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
+−3 V1000 Ω1000 Ω1000 Ω1000 Ωab+−

Une jauge de contrainte de 1000 Ω constitue un bras (R₂) d’un pont de quatre bras égaux de 1000 Ω avec une alimentation de 3 V. Trouvez la puissance Pg dissipée dans la jauge, en mW. L’auto-échauffement limite l’alimentation.

Vs = 3 VR = 1000 Ω
Pg = mW
2.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteDifficile
+−V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−

Une jauge de contrainte de 120 Ω, de facteur de jauge 2,12, est collée sur une barre d’acier. Sous charge, sa résistance augmente de 0,3816 Ω. Trouvez la déformation ε en microdéformation (µε).

R = 120 ΩGF = 2,12ΔR = 0,3816 Ω
ε = µε
3.Acquisition de données et échantillonnageMoyen
Vin​N = ?5 V2ᴺ − 10≤ 5 mV

Un CAN de plage d’entrée 0 à 5 V doit résoudre des pas de 5 mV ou moins. Trouvez le plus petit nombre de bits N.

VFSR = 5 Vrésolution = 5 mV
N =
4.Acquisition de données et échantillonnageDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​9600 Bd, 8E1

Un CAN de 10 bits transmet chaque échantillon par un UART à 9600 bauds, au format 8E1 (bit de start, 8 bits de données, parité paire, 1 bit de stop). Chaque échantillon est envoyé sur 2 octet(s) entier(s) et la liaison est occupée en permanence. Trouvez la plus haute fréquence du signal fmax qui peut être échantillonnée sans repliement, en Hz.

baud = 9600 BdN = 108E1
fmax = Hz
5.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = 2,1 VR1​ = 22 kΩV2​ = −1,6 VR3​ = 22 kΩR4​ = 4,7 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 = 2,1 VV2 = −1,6 VR1 = R3 = 22 kΩR2 = R4 = 4,7 kΩ
V− = V
6.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = −1,9 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1,4 VR2​ = 4,7 kΩ

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

V1 = −1,9 VV2 = 1,4 VR1 = 47 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
7.Résistances en série et en parallèleMoyen
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Trouvez le courant IR2 dans R2.

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
8.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​3 ΩBR6​8 Ω

Trouvez le courant IR1 fourni par la source, qui traverse R1.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAab

Trouvez la tension de Thévenin Vth vue des bornes a–b.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAIs​0,5 ABab

Trouvez la tension de Thévenin Vth vue des bornes a–b.

V1 = 24 VIs = 0,5 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V

3Solutions

1.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Pg = 2,25 mW

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 aux bornes de la jauge

V = 3/2 = 1,5 V

Puissance

Pg = 1,5²/1000 = 2,25 mW

Réponse

Pg = 2,25 mW
2.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: ε = 1500 µε

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.

Variation relative de résistance

ΔR/R = 0,3816/120 = 0,00318

Déformation

ε = 0,00318/2,12 = 0,0015 = 1500 µε

Réponse

ε = 1500 µε
3.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: N = 10

Résolution du CAN : un convertisseur de N bits divise sa plage pleine échelle VFSR en 2ᴺ codes, de 0 à 2ᴺ − 1. Un pas vaut 1 LSB = VFSR/2ᴺ : la plus petite variation que le convertisseur peut afficher. Un CAN à troncature donne le code ⌊Vin/LSB⌋ ; un CAN à arrondi n’est jamais à plus de ½ LSB de la valeur réelle, c’est son erreur de quantification. Chaque bit supplémentaire divise le LSB par deux et ajoute environ 6 dB au rapport signal sur bruit de quantification idéal RSBQ = 6,02·N + 1,76 dB pour une sinusoïde pleine échelle. Pour atteindre une résolution r sur une étendue, choisissez le plus petit N tel que 2ᴺ ≥ étendue/r.

Pas nécessaires

5000 mV/5 mV = 1000

Bits

log₂(1000) = 9,966
29 = 512 < 1000 ≤ 210 = 1024
N = 10

Réponse

N = 10
4.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: fmax = 218,2 Hz

UART : une liaison série asynchrone envoie chaque octet sous forme de trame : un bit de start (bas), les bits de données, un bit de parité facultatif et un ou deux bits de stop (haut). Le débit en bauds est le nombre de bits par seconde, donc un bit dure Tb = 1/baud et une trame de n bits dure n/baud. Le format courant 8N1 compte 10 bits par octet. Le générateur de bauds divise l’horloge : baud = fclk/(16·D) avec un entier D, donc le débit réel diffère légèrement de la cible ; une erreur inférieure à 2 % environ est généralement acceptable.

Bits par échantillon sur la ligne

2·11 = 22 bit

Fréquence d’échantillonnage maximale

fs,max = 9600/22 = 436,4 Hz

Limite de Nyquist

fmax = 436,4/2 = 218,2 Hz

Réponse

fmax = 218,2 Hz
5.Circuits à ampli op

Réponse: V− = −0,2816 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) = −1,6·4,7/(22 + 4,7) = −0,2816 V
V₋ = V₊

Réponse

V− = −0,2816 V
6.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = −5,664 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 = −1,9/47 = −0,04043 mA
I2 = V2/R2 = 1,4/4,7 = 0,2979 mA
If = I1 + I2 = 0,2574 mA

Tension de sortie

Vout = −Rf·If = −22·0,2574 = −5,664 V

Réponse

Vout = −5,664 V
7.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR2 = 1,875 A

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​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​10 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 = 2 + 10 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 3 + 3 = 6 Ω

Courant fourni par la source

La source ne voit que Req, donc la loi d’Ohm donne le courant qu’elle fournit. Ce courant traverse R₁.

IR1 = V1/Req = 15/6 = 2,5 A

Courant dans R₂

Retranchez la chute de tension dans R₁ pour obtenir la tension au nœud A, qui est la tension aux bornes de R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 2,5·3 = 7,5 V
IR2 = VA/R2 = 7,5/4 = 1,875 A

Réponse

IR2 = 1,875 A
8.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR1 = 1,052 A

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​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​3 ΩBR6​8 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 = 25 + 8 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 2,75 Ω
R3 + 2,75 = 6,75 Ω
R2 ∥ 6,75 = 5,51 Ω
Req = R1 + 5,51 = 4 + 5,51 = 9,51 Ω

Courant fourni par la source

La source ne voit que Req, donc la loi d’Ohm donne le courant qu’elle fournit. Ce courant traverse R₁.

IR1 = V1/Req = 10/9,51 = 1,052 A

Réponse

IR1 = 1,052 A
9.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 8,333 V

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​ = 20 ΩCOURT-CIRCUITR2​10 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 20 = 24,44 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAab+−Vth​

Trouver Vth, la tension à vide

Avec a–b ouverts, aucun courant ne traverse R₃, donc aucune chute de tension et V_b = V_A. R₁ et R₂ forment un pont diviseur.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·10/(8+10) = 8,333 V
10.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 14,1 V

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​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩCOURT-CIRCUITR2​10 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 3 = 9 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAIs​0,5 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) = 9,6 + 0,5·6 = 12,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,6 + 0,5·3 = 14,1 V

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