TP7 Echantillonnage & Numérisation
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1. entr e du millivoltm tre AC R gler sa sensibilit pour que l aiguille soit dans le dernier tiers de l cran Rep rer sur l chelle en dB rouge le niveau de tension soit Xag v R gler la fr quence du signal sinuso dal 5 kHz fr quence de coupure d sir e Le niveau de tension en sortie doit baisser en dessous de Xag nous sommes sortis de la bande passante du filtre v R gler le filtre afin que la chute de tension soit de 3 dB soit Xag 3 Le filtre est alors r gl avec une fr quence de coupure de 3dB 5 kHz Ne plus toucher ce r glage Installer le filtre de restitution en aval de l chantillonneur e Relever simultan ment le signal original 1 kHz et le signal ainsi restitu Tb 500us e Relever avec Tb 1ms le spectre du signal liss en sortie G n du filtre en pointant la raie fondamentale Retrouve t on Aa exactement le spectre du signal original Sn os e Comparer ce spectre avec celui du signal chantillonn Que fait le filtre Filtre de restitution IUT de Grenoble RT TpEchan_Numl4 doc 3 10 07 14 4 4 Repliement de spectre Il y a repliement de spectre d s lors que l on d passe la r gle fatidique de Shannon f gt Fp 2 Garder sur la plaquette le m me montage Toujours avec la m me fen tre d observation Tb 1 ms observer le spectre du signal chantillonn avec la fr quence d chantillonnage de10 kHz Augmenter la fr quence du signal original g n2. l entr e Vy du CAN un signal sinuso dal de fr quence 440 Hz et d amplitude 2V 4VPP e Relever simultan ment les deux signaux VIN et VOUT e Comment d finir le signal VOUT 5 2 3 Transmission d un signal sonore Revenir la fr quence d chantillonnage de 8 3 kHz On remplace le signal sinuso dal d entr e Vy par un signal sonore issu du PC La cha ne de num risation compl te peut tre RIRE par Es SAAN suivant From Wave File Fsins _de_fa_nultses 00 2 CAF TEb g s MESSE oO a7 Depuis licher son Le A l aide du logiciel de diffusion de fichiers son lire par exemple le fichier son Reine de la nuit wav Faire une coute du signal sonore l aide d un casque directement sur le signal VIN e R couter le morceau en sortie de cha ne apr s num risation Vour A travers une capacit de 2 2 uF pour couper le continu Que pensez vous de la qualit du signal Proposer une solution pour am liorer la qualit du signal restitu Ne pas d c bler cette cha ne de num risation IUT de Grenoble RT TpEchan_Numld doc 6 10 07 14 5 3 Influence du bruit Mesure du rapport signal sur bruit 5 3 1 Mesure de la puissance du signal G n rer un signal triangulaire de fr quence 440 Hz et d amplitude 2V cr te cr te V rifier son amplitude sur l oscilloscope L oscilloscope permet de mesurer sa valeur efficace ou RMS Root Mean Square Quelques pr cautions prendr
3. e pour mesurer la valeur efficace v R gler la vitesse de balayage pour avoir une dizaine d alternances sur l cran v V rifier toujours qu il n y ait pas de saturation de la trace sur l oscilloscope il ne doit sortir ni en haut n1 en bas de l cran V S lectionner la mesure RMS et activer CURSOR LIMIT amp STATIS du menu MEASURE afin de disposer des valeurs MIN MOY et MAX de la mesure e Lire la valeur efficace moyenne du signal e En d duire sa puissance normalis e Ps Vur 5 3 2 Mesure de la puissance de bruit Le g n rateur HP33120A est un g n rateur de bruit Pour g n rer un bruit de puissance PBagm OdBm suivre la proc dure suivante v Activer le bouton NOISE v Activer le bouton Ampl v Activer le bouton Enter Number v Activer 0 puis la fl che gt rep r e dBm Puisque cette consigne suppose que le g n rateur soit adapt e en sortie donc charg par 50 Q il faut ins rer en sortie du g n rateur un T avec une charge G sortie 500 de 50Q sur une branche afin de l adapter L Visualiser le bruit sur l oscilloscope en le reliant l autre branche du T 2 B R gler la sensibilit pour que le bruit s affiche sur 2 4 carreaux avec une saa ADD Boo vitesse de balayage de 5 ms T Pour mesurer la puissance normalis e de bruit vous utiliserez la m thode L pr sent e pour la mesure de la puissance du signal Verr gt P e Lire la valeur efficace moyenne du bruit e En d duire sa puissance no
4. ntillonn Signal d chantillonnage S Ve t avec la m me chelle et la m me r f rence de tension Fe e Mesurer la valeur du temps pour lequel reste constant palier Cette valeur tait elle pr visible Justifier votre r ponse e Relever la copie d cran vous ayant permis de faire cette mesure Erreur due l chantillonnage Augmenter la fr quence du signal original V t 1 kHz L op ration d chantillonnage introduit une erreur Il est possible de visualiser cette erreur en superposant simultan ment les allures temporelles du signal original E V t ch 1 et du signal chantillonn S V ch 2 m me chelle et la m me r f rence de tension et en configurant l oscilloscope pour qu il observe CH1 CH2 avec inversion du signal CH2 e Relever l allure temporelles de l erreur V t V Quelle est l amplitude cr te cr te maximale de cette erreur e Que devient cette erreur si la fr quence d chantillonnage passe 100 kHz Conseil Pour simplifier ces mesures il est conseill d utiliser temporairement la fonction Average du menu Acquire avec 128 chantillons IUT de Grenoble RT TpEchan_Numld4 doc 4 10 07 14 5 Num risation 5 1 Conversion Analogique Num rique CAN Enficher les 3 fonctions Tension continue Seni et Afficheur sur la platine Tension continue i VIN Ep u E nng I D AFAN A CE a gt 9929290D220
5. ombre de points div N N 50 points div sur un oscilloscope Fluke Tb Tb La fen tre d observation fr quentielle est comme d habitude Fobs Fe 2 soit donc Fobs L A a 2 2xTb Tb e Calculer la vitesse de balayage Tb en ms carreaux permettant d avoir une fen tre d observation de 2 5 kHz R gler ainsi la base de temps de l oscilloscope e Relever alors le spectre du signal analogique original en pointant l aide d un curseur la raie fondamentale 4 2 Signal chantillonn 4 2 1 Relev temporelle Chronogramme Le signal d chantillonnage sera d livr par la sortie TTL d un deuxi me g n rateur la fr quence Fe gale 10 kHz Installer sur la plaquette de travail aliment e par 5 12 et 12V la fonction ECH Appliquer le signal sinuso dal original 1 KHZ g n rateur 1 sur son entr e E Appliquer le signal d chantillonnage 10 kHz g n rateur 2 TTL sur son entr e H Le signal chantillonn sort en S Signal d chantillonnage Fe e Relever simultan ment le signal original et le signal chantillonn Tb 500us IUT de Grenoble RT TpEchan_Numl4 doc 2 10 07 14 4 2 2 Relev fr quentiel Spectre Rappels th oriques Le spectre d un signal analogique original de 1 kHz a l allure ci contre Le spectre du m me signal maintenant chantillonn avec une fr quence d chantillonnage FE 10 kHz a l allure ci contre 2 A On veut visuali
6. ooco0oA Relier la tension continue variable l entr e Vry du convertisseur TEE num rique CAN La valeur num rique Ns sur 8 bits en sortie du CAN sera visualis e par la fonction Afficheur en reliant les deux fonctions par une nappe DB9 DB9 La conversion Start Of Conversion est d clench e par le signal d horloge H Relier l entr e H du CAN au signal de synchronisation TTL Trig Out d un des g n rateurs de fonction La fr quence est r gl e 8 3 kHz les signaux en t l phonie sont chantillonn s approximativement cette fr quence La sortie BUSY indique qu une conversion est en cours m Le convertisseur CAN peut fonctionner suivant deux modes 3 la conversion peut tre unipolaire Vin positive na SAER ou bipolaire Vin pouvant tre positive ou n gative Le mode choisi est d termin par la position s ou b et m ou u d un cavalier voir photographie ci dessous 5 1 1 Etude statique du CAN Bipolaire mode s ou b Placer le cavalier sur la position s e Mesurer dans le cas o la tension Vy 0 V le nombre Ns cod e en d cimale converti e Mesurer la fonction de transfert Ns f V n pour Vx variant de 3 5 V 3 5 V par pas de 0 5 V Relever le tableau de mesure e Tracer cette fonction avec le logiciel EXCEL choix du mode de conversion Conseil Pour tracer automatiquement une telle courbe vous pouvez utiliser EXCEL Le mode d emploi e
7. pus R seaux amp UNIVERSITE JOSEPH FOURIER T l communications SCIENCES TECHNOLOGIE ME DECINE GRENOBLE RESEAUX amp TELECOMMUNICATIONS institut universitaire de technologie 1 Cycle S1 Module M1108 GRENOBLE 1 A AAU TP7 Echantillonnage amp Num risation 1 ButduTP L objectif de ce TP est de d tailler les tapes n cessaires la num risation d un signal et les cons quences induites dans le domaine spectral de la quantification Ce TP doit galement mettre en vidence l int r t principal des signaux num riques c est dire leur immunit aux bruits 2 Mat riel E oscilloscope num rique FLUKE E cordon Jack M Bananes E haut parleur amplifi E cordon Jack F Bananes E Un g n rateur HP 33120A E T bouchon 50 Q E nappes DB9 DB9 F F E capacit de 1 uF E maquette CAN E maquette CNA E maquette Afficheurs E maquette 8 interrupteurs E maquette Tension continue E capacit de 1 uF E maquette ECH Echantillonneur E maquette clateur b2 b4 b7 E maquette Filtre Passe Bas E maquette Sommateur 3 Pr paration 3 1 Echantillonnage Soit une tension lectrique sinuso dale s t d amplitude 1 V et de fr quence F 1 kHz e _ Rappeler l allure de son spectre Cette sinuso de est chantillonn une fr quence cinq fois plus grande soit Fe 5 kHz e Donner l allure de son spectre entre 0 et 5 kHz 3 2 N
8. rateur 1 e Quese passe t 1l A quelle fr quence 1il y a chevauchement des 2 raies C est la fr quence au del de laquelle il y a repliement du spectre R gler la fr quence du signal original f 8 kHz e Relever le spectre du signal chantillonn Pointer la fr quence entre 0 et Fp 2 C est la fr quence due au repliement du spectre alias Frequency e Justifier sa valeur Le filtre de restitution va ressortir cette alias Frequency la place de la fr quence originale erreur de repliement de spectre On peut l illustrer ainsi G n rateur signal original Filtre de restitution Haut parleur Appliquer la sortie du signal de restitution sur l entr e du haut parleur amplifi par Signal d chantillonnage l interm diaire du cordon Jack Bananes i A partir de 1 kHz monter la fr quence g n rateur 1 et couter le signal sonore e La tonalit sonore doit monter en fr quence jusqu une limite A partir de quelle fr quence la tonalit sonore baisse en fr quence e Comment emp cher l erreur due au repliement de spectre 4 5 Etude temporelle de l chantillonnage d un signal sinusoidal Appliquer sur l entr e E un signal sinuso dal d amplitude cr te cr te gale 2 V Consigne VPP 1V et de fr quence 440 Hz N G n rateur Echantillonner le 10 kHz Signal original Observer l oscilloscope les allures temporelles du signal original E g Ve t et du signal cha
9. rmalis e Pg VErF e Calculer le rapport signal sur bruit en dB IUT de Grenoble RT TpEchan_Num14 doc 7 10 07 14 5 3 3 Comparaison de l influence du bruit sur un signal analogique et un signal num rique A S B Pontez b2 et b7 Signal analogique bruit Signal G n rateur de bruit Signal num rique bruit b4 bruit Sommateur B a Ajout du bruit au signal analogique Ins rer une premi re carte Sommateur Appliquer le signal triangulaire 440 Hz 2 VPP sur l entr e A Appliquer le bruit 0 dBm sur l entr e B La sortie S constitue alors le signal bruit Visualiser le signal bruit Observer l influence du bruit en augmentant sa puissance en proc dant ainsi Faire en sorte que le digit qui clignote soit celui des unit s vous pouvez le s lectionner avec les fl ches lt ou gt Faire tourner le bouton rotatif il doit changer la valeur de la puissance dBm par dBm KKKKS v Revenir une puissance de bruit de 0 dBm Conserver le montage a Ajout du bruit au bit 4 du signal num rique v Ins rer une deuxi me carte sommateur v Reprenez la cha ne de num risation Appliquer aussi le signal 440 Hz 2 VPP sur l entr e du CAN Fr quence d chantillonnage de 84 kHz TTL v A l aide de l clateur appliquer le bit b4 poids fort sur l entr e A du deuxi me sommateur Installer 2 ponts pour appliquer les bits 2 et 7 au CNA v Appliquer aussi le bruit 0 dBm
10. ser ces spectres Choisir Tb Ims e Relever d abord le spectre du signal de d part en pointant avec un curseur la raie correspondante e Relever ensuite le spectre du signal chantillonn en incrustant avec Paint la valeur des fr quences de toutes les raies significatives obtenues 4 3 Filtre de restitution Le filtre de restitution est un filtre passe bas qui permet de couper les composantes du spectre au del de F cx 2 pour lisser le signal chantillonn afin de retrouver le signal original de d part D apr s Shannon une fr quence d chantillonnage FE permet d chantillonner correctement que des signaux de fr quence inf rieure FE 2 En cons quence 1l est usuel de r gler la fr quence de coupure du filtre de restitution Fp 2 R giages fc Puisque Fgcy 10kHz il faut r gler sa fr quence de coupure F 5 kHz O R glage du filtre de restitution Ce filtre est con u partir d un filtre capacit s commut es MF6 ses caract ristiques sont les suivantes Ordre 6 fr quence de coupure r glable entre 10 Hz et 50 kHz par switch et potentiom tre v Suivre la proc dure suivante afin de r gler 5 kHz sa fr quence de coupure 3 dB Installer le filtre sur la platine Positionner les switchs pour une telle fr quence de coupure v Appliquer sur l entr e Vin le signal sinuso dal 1 kHz il doit tre dans la bande passante du filtre v Appliquer la tension en sortie du filtre sur l
11. st sur l intranet de la salle http www t14 Rubrique Aides Techniques Savoir faire sur le PC Comment Tracer une courbe y x avec EXCEL e Pr ciser le mode conversion de ce convertisseur CAN unipolaire unipolaire translat ou bipolaire ainsi que la plage de tension sur laquelle le convertisseur un fonctionnement lin aire N 5 bits Nsrl tbits N s bits 111111111 LHII j 3 iiinn ee 10000000 t 10000000 10000000 ______ 00000000 i 00000000 3 i Vin 3 3 Vin MODE UNIPOLAIRE MODE UNIPOLAIRE TRANSLATE Utilis dans la manipulatiori MODE BIPOLAIRE 5 1 2 Etude dynamique du CAN e Relever l allure du signal de sortie BUSY la dur e l tat haut sp cifie le temps de conversion et mesurer le temps n cessaire la conversion IUT de Grenoble RT TpEchan_Numl4 doc 5 10 07 14 5 2 Chaine de num risation CAN et CNA Bipolaire Installer la maquette CNA Bipolaire mode B la sortie de la maquette Afficheur Relier les maquettes par une deuxi me nappe DB9 DB9 H est toujours reli au signal TTL 8 3 kHz x 2 n GHn P cuia 295 VIN rZ g y D 23922229392 gt Les gt gt 5 2 1 Transmission du signal continu V rifier que vous retrouvez bien en sortie du CNA la tension continue fournie par la maquette tension continue 5 2 2 Transmission d un signal sinuso dal Retirer la maquette Tension continue et appliquer
12. sur l entr e B du deuxi me sommateur vV La sortie S du deuxi me sommateur constitue alors le bit b4 bruit R injectez le sur le CNA v Visualiser le signal reconstitu en sortie du CNA e Relever simultan ment le signal analogique bruit et le signal num rique bruit puis reconstitu par le CNA e Lequel est le plus d grad et donc le moins r sistant au bruit Justifier IUT de Grenoble RT TpEchan_Numl4 doc 8 10 07 14
13. um risation e Rappeler l expression du quantum AV de tension d un convertisseur A N de n bits avec une dynamique de tension variant entre Vmax et Vmax Faire l application num rique dans le cas o n 8 et Vmax 3 V e FEstimer alors la puissance normalis e du bruit de quantification Pg On rappelle que Pg Veir q 12 e Fn d duire sa puissance lectrique charge de 500 Pge En d duire sa puissance en dBm PgaBm IUT de Grenoble RT TpEchan_Numl4 doc 1 10 07 14 4 Echantilionnage Utiliser obligatoirement l oscilloscope Fluke et non l oscilloscope Tektronix 4 1 Signal analogique originale 4 1 1 Relev temporelle Chronogramme R gler un g n rateur pour qu il d livre une tension sinuso dale de fr quence 1 kHz et d amplitude 0 5V 1VPP On veut visualiser la tension sur l oscilloscope avec une fen tre d observation temporelle de largeur impos e e Calculer la vitesse de balayage Tb en ms carreaux permettant de voir environ 5 p riodes du signal sur l cran e Relever la courbe ainsi obtenue 4 1 2 Relev fr quentiel Spectre On veut visualiser le spectre de cette tension sur l oscilloscope avec une fen tre d observation fr quentielle de largeur impos e Remarque pr liminaire Les oscilloscopes num riques permettent de calculer et visualiser la transform e de Fourier d un signal lectrique avec une fr quence d chantillonnage Fe qui d pend directement de la base de temps Tb et du n
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