I. Principe de la détection synchrone a. But et principe

On utilise le principe de la détection synchrone dans principalement deux cas dédiés à la mesure de tension de faible niveau ( V) noyé dans du bruit (aléatoire thermique) ou périodique (induitμ 50H) :

Mesure : Signal issu d’un capteur Transmission : Réception d’un signal modulé

Très souvent dans la pratique expérimentale, on cherche à caractériser la réponse d’un système à une excitation. L’information que l’on veut extraire étant véhiculée par cette réponse, il est Important d’adopter des techniques capables de réduire le plus possible l’influence du bruit et des perturbations sur le signal utile généré par l’excitation. Les techniques de détection synchrone constituent un outil très puissant, capable de détecter facilement des traces de signaux noyés dans le bruit, à condition qu’un signal de référence soit disponible.

Exemples de signaux bruités

Dans ce nouveau cas, il est difficile de reconnaître le signal.

b. Schéma de principe :

II. Etude du projet 1. La détection synchrone a. Schéma synoptique

Le signal après amplification est multiplié par un signal rectangulaire de même fréquence que le signal à mesurer, puis intégré par une constante de temps t=RC (filtre passe bas première ordre pour illuminer la composante haute fréquence).Un déphaseur ϕest le déphasage entre les signaux qui sont multipliés à l’amplitude du signal à mesurer.Le transformée de Laplace de Vs est :

Vs ( p )= 11+ pτ

.A

p2+w2. (wcosϕ+ psinϕ ) .(1+e

−pπw )/(1−e

−pπw )

La valeur moyenne (composante basse fréquence) est alors v= (2A/π) cosϕ

Nous allons vérifier les propriétés suivantes de la détection synchrone

Proportionnalité entre la tension de sortie et l’amplitude du signal d’entrée

Proportionnalité entre la tension de sortie et cosϕ Insensibilité aux signaux de fréquence différente de celle de la référence.

b. Montage expérimental La détection comprend 4 amplificateurs les fonctions sont les suivants :

L’amplificateur 1 st l’amplificateur sommateur qui permet de sommer l signal à détecter et le signal sinusoïdal

L’amplificateur 2 est monté en multiplieur L’amplificateur 3 est monté en déphaseur L’amplificateur 4 est monté en trigger

c. Etude du multiplieur i. Schéma

ii. Etude et simulation On constate que le multiplieur et le déphaseur on mêmes structure du montage On à les équations suivantes :

V−¿ (Ve+VS ) 12;V +¿Ve R

R+X

Vs=Ve ( x−R ) / (X+R)

Si le point M à +15v le gain correspond est : -1 Si le point M à -15v le gain correspond est : +1

On attaque le multiplieur par un signal sinusoïdale et le FET par un créneau +/-15v , d’où le chronogramme suivant :

Le signal en rouge c’est la commande de FET (créneau)Le signal en vert c’est le signal d’entrée du Multiplieur Le signal en bleu c’est la sortie de notre Multiplieur

iii. Conclusion

Le multiplieur est multiplieur à découplage du faite que le FET travail dans le régime de commutation qui peut être modalisé par une résistance binaire (0 ou ∞) qui permet une transparence du signal dans l’alternance négative et inversement dans l’alternance positive

d. Etude du déphaseur i. Schéma

ii. Etude et simulation

R= 200kΩ

R= 1kΩ

R= 1Ω

iii. ConclusionLe déphaseur permet une variation de la phase entre 0 et pi

e. Etude de la détection synchrone i. Schéma globale

ii. La courbe Vs=f(Ve):

On prend VSignal=1.sin (2.pi.1000.t) ; et VBruit=0.2sin (2.pi.10000.t) Le choit de la fréquence important du bruit est de faite que le bruit à dans la plus part des cas une composante haute fréquence, la phase entre le signal d’entrer et le signal de commande du transistor FET est nulle D’où le tracer suivant :

La courbe en rouge : la sortie La courbe en bleu : l’entrée bruitée La courbe en vert : le signal d’origine

Constatations et conclusions :

On constate que le signal de sortie est l’image du signal d’entrer avec une constante près de 2/pi=0.63.

Le signal de sortie à un retard (temps de réponse) avant d’arriver au régime permanant Le signal de sortie est légèrement déphasé par rapport au signal d’origine Le signal de sortie à une composante continue (basse fréquence) qui peut être supprimé

facilement par un condensateur à très grande valeur.

iii. Vs=f(A) avec : phi=0

On prend Vsignal=sin (2.pi.1000.t) +V0; et Vbruit=0.2sin (2.pi.10000.t), avec V0 une composante continue variable entre 2 et 10v d’où l’allure suivant :

On constate que la sotie suit une loi linéaire c.à.d. le signal de sortie est proportionnelle au signal d’entrée.Pour une seule harmonique on peut considérer le montage précédent comme étant un amplificateur de tension classique.

iv. Vs=f (cos φ) avec A=2v

Pour pouvoir agir sur le déphaseur d’une façon automatique, le Pspice ne possède pas des résistances variables pour cette raison nous avons utilisé une résistance commandée en tension en utilisant un montage à base de FET qui peuvent être considérer comme résistance commandée en tension

Resistance commandée en tension à base de FET

Allure de sortie en fonction de cos φ

Vs=f (cos φ) avec A=2vLa loi d’évolution d Vs=f (cos φ) est une loi linéaire la fourchette de la tension de commande de FET [-1.3v 1.4v] qui correspond à une variation de la résistance source drain entre 0 et ∞]

v. Vs=f (α ¿ Avecα [010v ]

Vs=f (α ¿ Avecα=0.01 v

Vs=f (α ¿ Avecα=7 v

Vs=f (α ¿ Avecα=[020 v ]

Remarques et Conclusions : le signal de sortie à une liaison directe avec le bruit dans le cas ou la fréquence du bruit

est proche de la fréquence du message (800 proche de 1000) qui rendre l’influence du bruit important

si la fréquence du bruit est très grand devant le signal du message la sortie doit être constante quelque soitα

vi. α=A=2v la fréquence parasite varié autour de la fréquence du signal w [80Hz8000Hz ]

Vs=f(w[80 8000hz])

Conclusion : La détection synchrone à une forme de passe-bas, c.à.d. tant que la fréquence du bruit très grand devant le signal du message le résultat obtenue est meilleur, d’une autre façon le rapport entre la fréquence du bruit et la fréquence du message doit être très important pour que notre filtre RC puissent éliminer le bruit (composantes inutiles) d’une manière efficace et extraire uniquement le signal utile.

2. Modulation d’amplitude a. Schéma de principe

Dans la suite, nous proposants de moduler en amplitude le signal d’entrée pour cela, on utilisera le multiplieur analogique MC 1595 suivant le schéma ci-dessous.

Sachant que Wc est la pulsation de la porteuse Wm est la pulsation de message K est le gain constant du multiplieur (facteur d’échelle)

E0=KEm (1.m .sin (wmt ) ) Ec . sin(wc . t)

Schéma synoptique

Schéma de principe

b. La tension de sortie VS vc=(1v,10khz),vm=(1v,1khz)

Vs pur m<100%

Vs pur m=100%

Conclusions : Manque du multiplieur nous obligent de choisir un autre composant qui effectue la

même fonction AD633. Le gain du multiplieur est de l’ordre de 1/10 qui fixe les niveaux de la tension d’entrés

+10/-10 car le multiplieur est de caractère quartes quadrants Grace à ce composant on peut réaliser une modulation avec porteuse ou à porteuse

supprimée en agissant sur des paramètres externes au montage à savoir la composante continue du signal modulant ou bien l’amplitude du message.

3. Démodulateur par détection synchrone a. Schéma de principe

Schéma globale (modulateur+démodulateur)

Modulateur est constitue de :o VM : signal modulant(le message) d’amplitude 1v et fréquence 1Khzo VC1 : la porteuse d’amplitude 1v et la fréquence 20Khzo V0 : composante continue qui permet d’avoir m<100% égale 2v

La détection synchrone o VC1 : la porteuse au niveau de la réception f(vc1)=f(vc2)=20Khzo BRUITo FILTRE PASSE BAS

b. Allures des tensions

Le signal original

Le signal modulé

Le signal reçu (signal émis+bruit)

Signal démodulé

Message, signal modulé et le signal démodulé

Conclusions :

La détection synchrone est l’une des techniques les plus utilisées pour extraire des signaux noyées dans le bruit.

La détection synchrone est plus utilisée dans le domaine d’instrumentation et les mesures des signaux qui viennent dans des capteurs et permet d’obtenir uniquement le signal utile en éliminant le bruit externe ou interne aux composants.

la détection synchrone ne peut être utilisée si le rapport des fréquences signal/bruit est plus important

la détection synchrone peut extraire des signaux même si l’amplitude du bruit par rapport au signal est très faible c.à.d. le rapport signal sur bruit faible !!