Lernzettel: Introduction aux Signaux Électriques

📋 Plan du Cours

1. Informations et signaux
2. Types de signaux électriques
3. Caractéristiques des signaux analogiques
4. Caractéristiques des signaux numériques
5. Numérisation et échantillonnage
6. Convertisseur analogique-numérique

📖 1. Informations et signaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Signal électrique : Un signal électrique porte une information via une grandeur physique variant entre un émetteur et un récepteur.
• Information : Une information correspond au contenu transmis, comme un son, une image, un texte ou une vidéo.

📝 Points essentiels

• Un signal correspond à une grandeur physique qui varie dans le temps pour transmettre l’information entre émetteur et récepteur.
• Les signaux électriques sont choisis car l’information peut être caractérisée de nombreuses façons selon sa nature.

📖 2. Types de signaux électriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Continu : Un signal continu varie relativement lentement, et l’information utile correspond à l’évolution de la grandeur dans le temps.
• Temporel : Un signal temporel est décrit par la forme de sa variation, souvent cyclique ou périodique.
• Fréquentiel : Un signal fréquentiel est analysé via son spectre fréquentiel, l’information utile étant contenue dans les fréquences.

📝 Points essentiels

• Le mode fréquentiel caractérise l’information utile par le spectre des fréquences (analyse vocale, sonar).
• Le TOR encode l’information par l’état binaire d’un organe, tandis que le train d’impulsions encode l’information par la chronologie des transitions.
• L’échantillonnage correspond à la prise d’échantillons à période constante pour obtenir un signal numérique (son digital).

📖 3. Caractéristiques des signaux analogiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Période : La période est la durée, en secondes, d’une variation complète d’un signal périodique.
• Fréquence : La fréquence est le nombre d’oscillations par unité de temps d’un phénomène périodique, mesurée en hertz.
• Déphasage : Le déphasage est le décalage temporel entre deux signaux de même période, exprimé en temps ou en angle.

📝 Points essentiels

• Pour un signal périodique, période et fréquence sont liés par la relation Période = 1 fréquence.
• Le déphasage s’exprime en radians : φ = Δt x 2π/T, ou en degrés : φ = Δt x 360/T.
• Les signaux analogiques peuvent être périodiques ou non périodiques, selon la continuité de leur évolution dans le temps.

📖 4. Caractéristiques des signaux numériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Niveau haut H : Le niveau haut d’un signal numérique correspond à l’état binaire 1.
• Niveau bas L : Le niveau bas d’un signal numérique correspond à l’état binaire 0.
• Chronogramme : Un chronogramme est un diagramme qui représente un signal en fonction du temps.

📝 Points essentiels

• Un signal numérique se distingue par deux niveaux : H pour 1 et L pour 0.
• La MLI/PWM utilise le rapport cyclique α = Th/T, compris entre 0 et 1 (souvent donné en pourcentage).
• Le train d’impulsions et le chronogramme servent à visualiser les changements d’état dans le temps.

📖 5. Numérisation et échantillonnage

🔑 Notions clés & Définitions

• Numérisation : La numérisation est le passage d’un signal analogique à une représentation numérique en points discrets.
• Théorème de Shannon : Le théorème de Shannon impose une fréquence d’échantillonnage suffisante pour éviter la perte d’information due au sous-échantillonnage.

📝 Points essentiels

• Un signal analogique est considéré d’une précision infinie en valeur et en temps, ce qui impose de le convertir en points discrets pour le stocker.
• Le théorème de Shannon impose Fe > 2 x Fmax pour la fréquence d’échantillonnage des échantillons.
• Le non-respect de la règle de Shannon entraîne une mauvaise numérisation car l’information maximale du signal n’est plus correctement captée.

📖 6. Convertisseur analogique-numérique

🔑 Notions clés & Définitions

• CAN : Le CAN convertit un signal analogique en signal numérique via des étapes de traitement successives dans le domaine électronique.
• Quantification : La quantification consiste à associer chaque valeur échantillonnée à un niveau numérique parmi des niveaux possibles.
• Résolution d’un CAN : La résolution indique le niveau de détail du CAN, soit par le nombre de bits n, soit via le quantum q.

📝 Points essentiels

• Le CAN réalise trois étapes : échantillonnage, quantification et codage.
• La résolution peut être donnée en nombre de bits n (souvent 8, 10, 12, 14 ou 16) ou par le quantum q = Vréf/2^n.
• Exemple : pour 0 à 3,3 V avec un CAN 10 bits et Vréf = 3,3 V, on a q = 3,3/2^10 = 3,22 mV.

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre période et fréquence : la période est une durée (s) et la fréquence est un nombre d’oscillations (Hz).
2. Exprimer le déphasage dans le mauvais format : φ doit respecter φ = Δt x 2π/T en radians ou φ = Δt x 360/T en degrés.
3. Inverser le sens de la MLI/PWM : l’information utile dépend du temps au niveau haut Th sur la période T via α = Th/T.
4. Croire que la numérisation conserve une précision infinie : elle remplace la continuité par des échantillons discrets.
5. Utiliser un échantillonnage trop faible : Shannon impose Fe > 2 x Fmax.
6. Confondre les niveaux logiques : H correspond à 1 et L correspond à 0.

✅ Checklist Examen

1. Définir ce qu’est un signal électrique et à quoi correspond une information.
2. Classer des signaux selon leurs types : continu, temporel, fréquentiel, TOR, train d’impulsions, échantillonnage.
3. Définir période, fréquence et donner leur relation Période = 1 fréquence.
4. Exprimer le déphasage en radians et en degrés à partir de Δt, T et du choix d’unité.
5. Identifier la représentation d’un chronogramme et son usage pour visualiser le signal dans le temps.
6. Donner les deux niveaux d’un signal numérique (H=1, L=0) et leur signification.
7. Définir la MLI/PWM et calculer le rapport cyclique α = Th/T.
8. Expliquer la différence entre signal analogique continu et numérisation en points discrets.
9. Énoncer la règle de Shannon : Fe > 2 x Fmax.
10. Lister les trois étapes d’un CAN : échantillonnage, quantification, codage.
11. Calculer un quantum q à partir de Vréf et n via q = Vréf/2^n.
12. Refaire l’exemple de calcul du quantum pour Vréf = 3,3 V et n = 10 pour obtenir 3,22 mV.