Dans une chaîne de traitement numérique du signal, le signal délivré en sortie par le convertisseur numérique analogique est un signal de type échantillonné bloqué. Afin de retrouver les propriétés fréquentielles de ce signal et mettre ainsi en évidence l’effet d’un bloqueur d’ordre 0; le logiciel de simulation LTSpice se révèle une fois de plus comme un excellent support.

La création de ce signal peut être obtenu simplement en utilisant un interrupteur commandé dont l’utilisation est montré sur le schéma suivant.

Echantillonnage_blocage_LTSpice

En choisissant un signal de commande périodique avec une durée d’impulsion très petite et en effectuant un choix de condensateur et de résistance Ron adapté, le signal obtenu correspond correctement à la définition d’un signal échantillonné bloqué comme le montre le chronogramme suivant.

Chronogramme_LTSpice

Télécharger le fichier LTSpice : echant_blocage.asc

L’effet du bloqueur d’ordre 0 peut être vu comme un filtre dont la courbe de réponse est un sinus cardinal comme l’explique la figure synthétique suivante.

diapo_sig_ech_bloque

Afin de montrer ce résultat par simulation, il est possible d’effectuer une analyse FFT du signal échantillonné bloqué en prenant un signal résultant de la somme de 4 signaux sinusoïdaux dont les fréquences sont judicieusement choisie par rapport à la fréquence d’échantillonnage comme l’indique le schéma suivant.

4signaux_ech_bloq

Télécharger le fichier LTSpice : echant_blocage_4signaux.asc

L’analyse FFT montre alors clairement l’effet de filtrage équivalent du bloqueur d’ordre 0 sur les différentes composantes fréquentielles :

spectre_ech_bloqu

schema_filtre_notchDans le cadre de l’étude de systèmes électroniques biomédicaux, je propose l’étude du filtre réjecteur ou filtre notch centrée sur la composante 50Hz. Ce filtre permet de supprimer la composante secteur EDF tout en préservant le contenu fréquentiel des signaux de mesures (ECG, SPO2, etc..). Le schéma classique que l’on retrouve dans de nombreux équipements est représenté sur la figure ci-contre.

On montre que la fonction de transfert de ce montage peut s’écrire sous la forme :

equation_notch

La simulation LTSpice suivante avec le fichier notch_filter_AnalyseAC.asc permet de vérifier le bon fonctionnement de ce montage comme le montre le résultat suivant :

simul_notch

Pour la mise en œuvre de ce filtre il est possible d’utiliser les composants suivants R=47kΩ (précision 1%) et C=68nF (précision 1%).

Pour une caractérisation rapide et simple de ce filtre on propose d’effectuer un balayage en fréquence automatique avec le générateur AFG3022 (mode Sweep) dont on règle les paramètres suivants comme le montre la photo ci-dessous.

copie_AFG3022

Afin d’obtenir une représentation correcte sur l’oscilloscope, on utilise la sortie TTL du générateur comme signal de synchronisation que l’on visualise. On opte pour un mode de déclenchement normal en choisissant un déclenchement sur front descendant et en réglant le seuil du trigger à 2V. Bien évidemment la base de temps est choisie de telle sorte à observer la totalité du balayage soit ici 200ms/div. Le résultat traduit bien la réjection en fréquence de la composante 50Hz qui se situe bien au milieu de l’écran (balayage logarithmique).

caractérisation_notch

 

caracteristique_VCOLa mise en œuvre d’une modulation de fréquence peut être effectué simplement en utilisant un oscillateur contrôlé en tension (VCO : Voltage controlled Oscillator). Le logiciel de simulation LTSpice propose le bloc « modulate » très facile d’emploi. Afin de définir la caractéristique de transfert du VCO il suffit de définir dans le champ « value » de ce composant, les 2 quantités mark et space correspondant aux fréquences que l’on obtient en sortie lorsque l’on applique respectivement sur l’entrée FM une tension de 1V et de 0V comme le montre la caractéristique suivante : La caractéristique de transfert du VCO peut alors s’écrire :

 Fvco = space + FMinput*(mark-space)

L’exemple proposé ci-dessous permet de vérifier le bon fonctionnement de ce composant :

fnct_bloc_modulate

Pour la mise en œuvre d’une modulation FM, on applique sur l’entrée FM un signal modulant représentant l’information à transmettre. Si l’on ne connecte rien sur l’entrée AM, l’amplitude crête du signal de sortie est de 1V. Si l’on souhaite régler cette amplitude à d’autres valeurs il suffit d’appliquer une tension continue correspondant à l’amplitude crête du signal de sortie.

Dans l’exemple proposé ci-dessous le gain de conversion du VCO est de 10kHz/V. Comme l’amplitude du signal modulant est de 2,4V, la déviation en fréquence est ΔF=24kHz. Avec une fréquence fa du modulant fixée à 10kHz, l’indice de modulation est alors m=ΔF/fa=2,4.

ModulationFM

Télécharger le fichier de simulation LTSpice : modulation_FM.asc

Ce réglage correspond  au cas dit du faux-porteur comme le montre l’analyse FFT du signal modulé. L’amplitude des composantes se situant à fp+fa & fp-fa est égale à So.J1(m=2,4)/√2 puisque l’analyse FFT affiche le résultat en valeur efficace. Comme l’amplitude So du signal modulé est de 2V et que J1(m=2,4)=0,52 on retrouve bien la valeur de 735mV proposée par l’analyse FFT.

spectre_m2_4

Pour retrouver les résultats principaux concernant les modulations de fréquences je vous propose les 2 fiches pratiques suivantes :

L’oscillateur 3RC est un classique pour l’étude des oscillateurs à boucle de réaction. Dans la série des mini-modules dédiés aux travaux pratiques des systèmes électroniques, je propose une version didactique prête à l’emploi permettant de réduire les erreurs de câblage dont le schéma et la photo sont données ci-dessous.

osc3RC_schema_photo

L’utilisation du jumper J1 permet de caractériser le montage en boucle ouverte afin de retrouver expérimentalement les conditions entraînant l’oscillation. Le choix laissé pour la résistance R2 permet de valider la condition d’amplification. Ce montage peut se mettre sous la forme du système bouclé comme l’indique le schéma suivant.

osc3RC_KH

Dans ces conditions l’application du critère de Barkhausen conduit aux équations suivantes :

osc3RC_equation

Afin de préparer et/ou retrouver les résultats expérimentaux je propose les fichiers de simulation LTSpice suivants :

Lorsque l’on souhaite étudier le fonctionnement d’un montage électronique utilisant des diodes, il est souvent bien plus simple avec nos étudiants d’aborder le cas où le modèle de la diode est pris sans tension de seuil. Comme le logiciel de simulation LTSpice est à mon avis un support indispensable pour accompagner l’étude et l’analyse des systèmes électroniques il devient alors intéressant de retrouver cette simplification avec LTSpice. Il n’existe pas de modèle de diode « idéale » directement prêt à l’emploi mais il suffit simplement de choisir N=0,001 dans le modèle de diode comme le montre l’exemple suivant et dont le fichier de simulation LTSpice est disponible ici : Diode_ideale.asc

illustration_Dideal

Cette simulation permet de mettre en évidence le fonctionnement d’une diode sans seuil par rapport à une diode signal classique de type 1N4148. En reprenant l’article détecteur de crête posté sur ce site, il est alors possible d’illustrer simplement le fonctionnement d’un détecteur de crête : detect_crete_Dideal.ascillustration_Detect_Dideal

 Bonnes simulations avec LTSpice !