Numérisation d'un signal


 
  1. Utilisation du programme Numérise


      Télécharger numerise.zip (pour cartes Fastlab sur port ISA)

      Ce programme va nous permettre d'étudier les propriétés du CNA et du CAN de la carte d'acquisition
      Lancer le programme
    1. Acquisition : panneau de gauche

        Le bouton Acquisition permet à l'ordinateur d'enregistrer 200000 valeurs de tension appliquées à EA0.
        La durée entre deux mesures successives est la période d'échantillonnage.
      1. La fréquence d'échantillonnage est l'inverse de cette période. Quelle est la relation entre cette fréquence et la durée totale de l'acquisition affichée en bas ?
        La tension mesurée est convertie par le CAN de la Faslab.
        Les caractéristiques de cette conversion, calibre et nombre de digits, peuvent être modifiées.
        Une fois l'acquisition effectuée, le bouton M permet de visualiser une partie des valeurs acquises.  

       
    2. Emission: panneau de droite
      Le bouton Emission permet d'envoyer les valeurs acquises à la sortie SA1. Elles sont converties par un des CNA de la Fastlab.
      La conversion se fait en utilisant le même nombre de digits que pour l'acquisition (8 si le signal en mémoire a été numérisé sur 8 digits par exemple).
      Le calibre utilisé peut être soit égal à celui utilisé lors de l'acquisition (case auto cochée), soit  +/-10V.  

     
  2. Numérisation d'une tension variable.

       
    1. Montage et réglages

        Relier la sortie du générateur basse fréquence à l'entrée analogique EA0 de la carte.
        Relier la voie 1 de l'oscilloscope à la sortie du générateur basse fréquence : on observe ainsi sur cette voie le signal du GBF
        Relier la voie 2 de l'oscilloscope à la sortie analogique SA1 de la carte : on observe sur cette voie le signal du BF après numérisation et reconversion en tension.
        Relier toutes les "masses" entre elles.
        L'oscilloscope peut être mis en route immédiatement mais faites vérifier vos branchements avant d'allumer le générateur basse fréquence.
        Réglages du générateur : 100 Hz, tension crête à crête 4V environ (+/- 2V) . Utilisez l'oscilloscope pour faire ces réglages; affichez les deux voies (dual ou 1+2) réglez les sur la même sensibilité et ajustez le balayage pour voir quelques périodes.
        Réglage du programme : réglages par défaut (calibres  +/-10V pour l'entrée et auto pour la sortie, 12 digits, 25000Hz pour l'entrée et la sortie)
      1. Cliquer sur 'Acquisition': un petit sablier apparaît indiquant que l'enregistrement est en cours.
        Lorsque le sablier disparaît, cliquer sur le bouton "M" : vous visualisez 300 des 200000 valeurs numériques enregistrées (les valeurs sont affichées de gauche à droite) 
        Sont-elles égales aux valeurs prises par la tension ? Pourquoi ?
      2. Cliquer sur "Emission". Observer le signal à l'oscilloscope. Attention ! L'émission ne dure que 8s, mais elle peut être répétée.
        Pour stabiliser l'affichage du signal émis vous pouvez basculer la synchronisation de l'oscilloscope sur la voie 2 (ch2).
        Comparer le signal voie 2 (signal numérisé et reconverti) avec celui de la voie 1. La restitution est-elle fidèle ?
      3. Diminuer la sensibilité verticale sur les 2 voies et la sensibilité horizontale (time/div) pour 'agrandir' les signaux dans les deux directions.  Quelle est la différence entre les deux signaux ?  

       
    2. Calibre, digits et résolution

         
      1. Influence du nombre de digits
        Paramétrer le programme Numérise : 25000Hz, , 6 digits, calibres +/- 10 V pour l'entrée et auto pour la sortie .
        Lancer une acquisition puis une émission.
        Que constate-t-on ? Déterminer approximativement d'après l'oscillogramme la résolution de la conversion.
        Comparer avec la valeur théorique de la résolution pour ces réglages du programme (attention la pleine échelle est de 20V pour le calibre +/-10V, 10V pour +/-5V, etc...)
         
      2. Influence du calibre
        Quel calibre peut-on utiliser en entrée pour améliorer le signal en conservant 6 digits pour la numérisation? Vérifier.
        Quelle est alors la résolution théorique des  convertisseurs ? En conservant ce calibre, utiliser en sortie le calibre +/-10V.
        Quelle est alors la fonction supplémentaire réalisée ? Le CAN et le CNA ont-ils dans ce cas la même résolution ?

       
    3. Fréquence d'échantillonnage
      Paramétrer le programme avec les calibres et nombres de digits les mieux adaptés pour la numérisation de la tension considérée (+/-2V).
      1. Après avoir fait une acquisition à la fréquence d'échantillonnage de 25000Hz (panneau de gauche), essayer les différentes valeurs pour la fréquence d'émission (panneau de droite) . Que ce passe-t-il si la fréquence d'émission est différente de la fréquence d'échantillonnage ?
        Dans toute la suite on utilisera la même valeur pour la fréquence d'échantillonnage et la fréquence d'émission.
        Régler la fréquence de la tension du GBF sur 1000Hz (il suffit en principe de changer de gamme).
        Modifier les réglages de l'oscilloscope pour observer  à peu près le même nombre de périodes que précédemment.
      2. Effectuer une acquisition et une émission en réglant les fréquences d'échantillonnage et de restitution sur 20000Hz, puis sur 10000Hz. Qu'observe-t-on ?
      3. Quelle est la valeur minimale de la fréquence d'échantillonnage qui vous paraît nécessaire pour une reproduction correcte de ce signal ?

       
    4. Fréquence limite de Nyquist

        Il n'est pas toujours possible de reproduire à la perfection le signal numérisé, la fréquence d'échantillonnage étant limitée par le matériel utilisé.
        Dans certains cas on peut se contenter d'un signal très dégradé, à condition que sa fréquence soit reproduite correctement.
        Régler la fréquence de la tension du GBF le plus précisément possible sur 10000 Hz(contrôler régulièrement sa valeur au cours de la suite) en passant sur la gamme supérieure.
      1. Régler les fréquences d'échantillonnage et d'émission sur 50000Hz. Le signal émis est-il encore périodique ? Quelle est sa période ? Correspond-elle à celle de la tension numérisée ?
      2. Reprendre les mêmes questions pour une fréquence d'échantillonnage de 20000Hz.
      3. Quelle est la forme du signal obtenu ? Essayerd'expliquer cette forme.
      4. Quelle est sa période ?
      5. Utiliser une fréquence de numérisation de 10000Hz. Si la fréquence du GBF était rigoureusement égale à 10000Hz, que devrait-on observer?
      6. La fréquence du GBF étant généralement supérieure ou inférieure de quelques Hz à 10000hz, qu'observe-t-on en réalité ? Quelle est la période du signal que vous observez?
        Le schéma ci-dessous illustre ce qui se passe quand les mesures (points bleus) sont faites à une fréquence légèrement inférieur à la fréquence du signal à numériser (en rouge)

        On considère que la numérisation d'un signal périodique est possible si la fréquence d'échantillonnage est au moins égale au double de celle du signal à numériser.
      7. Vos résultats le confirment-ils ?

     
  3. Exemple : numérisation d'un son
       
    1. Le son
      Réaliser le montage représenté.
      1. Quelle est la fonction du montage construit autour de l'amplificateur opérationnel ?
        Régler les boîtes à décade pour obtenir une résistance totale de 500kΩ.
        Régler la durée de balayage de l'oscilloscope (time/div) sur 2, 5 ou 10 ms par division et la sensibilité verticale voie 1 sur 200mV/div ou 500mV/div.
      2. Parler ou siffler à proximité du microphone. Qu'observe-t-on sur l'écran de l'oscilloscope ?

        La propagation du son génère des fluctuations périodiques de la pression dans l'air. Le microphone est un capteur de pression convertissant ces variations de pression en variations de tension.

        Ajuster éventuellement les valeurs des résistances à décade pour que l'amplitude de la tension observée à l'oscilloscope soit voisine de 1V (la bonne valeur dépend du microphone ainsi que de l'intensité du son émis)

       
    2. Numérisation d'un signal sonore.
      Au lieu de relier la sortie du montage à la voie 1 de l'oscilloscope, reliez-la maintenant à la voie EA0 de la carte Fastlab.
      Relier la sortie SA1 de la carte Fastlab à la voie 1 de l'oscilloscope.
      Paramétrer le programme Numérise : pour l'acquisition calibre +/- 2,5V et fréquence d'échantillonnage 25000Hz, pour la restitution calibre Auto et fréquence 25000Hz.
      Cliquer sur 'Acquisition' et parler dans le micro (l'acquisition dure 8s, c'est assez pour une ou deux phrases) : le son est numérisé par le CAN de la carte Fastlab et enregistré dans la mémoire de l'ordinateur sous la forme d'une suite de nombres. Vous pouvez visualiser une partie de ces nombres .
      Cliquer ensuite sur Emission : vérifier que l'oscilloscope affiche bien, pendant quelques secondes, une tension variable correspondant au son réémis. Les valeurs numériques précédemment mémorisées ont été reconverties en tension par le CNA de la carte Fastlab, et on visualise cette tension à l'oscilloscope.
       
    3. Utilisation de la carte d'acquisition comme carte audio

        Compléter le montage comme représenté ci-dessous. Le second amplificateur est utilisé dans un montage 'suiveur' évitant à la sortie SA1 de risquer de débiter un courant d'intensité trop importante.
        Mettre l'oreille près de l'écouteur et cliquer sur 'émission'.
      1. Que se passe-t-il si on choisit une fréquence de restitution supérieure ou inférieur à la fréquence d'échantillonnage 25000Hz ?

     
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