour un pont déséquilibré, trouvez Va et Vb avec les diviseurs et faites la différence ; utilisez l’équivalent de Thévenin lorsqu’un appareil de mesure charge la sortie.
  4. Pour les jauges de contrainte, convertissez la déformation en ΔR/R = GF·ε et utilisez Vs·GF·ε/4, /2 ou ×1 pour un quart de pont, un demi-pont ou un pont complet.

Acquisition de données et échantillonnage

Critère de Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Fréquence d’alias
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Pas de quantification
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Erreur de quantification (arrondi)
±½ LSB
CAN à troncature
D = ⌊Vin/LSB⌋
Nombre de bits pour une résolution r
2ᴺ ≥ span/r
RSBQ idéal, sinusoïde pleine échelle
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Débit de données
canaux × fs × N bit/s
CAN multiplexé
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud ; 8N1 = 10 bits par octet ; octets/s = baud/bits par trame
Diviseur de débit en bauds
baud = fclk/(16·D)

Méthode

  1. Notez les données : fréquence d’échantillonnage, fréquences du signal, nombre de bits, plage d’entrée, débit en bauds.
  2. Pour les questions d’échantillonnage, comparez chaque fréquence à fs/2 ; une fréquence plus élevée apparaît à fa = |f − k·fs|, avec le multiple de fs le plus proche.
  3. Pour les questions de résolution, calculez 1 LSB = VFSR/2ᴺ, ou le plus petit N tel que 2ᴺ ≥ étendue/résolution.
  4. Pour les débits et les liaisons UART, comptez tout ce qui est envoyé : canaux, échantillons par seconde, bits ou octets entiers par échantillon, et bits de start, de parité et de stop de chaque trame.

Circuits à ampli op

Amplificateur inverseur
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificateur non inverseur
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificateur sommateur
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Ampli op idéal
V+ = V−, Iin = 0

Résistances en série et en parallèle

Résistances en série
Req = R1 + R2 + …
Résistances en parallèle
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Deux en parallèle
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Loi d’Ohm
V = I·R
Puissance
P = V·I = I²R = V²/R

Méthode

  1. Commencez par l’extrémité du réseau la plus éloignée des bornes.
  2. Associez les résistances en série en les additionnant, et les résistances en parallèle avec 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Redessinez le circuit après chaque étape.
  4. Recommencez jusqu’à ce qu’il ne reste qu’une résistance entre les bornes.

Thévenin et Norton

Tension de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Résistance de Thévenin
Rth : toutes les sources éteintes, vue depuis a–b
Courant de Norton
IN = Vth/Rth
Courant de charge
IL = Vth/(Rth + RL)
Transfert de puissance maximal
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Méthode

  1. Retirez la charge et repérez les deux bornes a et b.
  2. Trouvez la tension à vide entre a et b : c’est Vth.
  3. Éteignez toutes les sources indépendantes et trouvez la résistance vue des bornes a–b : c’est Rth.
  4. Rebranchez la charge sur le circuit équivalent : Vth en série avec Rth.
  5. Pour l’équivalent de Norton, convertissez : IN = Vth/Rth, avec RN = Rth en parallèle.

2Exercices

1.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteMoyen
+−10 VR1​ = 150 ΩR2​ = 800 ΩR3​ = 800 ΩR4​ = 60 ΩabGRg​ = 50 Ω

Un galvanomètre de résistance 50 Ω est branché entre a et b du pont représenté (Vs = 10 V). Trouvez le courant Ig du galvanomètre de a vers b, en µA.

Vs = 10 VR1 = 150 ΩR2 = 800 ΩR3 = 800 ΩR4 = 60 ΩRg = 50 Ω
Ig = µA
2.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteDifficile
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−2 mV

Une jauge de contrainte (GF = 2) collée sur une pièce avec E = 70 GPa forme un quart de pont alimenté sous 5 V. La sortie indique 2 mV. Trouvez la contrainte axiale σ en MPa.

Vs = 5 VGF = 2Vo = 2 mVE = 70 GPa
σ = MPa
3.Acquisition de données et échantillonnageMoyen
tTs​ = 1/fs​f = 11 kHzfs​ = 20 kHz

Une sinusoïde de 11 kHz est échantillonnée à 20 kHz sans filtre anti-repliement. À quelle fréquence fa apparaît-elle dans les échantillons ? Donnez-la en kHz.

f = 11 kHzfs = 20 kHz
fa = kHz
4.Acquisition de données et échantillonnageDifficile
f0fs​/2fs​400 Hz3f₁?

Un signal carré de 400 Hz est échantillonné à 2 kHz sans filtre anti-repliement. Un signal carré contient les harmoniques impairs 3f₁, 5f₁, 7f₁, … À quelle fréquence fa l’harmonique 3f₁ apparaît-il dans les données échantillonnées ? Donnez-la en Hz.

f₁ = 400 Hzfs = 2 kHzharmonique: 3f₁
fa = Hz
5.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = 3 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 2,2 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 2 kΩ

L’amplificateur de différence utilise un ampli op idéal alimenté en ±15 V, avec R3 = R1 et R4 = R2. Trouvez la tension V− à l’entrée inverseuse.

V1 = 3 VV2 = 2,2 VR1 = R3 = 4,7 kΩR2 = R4 = 2 kΩ
V− = V
6.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 0,3 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,1 VR2​ = 22 kΩ

L’amplificateur sommateur utilise un ampli op idéal alimenté en ±15 V. Trouvez la tension de sortie Vout.

V1 = 0,3 VV2 = 0,1 VR1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
7.Résistances en série et en parallèleMoyen
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​6 ΩB

Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
8.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​12 ΩBR6​10 Ω

Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 ΩR6 = 10 Ω
Req = Ω
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAab

Trouvez la résistance de Thévenin Rth vue des bornes a–b.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAIs​5 ABab

Trouvez le courant de Norton IN : le courant qui circule de a vers b si les bornes sont court-circuitées.

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 Ω
IN = A

3Solutions

1.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Ig = 33272 µA

Pont de Wheatstone : deux diviseurs de tension partagent une même alimentation Vs. Le diviseur de gauche R1–R2 donne Va = Vs·R2/(R1 + R2) et le diviseur de droite R3–R4 donne Vb = Vs·R4/(R3 + R4) ; la sortie est Vab = Va − Vb. Le pont est équilibré (Vab = 0, aucun courant dans l’appareil de mesure) lorsque R1/R2 = R3/R4, c’est-à-dire R1·R4 = R2·R3. Vu de la sortie, le pont est une source de Thévenin avec Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Tension de Thévenin

Vth = 10·(800/950 − 60/860) = 7,723 V

Résistance de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 182,1 Ω

Courant du galvanomètre

Ig = 7,723/(182,1 + 50) = 33272 µA

Réponse

Ig = 33272 µA
2.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: σ = 56 MPa

Jauges de contrainte : une jauge change de résistance sous l’effet de la déformation : ΔR/R = GF·ε, où le facteur de jauge GF vaut environ 2 pour une feuille métallique. Dans un pont dont tous les bras valent R, une jauge active (quart de pont) donne Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Deux jauges actives soumises à des déformations opposées dans des bras adjacents (demi-pont) donnent Vs·GF·ε/2, et quatre (pont complet) donnent Vs·GF·ε. La contrainte se déduit de la loi de Hooke, σ = E·ε. Les cellules de charge indiquent leur sensibilité en mV/V : la sortie à pleine charge par volt d’alimentation.

Déformation

ε = 4·0,002/(5·2) = 0,0008

Contrainte

σ = 70·10³ MPa·0,0008 = 56 MPa

Réponse

σ = 56 MPa
3.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: fa = 9 kHz

Échantillonnage : un CAN mesure le signal fs fois par seconde. D’après le théorème de Nyquist–Shannon, une fréquence f n’est correctement captée que si f < fs/2, la fréquence de Nyquist (de repliement) ; la fréquence d’échantillonnage doit donc dépasser le double de la plus haute fréquence du signal. Une fréquence plus élevée n’est pas perdue : elle apparaît comme un alias à fa = |f − k·fs|, avec l’entier k qui ramène le résultat entre 0 et fs/2. Les échantillons ne permettent pas de distinguer les deux, donc un filtre anti-repliement analogique doit supprimer tout ce qui dépasse fs/2 avant le CAN.

Fréquence de Nyquist

fs/2 = 10 kHz < f = 11 kHz

Multiple le plus proche de la fréquence d’échantillonnage

k = round(11/20) = 1

Fréquence d’alias

fa = |11 − 1·20| = 9 kHz

Réponse

fa = 9 kHz

La courbe en pointillés sur la figure est l’alias : elle passe exactement par les mêmes échantillons.

4.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: fa = 800 Hz

Échantillonnage : un CAN mesure le signal fs fois par seconde. D’après le théorème de Nyquist–Shannon, une fréquence f n’est correctement captée que si f < fs/2, la fréquence de Nyquist (de repliement) ; la fréquence d’échantillonnage doit donc dépasser le double de la plus haute fréquence du signal. Une fréquence plus élevée n’est pas perdue : elle apparaît comme un alias à fa = |f − k·fs|, avec l’entier k qui ramène le résultat entre 0 et fs/2. Les échantillons ne permettent pas de distinguer les deux, donc un filtre anti-repliement analogique doit supprimer tout ce qui dépasse fs/2 avant le CAN.

Fréquence de l’harmonique

3f₁ = 3·400 Hz = 1,2 kHz

Multiple le plus proche de la fréquence d’échantillonnage

m = round(0,6) = 1

Fréquence d’alias

fa = |1200 − 1·2000| = 800 Hz

Réponse

fa = 800 Hz

L’alias tombe dans la bande du signal, où aucun filtre numérique ne peut l’éliminer. Seul un filtre analogique placé avant le CAN est efficace.

5.Circuits à ampli op

Réponse: V− = 0,6567 V

Règles de l’ampli op idéal : avec une contre-réaction, l’ampli op règle sa sortie pour que ses deux entrées soient au même potentiel (V₋ = V₊), et aucun courant n’entre dans les entrées. La loi des nœuds à l’entrée inverseuse avec ces deux faits donne la sortie.

Tension aux entrées

R₃ et R₄ sont parcourues par le même courant, donc elles forment un diviseur de tension ; la contre-réaction impose V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 2,2·2/(4,7 + 2) = 0,6567 V
V₋ = V₊

Réponse

V− = 0,6567 V
6.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = −0,6838 V

Règles de l’ampli op idéal : avec une contre-réaction, l’ampli op règle sa sortie pour que ses deux entrées soient au même potentiel (V₋ = V₊), et aucun courant n’entre dans les entrées. La loi des nœuds à l’entrée inverseuse avec ces deux faits donne la sortie.

Courants d’entrée

V₋ = 0, donc chaque résistance d’entrée a toute sa tension d’entrée à ses bornes.

I1 = V1/R1 = 0,3/4,7 = 0,06383 mA
I2 = V2/R2 = 0,1/22 = 0,004545 mA
If = I1 + I2 = 0,06838 mA

Tension de sortie

Vout = −Rf·If = −10·0,06838 = −0,6838 V

Réponse

Vout = −0,6838 V
7.Résistances en série et en parallèle

Réponse: Req = 6,36 Ω

Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.

R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​6 ΩB

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.

R3 + R4 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 4·21/(4+21) = 3,36 Ω
Req = R1 + 3,36 = 3 + 3,36 = 6,36 Ω

Réponse

Req = 6,36 Ω
8.Résistances en série et en parallèle

Réponse: Req = 13,11 Ω

Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.

R1​ = 5 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​12 ΩBR6​10 Ω

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.

R5 + R6 = 15 + 10 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 8,108 Ω
R3 + 8,108 = 11,11 Ω
R2 ∥ 11,11 = 8,107 Ω
Req = R1 + 8,107 = 5 + 8,107 = 13,11 Ω

Réponse

Req = 13,11 Ω
9.Thévenin et Norton

Réponse: Rth = 13,08 Ω

Théorème de Thévenin : tout réseau linéaire à deux bornes se comporte comme une seule source de tension Vth en série avec une résistance Rth. Le théorème de Norton donne le même réseau sous forme d’une source de courant IN = Vth/Rth en parallèle avec Rth.

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩCOURT-CIRCUITR2​5 ΩAabRth​

Trouver Rth avec toutes les sources éteintes

Remplacez les sources de tension par des courts-circuits et les sources de courant par des circuits ouverts, puis regardez le circuit depuis a–b.

R1 ∥ R2 = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 10 = 13,08 Ω
10.Thévenin et Norton

Réponse: IN = −4,833 A

Théorème de Thévenin : tout réseau linéaire à deux bornes se comporte comme une seule source de tension Vth en série avec une résistance Rth. Le théorème de Norton donne le même réseau sous forme d’une source de courant IN = Vth/Rth en parallèle avec Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩCOURT-CIRCUITR2​2 ΩAOUVERTBabRth​

Trouver Rth avec toutes les sources éteintes

Remplacez les sources de tension par des courts-circuits et les sources de courant par des circuits ouverts, puis regardez le circuit depuis a–b.

R1 ∥ R2 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 6 = 7,714 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

Trouver Vth, la tension à vide

Avec a–b ouverts, le seul chemin pour Iₛ passe par R₃ vers le nœud A. Trouvez V_A par superposition de V₁ et Iₛ, puis ajoutez la chute de tension dans R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 1,286 + (−5)·1,714 = −7,286 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −7,286 + (−5)·6 = −37,29 V
IN​4,833 ARth​7,714 Ωab

Équivalent de Norton

Une source de Norton est le même circuit vu comme une source de courant en parallèle avec R_th. Son courant est le courant de court-circuit en a–b.

IN = Vth/Rth = −37,29/7,714 = −4,833 A

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