Conditionner des signaux - Maxicours

Conditionner des signaux

Objectifs
  • Comprendre la nécessité de conditionner les signaux.
  • Identifier les principaux types de conditionnement des signaux.
Points clés
  • Le conditionnement permet de mettre en forme le signal mesuré en vue d’un traitement et d’une transmission.
  • On peut amplifier un signal, l’atténuer, ou encore le filtrer.
  • Le filtrage sert à éliminer certaines fréquences qui sont présentes dans le signal d’entrée.
Pour bien comprendre

Caractériser des signaux

1. Introduction

Le conditionnement permet de mettre en forme le signal mesuré en vue d’un traitement et d’une transmission.

Le conditionnement d’un signal peut être le résultat de plusieurs opérations, comme le montre la chaine d’acquisition ci-dessous.

2. Les types de conditionnements
L’amplification

Les amplificateurs élèvent le niveau du signal d'entrée pour mieux correspondre à la gamme du convertisseur analogique/numérique (CAN), ce qui permet d’augmenter la résolution et la sensibilité de la mesure.

L’atténuation

L'atténuation, le contraire de l'amplification, s'impose lorsque les tensions à numériser sont supérieures à la gamme d'entrée du numériseur. Cette forme de conditionnement de signaux diminue l'amplitude du signal d'entrée pour que le signal conditionné se situe dans la gamme d'entrée du CAN. L'atténuation est nécessaire pour les mesures de hautes tensions.

Le multiplexage

En multiplexant, le système de mesure peut router plusieurs signaux de manière séquentielle vers un seul numériseur, ce qui est une manière économique d'augmenter fortement le nombre de voies du système. Le multiplexage est nécessaire pour toute application avec un nombre élevé de voies.

Le filtrage

Les filtres permettent de supprimer certaines fréquences (choisies) d’un signal.

3. Les filtres
Le filtrage sert à éliminer certaines fréquences qui sont présentes dans le signal d’entrée.
Représentation spectrale d’un signal

Il est pratique de visualiser les signaux en fonction de la fréquence et non en fonction du temps. C’est ce que l’on appelle le spectre.

La courbe suivante résulte de la combinaison des deux fonctions précédentes ; elle est donc caractérisée par deux composantes périodiques. L’analyse spectrale permet de retrouver les deux fréquences du signal : f1 et f2.

Décomposition spectrale d’un signal

Le théorème de Fourier montre que tout signal périodique de fréquence f1 et de forme quelconque peut être considéré comme la somme d’un signal sinusoïdal de même fréquence f1, appelé fondamental, et de signaux de fréquences 2 f1, 3 f1, 4 f1, etc, qui sont appelés harmoniques du signal fondamental.

Un signal quelconque est la somme d’une multitude de sinusoïdes.
Exemple
Le visuel ci-dessous montre comment on construit un signal carré : la somme des sinusoïdes de couleurs donne le signal de couleur noire.
Le signal n’est pas tout à fait carré car il n’est construit qu’avec cinq sinusoïdes :
  • Le fondamental (courbe rouge) a la même fréquence que le signal carré.
  • Les harmoniques ont des fréquences multiples du fondamental.
Gabarit des filtres

Selon les fréquences à exclure, les filtres peuvent être de quatre types, qui sont caractérisés par leur gabarit.

Le gabarit indique les fréquences limites (fc = fréquence de coupure) des filtres.
Filtre passe-bas

Le filtre passe-bas laisse passer les fréquences en dessous de la fréquence de coupure fc et atténue celles au dessus, d’autant plus qu’elles s’éloignent de fc.

Filtre passe-haut

Le filtre passe-haut agit de manière inverse au passe-bas : il laisse passer les fréquences supérieures à fc mais atténue les fréquences qui lui sont inférieures : il bloque les basses fréquences.

Filtre passe-bande

Le filtre passe-bande agit comme un filtre passe-bas et passe-haut simultanément. Ce type de filtre, ainsi que les filtres suivants, font appel à deux fréquences de coupure  et . Le filtre ne laisse passer que la gamme de fréquences située entre ces deux fréquences de coupure, les autres fréquences étant atténuées.

Filtre coupe bande

Le filtre coupe-bande fait le contraire d'un filtre passe-bande en bloquant un domaine de fréquences.

Exemple de filtrage d’un signal carré
Signal carré en entrée.
Filtrage passe-bas.
Ce filtre ne laisse passer que le fondamental : une sinusoïde de même fréquence que le signal carré.
Filtrage passe-haut.
Ce filtre ne réagit que lorsque le signal carré varie rapidement, ici sur les fronts, ce qui génère les pics visibles sur le signal.

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