En une phraseUn ECG mesure l'activité électrique du cœur grâce à des électrodes posées sur la peau. Mon travail : réaliser la partie qui amplifie ce signal minuscule tout en ignorant les parasites, comme le 50 Hz du secteur.
01L'objectif
Chaque quadrinôme réalise le prototype complet d'un électrocardiographe, découpé en fonctions : alimentation, amplification, filtres, réjecteur 50 Hz… Avec mon binôme, nous étions responsables de la fonction F1, le tout premier étage de la chaîne de mesure. Toute la carte est alimentée en 0/5 V, avec une référence de 2,5 V qui sert de « zéro » aux signaux alternatifs.
Signal utile : 0,5 à 5 mV entre les électrodes de la poitrine, superposé à un mode commun (50 Hz du réseau, tension continue des électrodes) bien plus grand. L'amplificateur d'instrumentation MAX4194 amplifie la différence et rejette ce qui est commun aux deux entrées. Sorties : VS_DIFF = 2,5 V + GD·(uD − uG) vers F2, et VMC vers le circuit de retour cheville.
02Ma contribution, étape par étape
Nous avons suivi le cycle en V : partir du besoin, concevoir, réaliser, puis tester chaque fonction avant de l'intégrer avec celles des autres binômes.
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01
Analyse
Cahier d'exigences et vue externe
J'ai défini les entrées et sorties de F1 : deux électrodes et une électrode de référence en entrée, une sortie amplifiée vers le filtre suivant.
Vue externe de F1 : trois entrées, deux sorties, gain différentiel visé de 15,65. -
02
Conception
Dimensionnement avec tolérances
J'ai calculé la résistance qui fixe le gain à partir des valeurs normalisées, puis vérifié l'effet des tolérances des composants : le gain réel doit rester entre 14,90 et 16,47.
⌁ CalculRG = (R1 ∥ R3) + (R2 ∥ R4) = 2 × (33 kΩ ∥ 1,8 kΩ) = 3,414 kΩ
GD = 1 + 50 kΩ / RG = 1 + 50 / 3,414 = 15,65
Les deux 33 kΩ sont imposées par le sujet ; j'ai ajouté les 1,8 kΩ en parallèle pour atteindre la valeur de RG visée avec des valeurs de la série E12, en gardant le montage symétrique.
Schéma de F1 sous KiCad : MAX4194, résistances de gain, points de test et cavaliers. -
03
Simulation
Vérifier avant de souder
J'ai simulé la fonction sous Proteus, puis la chaîne complète pour vérifier que le signal cardiaque ressort bien et que le 50 Hz est éliminé par les étages suivants.
Simulation de la chaîne : à chaque étage, le signal devient plus propre et plus lisible. -
04
Réalisation
Câblage et plans de test
J'ai câblé la fonction sur la carte et préparé un plan de câblage annoté pour chaque test : où brancher le générateur, les sondes et le multimètre.
Plan de câblage que j'ai annoté pour les tests T1 et T2 (gain et bande passante). -
05
Tests unitaires
Cinq tests, une conclusion chacun
Gain, bande passante, plage de mode commun, consommation et témoin de mise sous tension. Pour chacun : objectif, réglages, résultats attendus, mesures et conclusion.
⌁ Fiches de testTest Objectif Résultat T1 Gain différentiel GD 16,15 ± 0,9 – validé (+3,2 %) T2 Bande passante de GD Procédure rédigée T3 Plage de fonctionnement de VMC Procédure rédigée T4 Consommation de l'étage 93 µA typ. (théorique) T5 Témoin de mise sous tension LED ≈ 2,1 mA (théorique) Mesure T1 : Ve = 260 mVcc, Vs = 4,2 Vcc. Incertitude de lecture d'environ ±5 % (résolution 8 bits à 5 V/div). Constat sur la consommation : le témoin consomme vingt fois plus que l'amplificateur ; avec R5 = 4,7 kΩ (≈ 0,7 mA) la LED resterait visible pour une version portable.
03Laboratoire interactif
Essayez par vous-même : changez la résistance d'équilibrage et voyez l'effet sur le gain, la plage due aux tolérances et la mesure réelle.
04Une difficulté, et comment je l'ai résolue
Au premier essai du test T1, la sortie restait figée au lieu d'afficher une belle sinusoïde. Faites glisser le curseur pour comparer avant et après correction.
AVANT · saturéeAPRÈS · GD = 16,15
Le problème
La sortie restait bloquée vers 2,4 V avec seulement de petits creux, au lieu d'une sinusoïde de 4,5 V crête à crête.
L'analyse et la correction
En relisant la datasheet, j'ai compris que l'amplificateur, alimenté en 0/5 V, ne peut pas descendre sous 0 V : mon signal centré sur 0 V était écrêté. J'ai réglé un décalage de 2,5 V sur le générateur et vérifié le câblage de la référence. Démarche consignée dans une fiche de dépannage.
Entrée : sinusoïde de 287 mVcc centrée sur 0 V, donc jusqu'à −145 mV. La plage de mode commun du MAX4194 en 0/5 V va de −0,2 V à 3,9 V et les sorties des amplificateurs internes A1/A2 ne descendent pas sous 0 V : une demi-alternance est écrêtée et la sortie reste au niveau de REF. Correction : offset du GBF à 2,50 V, E_G (J3) relié à +2V5, JP2 en position 1-2, masses communes.
05Ce que j'ai appris
Compétences techniques
- Dimensionner avec des valeurs normalisées et tenir compte des tolérances
- Trouver une limite dans une datasheet (plage de mode commun)
- Utiliser KiCad, Proteus et l'oscilloscope de façon complémentaire
- Écrire des procédures de test reproductibles
Compétences transversales
- Coordonner notre fonction avec celle des autres binômes (intégration F1 → F2)
- Garder une trace rigoureuse dans le cahier de laboratoire
- Garder son calme face à une mesure fausse et chercher la cause avec méthode
Ce qui m'a marqué
Voir la mesure tomber à 3 % du calcul, après avoir corrigé moi-même le problème de saturation, m'a montré que la théorie et la pratique se rejoignent quand on est rigoureux. C'est le projet où je me suis senti le plus à l'aise.