Caractériser des signaux - Maxicours

Caractériser des signaux

Objectifs
  • Comprendre que les signaux sont porteurs d’informations.
  • Caractériser un signal en fonction de son type.
  • Savoir reconnaitre les caractéristiques des signaux de types logiques, analogiques et numériques.
Points clés
  • Un signal électrique est soit analogique soit numérique. Un signal analogique évolue de façon continue en fonction du temps, tandis qu’un signal numérique évolue de manière discontinue, en ne prenant que deux valeurs possibles.
  • Lorsque le signal analogique est périodique (présence d’un motif élémentaire qui se répète), il est caractérisé par sa période, sa fréquence, sa valeur moyenne et sa valeur efficace.
  • Lorsque le signal numérique est périodique, il est caractérisé par son rapport cyclique.
Pour bien comprendre
  • L’acquisition de l’information
  • Les différents capteurs

Un signal transmet une information qui peut être un son, une image, une vidéo, un texte, etc.

Un signal est porteur d’une grandeur physique variable qui contient l’information à transmettre entre un émetteur et son récepteur.

1. Les types de signaux

Il existe une multitude de signaux qui permettent de caractériser des informations de nature différente. On se limite ici aux signaux électriques qui peuvent être analogiques ou numériques.


Les signaux électriques
a. Signaux électriques analogiques
  • Un signal continu est un signal dont la variation est relativement lente, l’information utile est l’évolution de la grandeur dans le temps.
    Exemples : température, débit
  • Un signal temporel est un signal caractérisé par sa forme, en général cyclique (périodique).
    Exemples : pression cardiaque, courant alternatif
  • Un signal fréquentiel est un signal dont l’information utile est donnée par le spectre fréquentiel.
    Exemples : analyse vocale, sonar
b. Signaux électriques numériques
  • Un signal TOR est un signal à deux états stables qui représentent l’état d’un organe.
    Exemples : vanne ouverte ou fermée, fin de course activée ou non
  • Un train d’impulsions est un signal à deux états stables dont les changements d’état dans le temps constituent l’information utile.
    Exemple : codeur incrémental
  • Un échantillonnage est une image numérique d’un signal analogique, constituée d’échantillons prélevés à période constante.
    Exemple : son digital
2. La caractérisation d’un signal analogique
a. Le signal analogique
Un signal analogique évolue de façon continue en fonction du temps. Il peut-être périodique ou non périodique.

Un signal analogique peut être régulier, on dit qu’il est périodique. Le signal présente alors un motif élémentaire : une partie de la courbe se répète à intervalles de temps réguliers.

Le signal analogique périodique le plus courant est le signal sinusoïdal.

b. Les caractéristiques d’un signal analogique
Période et fréquence

On peut déterminer la période et la fréquence d’un signal analogique périodique.

La période T représente la durée d’une variation, en seconde (s).

La période peut être lue comme étant la durée entre deux « sommets » de la courbe.

La fréquence f d’un signal périodique correspond au nombre de répétitions du motif élémentaire de ce signal pendant une seconde.

La fréquence f est l’inverse de la période T.

On a ainsi la relation suivante.

avec :
  • f la fréquence du signal périodique, en hertz (Hz)
  • T la période du signal périodique, en seconde (s)
Remarque
Plus un signal possède une période courte (donc un motif de durée courte), plus le motif élémentaire se répète pendant une seconde, ce qui implique une fréquence plus élevée.
Tension Umax et tension efficace

On peut déterminer l’amplitude, l’amplitude crête-à-crête et la tension efficace d’un signal analogique périodique.

Amplitude et amplitude crête-à-crête

La tension d’un signal sinusoïdal varie entre une valeur maximale Umax et une valeur minimale.

La valeur maximale Umax correspond à l’amplitude du signal et la différence entre les valeurs maximale et minimale correspond à l’amplitude crête-à-crête.

Tension efficace

La tension efficace Ueff d’une tension alternative sinusoïdale est la valeur mesurée par un voltmètre. La tension efficace s’exprime en volt (V) et se calcule en divisant la valeur de la tension maximale par une constante .

avec :
  • Ueff la tension efficace, en volt (V)
  • Umax la tension maximale, en volt (V)
3. La caractérisation d'un signal numérique
a. Le signal numérique
Un signal numérique évolue de façon discontinue en fonction du temps, en ne prenant que deux valeurs.

On distingue deux niveaux dans un signal numérique :

  • un niveau haut : H (High), NL1, 1 ;
  • un niveau bas : L (Low), NL0, 0.

On utilise un chronogramme pour représenter ces signaux.

Un chronogramme est une représentation graphique qui permet de représenter les signaux électriques en fonction du temps.

Le train d’impulsions est un signal logique qui a deux états stables, dont les changements d’état dans le temps constituent l’information utile (par exemple un codeur incrémental).

b. Les caractéristiques de l’information

L’information utile est le temps au niveau haut par rapport à la période.
L'information est caractérisée par le rapport cyclique.

Le rapport cyclique correspond au ratio α (alpha) entre la durée du phénomène sur une période et la durée de cette même période.
avec :
  • α le rapport cyclique
  • Th la durée de l’état haut
  • T la période

Le rapport cyclique α est compris entre 0 et 1 mais est souvent exprimé en pourcentage (si α = 0,2 alors α = 20 %).
Si α = 0, la tension moyenne est nulle et si α = 1 la tension moyenne correspond à la valeur maximale.

On peut calculer la tension moyenne Umoyenne d’un signal périodique rectangulaire en utilisant le rapport cyclique.

 donc 

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