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
+−12 V150 Ω150 Ω + ΔR150 Ω150 Ωab+−Vab​ = ?

Un pont a quatre bras de 150 Ω et Vs = 12 V. Le capteur R₂ augmente de ΔR = 0,6 Ω. En utilisant l’approximation des petites variations, trouvez la sortie Vab en mV.

Vs = 12 VR = 150 ΩΔR = 0,6 Ω
Vab = mV
2.Pont de Wheatstone et jauges de contrainteDifficile
+−3 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

Un quart de pont (une jauge active, GF = 2) est alimenté sous 3 V. La plus grande déformation à mesurer est de 1200 µε, et elle doit donner 2,5 V à l’entrée d’un convertisseur analogique-numérique. Trouvez le gain de l’amplificateur G.

Vs = 3 VGF = 2εmax = 1200 µεVFS = 2,5 V
G =
3.Acquisition de données et échantillonnageMoyen
tTs​ = 1/fs​f = 36 kHzfs​ = 20 kHz

Une sinusoïde de 36 kHz est échantillonnée à 20 kHz sans filtre anti-repliement. À quelle fréquence fa apparaît-elle dans les échantillons ? Donnez-la en kHz.

f = 36 kHzfs = 20 kHz
fa = kHz
4.Acquisition de données et échantillonnageDifficile
f0fs​/2fs​2fs​9 kHz5f₁?

Un signal carré de 9 kHz est échantillonné à 20 kHz sans filtre anti-repliement. Un signal carré contient les harmoniques impairs 3f₁, 5f₁, 7f₁, … À quelle fréquence fa l’harmonique 5f₁ apparaît-il dans les données échantillonnées ? Donnez-la en kHz.

f₁ = 9 kHzfs = 20 kHzharmonique: 5f₁
fa = kHz
5.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Choisissez la résistance de contre-réaction Rf qui donne à cet amplificateur non inverseur un gain en tension de 8.

R1 = 4,7 kΩAv = 8
Rf = kΩ
6.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −1,2 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0,4 VR2​ = 2 kΩ

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

V1 = −1,2 VV2 = 0,4 VR1 = 100 kΩR2 = 2 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
7.Résistances en série et en parallèleMoyen
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​4 ΩB

Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
8.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 20 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩIR2​AR4​3 ΩBR6​25 Ω

Trouvez le courant IR2 dans R2.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 ΩR4 = 3 ΩR5 = 30 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAab

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

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 5 VIs = 4 AR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V

3Solutions

1.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: Vab = 12 mV

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.

Variation relative

ΔR/R = 0,6/150 = 0,004

Sortie linéarisée

Vab ≈ 12·0,004/4 = 12 mV

Réponse

Vab = 12 mV

La valeur exacte est 11,98 mV ; l’approximation est bonne tant que ΔR/R est petit.

2.Pont de Wheatstone et jauges de contrainte

Réponse: G = 1389

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.

Sortie du pont à pleine échelle

Vo = 1,8 mV

Gain

G = 2,5/0,0018 = 1389

Réponse

G = 1389
3.Acquisition de données et échantillonnage

Réponse: fa = 4 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 = 36 kHz

Multiple le plus proche de la fréquence d’échantillonnage

k = round(36/20) = 2

Fréquence d’alias

fa = |36 − 2·20| = 4 kHz

Réponse

fa = 4 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 = 5 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 l’harmonique

5f₁ = 5·9 kHz = 45 kHz

Multiple le plus proche de la fréquence d’échantillonnage

m = round(2,25) = 2

Fréquence d’alias

fa = |45 − 2·20| = 5 kHz

Réponse

fa = 5 kHz

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: Rf = 32,9 kΩ

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.

Gain d’un amplificateur non inverseur

V₋ = V₊ = Vin, et le courant de R₁ traverse aussi Rf, donc Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (8 − 1)·4,7 = 32,9 kΩ

Réponse

Rf = 32,9 kΩ
6.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = −8,836 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 = −1,2/100 = −0,012 mA
I2 = V2/R2 = 0,4/2 = 0,2 mA
If = I1 + I2 = 0,188 mA

Tension de sortie

Vout = −Rf·If = −47·0,188 = −8,836 V

Réponse

Vout = −8,836 V
7.Résistances en série et en parallèle

Réponse: Req = 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​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​4 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 + 4 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 8 + 3 = 11 Ω

Réponse

Req = 11 Ω
8.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR2 = 0,2637 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​ = 20 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​3 ΩBR6​25 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 = 30 + 25 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 2,845 Ω
R3 + 2,845 = 32,84 Ω
R2 ∥ 32,84 = 15,68 Ω
Req = R1 + 15,68 = 20 + 15,68 = 35,68 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 = 18/35,68 = 0,5045 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 = 18 − 0,5045·20 = 7,91 V
IR2 = VA/R2 = 7,91/30 = 0,2637 A

Réponse

IR2 = 0,2637 A
9.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 9,231 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​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩCOURT-CIRCUITR2​8 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 8 = 11,08 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​8 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) = 15·8/(5+8) = 9,231 V
10.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 62,67 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​ = 25 ΩR3​ = 4 ΩCOURT-CIRCUITR2​20 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 = 25·20/(25+20) = 11,11 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 11,11 + 4 = 15,11 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAIs​4 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) = 2,222 + 4·11,11 = 46,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 46,67 + 4·4 = 62,67 V

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