Terminale Génie Electrotechnique: Travaux Pratiques de Physique appliquée:

T.P. n° 12 : Voltmètre numérique :

1.But de la manipulation :

Il s’agit au cours de ce T.P. de mettre en évidence les principes de fonctionnement d’un voltmètre numérique à double rampe.

Une maquette permet la visualisation des principaux signaux nécessaires à la compréhension du fonctionnement.

2. Principes de fonctionnement du voltmètre :

2.1. Schéma de principe du voltmètre :

2.2.Les niveaux logiques :

Le niveau logique bas ( 0 ) correspond à la tension VDD = - 8V

Le niveau logique haut ( 1 ) correspond à la tension VSS = + 8V.

L’horloge fournit un signal en créneaux de niveaux logiques 0 et 1 , de rapport cyclique 0,5 , et de période To = 100µs.

2.3. Les étages d’entrée:

La borne ENTREE reçoit la tension à mesurer Vx . Cette tension doit être comprise entre 0 et 10V. Le signal d’entrée est injecté sur un diviseur de tension puis un étage suiveur de façon à obtenir à la sortie de celui-ci une tension égale à : Vx/2

Un amplificateur inverseur opère l’inversion de signe.

Lorsque l’interrupteur K1 le permet, la tension - Vx/2 est appliquée à l’entrée de l’intégrateur.

2.4. L’étage intégrateur :

La durée de l’intégration, fixée par l’horloge et un circuit auxiliaire est de 103.To, c’est à dire 100 ms.

La tension à l’entrée de l’intégrateur est égale à -Vx/2 , on peut donc écrire :

Le condensateur se charge lorsque K1 est fermé. La durée de l’intégration étant fixée à T1 = 1000.To=100 ms, à la fin de l’intégration, on a :

La charge du condensateur étant terminée, K1 s’ouvre et K2 se ferme. La décharge du condensateur commence, car Vr est positive et égale à 5V. La durée de la décharge T2 dépend de la valeur de VA(T1). Le comptage des impulsions de l’horloge est effectué pendant cette durée T2.

Nous allons calculer la valeur de T2 = n.To : ( n est le nombre d’impulsions)

Ce calcul montre que la durée de la décharge T2 est proportionnelle à la tension à mesurer Vx . De plus, vu les valeurs choisies pour Vr le nombre n d’impulsions compté pendant le temps T2 par le compteur est égale à

n = 100.Vx .

A la fin de la décharge, la tension de sortie de l’intégrateur VA tend à devenir négative. Cela provoque le basculement du comparateur dont la tension de sortie VC va devenir positive.

Le comparateur va déclencher l’ouverture de K2 et la fermeture de K3, ce qui va entraîner la décharge du condensateur. Pendant la durée T3 de fermeture de K3, Le compteur transfère le contenu de l’affichage aux afficheurs 7 segments par l’intermédiaire de circuits spécialisés.

2.5. Le comparateur :

Il reçoit la tension de sortie de l’intégrateur et fournit la tension Vc qui est associée à la variable logique C.

C = 0 si VA > 0 ;

C = 1 si VA < 0 . En pratique, le seuil de basculement est très proche de zéro.

2.6. La logique de contrôle :

Elle est destinée à piloter les interrupteurs K1,K2 et K3, à valider le compteur pendant la phase de décharge, à donner l’ordre de transfert du contenu du compteur vers les afficheurs.

Le signal m est obtenu par une division de fréquence par 2000 du signal de l’Horloge.

La variable logique associée est M.

En observant la séquence d’ouverture et de fermeture des interrupteurs (voir chronogramme page 2), on peut écrire les équations logiques de K1,K2 et K3:

K1 = M : l’interrupteur K1 est fermé et ouvert par m.

K2 est fermé (niveau 1) lorsque M et C sont au niveau bas (O);

K3 est fermé lorsque M et K2 sont au niveau bas.

2.7. Le compteur :

Le compteur doit compter au maximum 999 impulsions d’horloge (compteur à 3 décades). La remise à zéro est effectuée par le signal M . Les sorties de chaque étage fournissent une représentation en code binaire du contenu décimal ( compteur type DC:B décimal codé binaire).

2.8. Chronogramme :

L’oscillogramme et le chronogramme de la page 2 permettent de voir les différentes phases de fonctionnement.

3. Mesures et relevés :

3.1. Description de la maquette :

Différentes bornes permettent l’observation des différents signaux intervenant dans le fonctionnement de la maquette.

3.2. Relevés :

Brancher l’oscilloscope numérique comme indiqué ci-dessus.

Relever les oscillogrammes donnant VA et K1 en fonction du temps pour

Vx = 2V,4V,6V. Noter pour chaque cas la valeur de l’affichage, noté Vxaff.

Pour Vx = 5V, et en conservant VA comme tension de référence,

Relever successivement :

- VA et K2 ,

- VA et K3 ,

- VA et C .

Relever le signal d’horloge H .

3.3 Exploitation des relevés :

Vérifier que l’état des différentes variables K1,K2,K3 est bien celui qui est attendu, pour les différentes phases de fonctionnement.

Calculer la fréquence des différents signaux .

Vérifier que le rapport fA / fH des fréquences de la tension VA et de l’Horloge a bien la valeur prévue.

Pour Vx = 5V, donner les valeurs de :

T1 , T2, T3

VAmax, Vxaff .

Déduire de ces mesures la constante de temps R.C du circuit intégrateur.

Conclusion.