Mesures

1°) Mesures en courant continu – rappels

Générateurs de tension continue : piles, batteries, alimentation delaboratoire, cellules photovoltaïques..

Ils produisent un courant électrique qui se déplace dans le circuit de laborne + vers la borne - du générateur. L’appareil de mesure de l’intensité ducourant électrique est le galvanomètre . Son calibre peut être modifié enplaçant une résistance (dont il faut calculer la valeur) en parallèle avec legalvanomètre.

Il existe plusieurs types principaux de galvanomètres dont :

- Le galvanomètre à cadre mobile.Une bobine mobile (munie d’une aiguille) autour d’un pivotest traversée par le courant à mesurer. Elle est entouréepar un aimant. Traversée par le courant elle va se comporter comme unaimant et va donc tourner autour de son pivot grâce àl’interaction entre les deux aimants, et faire ainsi sedéplacer l’aiguille devant une graduation. La déviation de l’aiguille dépend de l’intensité du champmagnétique produit par la bobine, qui dépend lui-même del’intensité du courant.

Pour l’alternatif, le courant traverse un pont dediode (redressement double alternance), il devient alors continu et sa valeurefficace est mesurée.

En plaçant une résistance dont la valeur sera judicieusement calculéeen série avec le galvanomètre, on le transforme en voltmètre.Source de l’image : wikipédia

- Le galvanomètre thermique.Un fil conducteur est relié à une aiguille montée sur pivot. Traversé

par le courant, le fil s’échauffe (par effet Joule) et se dilate, provoquant ainsi ladéviation de l’aiguille. Avec une résistance en parallèle, il se transforme en ampèremètre thermique.

Les mesures en continu, tensions, intensités, se font actuellement avec des multimètres numériques en position DC ou des oscilloscopes.

2°) Mesures en cas de signaux variables.On se bornera à l’étude de signaux périodiques de motifs très simples.

Les mesures se font avec un multimètre numériques ou un oscilloscope. Le spectre d’un signal sera visualisé avec un analyseur de spectre.

a) Qu’est-ce qu’un signal périodique ?

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Observons les représentations graphiques de quelques signaux périodiques :

Exemple 1

La forme d’onde est unesinusoïde

Le motif encadré en bleu sereproduit identiquement à lui-mêmedans le temps. C’est une période,elle dure ici 1 ms.

La fréquence est 1/0,001 =1000 Hz

Umax=1V Umin= -1VL’amplitude (tension crête à crête ) est 2V

Dans un signal périodique, un motif se reproduit identiquement à lui-même. La durée de ce motif est une période (notée T). On rappelle que lafréquence (en hertz, notée f) est le nombre de périodes ( de motifs en 1seconde ).

Sur une période, à chaque tension, par exemple +0,7V, on trouve sonopposé -0,7V. Leur somme est égale à 0 et ceci pour chaque point de lacourbe. La somme de toutes les tensions est donc nulle.

Nous avons défini la valeur efficace de ce signal : c’est la tensioncontinue qui produirait le même effet calorifique dans une résistance. On lanote Ueff. Pour un signal sinusoïdal :

Les voltmètres anciens ou à bas prix appelés RMS mesuraient la valeur efficace du signal. Les voltmètres plus récents et de bonne qualité sont TRMS. Ils mesurent la « valeur efficace réelle » avec des composants électroniques dédiés.

Pour le signal sinusoïdal ci-dessus, un multimètre numérique utilisé en voltmètre DC indiquera 0V, la valeur moyenne des tensions. En position AC

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Ueff = Umax

√2

f=1T

La valeur moyenne de ce signal est donc égale à zéro. On dit alors que signal estalternatif.

(voltmètre RMS), il indiquera 0,707V, la tension efficace. Un voltmètre TRMS (position AC+DC) indiquera aussi 0,707V

Exemple 2

Ce signal est sinusoïdal,périodique, sa période est T =1ms.

Par contre, la moyenne destensions n’est pas égale à 0V carcelles-ci oscillent entre 0,5V et2,5V

La valeur moyenne estreprésentée par la ligne bleueindiquée par la flèche. Elle vaut ici1,5V.

Sur un voltmètre en position DC, on lira 1,5V. Cette tension est appeléecomposante continue.

En position AC, on lira 0,707V, la tension efficace de ce signal sinusoïdal. En position AC+DC (TRMS) , la tension efficace lue serait environ 1,66V (lecalcul de cette tension n’est pas du programme)

Exemple 3 : différentes formes d’ondes

Signal carré, alternatif.

Valeur moyenne 0V (voltmètre en positionDC)

Valeur efficace : Umax (voltmètre enposition AC)

Avec un voltmètre TRMS : Ueff = Umax

Signal triangulaire, alternatif

Valeur moyenne 0V (voltmètre en positionDC)

Valeur efficace : voltmètre en position AC

Ueff = Umax

√3

Le résultat sera le même avec un voltmètre TRMS.

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3°) Précision des mesuresUne « erreur de mesure » est la différence entre la valeur affichée par

l’appareil de mesure et la valeur réelle. Cette « erreur » peut avoir différentescauses.

- l’opérateur- l’instrument de mesure lui-même- l’environnement (température…)Il faut distinguer l’erreur absolue, de l’erreur relative.

L’erreur absolue consiste à dire : « j’ai fait une erreur de 1mm dansma mesure »

Mais, ce n’est pas la même chose si je fais une erreur de 1mm sur1 cm ou de 1 mm sur 10m. C’est toujours la même erreur mais pas sur lamême mesure.

Pour une bonne précision, il ne faut pas dire :-cette mesure est à 1mV près, c’est l’erreur absolue-mais il faut dire : ma mesure est 3V plus ou moins 1mV,

c’est l’erreur relative. A noter qu’un calcul, peut apporter une imprécision, on ne trouvera

pas le même résultat si on utilise pour pi 3,14 ou 3,14159..Toute mesure, tout résultat d’un calcul doit être accompagné de sa

précision, par exemple à 1 volt près, à un millivolt près….. Un exemple : pour l’émetteur -Récepteur FT857D

A limentation : 13,8V plus ou moins 15 %Stabilité en fréquence : plus ou moins 4 ppm (4 parties par million) de 1

à 60 mn après la mise en route. Ce qui signifie que sur 21Mhz par exemple, ladérive en fréquence au bout d’une heure ne dépassera pas 21 000 000 x (4/1000000) = + ou moins 84Hz .

4°) Appareils de mesure

a) le multimètre analogique L’élément de base est le galvanomètre

auquel on va adjoindre des résistances en sériepour la mesure des tensions, en parallèle pour lamesure des intensités. En alternatif, les déviationsde l’aiguille seront différentes en fonction de laforme d’onde (sinusoïde, carrée…). D’autresfonctions sont possibles, détecteur de continuité,ohmmètre, capacimètre….

Il est très utile pour mesurer une tensionqui varie très lentement (par exemple régler latension de base d’un transistor juste audéblocage)

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b) le multimètre numérique

Ce type d’instrument permet de mesurer - des tensions continues ou alternatives (jusqu’à

quelques kilohertz)- des intensités- des résistances- des fréquences- des capacités

Entre autres, il permet de faire des tests de continuité,mesurer le gain de transistors.

Son fonctionnement peut-être perturbé en présence deHF.

c) l’oscilloscopeUn oscilloscope mesure des tensions, fixes

ou variables et affiche le résultat sur un écran.

Les oscilloscopes analogiques (en voie dedisparition), à base de tubes cathodiques, trèsencombrants sont remplacés par desoscilloscopes numériques, qui numérisent lesdonnées reçues (dans un convertisseuranalogique-digital), données qui seront ensuitetraitées et affichées sur un écran. Ils sont dotésde mémoires qui permettent de les stocker.

Oscilloscope analogique

Des oscilloscopes sont maintenant couplés à un ordinateur par un câble USB. L’ordinateur assure l’affichage, les commandes et l’alimentation.

Oscilloscopes numériques

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d) L’analyseur de spectre

Il mesure et affiche sur un écran les différentes fréquences contenuesdans un signal ainsi que leurs amplitudes respectives.

Les récepteurs modernes affichent sur leur écran le spectre des signauxradiofréquences reçus, ou peuvent permettre l’analyse des audiofréquencestransmises.

Analyseur de spectre du transceiver IC7300

e) Le fréquencemètre1. ondemètre à absorption

Toujours au programme de la licence radioamateur,l’ondemètre à absorption est « l’ancêtre du fréquencemètre » à la différenceprès qu’il n’indique que la présence de RF, mais ne mesure pas la fréquence.

Le signal est capté par intermédiaire d’uneboucle de couplage (bobine). Ainsi, il n’y a pasde contact entre le générateur RF qui ainsin’est pas perturbé et le détecteur.Une diode germanium (genre OA85, faibletension de seuil) redresse le signal RF.

Le condensateur se charge à la tension maximum lors d’une alternancepositive, pendant le passage de la tension de 0V à Umax.

Sa valeur est calculée pour qu’il n’ait pas le temps de se déchargerdurant le passage de la tension de Umax à 0V. Le signal est ainsi transforméen tension (presque) continue. Un voltmètre ( galvanomètre avec unerésistance en série) affiche la présence du signal et sa puissance relative.

2. fréquencemètre à absorption

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La bobine simple est remplacée par un circuit LC que l’on peut accorder (avec un condensateur variable). L’ensemble diode + condensateur transforme le signal RF détecté en tension continue, lue par le voltmètre (que l’on peut graduer unités de puissance, mW, W). Ce type de fréquencemètre est peu précis.

3. fréquencemètre digital

Le principe est le suivant : Transformer le signal d’entrée ensignaux carrés (plus facile à compter)

Compter le nombre de créneaux pendant un tempsdonné. Pour cela un oscillateur à quartz constitue une base de temps trèsprécise. Ainsi, entre deux tops de la base de temps, on compte le nombre decréneaux du signal d’entrée et on en déduit la fréquence du signal que l’onaffiche.

f) Le rosmètre

Une ligne ( en orange) relie l’âme du coaxialissu de l’émetteur au coaxial qui se dirige versl’antenne, parallèlement à celle-ci ont été fixéesdeux lignes de mesure (en rouge). Ellesconstituent un coupleur directionnel

Une de leurs extrémités est mise à la massepar l’intermédiaire d’une résistance, l’autre estreliée à une diode au germanium par exemplepour sa faible tension de seuil (0,3V), en série

avec un condensateur. La tension continue obtenue est affichée par legalvanomètre. L’autre ligne de couplage se présente comme la première maisdans l’autre sens. Un ligne mesure le courant direct (FWD), l’autre le courantréfléchi (REV). Le galvanomètre est gradué en conséquence.

Le même résultat peut-être obtenu enremplaçant les deux lignes de couplage pardes transformateurs sur tores de ferrite T1et T2 ou un seul transformateur à pointmilieu sur un tore de ferrite.

g) le wattmètre

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Deux options se présentent à nous pour la mesure d’une puissance RF

1. - Faire débiter l’émetteur sur une charge de 50 ohms non inductive,appelée résistance fictive, pouvant évidemment supporter la puissance del’émetteur. Mesurer avec un voltmètre adapté aux radiofréquences la tensionaux bornes de la charge et appliquer la formule : Peff = Ueff²/50Cette tension peut être lue sur un oscilloscope (adapté aux radiofréquences)La tension maximum Umax sera lue facilement. On en déduira la tensionefficace

Ueff = Umax

√2 et on appliquera la formule Peff = Ueff²/50

On peut également réaliser un montage indépendant d’un instrument demesure

Le signal RF issu de l’émetteur (flèche rouge ) est appliqué aux bornes dela charge fictive de 50 ohms. Ce signal est redressé par la diode et lescondensateurs transforment cette tension redressée en tension continue, luepar le voltmètre. Pour graduer le galvanomètre, il suffit de comparer lespuissances avec un wattmètre précis que l’on va vous prêter !

2. Wattmètre traversé par le signal

La technique utilisée est la même que pour le rosmètre, une ligne 50ohms permet la traversée de la HF, une ligne couplée (en rouge), courtedevant la longueur d’onde, capte par induction une très faible partie du signalqui est redressée, filtrée et lue par le galvanomètre.

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Charge de 50 Ω

Ligne 50Ω

Un exemple : le wattmètre Bird

Pour des mesures précises de puissance HF,VHF,UHF, leWattmètre BIRD 43 est conçu pour mesurer des puissances allantde 100 mW à 10 KW avec une très grande précision.

La mesure se fait au moyen de bouchons interchangeablessuivant la gamme de fréquences utilisée et les puissances à mesurer.(Source Bird)

5°) Que mesure le wattmètre ?

Puissance instantanée : On sait que la puissance consommée par une charge s’exprime par le produit (la multiplication) de la tension à ses bornes par l’intensité qui la traverse.

Dans le cas d’une tension continue et fixe, pas de problème, elle ne variepas , l’intensité non plus, elle est donc identique à elle-même à chaque instant.

Pour une tension variable, il suffit de mesurer à l’instant t la tension aux bornes de la charge, l’intensité qui la traverse et d’en faire le produit.

Puissance moyenne : En régime variable, intensité et tension varient à chaqueinstant, elle sont même parfois déphasés. Théoriquement, il faudrait ajouter les mesures de toutes les puissances instantanées pendant un temps t, et diviser le résultat de la somme par t. Ce résultat peut être obtenu par des calculs complexes. Pratiquement on mesure la puissance moyenne avec un wattmètre

Puissance PEP : c’est la puissance instantanée la plus élevée parmi un maximum de mesures sur une durée donnée. Elle peut être visualisée sur un oscilloscope et mesurée avec un wattmètre crête.

Exemple :

Un générateur de tension sinusoïdale tel que Umax = 325V (Ueff = 325/1,4= 230 volts environ, c’est la tension du secteur).Il débite dans une résistance de 100 Ω en série avec une bobine de 200mH

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Simulons la puissance PEP et la puissance moyenne

La variation de la puissance consommée par la résistance est simulée en vert. Elle varie de 0W à 750W au maximum. La puissance PEP est donc 750W. La puissance moyenne (Average ) est calculée par le logiciel . Elle vaut 378W environ.

Pour résumer :

- 100W PEP ne signifie pas 100W constamment- En FM, puissance PEP = puissance moyenne (on ne parlera donc pas de PEP pour la FM)- En CW sur un trait : puissance PEP = puissance moyenne- En CW sur en ensemble de traits et de points : puissance PEP > puissance moyenne - En AM et BLU : puissance PEP > puissance moyenne.

La réglementation :

Il s'agit de la puissance en crête de modulation (PEP) en modulant l'émetteur à sa puissance de crête par deux signaux sinusoïdaux (SSB) et en puissance porteuse pour les autres types de modulation.

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6°) Pour conclure : les qualités d’un appareil de mesure

L’étendue : écart entre la plus petite mesure et la plus grande mesure capable d’afficher l’appareil

La sensibilité : La sensibilité d'un appareil est la plus petite variation de mesure qu'il peut déceler.

La précision : c’est l’écart entre la mesure et la valeur vraie (que l’on ne connaît pas !). Elle peut s’exprimer en pourcentage (erreur relative)Par exemple, la précision indiquée sur l’appareil est plus ou moins 1 %, je mesure 5V, je suis sûr que la vraie mesure se situera entre 4,99V et 5,01V

La fidélité : capacité de l’appareil à afficher toujours le même résultat sur la même mesure, dans les mêmes conditions.

La justesse : Un appareil est juste si la différence entre la mesure qu'il indique et la valeur exacte (inconnue) ne dépasse pas l'incertitude prévue.

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Annexe

Voici quelques photos communiquées par F5MDB, Walter

1. Lecture du ROS sur le FT757B

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2. Un rosmètre à lignes de couplage

3. Un rosmètre à tore de ferrite MFJ-949

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On reconnaît sur ce schéma la ligne 50 ohms, le transformateur torique(encadré en vert ) et le système de détection et d’affichage du signal direct enjaune et réfléchi en noir.

4°) Schéma du TS450C

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