AMPLIFICATEUR DE MESURE A FAIBLE BRUIT
Projet publié dans la revue LED n°183 de mai 2004 sous le titre "Amplificateur de mesure à faible bruit"
Ce projet est obsolète et remplacé par le projet 31: Préamplificateur de mesure - La Pondération "A" 
L’appareil étudié ici est un amplificateur de mesure auxiliaire pour oscilloscope ou millivoltmètre AC.
Il est principalement destiné aux mesures de bruit et de ronflements qui parasitent nos chères réalisations.
Il permet à votre oscilloscope de visualiser des signaux de 100 µV sur la gamme 10 mV et même 50 voire 20 µV si votre oscilloscope descend à 5 ou 2 mV.
Un soin particulier a été apporté à la diminution drastique du bruit.
Le choix des amplificateurs opérationnels s’est porté sur le LF356, pour son facteur de bruit en entrée de 12 nV x √Hz.
Ainsi en mode 100 x, le bruit rapporté à l’entrée est inférieur à 10 µVac sur 200kHz et inférieur à 2 µVac sur 320Hz. Ceci permet la mesure d’une ‘’ronflette’’ de 20 µVac (6 mVpp en sortie) avec un rapport signal bruit de 20dB.
Il tient dans un boîtier entièrement métallique, blindage oblige, de 130x130x65 mm. Tous les composants utilisés dans cette réalisation sont disponibles auprès de nos revendeurs habituels.
ETUDE DU SCHEMA
Amplificateur
Le schéma met en œuvre 3 amplificateurs opérationnels.
Les deux premiers (IC1,IC2) de type LF356 sont montés en cascade avec pour chacun un gain fixé à 10 ou 100 selon la position de l’inverseur S1.
Le LF356 a un produit ‘’gain x bande passante’’ unitaire pour une fréquence de 5MHz. Avec un gain de 10, la bande passante tombe à 500kHz. Les deux circuits en cascade, la bande passante tombe à 350kHz.
Si nous avions directement mis en œuvre un seul LF356 avec un gain de 100, la bande passante serait d’emblée réduite à 50kHz.
Le circuit d’entrée est à couplage capacitif. Le condensateur d’entrée C1 : 47nF/1000V permet la mesure de signaux flottants jusqu’à 1000 Vdc.
Le circuit d’entrée IC1 est protégé de l’impulsion de contact par la résistance R2 (1K/2W, et les deux diodes 1N4007 montées en opposition et raccordées au commun.
L’impédance d’entrée des LF356 étant infinie (>1012Ω), nous l’avons fixée à 1 MΩ (R1) comme sur la plupart des oscilloscopes et millivoltmètres AC.
Le gain de chaque ampli opérationnel est fixé par une contre-réaction négative issue du pont diviseur R5/R7 pour G=3,155 et R5/R6 pour G=10,091. (Figure 2)
L’inverseur S1 de type ON-ON met en circuit ces résistances ce qui nous donne un gain total de 3,155 2 soit 9,95 et 10,091² soit 101,8. L’erreur du facteur d’amplification ne dépasse pas 2% ce qui est largement suffisant pour ce type de mesures.
Les résistances fixant le gain ont impérativement une précision de 1% (Série E96).
Le signal amplifié est dirigé vers l’amplificateur de sortie au travers d’une cellule de filtrage.
Le combinateur S2 permet le choix entre trois filtres: Liaison directe, 20kHz ou 320Hz.
Les filtres de 20kHz et 320Hz sont du deuxième ordre.
L’atténuation est de 1dB à la fréquence nominale F1, 12dB pour F2 et 40dB pour F10.
L’amplificateur de sortie IC3 est câblé en gain unitaire. Le choix s’est porté sur le TL081 qui s’est révélé plus stable que le LF356 dans cette configuration, en effet ce dernier montrait une oscillation parasite à 5MHz de quelques mV que nous ne sommes pas parvenus à éliminer. Une dernière cellule de filtrage placée directement sur le BNC de sortie atténue les bruits ‘’hors bande utile’’ issus de IC3.
La fréquence de coupure de ce filtre est de 350kHz à -3dB.
Alimentation
Le schéma vous est présenté en figure 3. Afin d’éviter tout parasitage, nous avons proscrit l’alimentation secteur.
L’interrupteur S3 est de type ON-OFF-ON. La position haute est prévue pour l’utilisation de l’appareil, la position basse pour la charge des batteries, au point milieu, l’appareil est hors service.
Le transformateur sert exclusivement à la charge des batteries.
La charge complète dure 12 heures, le courant de charge s’élève à 15 mAdc.
La tension des batteries peut être contrôlée par un bornier de votre choix situé à l’arrière du boîtier.
MONTAGE FINAL
L’assemblage de la carte ne pose pas de problème particulier. La photo 2 est assez didactique.
Le câblage du commutateur S3 (Mise sous tension / Charge batterie) met en circuit 8 fils, référez-vous au petit schéma de câblage . A noter que vu de l’arrière de l’interrupteur, la position haute de fonctionnement de l’appareil met en circuit les contacts du bas.
Le câblage du commutateur S1 met en circuit les résistances R6,R7,R12 et R13 qui fixent le gain de l’amplificateur. C’est un inverseur ON-ON à trois circuits. Le pôle central est raccordé la masse afin d’éviter le couplage capacitif d’un circuit sur l’autre.
La carte est fixée au châssis par quatre entretoises. Le positionnement des divers éléments sur les face avant et face arrière est guidé par la configuration de la carte, mais ne requiert pas une grande précision.
L’ensemble de la circuiterie est complètement isolé électriquement : Les 2 BNC ont une masse isolée du châssis.
Le châssis est relié à la masse du circuit en un seul point par un œillet serré par l’écrou de fixation du BNC d’entrée. Il faut prendre soin de gratter la peinture intérieure et d’insérer une rondelle éventail. Le couvercle est également relié à la masse du châssis. Pour ce faire, le trou de fixation de la vis de maintien du capot situé sur le coté gauche est dégagé de la peinture à l’aide d’un foret de 10 mm. Une vis auto-taraudeuse conique remplace la vis fournie.
Toute autre méthode de raccordement du châssis à la masse du circuit est valable, mais cette opération est indispensable pour obtenir les spécifications.
S’assurer ensuite à l’ohmmètre que la résistance de contact entre le BNC, le châssis et le capot est bien nulle.
Une fois câblé et les batteries préalablement chargées, le montage est directement opérationnel.
En utilisation, il est recommandé d’enlever le cordon secteur sous peine de voir les signaux très faibles parasités.
A l’usage ce petit appareil se révèle très utile, et trouve naturellement sa place entre le millivoltmètre AC et l’oscilloscope.
Composants
Liste des composants
Mesures
Spécifications
Temps de montée : Gain 100x – Bw 200KHz
Quelques oscillogrammes :
Vue 1: 100 µVpp - 1KHz - Bw 200KHz Vue 2: 100 µVpp - 1KHz - Bw 20KHz
Vue 3: 100 µVpp - 100Hz - Bw 320Hz Vue 4: 20 µVpp - 150Hz Carré - Bw 320Hz
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Récapitulatif des photos (Haute définition)
