BTS IRIS Commentaires - Académie d'Aix-Marseille
Chaque bloc « convertisseur de signal » (Cf. Schéma de principe d'une chaîne
de ... ce thème avant le traitement numérique, ce n'est pas didactiquement
obligatoire. ... T.P n°IV.1.a : échantillonnage dans les conditions de Shannon.
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gramme :
Le principe de fonctionnement de l'échantillonneur-bloqueur peut être décrit par les schémas ci-dessous.
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En étudiant successivement léchantillonnage dun signal analogique et sa reconstitution, on peut montrer quil y a perte dinformation lors des conversions quand la fréquence déchantillonnage ne satisfait pas à certains critères. En effet :
- si elle est trop basse, le système ne tiendra pas compte des signaux réels (transitoires) ;
- si elle est trop élevée, toute la chaîne aura des capacités mal exploitées au regard du procédé commandé, ce qui risque dentraîner un surcoût inutile pour linstallation.
Propositions didactiques :
Les prérequis sont issus du programme de terminale, complétés par des savoir-faire expérimentaux en électronique. Sil paraît scientifiquement logique daborder ce thème avant le traitement numérique, ce nest pas didactiquement obligatoire.
Il est conseillé de consulter les dossiers « Ensemble Fourier » et « Traitement numérique » sur le CD ROM « Repères pour la formation » du B.T.S I.R.I.S et sur le site WEB du rectorat de lacadémie dAix-Marseille : ils contiennent un diaporama et des outils de simulation utilisant un tableur et portant sur des exemples correspondant au thème IV.
Propositions dactivités au laboratoire pour les étudiants (2 séances de 2h) :
T.P n°IV.1.a : échantillonnage dans les conditions de Shannon.
Les étudiants effectueront léchantillonnage dun signal (dune sinusoïde par exemple) à laide dun multiplieur et ils mettront en oeuvre un échantillonneur-bloqueur.
Ils sintéresseront à laspect temporel et à laspect fréquentiel du fonctionnement du montage : ils effectueront lanalyse spectrale d'un signal échantillonné, par exemple, à laide dun oscilloscope numérique à mémoire associé à un module F.F.T.
T.P n°IV.1.b : échantillonnage en dehors des conditions de Shannon.
Les étudiants reprendront létude du fonctionnement du précédent montage : ils observeront notamment linfluence de la période d'échantillonnage. En se plaçant cette fois hors des conditions de son bon fonctionnement, ils sintéresseront de nouveau à laspect temporel et à laspect fréquentiel et ils mettront en évidence les fausses images.
Létude expérimentale pourra être complétée par des simulations.
IV.2. Conversion analogique-numérique et conversion numérique-analogique.
Eléments danalyse du programme :
Le tableau ci-dessous donne quelques exemples de structures de C.A.N avec leurs caractéristiques essentielles.
TechniqueRésolutionVitesseAvantagesInconvénientsFlash8 bits250 Msps à 1 GspsExtrêmement rapide
Large bande passanteForte consommation
Très coûteux
Erreurs erratiquesApproximations successives10 à 16 bits70 à 250 kspsHaute résolution
Haute précision
Basse consommation
Peu de composants externesFaible bande passante
Faible vitesse
Stabilité obligatoire de la tension dentréeDouble rampeSupérieure à 18 bitsInférieure à 50 kspsHaute résolution
Haute immunité au bruit
Basse consommationTrès lentPipeline12 à 16 bits1 à 80 MspsHaute vitesse
Basse consommation
Correction derreurs sur le circuitHorloge de rapport cyclique fixe à 50 %
Fréquence minimum requiseSigma-DeltaSupérieure à 16 bitsSupérieure à 100 kspsHaute résolution
Très large bande passante
Filtrage numérique sur le circuitEchantillonneur -bloqueur externe
Vitesse limitée
Remarque :
la vitesse est exprimée en nombre déchantillons convertis par seconde.
symbole : sps (sample per second).
N.B : il est rappelé que lon doit toujours avoir comme règle didactique dinsister particulièrement sur les concepts permanents qui restent valables quand la technologie évolue : pour réaliser les fonctions C.A.N et C.N.A, on choisira des supports détude parmi les composants dédiés les plus répandus actuellement sur le marché.
Conseils didactiques :
Les savoir-faire expérimentaux acquis en électronique, notamment lors de létude des thèmes II et III, sont utiles.
Pour chacune des fonctions, le professeur sappuiera sur les exemples choisis pour en dégager les propriétés essentielles : rôle, principales caractéristiques statiques et dynamiques. Dans chaque cas, on privilégiera laspect fonctionnel du composant ou du montage. On insistera donc plus sur limportance de la résolution, de lerreur, du choix du nombre de bits et de la vitesse de conversion, que sur létude théorique détaillée du fonctionnement dun convertisseur (celle-ci ne pouvant être quun exercice de révision des lois générales de lélectricité en lien avec le domaine professionnel).
Propositions dactivités au laboratoire pour les étudiants (4 séances de 2h) :
N.B : A loccasion de ces T.P, le professeur attirera lattention des étudiants sur le choix des facteurs fondamentaux que constituent la fréquence déchantillonnage et les pas de quantification, paramètres fondamentaux pour le bon fonctionnement des divers éléments de la chaîne.
T.P n°IV.2.a et T.P n°IV.2.b : étude de la fonction C.N.A. à laide dune maquette dédiée.
On peut visualiser la réponse sur une interface à laide dun oscilloscope. Il peut être intéressant, au cours de la même séance de travaux pratiques, de ventiler différents C.N.A selon les étudiants, chacun ne prenant en charge létude que dun seul : les mises en commun effectuées lors de cette étude expérimentale sont alors exploitées pour dégager les propriétés fondamentales caractéristiques du type de convertisseur considéré.
T.P n°IV.2.c et T.P n°IV.2.d : étude de la fonction C.A.N. à laide dune maquette dédiée.
Il peut être intéressant, au cours de la même séance de travaux pratiques, de ventiler différents C.A.N selon les étudiants, chacun ne prenant en charge létude que dun seul : les mises en commun effectuées lors de cette étude expérimentale sont alors exploitées pour dégager les propriétés fondamentales caractéristiques du type de convertisseur considéré.
S.T.S Informatique et Réseaux pour lIndustrie et les Services techniques
Physique appliquée : Réflexions pédagogiques. Thème IV version du 27/02/03
Document issu dun travail collectif dirigé par Joëlle JACQ IA-IPR Académie dAix-Marseille Page PAGE 1 sur NUMPAGES 4
Rappel des limites du programme :
On limite létude des C.A.N et des C.N.A à deux exemples pour chaque fonction
celui dun convertisseur utilisé dans des applications
où les contraintes temporelles imposent un temps de conversion minimum
et celui dun convertisseur utilisé dans les applications
où les contraintes temporelles sont moins strictes.
Thème IV. ECHANTILLONNAGE ET CONVERSION DU SIGNAL.
IV.1. Echantillonnage.
Principe de fonctionnement dun échantillonneur-bloqueur.
Spectre d'un signal échantillonné. Théorème de Shannon.
IV.2. Conversion analogique-numérique et conversion numérique-analogique.
Définitions : résolution, quantum, temps de conversion.
Reconstitution du signal.
