D9 Mesure du bruit et des signaux faibles

Topique

Mesurer des signaux extrêmement faibles, noyés dans un bruit de fond bien plus intense que le signal d'intérêt, est l'une des tâches les plus exigeantes en électronique de précision. Le bruit total affectant une chaîne de mesure combine les mêmes sources d'origines physiques différentes décrites par le modèle de bruit électronique : bruit thermique, bruit de grenaille, bruit basse fréquence, ainsi que des interférences externes. Ces sources de bruit ne se combinent pas par addition directe, mais de manière statistique, ce qui atténue l'effet global par rapport à une simple somme.

L'amplificateur de détection synchrone est de loin l'instrument le plus performant pour extraire un signal faible noyé dans le bruit : il multiplie le signal reçu par une fréquence de référence identique à celle du signal d'intérêt, puis filtre le résultat avec une bande passante extrêmement étroite, en utilisant la même fréquence de coupure que celle décrite par le modèle d'analyse fréquentielle. On obtient ainsi des améliorations du rapport signal/bruit de plusieurs ordres de grandeur par rapport à une mesure directe sans cette technique. Plus la bande passante finale est étroite (ce qui implique un moyennage sur une période plus longue), plus l'amélioration est importante, au prix toutefois d'un temps de mesure plus long. Une mise à la terre correcte est tout aussi cruciale pour les mesures de précision : à des fréquences suffisamment élevées, même un court fil de terre cesse d’être une connexion idéale et présente une impédance notable – cette même transition vers un comportement de ligne de transmission décrite dans le modèle correspondant de ce catalogue – pouvant créer des boucles de masse et introduire du bruit indésirable dans la mesure. Le blindage électromagnétique, généralement réalisé à l’aide d’un boîtier métallique entourant le circuit sensible, atténue l’influence des champs électromagnétiques externes qui, autrement, perturberaient le signal.

C’est pourquoi ce module, qui commence par une combinaison statistique des sources de bruit, se termine par une dernière innovation concernant le détecteur synchrone : les techniques de modulation, qui convertissent délibérément un signal continu en un signal alternatif à une fréquence connue – reprenant ainsi la modulation déjà décrite par le modèle de communications électroniques, appliquée ici non pas à la communication mais à la mesure – permettent d’exploiter pleinement le potentiel de cet instrument, même lors de la mesure de grandeurs initialement constantes dans le temps.

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