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A 2    LE SIGNAL ELECTRONIQUE

 

A2.1 Définition

Une définition générale et théorique que nous pouvons accepter du signal électronique est : Un signal est la représentation physique d'une information qui transite dans un système de la source jusqu'au destinataire. [1]

L'information que contient un signal est souvent représentative d'un autre phénomène physique ou d'un résultat de calculs (ou mesures). En règle générale, un signal varie continuellement car l'information est en mouvement ou subit des variations ou des perturbations lentes ou rapides.

Lorsque de l'automatisme est demandé au système électronique le signal peut être continuellement "flottant" car sa valeur est le résultat d'un équilibre entre une grandeur mesurée et une grandeur fixe.

Pour un technicien de maintenance, un signal électronique ou signal électrique, ce qui revient au même, peut facilement être mesuré grâce aux appareils de mesure que sont les voltmètres et oscilloscopes pour les plus courants, parfois vecteurscopes ou analyseurs spectral.

A2.2 Représentations d'un signal

L'interprétation de la mesure d'un signal représente souvent le seul moyen à disposition du technicien pour comprendre le fonctionnement d'un circuits, appareils, machines ou autres. Même si actuellement l'affichage sur écran devient de plus en plus indispensable pour bien des applications.

Ce qui amène le technicien de maintenance à parler d'un signal électronique en pensant à une autre grandeur, ou un autre phénomène physique. Mais lorsqu'il faut décider ou échanger avec une autre personne les solutions (ou problèmes) rencontrées un signal est représenté essentiellement par des graphiques à deux dimensions. Nous parlons de représentation d’un signal.

 La représentation temporelle

 La représentation spectrale

La représentation vectorielle 

 U = f (t)

 U = f (f)

 Vecteurs tournants

L'oscilloscope est l'appareil qui permet sa mesure et sa visualisation. L'analyseur spectral est l'appareil qui permet sa mesure et sa visualisation. Le vecteurscope est l'appareil qui permet sa mesure et sa visualisation.

 Cette représentation permet de visualiser:

La forme, l'amplitude et la période du signal.

Cette représentation permet de visualiser:

Les diverses fréquences contenues dans le signal.

Cette représentation permet de visualiser:

La phase et l'amplitude du signal.

A2.3 Analogique ... (ou analog-isme ...)

Nous parlons de signal analogique lorsque l'information produite par la source dispose d'une variation ou d'une gamme continue de nuances. Il peut prendre une infinité de valeurs différentes [1] dans une plage donnée et se transmet continuellement dans l'axe temps.

Si la source fait varier le signal de manière sinusoïdale, sa représentation vectorielle est bien sûr sinusoïdale mais il faut avoir en tête que cela signifie également qu'elle se déroule continuellement sur l'axe temps; lors d'une mesure, un signal varie tout le temps, c'est en "direct", ce qui veut dire qu'il s'agit d'une succession de valeurs instantanées.

 

Les fluctuations de la pression acoustique due à la voix ou à un instrument de musique en sont des exemples. [1] Toutefois, la plupart des corps sonores et instruments de musique en particulier produisent des sons dont les vibrations ne sont pas sinusoïdales, mais de forme complexe. Nous parlons d'un signal complexe.

Le signal représenté ci-dessous est issus d'un son de voix humaine capté par un microphone. C'est la visualisation de la première syllabe (ô) du mot môle.

 

A2.4 ... et numérique      (ou ... et numéri-sme)

Nous parlons de signal numérique, ou digital, lorsque l'information produite par la source est représentée par un système conventionnel de signes distincts, tels que lettres, chiffres, symboles graphiques, etc.

Chaque information peut être représentée par un nombre; il suffit d'aligner rapidement les nombres les uns après les autres pour retrouver une image de l'information originale.

Ci-contre un exemple de codification, le code ISO 7bits utilisé pour la transmission de données ou d'ordres dans les systèmes informatiques.

Ce code est identique, à quelques détails près, du code ASCII (American Standard Code for Information Interchange).

Les signaux porteurs d'une information numérique sont appelés signaux numériques ou digitaux.ou de grandeurs électriques fixées à l'avance et limitées à très peu de valeurs (0V et 5V, par exemple).

 

On peut convertir un signal analogique en un signal numérique en procédant à une opération de quantification d'un certain nombre de valeurs instantanées.

Théoriquement, il est possible de reconstituer la totalité d'un signal analogique en possédant suffisament de valeurs instantanées, ou suffisament rapprochées, appelés échantillons. Il faut pour cela que la fréquence de l'échantillonage soit supérieure à deux fois la fréquence maximale du signal à convertir.

Les moyens modernes de traitements de signaux favorise le développement des techniques numériques grâce notament au minimum de pertes d'informations originales malgré une grande palette de codages supplémentaires apportés.

De plus, un signal numérique est généralement binaire et peut être transmis de manière séquentielle, ce qui permet de le "mélanger" à d'autres informations comme les corrections d'erreurs, ou autres. De fait, la notion de "en direct" n'existe plus pour le destinataire par rapport à la source, ce qui revient à dire qu'un système de double conversion A-->N et N-->A nécessite une mémorisation de l'information (mémoire tampon).

Si à l'intérieur du traitement numérique nous pouvons admettre que le signal utile ne subit pratiquement aucune déformation ou perte d'information, il faut savoir en revanche que tout système de double conversion A-N et ensuite N-A ne peut s'effectuer sans aucunes pertes.

La quasi totalité des sources d'informations étant d'ordre analogique, nous avons maintenant deux sortes de pertes incontournables, à savoir les pertes amenées par les capteurs ou transducteurs ainsi que les pertes amenées par les convertisseurs A-N et N-A.

A2.5 Spectre et largeur de bande

Dans les systèmes exploitant l'énergie électrique, les courants ou tensions sont le plus souvent continus (constants) ou sinusoïdaux à fréquence constante (50Hz, par exemple).

La forme des signaux transportant de l'information présente un caractère beaucoup plus complexe. Compte tenu du caractère souvent imprévisible de l'information, notament à cause de perturbations, les signaux réels sont en fait pratiquement aléatoires.

Sur la page "Introduction à l'acoustique / signal acoustique" du site, il est démontré qu'un signal dit complexe est le résultat d'une somme finie ou infinie de composantes sinusoïdales de fréquences différentes. Il s'agit du timbre d'un son, donc sa composition en fréquence.

Ci- contre l'exemple d'une voyelle prononçée devant un microphone démontre un signal composé de fréquences sinusoïdales de 100Hz à 800Hz environ.

 

 

L'énergie d'un signal est ainsi distribuée sur un certain domaine de fréquences utiles. Cette représentation est le spectre du signal, parfaitement analogue au spectre de la lumière analysée par un prisme qui en révèle les différentes couleurs.

Une caractéristique importante d'un signal est sa largeur de bande, ou bande passante (parfois bande passante normalisée). Il s'agit du domaine principal des fréquences occupé par le spectre ou, pour un technicien, il s'agit du contenu en fréquence d'un signal.

Le graphique ci-contre donne un exemple d'une réponse en fréquence d'un système audio.

La gamme utile ou la bande passante normalisée (mise en évidence en gris) est la plage de fréquence contenue dans une atténuation maximale de +/- 3dB autour d'une amplification prise comme référence (ici à 1kHz) pour le calcul.

L'atténuation de +/- 3dB correspond à une valeur de demi-puissance, ou de 0,707x en tension, par rapport à l'amplification de référence. Voir "Domaine acoustique / les décibels" pour l'explication des calculs.

D'une manière générale, plus le système travaille avec des fréquences élevées, plus la mesure, la réalisation de circuits ou encore la connexion entre étages ou appareils posent problèmes. Il est nécessaire que le technicien "pense hautes fréquences" lors de touts manipulation, car les mouvements vibratoires très rapides du signal sont sujets à des pertes qui étaient négligeables en "basses fréquences".

A2.6 Le bruit

Nous pouvons dire que le bruit en électronique représente toute sorte de signal perturbateur qui ne découle pas du signal d'entrée d'un système ou qui ne lui est pas associé.

Le bruit est supperposé au signal utile; plus le bruit est grand, moins il y a d'information. Le bruit du signal vidéo dans un téléviseur produit des petites taches noir-blanc sur l'image; un grand bruit peut masquer l'image. Le bruit des récepteurs radios produit des crachements ou sifflements qui peuvent couvrir le son.

Le bruit est indépendant du signal utile car il existe même en l'absence de signal. Tout dispositif électronique produit du bruit, de la résistance au carbone aggloméré, qui en produit le plus au transistor à effet de champ qui en produit très peu, il n'est pas toujours aisé de supprimer la totalité du bruit produit.

Le bruit maximal produit par un système devient l'information minimale qu'il est possible d'utiliser. Le niveau de bruit correspond au signal minimum. Comme tout système à une limite maximale de signal (généralement juste avant la déformation du signal en transit), nous obtenons une caractéristique importante qui est le rapport signal-bruit S/B ou rapport signal-noise S/N en anglais.

Ce rapport est le plus souvent donné en décibels, ce qui oblige le calcul avec les logarithmes décimaux.

Dynamique du signal = Rapport signal bruit ==> S/B = 20 log (USMAX / USMIN)

Le bruit électromagnétique est produit essentiellement par des étincelles de moteurs électriques, éclairs d'orages, enseignes au néon, etc. Il peut être réduit par le blindage des câbles ou des circuits ou par des dispositifs électroniques comme des circuits avec condensateurs ou varistances VDR.

Le bruit d'ondulation produit par les alimentations qui convertissent une tension alternative en tension continue est réellement un bruit car il est indépendant du signal utile et s'y superpose. Il peut facilement être réduit à des quantités négligeables grâce aux circuits électroniques tels que stabilisation Zener, régulation, etc.

Le bruit thermique est dû au déplacement aléatoire et dans différentes directions des électrons de valence, d'un atome à l'autre que contient un matériaux électrique. Ce déplacement à pour origine la température et sa conséquence qui est l'agitation des atomes entre eux.

L'énergie thermique se transforme en énergie électrique sous forme de mouvements aléatoires des électrons. Plus la température ambiante est élevée, plus les électrons sont actifs. De ce fait, il est très difficile de contrer ce bruit thermique. La qualité des matériaux utilisés et les systèmes de refroidissements font figures d'exemples de limitation des effets du bruit thermique mais non de sa suppression.

Les déplacement de milliards d'électrons génère un chaos total. A certains instants, plus d'électrons se déplacent vers le bas et une petite tension de bruit négative apparaît vers le bas. A d'autres instants, c'est l'inverse.

La tension de bruit a une valeur efficace. Les crêtes de bruits valent souvent quatre fois la valeur efficace. Elle contient de nombreuses fréquences différentes et se répartit uniformément sur toute la gamme des fréquences pratiques, c'est pour cela que nous entendons parler du bruit comme contenant des sinusoïdes à toutes les fréquences.

A2.7 Le filtrage

Le filtrage est une opération qui consiste à séparer (ou modifier) les composantes d'un signal selon leurs fréquences. Les circuits électriques qui réalisent cette opération sont appelés simplement filtres par analogie avec les dispositifs perméables employés pour débarrasser un liquide des particules solides qui s'y trouvent. [1]

Le schéma électrique d'un filtre comporte deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie. La grandeur électrique la plus facile à mesurer est la valeur instantanée de la tension électrique avec un oscilloscope et la valeur efficace du signal avec un voltmètre alternatif.

En règle générale, un filtre ne modifie pas la forme du signal qui le traverse, mais sélectionne une partie du contenu en fréquences du signal. Nous parlons de filtres passe-haut, passe-bas, passe-bande ou coupe-bande en fonction des plages de fréquences triées.

Toutefois, les filtres amènent souvent un déphasage, en avance ou en retard, entre les signaux d'entrée et de sortie. En fonction de l'emplacement du filtre dans le système, cette particularité peut être néfaste ou indésirable, ce qui oblige les concepteurs de circuits à en tenir compte.

Les filtres passifs sont construits à l'aide de composants électroniques tels que résistances, condensateurs et bobines d'inductances. [1] L'exemple ci-dessous est celui d'un filtre passe-bas composé d'un condensateur et d'une inductance chargé par une résistance. Sa réponse en fréquence est représentée.

Les filtres actifs sont réalisés à l'aide des mêmes composants passifs, avec en plus un composant actif comme transistor, amplificateur opérationnel, circuit intégré, etc. Une définition du composant actif que nous pouvons accepter est : Un composant actif est un dispositif qui permet d'agir sur une tension (ou courant) électrique fourni par une source, à l'aide d'un signal de commande. [1]

Les filtres numériques (ou digitaux) réalisent bien sûr la fonction de filtrage par traitements numériques, ce qui implique une grande quantité d'opération mathématiques. Nous pouvons les considérer comme de véritables calculateurs électroniques spécialisés.

A2.8 Les transitions

Nous parlons de transition lorsque l'utilisation ou le fonctionnement d'un système électronique est soumis à variations brusques ou lentes. Par extension nous parlons de phénomènes transitoires, de situations transitoires ou de régime transitoires.

Par exemple l'allumage ou l'extinction d'un appareil électronique représentent des situations transitoires amenant des courants initiaux parfois très importants ou des tensions emmagasinées pendant le fonctionnement.

Pour la description de circuits électroniques, nous parlons de régime d'enclenchement ou de déclenchement, de régime impulsionnel de mise en route ou encore de régime en saut à l'unité.

D'autre part, un signal utile qui transite dans un circuit amène à parler d'un régime permanent. C'est ce qu'entreprend le technicien qui effectue des mesures à l'aide de générateurs sinusoïdaux et d'oscilloscopes.

Le système électronique analysé débite une énergie sur la charge qu'il a lui-même consommé à l'alimentation. Si la charge est importante et qu'il y a de grandes puissances en jeux, des tensions induites dans les circuits d'alimentation peuvent devenir très importantes.

Le signal qui transite peut lui aussi être continu ou discontinu. Il peut s'agir d'un signal analogique ou numérique, d'une série d'impulsions ou encore de tensions continues ou variables.

Quelque soit la manière dont le signal d'entrée arrive, le système peut à son tour fournir sur la charge un signal continu ou impulsionel.

 

Cela amène à considérer un système électronique avec trois types de signaux facilement applicables grâce aux générateurs et facilement mesurables avec les moyens disponibles en laboratoire ou "in situ".

Ces trois types de signaux représentent les les trois régimes principaux, soit le régime permanent avec un signal sinusoïdal, le régime impulsionnel avec un signal carré et le régime transitoire avec un signal dit saut à l'unité.