Introduction aux signaux CA à fréquence mixte

Dans notre étude des circuits alternatifs jusqu'à présent, nous avons exploré des circuits alimentés par une forme d'onde de tension sinusoïdale à fréquence unique. Dans de nombreuses applications de l'électronique, cependant, les signaux à fréquence unique sont l'exception plutôt que la règle.

Assez souvent, nous pouvons rencontrer des circuits où plusieurs fréquences de tension coexistent simultanément. De plus, les formes d'onde du circuit peuvent être autre que sinusoïdales, auquel cas nous les appelons non sinusoïdales formes d'onde .

De plus, nous pouvons rencontrer des situations où le courant continu est mélangé au courant alternatif :où une forme d'onde est superposée à un signal continu (continu).

Le résultat d'un tel mélange est un signal variant en intensité, mais ne changeant jamais de polarité, ou changeant de polarité de manière asymétrique (passant plus de temps en positif que en négatif, par exemple).

Étant donné que le courant continu n'alterne pas comme le fait le courant alternatif, sa "fréquence" est dite nulle, et tout signal contenant du courant continu avec un signal d'intensité variable (AC) peut également être appelé à juste titre un signal à fréquence mixte.

Dans tous ces cas où il y a un mélange de fréquences dans le même circuit, l'analyse est plus complexe que ce que nous avons vu jusqu'à présent.

Couplage

Parfois, des signaux de tension et de courant à fréquence mixte sont créés accidentellement. Cela peut être le résultat de connexions involontaires entre les circuits, appelées couplage — rendu possible par la capacité parasite et/ou l'inductance entre les conducteurs de ces circuits.

Un exemple classique de phénomène de couplage est fréquemment observé dans l'industrie où le câblage de signal CC est placé à proximité immédiate du câblage d'alimentation CA. La présence à proximité de tensions et de courants alternatifs élevés peut entraîner l'impression de tensions « étrangères » sur la longueur du câblage du signal.

La capacité parasite formée par l'isolation électrique séparant les conducteurs d'alimentation des conducteurs de signaux peut provoquer l'impression de la tension (par rapport à la terre) des conducteurs d'alimentation sur les conducteurs de signaux, tandis que l'inductance parasite formée par des fils parallèles dans le conduit peut provoquer un courant de les conducteurs d'alimentation pour induire électromagnétiquement une tension le long des conducteurs de signaux.

Le résultat est un mélange de courant continu et de courant alternatif à la charge du signal. Le schéma suivant montre comment une source de « bruit » CA peut « se coupler » à un circuit CC via une inductance mutuelle (Mstray) et une capacité (Cstray) le long des conducteurs. (Figure ci-dessous)

L'inductance parasite et la capacité couplent le courant alternatif parasite dans le signal continu souhaité.

Lorsque des tensions CA parasites provenant d'une source de « bruit » se mélangent à des signaux CC conduits le long du câblage de signal, les résultats sont généralement indésirables. Pour cette raison, le câblage d'alimentation et le câblage de signal de bas niveau doivent toujours être acheminés via un conduit métallique séparé et dédié, et les signaux doivent être acheminés via un câble à « paire torsadée » à 2 conducteurs plutôt que via un seul fil et une connexion à la terre :(Figure ci-dessous)

Paire torsadée blindée minimisant le bruit.

Le blindage du câble mis à la terre - une tresse de fil ou une feuille métallique enroulée autour des deux conducteurs isolés - isole les deux conducteurs du couplage électrostatique (capacitif) en bloquant tout champ électrique externe, tandis que la proximité parallèle des deux conducteurs annule efficacement tout élément électromagnétique (mutuellement inductif) couplage car toute tension de bruit induite sera à peu près égale en amplitude et en phase opposée le long des deux conducteurs, s'annulant à l'extrémité de réception pour une tension de bruit nette (différentielle) presque nulle.

Les marques de polarité placées près de chaque portion inductive de la longueur du conducteur de signal montrent comment les tensions induites sont mises en phase de manière à s'annuler les unes les autres.

Le couplage peut également se produire entre deux ensembles de conducteurs transportant des signaux alternatifs, auquel cas les deux signaux peuvent devenir « mélangés » :

Couplage de signaux alternatifs entre conducteurs parallèles.

Le couplage n'est qu'un exemple de la façon dont des signaux de fréquences différentes peuvent se mélanger. Qu'il s'agisse d'un mélange de courant alternatif et de courant continu ou de deux signaux alternatifs mélangés, le couplage de signaux via une inductance et une capacité parasites est généralement accidentel et indésirable.

Dans d'autres cas, les signaux à fréquences mixtes sont le résultat d'une conception intentionnelle ou ils peuvent être une qualité intrinsèque d'un signal. Il est généralement assez facile de créer des sources de signaux à fréquences mixtes. Le moyen le plus simple est peut-être de simplement connecter des sources de tension en série :(Figure ci-dessous)

La connexion en série de sources de tension mélange les signaux.

Certains réseaux de communication informatique fonctionnent sur le principe de la superposition de signaux de tension haute fréquence le long de conducteurs de ligne électrique à 60 Hz, de manière à acheminer des données informatiques le long des longueurs de câblage électrique existantes.

Cette technique est utilisée depuis des années dans les réseaux de distribution d'électricité pour communiquer les données de charge le long des lignes électriques à haute tension. Ce sont certainement des exemples de tensions alternatives à fréquence mixte, dans des conditions délibérément établies.

Dans certains cas, des signaux à fréquences mixtes peuvent être produits par une seule source de tension. C'est le cas des microphones, qui convertissent les ondes de pression atmosphérique à fréquence audio en formes d'onde de tension correspondantes.

Le mélange particulier de fréquences dans le signal de tension émis par le microphone dépend du son reproduit. Si les ondes sonores consistent en une seule note ou tonalité pure, la forme d'onde de tension sera également une onde sinusoïdale à une seule fréquence.

Si l'onde sonore est un accord ou une autre harmonie de plusieurs notes, la forme d'onde de tension résultante produite par le microphone sera constituée de ces fréquences mélangées. Très peu de sons naturels consistent en de simples vibrations d'onde sinusoïdale pure, mais sont plutôt un mélange de différentes vibrations de fréquence à différentes amplitudes.

Fréquences fondamentales et harmoniques

accords musicaux sont produits en mélangeant une fréquence avec d'autres fréquences de multiples fractionnaires particuliers de la première.

Cependant, en cherchant un peu plus loin, nous trouvons que même une seule note de piano (produite par une corde pincée) se compose d'une fréquence prédominante mélangée à plusieurs autres fréquences, chaque fréquence étant un multiple entier de la première (appelée harmoniques , tandis que la première fréquence est appelée la fondamentale ).

Une illustration de ces termes est présentée dans le tableau ci-dessous avec une fréquence fondamentale de 1000 Hz (un chiffre arbitraire choisi pour cet exemple).

Pour une fréquence « de base » de 1000 Hz :

Fréquence Terme 10001e harmonique ou fondamentale20002e harmonique30003e harmonique40004e harmonique50005e harmonique60006e harmonique70007e harmonique

Sur ton

Parfois, le terme « harmonique » est utilisé pour décrire une fréquence harmonique produite par un instrument de musique.

La "première" harmonique est la première fréquence harmonique supérieure à Les fondamentaux. Si nous avions un instrument produisant toute la gamme de fréquences harmoniques indiquée dans le tableau ci-dessus, la première harmonique serait de 2000 Hz (la 2e harmonique), tandis que la deuxième harmonique serait de 3000 Hz (la 3e harmonique), etc.

Cependant, cette application du terme « harmonique » est spécifique à des instruments particuliers.

Il se trouve que certains instruments sont incapables de produire certains types de fréquences harmoniques.

Par exemple, un instrument constitué d'un tube ouvert à une extrémité et fermé de l'autre (comme une bouteille, qui produit du son lorsque de l'air est soufflé à travers l'ouverture) est incapable de produire des harmoniques paires.

Un tel instrument configuré pour produire une fréquence fondamentale de 1000 Hz produirait également des fréquences de 3000 Hz, 5000 Hz, 7000 Hz, etc., mais pas produisent 2000 Hz, 4000 Hz, 6000 Hz, ou toute autre fréquence paire-multiple de la fondamentale.

En tant que tel, nous dirions que la première harmonique (la première fréquence supérieure à la fondamentale) dans un tel instrument serait de 3000 Hz (la 3e harmonique), tandis que la deuxième harmonique serait de 5000 Hz (la 5e harmonique), et ainsi de suite .

Une onde sinusoïdale pure (fréquence unique), étant entièrement dépourvue de toute harmonique, sonne très « plat » et « sans caractéristiques » à l'oreille humaine.

La plupart des instruments de musique sont incapables de produire des sons aussi simples. Ce qui donne à chaque instrument son ton distinctif est le même phénomène qui donne à chaque personne une voix distincte :le mélange unique de formes d'onde harmoniques avec chaque note fondamentale, décrit par la physique du mouvement pour chaque objet unique produisant le son.

Les cuivres ne possèdent pas le même « contenu harmonique » que les instruments à vent et ne produisent pas non plus le même contenu harmonique que les instruments à cordes. Un mélange distinctif de fréquences est ce qui donne à un instrument de musique sa sonorité caractéristique.

Comme tous ceux qui ont joué de la guitare peuvent vous le dire, les cordes en acier ont un son différent de celui des cordes en nylon. De plus, le son produit par une corde de guitare change en fonction de l'endroit où elle est pincée sur sa longueur.

Ces différences de tonalité sont également le résultat d'un contenu harmonique différent produit par des différences dans les vibrations mécaniques des pièces d'un instrument.

Tous ces instruments produisent des fréquences harmoniques (multiples entiers de la fréquence fondamentale) lorsqu'une seule note est jouée, mais les amplitudes relatives de ces fréquences harmoniques sont différentes pour différents instruments. En termes musicaux, la mesure du contenu harmonique d'un ton est appelée timbre ou couleur .

Les sons musicaux deviennent encore plus complexes lorsque l'élément résonnant d'un instrument est une surface bidimensionnelle plutôt qu'une corde unidimensionnelle.

Les instruments basés sur la vibration d'une corde (guitare, piano, banjo, luth, dulcimer, etc.) ou d'une colonne d'air dans un tube (trompette, flûte, clarinette, tuba, orgue à tuyaux, etc.) ont tendance à produire des sons composé d'une seule fréquence (la « fondamentale ») et d'un mélange d'harmoniques.

Les instruments basés sur la vibration d'une plaque plate (tambours en acier et certains types de cloches), cependant, produisent une gamme de fréquences beaucoup plus large, non limitée à des multiples entiers de la fondamentale. Le résultat est un son distinctif que certaines personnes trouvent acoustiquement offensant.

Comme vous pouvez le voir, la musique offre un riche domaine d'étude pour les fréquences mixtes et leurs effets. Les sections ultérieures de ce chapitre feront référence aux instruments de musique en tant que sources de formes d'onde pour une analyse plus détaillée.

AVIS :

• Une sinusoïdale forme d'onde est une forme exactement comme une onde sinusoïdale.
• Un non sinusoïdal la forme d'onde peut aller d'une forme d'onde sinusoïdale déformée à quelque chose de complètement différent comme une onde carrée.
• Les formes d'onde à fréquences mixtes peuvent être créées accidentellement, intentionnellement ou simplement exister par nécessité. La plupart des sons musicaux, par exemple, ne sont pas composés d'une seule onde sinusoïdale, mais sont de riches mélanges de différentes fréquences.
• Lorsque plusieurs formes d'onde sinusoïdale sont mélangées (comme c'est souvent le cas en musique), l'onde sinusoïdale de fréquence la plus basse est appelée fondamentale , et les autres ondes sinusoïdales dont les fréquences sont des multiples entiers de l'onde fondamentale sont appelées harmoniques .
• Un harmonique est une harmonique produite par un appareil particulier. La "première" harmonique est la première fréquence supérieure à la fondamentale, tandis que la "seconde" harmonique est la fréquence immédiatement supérieure produite. Les harmoniques successives peuvent correspondre ou non à des harmoniques incrémentales, selon l'appareil produisant les fréquences mixées. Certains appareils et systèmes ne permettent pas l'établissement de certaines harmoniques, et donc leurs harmoniques n'incluraient que certaines (pas toutes) fréquences harmoniques.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les signaux à fréquence mixte
• Fiche de travail sur l'inductance mutuelle