MP*1- 2014/2015 Electronique Circuits en régime sinusoidal forcé 1) Etude d’un circuit R,L,C série : On considère un générateur de tension idéale de fém. qui alimente une √ bobine d’inductance , de résistance interne et en série un condensateur de capacité variable . On observe que pour et l’intensité a la même valeur efficace . On donne , et . 1) Déterminer littéralement puis numériquement. 2) En déduire littéralement puis numériquement. 3) donner la valeur telle que soit maximale. Effectuer l’application numérique. 2) Montage avec une lampe : On dispose de deux bobines identiques et d’une lampe. On utilise une source de tension alternative de et . Quel circuit réaliser pour que mettre un noyau de fer doux dans une des bobines augmente la luminosité de la lampe et mettre un noyau de fer doux dans l’autre bobine la diminue ? 3) Etude de déphasage : On considère le circuit suivant: 1) Pour quelle valeur de , et sont en phase indépendamment de la fréquence? 2) Pour , comparer les phases de et de . Pour quelle valeur ces courants ont-ils même valeur efficace? 𝑖𝐿 𝑡 𝐿 𝐶 𝑅 𝑅 𝑖𝐶 𝑡 𝑖 𝑡 𝑢 𝑡 4) Caractéristiques d'un quadripôle : 1) Donner les résistances d'entrée et de sortie du quadripôle La résistance d’entée est donnée par le rapport , expression qui ne dépend ni de , ni de , la résistance de sortie est donnée par la relation , expression qui ne dépend pas de . 2) Trouver le gain en tension c’est-à-dire le rapport 𝑅 𝐼 A 𝐼𝑒 C 𝑅 𝑉𝑒 𝑅 𝑅 𝛽𝐼 𝐸 B 𝐼𝑠 D 𝑉𝑆 5) Mesure d’un coefficient de mutuelle induction : On désire mesurer la valeur absolue M du coefficient de mutuelle M existant entre deux bobines identiques. 1) A cet effet on réalise le montage cicontre. On étudie le signal obtenu aux bornes de la résistance et on observe une résonance pour une fréquence . On inverse les connexions de l’une des bobines. La résonance se produit alors pour la fréquence Calculer M sachant que C 𝑟 voie A 𝐿 E M 𝑟 𝐿 voie B R . Circuits en régime transitoire : 6) Réponse à un échelon de tension : Soit le circuit ci-contre ; La tension d’entrée est telle que pour et pour . Déterminer s(t 0 ) et s(t 0 ) 𝐶 𝑅 𝑒 𝑡 𝑅 𝐿 𝑠 𝑡 puis l’allure de s(t). On suppose que . 7) Couplage avec induction mutuelle : On considère deux circuits oscillants (L, C) couplés par induction mutuelle. M 1 M 1. On note: 0 et k R L LC L L E ( ). On tient compte d’effets dissipatifs dans le primaire via le résistor . Pour t < 0, l’interrupteur est C ouvert et les condensateurs ne sont pas chargés. est une tension continue de valeur . A , on ferme l’interrupteur. 1) Ecrire les équations différentielles régissant le système. 2) Pour , étudier l’évolution des charges et des deux capacités. C Action d’un filtre sur un signal périodique : 8) Réalisation d’une fonction retard : On étudie le quadripôle ci-contre: 1) Donner l’expression de la fonction de Vs transfert H ( j ) lorsque le quadripôle est fermé Ve par une résistance R . L/2 𝑉𝑒 L/2 C 𝑉𝑠 2) Montrer que pour des fréquences suffisamment basses et moyennant une valeur particulière de , on réalise une fonction retard, c'est-à-dire qu’on a la relation 3) Calculer l’impédance d’entrée du quadripôle quand a la valeur et donner une valeur approchée en basses fréquences de cette impédance d’entrée. 4) On définit l’impédance caractéristique du quadripôle par la valeur Z o de l’impédance Z qu’il faut placer en sortie pour que l’impédance d’entrée soit égale à Z o . Calculer Z o et donner une valeur approchée L/2 L/2 L/2 L/2 en basses fréquences. C C C 5) On réalise la ligne ci-contre en branchant n cellules identiques en cascade et en fermant sur la valeur de Z o obtenue au 4).Quel est le retard en basses fréquences apporté par la ligne. Application numérique: calculer et et que le retard total est de . pour une ligne de cellules sachant que 9) Filtre de Butterworth: 1) On veut réaliser un filtre dit de Butterworth, dont le module de la fonction de transfert vérifie: | | √ ( ) ; on pose . Un filtre dont la fonction de transfert 1 réalise-t-il cette condition ? 1 2 jx 2( jx ) 2 ( jx )3 2) On considère le filtre ci-contre. Montrer que 𝐿 𝐿 sous certaines conditions, il réalise une fonction de 𝑅 𝑣 𝐶 𝑠 𝑣𝑒 transfert de type Butterworth. Application numérique: pour calculer les valeurs des deux inductances et de la capacité pour avoir une pulsation de coupure égale à mettre sous la forme H ( ju ) 10) Action d’un filtre passse-bande sur un signal périodique : 1) Déterminer la fonction de transfert du montage ci-dessous : Préciser la nature du filtre, l’écrire sous forme canonique 𝑅 et calculer sa bande passante. 𝑣𝑒 2) On donne et . Donner la valeur de la fréquence de résonnance , celle 𝐶 𝐶 𝑅 𝑣𝑠 du facteur de qualité ainsi que celle de la bande passante du filtre. 3) Le signal d’entrée est une fonction créneau de fréquence . Donner la valeur du gain pour le fondamental et les harmoniques d’ordre inférieur ou égal à . On donne l’expressions des coefficients de Fourier d’un signal créneaux d’amplitude : ; 4) Représenter le signal de sortie si le signal d’entrée est une fonction créneau, de fréquence . 5) Même question pour un signal d’entrée de fréquence . 11) Démodulation d'amplitude : On souhaite démoduler un signal de la forme y(t ) yo (1 m cos(t ) sin(o t ) avec o . Le signal modulant est y m (t ) yo m cos(t ) . On dispose de la porteuse p(t ) po sin(o t ) . 1) A l’aide d’un multiplieur, on forme u(t ) kp(t ) y(t ) . Déterminer le spectre de u(t). 2) Que doit-on faire sur u(t) pour récupérer le signal modulant ? Connaissez-vous une autre méthode de démodulation ? Laquelle ? Echantillonnage et numérisation d’un signal : 12) Principe d’un oscilloscope numérique : La structure de principe d’un oscillateur numérique est la suivante : -un étage atténuateur dont l’impédance d’entrée est très élevée ( environ) ; -un échantillonneur prélevant échantillons par seconde ; -un convertisseur analogique-numérique C.A.N. dont les valeurs successives sont transférées dans une mémoire tampon à accès rapide ; -une unité de traitement et d’affichage qui permet d’exploiter les données prélevées. 1) Un utilisateur désire disposer d’une grande gamme d’analyse, allant de à et pouvoir examiner des signaux de formes diverses : sinusoïde, carrée, impulsionnelle. Justifier les conseils suivants : « ne pas se contenter d’un oscilloscope dont la bande passante soit égale à la fréquence maximale des signaux à analyser ; » « le taux d’échantillonnage recommandé ne peut se limiter à 2 échantillons par période ; » 2) Laquelle des limites ou conduit au choix le plus contraignant pour fixer la cadence maximale ? 3) La notice précise que, pour une bonne gestion de la capacité mémoire, le taux est ajusté en fonction du calibre sélectionné. En supposant qu’un échantillon occupe 2 octets dans la mémoire tampon de capacité , quel taux maximal permettrait d’observer périodes d’un signal de fréquence ? On restreint la cadence à , combien un balayage occupe-t-il de capacité mémoire ? Combien cela représente-t-il de points par période ? 4) Le choix du convertisseur est également important et conditionne fortement le prix de l’appareil. Justifier et commenter les valeurs portées dans le tableau suivant : Nombre de bits Nombre de niveaux Plus petite variation détectable 5) L’utilisateur veut pouvoir examiner des signaux dont l’amplitude va de quelques dixièmes de millivolt à (utilisations en électricité domestique). Doit-il chercher un convertisseur couvrant cette gamme ? 13) Justification du critère de Shannon : On modélise l’échantillonnage d’un signal analogique par la multiplication du signal par un signal formé d’impulsions périodiques de période . Un signal formé d’impulsions de hauteur , de période et de largeur présente un spectre constitué de raies d’amplitudes avec [ , où désigne le rapport cyclique : ]. 𝑝 𝑡 𝜏 𝑡 𝑇𝑒 𝑇𝑒 𝑇𝑒 Signal temporel pour Spectre pour 1) A quelles fréquences se situent les raies spectrales de ? 2) Quelle valeur de rapport cyclique correspondrait à une prise d’échantillon instantanée ? On retient dans la suite mais non nul. 3) Dans le cas d’un signal sinusoïdal de fréquence strictement inférieure à préciser quelles raies contient le spectre du signal échantillonné grâce à raies par ordre croissant de fréquence). Qu’advient-il si , (on classera ces atteint, voire dépasse ? Retrouver le critère de Shannon traduisant la possibilité de reconstituer le signal initial par simple filtrage passe-bas. 4) Que deviennent ces résultats lorsque n’est plus une fonction sinusoïdale mais une somme finie de fonctions sinusoïdales de fréquences bornées par ? 5) Quelle relation peut-on écrire dans ce cas entre les coefficients de la série de Fourier donnée par l’énoncé de p(t) et la transformée de Fourier du motif élémentaire (impulsion de largeur et de hauteur ). On définit la transformée de Fourier par l’intégrale : ∫ . Indications : 1) Etude d’un circuit série : 1) Il faut exprimer l’intensité efficace en fonction de l’impédance du circuit ; celle-ci prend la même valeur pour deux valeurs différentes de la capacité du condensateur ; 3) l’intensité maximale correspond à la résonnance. 2) Montage avec une lampe : Il faut penser à un montage où une des bobines, d’impédance est en parallèle avec la lampe ; l’ensemble est en série avec la bobine d’impédance ; puis exprimer l’intensité efficace dans la lampe en fonction de et de et conclure si ou augmente. 3) Etude de déphasage : 1) On a ; calculer l’impédance est réelle ; 2) on a et 4) Caractéristique d'un quadripôle : 1) Pour calculer la résistance d’entrée il faut appliquer les lois des nœuds et des mailles au dipôle 1 pour trouver le rapport ; pour calculer la résistance et trouver à quelle condition sur C cette impédance ; trouver la relation entre 𝐼𝑒 𝑉𝑒 𝐼 𝑅 𝑅 𝛽𝐼 et . 𝐼𝑠 𝐼 𝑅 𝑉𝑆 𝑅 𝑅 𝑅 𝛽𝐼 𝐼𝑠 𝑉𝑆 𝐸 de sortie, il faut appliquer les lois des Dipôle 1 Dipôle 2 nœuds et des mailles au dipôle 2 pour trouver la relation . 5) Mesure d’un coefficient de mutuelle induction : Dans la première expérience, le coefficient d’inductance mutuelle est et dans la deuxième – ; exprimer dans chaque cas la condition de résonance du circuit et en déduire l’expression de . 6) Réponse à un échelon de tension : Exprimer en fonction de d’une part et en fonction de et de d’autre part ; écrire la loi des nœuds et la dériver ; on doit obtenir une équation différentielle d’ordre 2 ; 2) la tension aux bornes du condensateur et l’intensité du courant dans la bobine sont continues au temps ; reprendre les équations du 1) pour en déduire et ̇ ; le discriminant de l’équation du second degré associé est négatif, on a un régime sinusoïdal amorti. 7) Couplage avec induction mutuelle : 1) Appliquer les lois des mailles et des nœuds ; 2) pour trouver la solution sans second membre de ce système, chercher des solutions en et trouver les valeurs de correspondant à des solutions non triviales. 8) Réalisation d’une fonction retard : 1) Il faut d’appliquer la loi de nœuds et le montage diviseur de tension ; 2) Faire un DL d’ordre 2 de la fonction de transfert ; on veut obtenir H exp( j ) 1 j j 2 / 2 ; 3) pour trouver l’impédance d’entrée, on suppose 2 un courant d’entrée au quadripôle et une tension ; l’impédance d’entrée est le rapport puis faire un DL de l’expression obtenue; 4) même démarche et faire un DL pour trouver que . 9) Filtre de Butterworth : 1) Calculer la norme de la fonction de transfert proposée ; 2) identifier la fonction de transfert du quadripôle donné au modèle. 10) Action d’un filtre passse-bande sur un signal périodique : 1) il faut faire une étude qualitative en basse et haute fréquence puis reconnaître un montage diviseur de tension ; 2) il faut analyser si le filtre est sélectif ou pas ; 3) calculer les gains correspondants à chaque harmonique et conclure ; 4) il s’agit d’un montage intégrateur. 11) Démodulation d'amplitude : Pour obtenir le spectre, linéariser les fonctions trigonométriques; pour démoduler il suffit de placer à la sortie un filtre bien choisie. 12) Principe d’un oscilloscope numérique : 1) Il faut distinguer un signal sinusoïdal, qui ne comporte qu’une fréquence, et les signaux carré ou impulsionnel qui comportent de nombreuses harmoniques ; 2) le nombre d’échantillons par seconde s’identifie avec la fréquence d’échantillonnage ; travailler avec 10 échantillons par période ; 3) il faut calculer le nombre d’échantillons contenu dans la mémoire et le temps de l’échantillonnage ; en déduire le nombre d’échantillons par seconde ; dans la deuxième question on donne le nombre d’échantillons par seconde et le temps d’échantillonnage, en déduire le nombre d’échantillons dans la mémoire ; 4) il faut trouver la relation entre le nombre de bits et le nombre de niveaux ; la plus petite variation détectable est donnée par la relation ; 5) faire le rapport entre les deux grandeurs mesurables et commenter le résultat. 13) Justification du critère de Shannon : 2) le signal échantillonné est égal à pendant les impulsions et nul en dehors des impulsions ; 3) écrire l’expression du signal échantillonné en utilisant la série de Fourier du signal donné par l’énoncé ; on rappelle que ; pour restituer par filtrage le signal il faut que la fréquence reste la plus petite fréquence du spectre du signal échantillonné; 4) même discussion pour chaque raie, le critère de Shannon doit être vérifié par la plus grande des raies du spectre de ; 5) il faut calculer la transformée de Fourier du motif, c’est-à-dire de la fonction nulle en dehors de l’intervalle [ ] et de valeur dans l’intervalle [ ] et identifier . Solutions: 1) Etude d’un circuit R,L,C série : 1) ( ) ; 3) ; 2) 2) Montage avec une lampe : Avec le montage ci-contre on trouve augmente diminue et quand ; quand √ augmente 𝐸 augmente. 𝑅 𝐿 𝐿 𝐼𝑅 3) Etude de déphasage : 1) si ; 2) √ ; les deux courants sont en quadrature ; leurs normes sont égales . 4) Caractéristique d'un quadripôle : 1) ; ; 2) 5) Mesure d’un coefficient de mutuelle induction : . Les deux valeurs de la pulsation de résonance sont : 12 1 C ( L1 L2 2M ) et 1 1 1 1 2 2 10mH . d’où M 2 C ( L1 L2 2M ) 16 C f 2 f1 6) Réponse à un échelon de tension : 22 1) ; ( √ ) (√ ; ) ̇ ; . 7) Couplage avec induction mutuelle : 1) Eo q / C Rq Lq Mq' ; 0 Lq' Mq q' / C ;2) 12 1 1 ; 22 ; C(L M ) C(L M ) cos 1t ) cos 2 t cos 2 t cos 1t q(t ) CEo 1 ; q' (t ) CEo . 2 2 8) Réalisation d’une fonction retard : 1) H 1 2 L 2 LC 3 L C 1 j j j R 2 4R ; 2) H 1 j 2 L LC 2 L : j 2 R 2 R L et LC ; avec un DL d’ordre deux on trouve Z e Ro ; 4) après DL d’ordre C 2 L 2 2 L deux on trouve Z o j soit en BF Zo = Ro ; 5) n n LC d’où L 3.10 4 H ; C 4 C 3.1nF 9) Filtre de Butterworth : Ro 1) La fonction de transfert proposée convient ; il faut avoir ; ; ; ; ; 10) Action d’un filtre passse-bande sur un signal périodique : 1) il s’agit d’un filtre passe- bande (comme l’indique le titre ) ; ; ; ; ; 2) ; il s’agit d’un filtre peu sélectif ; 3) pour chaque harmonique le signal de sortie aura pour amplitude : √ ce qui donne : ( ; ) ; ; ; ; le signal de sortie sera très proche d’une sinusoïde de fréquence ; 4) on observe des dents de scie, montage intégrateur. 11) Démodulation d'amplitude : m m m u (t ) kpo yo 1 / 2 cos((2o )t ) cos(t ) cos((2o )t ) ; pour 4 2 4 démoduler il suffit de placer un filtre passe-bas à la sortie du montage pour récupérer la pulsation ; on peut aussi démoduler avec un montage détecteur de crête. 12) Principe d’un oscilloscope numérique : 1) Pour les signaux carré ou impulsionnel, le spectre comprend de nombreuses harmoniques, une bande passante trop faible ne restituera pas le signal ; 2 échantillons par période constitue le critère de Shannon pour un signal sinusoïdal mais pour échantillonner les signaux carré ou impulsionnel, il faut au moins 10 échantillons par période ce qui donne ; 2) pour on a ; pour on a ce qui est plus contraignant ; 3) la mémoire contient échantillons et le temps de l’échantillonnage est ce qui donne si et la mémoire contient échantillons ce qui fait points par période ce qui est beaucoup ; 4) si est le nombre de bits, le nombre de niveaux est ; par exemple pour , le nombre de niveaux est la plus petite variation détectable est trouve ; 5) ; par exemple pour ; cette gamme st impossible à atteindre . 13) Justification du critère de Shannon : 1) ; 2) pour une prise d’échantillon instantanée il faut problèmes on mathématiques ; ∑ 3) e qui poserait des (∑ ) ; on observe dans l’ordre croissant : etc.. mais il faut avoir pour cela et ; 4) ; ; 5) .
© Copyright 2024 Paperzz