Préparation du matérielExamen d'un Amplificateur Opérationnel de type LM 747 :
Toutes les grandeurs physiques (pression, température, intensité lumineuse, vitesse...) peuvent être converties en grandeurs électriques (courant, tension) au moyen de composants spécifiques appelés transducteurs.
Un microphone est un exemple de transducteur qui convertit une variation de pression de l'air ambiant, en une tension électrique, dont l'amplitude est fonction de la variation de pression.
Le microphone délivre une tension analogique, c'est-à-dire une tension pouvant prendre toutes les valeurs possibles sur un intervalle donné.
Un signal analogique possède donc une valeur minimale et une valeur maximale.
Un signal numérique, par contre, ne prend que deux valeurs logiques (1 et 0).
Par conséquent, tous les circuits numériques vus jusqu'à présent ne peuvent pas générer ou traiter un signal analogique.
Pour remplir cette fonction, il est nécessaire d'insérer à l'entrée du circuit numérique, un dispositif qui convertit la tension ou le courant analogique en un signal numérique : ce dispositif est appelé convertisseur analogique / digital.
La conversion inverse, c'est-à-dire d'un signal numérique en un signal analogique, s'opère grâce à un convertisseur numérique / analogique.
Dans la leçon théorique "14" électronique digitale correspondante à cette pratique, vous avez appris quelles sont les caractéristiques des convertisseurs et sur quels principes se base leur fonctionnement.
Dans cette pratique, vous allez expérimenter ces circuits et voir quelques applications.
Rappelez-vous que les caractéristiques principales d'un convertisseur digital / analogique sont :
Sa résolution :
c'est le nombre de niveaux analogiques que l'on recueille sur sa sortie.
Cette résolution est fonction du nombre de bits sur lequel fonctionne le convertisseur.
Plus le nombre de bits est grand, plus la résolution est importante. Avec 8 bits, le convertisseur délivre 256 niveaux analogiques de 0 volt à la tension maximale ; avec 9 bits, il y a 512 niveaux et ainsi de suite.
Sa précision :
ce paramètre indique l'écart pouvant exister entre la tension réelle et la
tension théorique. La précision n'est pas liée à la résolution. un
convertisseur peut avoir une faible résolution, mais une grande précision.
Sa linéarité :
un convertisseur est linéaire si sa tension de sortie est proportionnelle au
nombre binaire présent sur son entrée.
La fin d'échelle
(full scale) : c'est la valeur maximale de la tension analogique que
le convertisseur peut fournir en sortie.
Son offset :
c'est la valeur de la tension de sortie lorsque toutes les entrées logiques
sont à zéro. Un convertisseur idéal a une tension d'offset (décalage) nulle.
1. - PRÉPARATION
DU MATÉRIEL
Préparez le matériel suivant pour exécuter l'ensemble des expériences qui vont suivre :
1 circuit intégré ADC 0804
1 circuit intégré LM 335
1 circuit intégré LM 747
1 circuit intégré MM 74C00
1 circuit intégré MM 74C74
1 circuit intégré MM 74C154
1 circuit intégré MM 74C193
1 résistance de 2,7 kW - 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 4,7 kW - 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 5,6 kW - 1 / 4 W - tolérance 5 %
3 résistances de 10 kW - 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 22 kW - 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 39 kW - 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 82 kW - 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 2,2 kW - 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 trimmer potentiométrique de 1 kW
1 trimmer potentiométrique de 10 kW
1 condensateur de 150 pF
2 condensateurs de 0,1 µF
1 condensateur électrolytique au tantale de 10 µF - 10 Volts
1 tresse de fil souple (rouge et
noire) de 0,25 mm².
2. - PREMIÈRE EXPÉRIENCE : EXAMEN D'UN AMPLIFICATEUR
OPÉRATIONNEL
Il est nécessaire d'avoir quelques notions sur les amplificateurs opérationnels, qui sont des circuits analogiques, pour aborder l'examen des convertisseurs.
Ces derniers sont à la fois des composants analogiques et des composants numériques.
Les amplificateurs opérationnels sont des circuits intégrés à usage universel, à partir desquels on peut concevoir un circuit analogique.
L'expérience qui suit va vous permettre de vérifier le fonctionnement et les caractéristiques principales d'un amplificateur opérationnel.
Sur la figure 1 est représenté le brochage du circuit intégré LM 747 qui sera utilisé dans les expériences qui vont suivre. Ce circuit comprend deux amplificateurs opérationnels indépendants.
Chaque amplificateur opérationnel possède une entrée inverseuse notée (-) et une entrée non inverseuse notée (+). Si l'on applique un signal sur l'entrée (-), le signal de sortie est en opposition de phase par rapport à ce signal d'entrée. Par contre, si l'on applique le signal sur l'entrée (+), le signal de sortie est en phase avec celui d'entrée.
Les amplificateurs opérationnels A et B du circuit LM 747 peuvent fonctionner avec une alimentation symétrique.
L'alimentation positive est appliquée sur les broches 13 et 9, tandis que l'alimentation négative commune est appliquée sur la broche 4.
Dans l'expérience qui suit, l'alimentation négative sera fournie par une pile de 4,5 volts.
Veillez à ce que la pile soit en bon état (pile neuve).
2. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT
a) Enlevez de la matrice les liaisons et les composants relatifs à l'expérience précédente.
b) Introduisez le circuit intégré LM 747 sur la matrice comme indiqué figure 2-a.
c) Insérez les autres composants et effectuez les liaisons indiquées sur cette même figure 2-a.
La figure 2-b représente le schéma électrique du montage réalisé.
Il vous faut maintenant réaliser un cordon pour relier la pile de 4,5 volts à la matrice.
d) Pour cela, coupez deux morceaux de fil souple, l'un rouge et l'autre noir et soudez deux pinces crocodiles comme indiqué figure 2-a.
A l'autre extrémité des deux fils, soudez un morceau de fil rigide étamé nu de 1 cm de long environ.
Insérez les deux capuchons rouge et noir comme indiqué figure 3 et torsadez les deux fils entre eux.
e) Reliez la pile de 4,5 volts à l'aide du cordon comme représenté figure 2-a.
Notez que c'est le fil rouge qui est relié à la masse du digilab. Ne reliez pas, dans l'immédiat, la pince crocodile noire au pôle (-) de la pile.
Premier essai :
a) Reliez la pince crocodile noire au pôle (-) de la pile et mettez le digilab sous tension.
b) Préparez le contrôleur pour la mesure de tension C.C. sur le calibre 10 volts et mesurez la tension Ve appliquée à l'entrée de l'amplificateur. Cette tension Ve est située entre le point X qui correspond à une borne de R1 et la masse du digilab qui est également le pôle (+) de la pile.
Cette tension peut être positive, nulle ou négative selon la position du curseur du trimmer.
Pour effectuer la mesure de Ve, posez la pointe de touche noire du contrôleur sur la masse et la pointe de touche rouge sur le point X.
Si l'aiguille dévie à gauche de la graduation 0, inversez les deux pointes de touche car Ve est négative.
c) Reportez la valeur de Ve dans la colonne de gauche du tableau de la figure 4.
| Tension d'entrée (Ve) | Tension de sortie (Vs) |
d) Mesurez de la même façon la tension Vs correspondant à Ve en reliant les pointes de touche du contrôleur au point Y et à la masse.
e) Reportez cette valeur dans la deuxième colonne (Vs) du tableau de la figure 4. A chaque fois, n'omettez pas d'indiquer le signe de la tension mesurée.
f) Effectuez une série de mesures pour Ve et Vs en jouant sur le trimmer P. Vous pouvez ainsi parcourir toutes les valeurs possibles en entrée de - 4,5 volts à + 5 volts par exemple.
Reportez quelques valeurs (Ve et Vs) dans le tableau (figure4).
Observez ce tableau, vous constatez que Ve et Vs sont égales mais de signe contraire, si vous mesurez + 1,5 volt pour Ve, Vs vaudra - 1,5 volt et ainsi de suite.
g) Nous allons calculer le gain G de l'amplificateur. Nous avons la relation :
Par exemple, avec Vs = - 1,5 volt et Ve = + 1,5 volt, gain = - 1,5 / + 1,5 = - 1
Ce circuit à donc un gain unitaire (G = - 1) et il inverse le signal d'entrée.
Vous avez pu remarquer également qu'il existe une plage de tension pour la tension Ve, pour laquelle l'amplificateur a un gain de - 1, mais qu'au-delà de cette plage, ce gain n'est plus respecté.
En effet, la tension de sortie maximale se situe à environ + 4,5 volts et la tension minimale à - 2,5 volts.
h) Mettez le digilab hors tension et débranchez la pile.
Deuxième essai :
a) Retirez la résistance R2 de 10 kW (figure 2), reliée entre les broches 1 et 12 du LM 747 et remplacez-là par une résistance de 22 kW.
b) Branchez la pile et mettez le digilab sous tension.
c) Effectuez la même série de mesures que précédemment et reportez l'ensemble des valeurs dans un tableau identique à celui de la figure 4.
Vous observez cette fois que, pour une tension Ve égale à + 1 volt, la tension de sortie Vs atteint déjà - 2,5 volts, c'est-à-dire la limite inférieure pour la sortie de l'amplificateur opérationnel. De la même façon, lorsque la tension Ve atteint - 2 volts, la tension Vs atteint la limite supérieure qui est + 4,5 volts.
Lorsque la tension d'entrée Ve est située à l'extérieur de la plage - 2 volts à + 1 volt, l'amplificateur est saturé.
Les deux valeurs limites en sortie de l'amplificateur sont fonction des valeurs des alimentations positive et négative du circuit intégré.
En général, un amplificateur opérationnel est alimenté par des tensions de valeurs supérieures à celles de l'expérience présente (par exemple : + 15 volts et - 15 volts).
d) Pour ce dernier essai, le gain G vaut : G = Vs / Ve = - 2,2
Cette formule n'est valable que si l'amplificateur et non saturé.
On obtient Vs = - 2,2 x Ve
e) Remplacez R2 par une autre résistance de 39 kW et faites une série de mesures comme précédemment. Veillez à rester dans une plage de tension d'entrée telle que l'amplificateur ne soit pas en saturation.
Calculez le gain G :
Vous devez trouver - 3,9 environ.
Note :
En raison de la tolérance sur la valeur des résistances R1 et R2 ainsi que de la précision du contrôleur, les tensions relevées pendant les essais, et en conséquence les gains calculés, peuvent être sensiblement différents des valeurs données dans cette pratique.
Par commodité, la valeur de la résistance R3 n'a pas été modifiée à chaque fois que l'on a changé la valeur de R2. Cependant, il aurait fallu adapter pour chaque série de mesures la valeur de R3.
Nous reviendrons sur ce problème.
Ces différents essais vous ont permis de vérifier la formule déjà vue en théorie :
R2 est la résistance de contre-réaction et R1 est la résistance d'entrée.
Dans le premier essai, R1 = R2 = 10 kW et le gain G vaut - R2 / R1 = - 104 / 104 = - 1
Dans le deuxième essai G = - (2,2 x 104) / 104 = - 2,2
Pour le dernier essai G = (3,9 x 104) / 104 = - 3,9
En conclusion, on peut donner la formule suivante :
f) Cette expérience est terminée, aussi mettez le digilab hors tension.
En résumé, cette expérience vous a permis de voir le fonctionnement d'un amplificateur opérationnel monté en amplificateur de tension inverseur.
Cet amplificateur opérationnel nécessite deux tensions d'alimentations, l'une positive, l'autre négative. Cette caractéristique est commune à beaucoup de circuits analogiques.
La résistance R3, reliée à l'entrée non inverseuse (broche 2) du LM 747 a pour fonction de minimiser la tension d'offset en sortie. Cette résistance R3 doit être équivalente à la résistance que "voit" l'entrée inverseuse.
Cette dernière est constituée par la mise en parallèle de R1 et R2 sans omettre le trimmer en série avec R1.
La résistance équivalente de ce trimmer pour l'entrée inverseuse varie de 0 W à 250 W. Cette résistance est nulle quand le curseur du trimmer est situé à l'une des deux extrémités et elle est maximale (250 W) quand le curseur est situé au milieu du trimmer. Dans ce cas, on a 500 W en parallèle avec 500 W, ce qui donne bien une valeur de 250 W.
Finalement, on a (R1 + 250 W) en parallèle avec R2, soit 10 250 W // 10 kW ce qui donne 5 061 W.
Dans cette expérience, la résistance R3 vaut 5,6 kW.
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