# Exemples de travaux pratiques d'électronique en BUT2 GEII sur le conditionnement et l'acquisition de données

Marc Le Roy, Paul Laurent, Lana Damaj, Stéphane Girod, Pierre-Marie Martin

► To cite this version:

Marc Le Roy, Paul Laurent, Lana Damaj, Stéphane Girod, Pierre-Marie Martin. Exemples de travaux pratiques d'électronique en BUT2 GEII sur le conditionnement et l'acquisition de données. 16 colloque de l'Enseignement des Technologies et des Sciences de l'Information et des Systèmes (CETSIS 2025), Laboratoire Procédés Matériaux et Énergie Solaire (PROMES-CNRS), le laboratoire Espace-Dev et la faculté des sciences (UFR SEE) de l'Université de Perpignan, Jun 2025, Perpignan, France. hal-05141560

HAL Id: hal-05141560

https://hal.univ-brest.fr/hal-05141560v1

Submitted on 3 Jul 2025

HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of sci-
entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
# Exemples de travaux pratiques d'électronique en BUT2 GEII sur le conditionnement et l'acquisition de données

Marc Le Roy<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, Paul Laurent<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, Lana Damaj<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, Stéphane Girod<fnref n="1" />, Pierre-Marie Martin<fnref n="1" />,<fnref n="2" />
Marc.LeRoy@univ-brest.fr

**RESUME** : Cet article présente un ensemble de maquettes pédagogiques matérielles simples et les schémas de simulations correspondant sous LT-SPICE pour l'enseignement de l'électronique de conditionnement et d'acquisition de données en BUT2 au département GEII (Génie Electrique et Informatique Industrielle) de l'IUT de Brest-Moraix. Ces maquettes matérielles et logicielles ont majoritairement été développées et réalisées spécifiquement pour le nouveau programme national du BUT GEII (PN GEII de 2022) pour l'enseignement des travaux pratiques du module (resource) d'Electronique de tronc commun du semestre 3, ainsi que pour le module électronique de spécialité ESE (Electronique et Systèmes Embarqués) de S3. Les mots clés de ces modules portent sur l'implantation d'une chaîne de conditionnement, d'acquisition et de numérisation puis de restitution d'un signal analogique. Les étages les plus importants de cette chaîne de conditionnement/acquisition (i.e. amplification différentielle, filtrage actif, échantillonnage, CAN-CNA, analyse spectrale...) sont donc étudiés par tous les étudiants dans la partie tronc commun. Puis les étudiants ayant choisi le parcours ESE vont mettre en pratique d'autres notions complémentaires : oscillateurs, PLL, transposition en fréquence, analyse spectrale avancée (THD, signaux modulés...), pour finir par une séance de travaux pratiques entièrement sous LT-SPICE reprenant l'ensemble de ces étages sur un cas concret applicatif de conditionnement, de numérisation et de transmission de données. L'ensemble de ces manipulations a été organisé de manière à mettre en pratique et à illustrer les cours/TD et pour permettre un alignement pédagogique structuré pour que les étudiants possèdent un bagage théorique et pratique correspondant aux projets-SAÉ (Situation d'Apprentissage et d'Évaluation) proposés en BUT2.

**Mots clés** : travaux pratiques, BUT GEII, électronique, conditionnement du signal, acquisition et numérisation du signal

# 1 INTRODUCTION

La réforme du BUT, dont la mise en œuvre a débuté en 2021, et plus particulièrement les échanges nationaux qui ont précédé pour définir le programme national (PN) du GEII dans le domaine de l'électronique et des systèmes embarqués (ESE), ont permis de redéfinir les ressources (cours, TD, TP) associées aux développements des compétences de la spécialité. Ces échanges nationaux, puis au sein du département GEII de Brest ont débouché sur la mise en œuvre d'un réalignment pédagogique des ressources pour bâtir un socle théorique et pratique (AAV : Acquis d'Apprentissage Visés) pour permettre aux étudiants de maitriser les prérequis nécessaires à la mise en œuvre de projets et SAÉ en électronique embarquée. Ce réalignment pédagogique a été structuré pour permettre le développement des quatre compétences, concevoir, vérifier, maintenir et implanter qui se basent sur l'apprentissage de savoir-faire et savoir-agir complexes qui s'appuient sur des savoirs académiques. Les thématiques du tronc commun de S3 (ELN3-TC) du nouveau PN GEII portent sur l'interfaçage, le conditionnement et le traitement analogique des signaux, puis la numérisation et la restitution [1] (R3.08, alors que celles du module d'électronique spécialisée ELN3-ESE [1] (R3.ESE.15) ciblent, entre autres, les oscillateurs, la PLL (Phase-Locked Loop), la DDS (Digital Direct Synthesis), un complément sur les CAN/CNA, l'échantillonnage, la FFT, etc.

Pour que les séances de travaux pratiques suivent ces thématiques et garantissent l'alignement pédagogique entre ressources et projets, plusieurs nouvelles maquettes ont été conçues en interne en anticipant le développement de liens avec les ressources et les SAÉ (simulations sous LT-Spice, préparation de TP retenant des parties/suites de TD, même notation, fiches résumés utiles aux TP...). Ces séances de travaux pratiques comportent ainsi quasi-systématiquement des simulations sous LT-Spice (certains schémas étant mis à disposition des étudiants en dehors des TP) pour faciliter la compréhension et l'interprétation des mesures, voire pour leur permettre une réutilisation.

La section 2 de cet article détaille le contexte pédagogique et l'organisation en cours/TD et surtout des travaux pratiques pour les parties tronc commun et spécialités ESE de l'électronique en S3. Dans la section 3, quelques exemples de manipulations matérielles et logicielles pour la partie tronc commun (ELN3-TC) sont présentés sur la base de maquettes développées au sein du département GEII. Dans le paragraphe 4, une séance particulière de travaux pratiques sera majoritairement mise en avant car elle reprend les étapes principales du conditionnement du signal, de conversion et de transmission. La dernière section décrit les retours et ressentis de nos étudiants sur ces manipulations et sur l'organisation de ces 2 modules en vue de les faire évoluer.

<footnote n="1">¹IUT de Brest, Département GEII, Rue de Kergoat, Brest</footnote>

<footnote n="2">²Univ Brest Lab-STICC, UMR 6285, CNRS, Brest</footnote>
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Fig 1 : structuration du module d'électronique tronc-commun de S3 (ELN3-TC)</figcaption></figure>

# 2 ORGANISATION DES MODULES D'ELECTRONIQUE DE S3

## 2.1 Structuration des modules ELN3-TC et ESE

Le module de tronc commun (ELN3-TC) est découpé en trois parties (A, B et C) [2] comportant les étages classiques d'une chaîne d'acquisition (figure 1) de façon à rendre le signal issu d'un capteur (pont de Wheatstone, capteurs industriels, micros, électrodes...) exploitable par les équipements électroniques de mesure, de commande ou de traitement du signal. La partie A cible une partie analogique de conditionnement telle que les amplificateurs différentiels, d'instrumentation, le passage en mono-alimentation des AOP, le filtrage actif, etc. La partie B porte sur l'échantillonnage-blocage, la quantification, les CAN et CNA et la restitution ; alors que la partie C propose une introduction à la modulation/démodulation, en commençant par une simple transposition en fréquence étendue à une initiation aux modulations numériques sur fréquences porteuses (OOK, ASK, QAM).

Le module ELN3-TC comporte 3h de CM, 14h de TD et 12h de TP structurés en 6 séances de 2h par binômes sous forme de TP fixes. Chaque heure de CM est dédiée à une introduction de chaque partie pour présenter les concepts généraux et le vocabulaire. Des pastilles vidéo des cours sont disponibles sous moodle pour les étudiants pour leur permettre de revoir les parties vues en CM et de visionner les éléments survolés en CM. Des évaluations d'entrainement sur moodle, obligatoires mais non notées, sont positionnées à la fin de chaque partie vue en TD afin d'inciter les étudiants à voir les vidéos et pour les préparer à des évaluations individuelles notées (sans document) réalisées à la séance de TD suivante. En plus des documents papiers ou pdf sous moodle de cours et de TD mis à disposition des étudiants, des résumés A4 ou A3-livrets en couleur leur sont distribués pour chaque partie du cours. Le choix de TP fixes (non-tournants) a été fait pour permettre une meilleure coordination dans le temps des TD et TP mais a nécessité la création d'un minimum de 8 maquettes pour chaque manipulation (entre 12 et 16

étudiants par groupe de TP). Les TP comportent tous une petite évaluation individuelle notée de 10 min en fin de séance et un document type pour les comptesrendus leur est fourni qui les guide également en ciblant les mesures ou manipulation les plus importantes du TP.

Pour les étudiants du parcours ESE, ce module est complété par le module ELN3-ESE organisé à nouveau en 3 parties : A-Oscillateurs, B-PLL et C-Compléments sur les CAN-CNA (types et architectures des convertisseurs, synthèse numérique directe (DDS)) répartis sur 14h de cours/TD par petits groupes et de 18h de TP tournants (6 séances de 3h). La même organisation est mise en place, i.e. très peu de cours magistraux, des vidéos, du cours/TD, des QCM d'entrainements sur moodle et des évaluations papiers ensuite en séances de TD. A nouveau des comptesrendus types sont fournis aux étudiants avec une partie préparatoire développée pour permettre de faire un lien fort entre TD et TP et les TP comportent une évaluation individuelle en fin de séance. Pour ces TP, de nouvelles maquettes ont également été développées mais le coût important de certains matériels (e.g. analyseur de spectre) a imposé la mise en œuvre de TP tournants.

Par ailleurs, plusieurs groupes de travail ont été organisés au sein de notre département GEII pour créer les SAÉ des parcours ESE et notamment pour que les étudiants puissent s'appuyer sur les ressources d'ELN3 afin de développer les 4 compétences lors de ces projets. En S3, les étudiants du parcours ESE mènent une vérification puis une conception d'un module d'acquisition et d'analyse de signaux acoustiques sousmarin et en S4 la conception, l'implantation et le test d'une carte PCB pour l'acquisition de données issues d'un capteur (t°, hygrométrie...) et l'interfaçage avec un module LoRa.

## 2.2 Contextualisation

Pour la mise en œuvre des TP des 2 séries de TP d'ELN3, plusieurs contextes possibles ont été envisagés pour illustrer les étages d'une chaîne de conditionnement et d'acquisition : la première idée ciblait des capteurs industriels (pression, compression, ...) utilisant en interne un pont de Wheatstone.
<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Fig 2 : contextualisation (ECG) de mise en œuvre des travaux pratiques</figcaption></figure>

Finalement, c'est un exemple d'acquisition d'un signal d'ECG (électrocardiogramme) qui est mise en œuvre en se basant sur les documentations techniques de divers amplificateurs d'instrumentation (AD620 [3], AD820 [4]), INA128 [5]...) et sur un exemple développé par nos collègues de mesures physiques de l'IUT de Grenoble [6]. La figure 2 illustre ces étapes pour un système d'acquisition multi-voies [7]-[8]. En complément pour la partie C du module (non présenté sur la figure 2) une modulation OOK du signal numérique issu du CAN est obtenue en mélangeant ce signal par une porteuse générée par un oscillateur de Pierce.

## 3 EXEMPLES DE TP DE LA PARTIE ELECTRONIQUE TRONC COMMUN DE S3

Deux maquettes matérielles ont spécifiquement été réalisées suite à la mise en place de ce module : la 1ère s'organise autour d'un amplificateur différentiel à base d'AOP et de deux amplificateurs d'instrumentation. La seconde permet de concevoir et de tester différents filtres actifs. D'autres manipulations, échantillonnage-blocage, CAN-CNA, analyse spectrale/FFT ne seront pas détaillées ici et correspondent à des mises à jour et adaptation de manipulations existant avant la réforme du BUT.

### 3.1 Amplificateurs différentiels et d'instrumentation

A partir de cette maquette présentée à la figure 3 (schéma de la vue TOP Altium), les étudiants vont étudier selon 3 étapes le principe de l'amplificateur d'instrumentation. Pour chaque étape, une notice de table illustre les câblages à réaliser et comporte également les parties essentielles des datasheets des composants. Pour la 1ère étape, les étudiants mesurent à l'oscilloscope les gains différentiel et commun, puis le TRMC (Taux de Réjection du Mode Commun) de l'amplificateur différentiel constitué d'un seul AOP. Pour cette partie pratique, les résistances ont été sélectionnées et appairées pour que la tolérance soit relativement faible. Le fichier LT-Spice présenté à la figure

4 (l'AOP utilisé est un LT6020) permet alors de déséquilibrer ($\Delta R=\pm247\Omega$ autour de 24,7k$\Omega$) le montage pour étudier l'influence de la précision (1%) des résistances $R_1$ et $R_2$ sur le TRMC.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Fig 3 : vue TOP (Altium) de la maquette de la manipulation « Amplificateur d'Instrumentation »</figcaption></figure>

Pour la 2ème partie de ce TP, les 2 amplificateurs non-inverseur sont cablés de manière symétrique sur les entrées de l'amplificateur différentiel pour que les étudiants puissent identifier l'amélioration de l'adaptation d'impédance et la possibilité de faire varier le gain différentiel (par $R_G$) sans modifier les résistances $R_1$ et $R_2$. Pour le même déséquilibre de résistances de 1%, les étudiants estiment par le calcul la légère amélioration du TRMC et compare cette valeur à celle intrinsèque de l'AOP. A tout moment, l'étudiant peut comparer ses résultats de mesure à ceux obtenus par la simulation sous LT-Spice par le biais des fichiers mis à disposition en séance.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Fig 4 : Amplificateur différentiel déséquilibré</figcaption></figure>

Après avoir conclu sur les limitations de ce montage à 3 AOP, les étudiants mesurent les caractéristiques de
2 amplificateurs d'instrumentation intégrés en com-
mençant par l'AD620 pour lequel la mesure des gains
différentiel et commun, puis TRMC est réalisée pour
être comparée aux valeurs des 2 montages à AOP. En-
fin, l'INA217 est utilisé dans un contexte d'un signal
audio issu d'un microphone à sortie différentielle. Ce
signal audio stéréo (G et D) à 2 voies différentielles est
émulé par la carte son d'un PC puis câblé sur les en-
trées de l'INA217. Plusieurs configurations sont à étu-
dier (analyse du son en sortie et étude du même signal à
l'oscilloscope), voies en « opposition de phase » et
bruitées, voies « en phase » et bruitées. Les étudiants
sont ensuite guidés pour conclure sur l'intérêt de si-
gnaux différentiels en présence de bruit.

3.2 Filtrage actif

La maquette d'étude du filtrage actif de la figure 5
montre que 3 architectures de filtrage actif peuvent être
étudiées : 2 filtres Sallen-Key (gain unitaire et gain
réglable par R₁ et R₂) et 1 filtre de Rauch. Un amplifi-
cateur non-inverseur peut également être utilisé en
amont des filtres et un sommateur-inverseur en aval
pour combiner des filtres.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Fig 5: photo de la maquette de filtrage actif</figcaption></figure>

Seuls les filtres de Sallen-Key sont étudiés et les étu-
diants doivent réaliser en étude préparatoire la synthèse
de filtres actifs de Sallen-Key passe-bas et passe-haut
d'ordre 2 en les mettant sous forme canonique. Il leur
est également demandé de vérifier leurs préparations en
amont de la séance grâce à des outils en ligne [9]. La
manipulation leur permet également de vérifier leurs
synthèses par la mesure et par les simulations sous LT-
Spice. En simulation, les étudiants doivent modifier les
schémas fournis à base d'AOP en alimentation double
pour les mettre en œuvre en alimentation simple.

Pour cette manipulation, seul le schéma (notice de
table) du câblage du filtre passe-bas est fourni. Ainsi,
les étudiants sont amenés à créer en mesure et en simu-
lation un filtre passe-bande puis un coupe-bande selon
des gabarits fournis en utilisant respectivement un filtre
passe-bas, un filtre passe-haut et un sommateur inver-
seur. En fin de séance, les étudiants les plus avancés
peuvent modifier sous LT-SPICE des schémas fournis
pour dissocier (DEMUX) deux composantes audios et
écouter les sorties.

4 ILLUSTRATIONS DE TP DE LA PARTIE ELECTRONIQUE DE SPECIA-LITE (ESE)

4.1 Oscillateurs, PLL, compléments CAN/CNA et DDS

Pour les étudiants du parcours ESE, des maquettes os-
cillateurs (adaptées de [10]), PLL, transposition en fré-
quence, CAN/CNA et DDS sont également mises en
place. Concernant la PLL, une nouvelle maquette à
base de 74HC4046 a été créée (figure 6) mais ne sera
pas détaillée ici.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Fig 6: photo de la maquette PLL</figcaption></figure>

4.2 Chaîne de conditionnement et d'acquisition complète sous LT-SPICE

Pour compléter l'étude pratique individuelle des étages
de cette chaîne de conditionnement et d'acquisition,
une manipulation (3h) entièrement sous LT-SPICE a
été créée. Celle-ci reprend le contexte d'acquisition
d'ECG décrit précédemment et très souvent présenté
comme exemple d'application dans les datasheets
d'amplificateurs d'instrumentation (figure 7). Le TP
comporte l'étude de 4 parties : (A) Amplificateur
d'instrumentation non-idéal (TRMC correspondant à
celui du LT6020) pour amplifier le signal différentiel
très faible issu des sondes d'ECG ; (B) Filtrage actif
pour supprimer le résidu mode commun (un parasite
introduit à 50 Hz) ; (C) échantillonnage-blocage et
CAN 6 bits (sorties série et //) ; puis (D) Création de la
porteuse (Oscillateur de Pierce) pour une modulation
en OOK. Le TP porte majoritairement sur de la com-
préhension des principes fondamentaux de chaque
étage avec systématiquement une étude temporelle et
fréquentielle et permet ainsi de faire une synthèse des
différentes parties étudiées indépendamment et de con-
textualiser leurs mises en application.

5 RETOUR DES ETUDIANTS

80 % de nos étudiants de la filière BUT2 ESE ont ré-
pondu à notre questionnaire d'évaluation des modules
ELN3-TC et ELN3-ESE ce qui est un très bon taux de
retour. 80% de ceux qui ont répondu ont bien apprécié
ces enseignements et pensent avoir acquis des savoirs
et savoir-faire utiles. 66 % des étudiants ont particuliè-
rement apprécié les Travaux Pratiques et 69% ont bien
compris l'intérêt de chaque fonctionnalité dans une
chaîne d'acquisition-restitution.
<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Fig 7: Illustration de la chaîne complète de conditionnement et d'acquisition étudiée sous LT-SPICE</figcaption></figure>

La distribution de fiches « résumé » en complément des documents de cours est plébiscitée et les QCM d'entrainement sont globalement jugé utiles. Cependant certains étudiants éprouvent quelques difficultés à assimiler toutes les notions nécessaires à la compréhension et à la préparation des TPs : ils souhaiteraient plus d'heures de TD ou des séances de TD dédiées à la préparation des TP. De manière générale, l'articulation entre CM/TD/TP est bien perçue malgré un nombre d'heures limité. La principale critique qui ressort de ce questionnaire concerne le lien de ces enseignements avec les SAÉ, notamment une difficulté d'alignement dans le temps : par exemple, certains TP peuvent parfois être positionnés après la partie SAÉ correspondante. Les étudiants souhaiteraient également des interventions plus régulières des enseignants d'Electronique dans les modules de SAÉ.

## 6 CONCLUSION

La réforme du BUT et son alignement sur 4 compétences articulées en étapes bien précises (AC : Apprentissages critiques) s'est révélée une opportunité pour réaligner pédagogiquement les contenus des enseignements d'électronique et systèmes embarqués de BUT2 sur ces AC et sur les attendus des professionnels (situations professionnelles définies dans le PN [1]). Une nouvelle structuration des modules ELN3 a été mise en œuvre en contextualisant au maximum les ressources pédagogiques et en modifiant les modes d'apprentissage (QCM d'entrainement, résumés, moins de CM...). De nouvelles maquettes de travaux pratiques d'électronique ont été spécifiquement développées en interne et majoritairement associées avec des simulations LT-Spice mises à la disposition des étudiants lors des séances de TP ou en préparation. Les retours des étudiants (sur 3 promotions de BUT2) sont

positifs. L'alignement pédagogique avec les SAÉ a également été anticipé en amont du déploiement de ces TP mais reste encore à améliorer.

## Remerciements

Un grand merci à Stéphane Girod pour la mise au point de tous ces PCB et une grande partie des fichiers LT-SPICE. Les schémas des maquettes, les fichiers de simulation et les textes des TP sont disponibles sur demande auprès du département GEII de l'IUT de Brest.

## Bibliographie

[1] https://iuthaguenau.unistra.fr/websites/iuthaguenau/documents/BUT/GEII.pdf

[2] M. Le Roy, P. Laurent, P-M. Martin, L. Damaj, IUT Brest-Morlaix, GEII, Cours/TD/TP ELN3 TC et ESE, 2ème année IUT GEII Brest, "Conditionnement, Acquisition, Numérisation et restitution du Signal"

[3] https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad620.pdf

[4] https://www.analog.com/en/products/ad820.html

[5] https://www.ti.com/product/INA128

[6] O. Gallot-Lavallee, J-L. Martin, J. Livingstone, IUT1, Univ. Grenoble-alpes, MP, "Conditionnement de Sinnaux", CM,TD, TP : https://chamilo.univ-grenoble-alpes.fr/courses/IUT1MPHM3301SP/index.php

[7] K. Soundarapandian et M. Berarducci, "Analog Front-End Design for ECG Systems Using Delta-Sigma ADCs", TI, application Report, SBAA160A, 2009, http://www.ti.com/lit/an/sbaa160a/sbaa160a.pdf

[8] C. Kitchin, "A Designer's Guide to Instrumentation Amplifiers, 3rd Edition"

[9] https://tools.analog.com/en/filterwizard/

[10] P.M. Martin, S. Girod, P. Laurent, M. Le Roy, "Maquette pédagogique pour l'enseignement des oscillateurs en électronique analogique", J3eA, 12, 0002, 2013