Dispositif pr´eliminaire - Chaˆıne de mesure analogique

L’instrumentation se compose de deux parties : celle qui fournit la puissance oscillante et celle qui mesure la r´eponse. Un synoptique du montage est donn´e dans la figure 4.8. L’id´eal dans les mesures AC est d’utiliser une mˆeme source de fr´equence pour ces deux syst`emes. Cette

source est ici la r´ef´erence de fr´equence d’une d´etection synchrone, r´egl´ee `a /2.

La r´ef´erence de fr´equence — tension — est convertie en courant et envoy´ee dans la r´esistance de chauffage en couche mince. Il est plus ais´e d’alimenter une r´esistance en courant qu’en tension lorsque l’on souhaite connaˆıtre la puissance qu’elle dissipe. En effet une tension fix´ee `a la sortie de la source se r´epartit entre la r´esistance et le cˆablage — amen´ees de tension, . . . —. Le courant fix´e en sortie, lui, mˆeme s’il occasionne des chutes de tension dans le cˆablage, est bien celui qui parcourt la r´esistance.

La r´esistance thermom´etrique est aliment´ee en courant continu par une source r´eglable de tr`es faible bruit `a basse fr´equence. Cette source est un ´el´ement crucial du dispositif, puisque le bruit du courant de polarisation va se reporter directement sur la tension thermom´etrique, donc sur la capacit´e calorifique apparente. Ce g´en´erateur de courant a lui aussi ´et´e r´ealis´e au sein du laboratoire, sp´ecialement pour cette application. En effet de telles performances en mati`ere de bruit `a basse fr´equence, repr´esent´ees sur la figure 4.7, sont impossibles `a atteindre avec les appareils du commerce.

Si l’amplitude de l’oscillation de temp´erature est de 1 K — c’est la valeur que nous avons choisie dans le paragraphe 4.1.2 pour le dimensionnement —, la tension aux bornes du

ther-mom`etre est donc constitu´ee de la superposition d’un terme continu (1 V dans les conditions ´enonc´ees lors du dimensionnement du thermom`etre) et d’une tr`es petite oscillation (3,8 mV), qui constitue la partie utile du signal et sur laquelle on veut d´etecter des variations tr`es faibles (20 nV). La mesure directe de ce signal est donc tr`es d´elicate.

Il apparaˆıt judicieux de tenter d’´eliminer la partie continue, inutile pour la mesure de  . Le

si-gnal restant, qui ne fait plus que 3,8 mV d’amplitude, peut alors ˆetre amplifi´e de plusieurs ordres de grandeur, ce qui ´etait impossible lorsque la tension de d´epart ´etait de 1 V.

Le filtrage et l’amplification sont des ´etapes tr`es d´elicates. Travaillant sur des signaux de basse fr´equence, il faut pouvoir ´eliminer la partie continue (filtrage passe-bas) sans modifier le signal utile.

L’appareil ad´equat a ´et´e sp´ecialement conc¸u et fabriqu´e par le service ´electronique du labora-toire, pour avoir un bruit minimal dans la gamme de fr´equence qui nous int´eresse. La courbe des performances du syst`eme filtre + pr´e-amplificateur est repr´esent´ee sur la figure 4.6.

FIG. 4.6: Performances du syst`eme filtre + pr´e-amplificateur en fonction de la fr´equence.

En entr´ee du filtre est plac´ee une r´esistance de charge peu bruit´ee de 750 , dans laquelle aucun courant n’est d´ebit´e. Un analyseur de spectre traite la tension de sortie du pr´e-amplificateur. Le bruit est donn´e en V/

 ramen´es `a l’entr´ee du pr´e-amplificateur, c’est-`a-dire aux bornes de la r´esistance.

Une fois filtr´e et amplifi´e le signal est envoy´e `a une d´etection synchrone qui d´etermine son amplitude et sa phase.

Ce dispositif de mesure pr´esente de nombreux avantages, le plus important sans doute ´etant sa souplesse d’utilisation, puisque la d´etection synchrone a une gamme de fonctionnement en fr´equence tr`es large et que toutes les sources ont des param`etres r´eglables. L’ensemble est donc parfaitement adapt´e `a un travail d’approche, lorsque les param`etres importants de la mesure restent `a d´eterminer.

4.3 Instrumentation 81 Mais les filtres d’entr´ee des d´etections synchrones fonctionnent mal aux tr`es basses fr´equences — au-dessous de 1 Hz —. En effet les capacit´es requises deviennent de plus en plus volumi-neuses pour filtrer le continu sans affecter le signal basse fr´equence.

En outre les performances de l’´electronique se d´egradent lorsque la fr´equence d’utilisation baisse. Ce ph´enom`ene, dit “bruit en 1/ ”, est caus´e entre autres par l’existence dans la plage des tr`es basses fr´equences de vibrations m´ecaniques, de variations thermiques — courants d’air, effets thermo-´electriques —, qui viennent perturber le fonctionnement des composants ou ajou-ter des signaux parasites.

FIG. 4.7: Bruit de la source de courant continu pour la polarisation du thermom`etre en fonction de la fr´equence, mesur´ee avec le syst`eme filtre + pr´e-amplificateur.

Le montage comprend une r´esistance de charge peu bruit´ee de 750 , dans laquelle un courant continu de 10 mA est d´ebit´e. La tension r´esultante est envoy´ee dans le syst`eme de filtre + pr´e-amplificateur, puis `a un analyseur de spectre. Le bruit est donn´e en V.

 

ramen´es `a l’entr´ee du pr´e-amplificateur, c’est-`a dire aux bornes de la r´esistance. Ce test requiert la caract´erisation pr´ealable du filtre et du pr´e-amplificateur. Le bruit mesur´e caract´erise l’ensemble de la chaˆıne.

Une fois l’´etude de faisabilit´e men´ee `a terme, il faut donc concevoir une chaˆıne de mesure mieux adapt´ee `a ces ordres de grandeur, dont les performances seront meilleures dans la gamme que l’on peut `a pr´esent d´efinir. L’arriv´ee sur le march´e, pendant cette ´etude, de composants de conversion analogique-num´erique et num´erique-analogique rapide et de grande r´esolution, puis de chaˆınes de traitement de signal enti`erement num´eriques a permis des avanc´ees significatives dans ce domaine.

V / I ^Source I_DC Elimination du continu & Ampli Détection synchrone Voltmètre Elimination de l’alternatif référence de fréquence δVAC Tmoy Ordinateur Thermomètre Chauffage Echantillon V / I ^Source I_DC Elimination du continu + Ampli Génération d’oscillation TFD sur δV_AC Mesure de T_moy

CNA CAN CAN

Thermomètre Chauffage

Echantillon

FIG. 4.8: A gauche, le synoptique du dispositif analogique, avec d´etection synchrone, utlis´e dans le projet de cellule avec plots.

A droite, le synoptique de la chaˆıne num´erique.

L’´echantillon est repr´esent´e en gris´e, entre la resistance de chauffage et la r´esistance thermom´etrique. On n’a pas repr´esent´e le syst`eme ind´ependant de r´egulation de la temp´erature du bain thermique.