électricité (PCSI) · Chapitre 6 · Application directe du cours
Du diagramme de Bode à la sortie : une somme de trois sinusoïdes
Filtrage linéaire · niveau 2
Énoncé
On relève expérimentalement le gain et la phase d'un filtre inconnu :
1) Identifier la nature et l'ordre du filtre, sa fréquence de coupure, et proposer une forme de . Le réaliser avec un condensateur de : quelle résistance, et comment les brancher ?
2) Tracer l'allure du diagramme de Bode asymptotique (gain et phase). Où l'écart entre courbe réelle et asymptotes est-il maximal pour le gain, et que vaut-il ?
3) On applique (en volts, en secondes). Déterminer la sortie . Sur quelle propriété repose ce calcul ?
4) Le terme à est un parasite. Comparer son importance relative en entrée et en sortie. Pourquoi la sortie n'est-elle pas simplement « l'entrée sans parasite » ?
5) On voudrait réduire le parasite à 1 % de l'amplitude de la composante à , avec un filtre de même type. Quelle fréquence de coupure faut-il, et quel en est le prix ?
Corrigé
1) Identification. Le gain vaut () en basse fréquence et décroît de par décade au-delà de (de à entre et ) : c'est un passe-bas, et la pente de par décade en fait un ordre 1. La fréquence de coupure est celle où et , deux lectures concordantes : . La phase va de à , comme celle de
Chaque valeur du tableau se retrouve : à , , soit , et .
Réalisation. Le passe-bas RC du cours : la résistance en série, puis le condensateur, la sortie prise aux bornes du condensateur. Avec :
Homogénéité : est un temps (), donc est bien une fréquence.
2) Le diagramme asymptotique. En gain : une demi-droite horizontale à jusqu'à , puis une demi-droite de pente par décade issue du point . En phase : en basse fréquence, en haute fréquence, et la valeur en . L'écart de gain est maximal au coude, en , où la courbe réelle passe à sous l'intersection des asymptotes ; il n'est plus que de une décade plus loin, de part et d'autre.
3) La sortie. Le filtre est linéaire : la sortie d'une somme est la somme des sorties (principe de superposition), et chaque sinusoïde ressort à la même fréquence, multipliée par le gain et décalée du déphasage à cette fréquence. On traite donc les trois termes séparément.
- Le continu () : , il passe intégralement : .
- La raie à : gain , phase : amplitude .
- La raie à : gain , phase : amplitude .
4) Le parasite. En entrée, le parasite vaut un tiers de la composante à ; en sortie, . Il a été réduit d'un facteur dix — c'est exactement le gain d'un ordre 1 une décade au-dessus de sa coupure. Mais le filtre a aussi déphasé la composante utile de (un retard de ) : un filtre réel agit aussi sur les fréquences qu'on veut garder.
5) Le cahier des charges. Il faut que . La résolution numérique de cette condition donne . Le prix est immédiat : la raie à n'est plus qu'à de son amplitude et elle est déphasée de . Un ordre 1 sépare mal deux fréquences distantes de deux décades seulement, parce que sa pente est douce ; un ordre 2, de pente par décade, ferait le même travail en laissant la composante utile presque intacte.
Ce que l'exercice installe. Un relevé de Bode suffit à identifier un filtre d'ordre 1 (pente, et au même point). Et la sortie pour une entrée composite se calcule raie par raie : c'est la linéarité, et rien d'autre, qui l'autorise. On n'oublie jamais la phase.
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