La composition de signaux et les mesures de valeurs de tension RMS

C’est par ces mots que Jean-François ON1KYM ce passionné de mesures, à commencer son exposé sur « La composition de signaux et les mesures de valeurs de tension RMS »

Avant de raccorder un appareil de mesure sur une électronique, il vaut mieux s’attendre à l’avance de ce que l’on doit obtenir comme mesure. Dans le cas contraire,
il est plus que probable que la mesure n’ait aucune signification ou bien que l’électronique présente une anomalie, ce qui demandera alors une action corrective sur le montage électronique.

Une mesure, oui, mais dans quelles conditions ? Le protocole de mesure est aussi important que la mesure elle-même. En effet, pour qu’une mesure ait une signification,
il y a lieu de décrire les conditions dans lesquelles cette mesure a été effectuée.

Voici deux exemples assez caractéristiques :

1. La mesure de sensibilité d’un récepteur FM s’exprime en μV ou en dBm, mais le résultat et les conditions de mesure sont les suivantes : 0,14 μV sur 50 Ω (c’est-àdire -124 dBm) pour un signal modulant sinusoïdal de 1 kHz d’une amplitude donnée pour obtenir une excursion de fréquence de 3 kHz (NBFM) et pour un rapport signal sur bruit et distorsion de 12 dB SINAD (Signal Noise And Distortion) dans une bande passante du signal démodulé déterminée par un filtre psophométrique caractérisé par la norme CCITT CCIR UIT P53 (Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique, Comité Consultatif International pour la Radio, Union Internationale des Télécommunications) ; P53 : filtre passe bande d’un gabarit normé (de l’ordre de 300 Hz à 3500 Hz à -10 dB) avec une courbe de réponse bien spécifique (légèrement asymétrique).

2. La mesure du taux distorsion harmonique THD (Total Harmonic Distortion) s’exprime en pourcent ou en dB ; lorsque cette mesure tient compte du bruit superposé au signal on évoque l’appellation THD + N (Total Harmonic Distortion + Noise). Mais cette mesure n’a de signification que si l’on mentionne les conditions de mesure suivantes :

a. Spécifier le nombre d’harmoniques prises en compte (nombre de rangs) ;
b. Spécifier la bande passante de bruit ;
c. Spécifier le type de filtre utilisé et ses caractéristiques (mesure pondérée) ;
d. Spécifier la fréquence du fondamental du signal de mesure ; ou bien,
e. Spécifier la bande de fréquence dans laquelle les fondamentales se situent
(mesure à plusieurs tons) ;
f. Spécifier l’amplitude du signal injecté à l’entrée du dispositif sous test ou
l’amplitude du fondamental du signal mesuré ;
g. Spécifier l’impédance de charge placée sur la sortie du dispositif sous test.

Les deux exemples ci-dessus illustrent bien que le protocole de mesure est aussi important que la mesure en elle-même. Autrement dit, en absence des conditions de
mesure, une valeur de grandeur mesurée n’a aucune signification.

Ceci indique aussi que la mesure n’est pas reproductible si elle n’est pas effectuée dans les mêmes conditions qui ont dues être décrites au préalable.

Dans cet article, on se propose d’examiner des mesures d’amplitude d’un signal alternatif, et d’une manière plus précise les mesures de tension efficace d’un signal (RMS, Root Mean Square, moyenne quadratique). Dans les exemples illustrés cidessous, le signal pourra être d’une forme sinusoïdale pure ou d’une autre forme :

Fig. 1 : Visualisation, sur un oscilloscope numérique, des signaux obtenus à partir de deux générateurs.

signal carré, impulsionnel, triangulaire, en forme de rampe, ou ce signal pourra être composé de deux sinusoïdes de même fréquence sous différents déphasages, ou encore être composé d’une sinusoïde (fondamentale) affectée d’un harmonique sous différents déphasages relatifs ou de différentes amplitudes.
Le but principal de ces mesures est d’illustrer l’importance du choix du type de voltmètre à utiliser en fonction du type de signal à mesurer et de comprendre la différence entre un voltmètre RMS (mesure d’une tension moyenne redressée et convertie en valeur efficace) et un voltmètre True RMS (mesure d’une tension efficace vraie).
Pour illustrer la forme des signaux mesurés, ceux-ci seront visualisés sur un oscilloscope numérique Tektronix TDS 7104 qui dispose de nombreuses possibilités de fonctions mathématiques et d’affichage numérique des mesures. Les tensions mesurées seront effectuées sur deux voltmètres RMS analogiques de types différents : un voltmètre RMS HP 400E « Average Responding » et un voltmètre RMS HP3400A (ou HP 3400B) « RMS responding ». Les mesures de tension efficace vraie seront contrôlées au moyen d’un multimètre numérique de chantier Fluke 28 True RMS
et vérifiées au moyen d’un multimètre numérique étalon de laboratoire HP 3458A. Les signaux à mesurer seront obtenus à partir d’un générateur à double canaux HP 3326A et d’un générateurAgilent 33250A. Les générateurs seront toujours chargés sur une impédance de 50 Ω soit par l’entrée 50 Ω de l’oscilloscope lui-même, soit par une charge « traversante » (feedthru) de 50 Ω HP 10100C pour le raccordement sur un voltmètre à haute impédance.