PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE PROJET ANALOGIQUE 1ER TRIMESTRE TS1 EN CASQUE INFRAROUGE DEFINITION DU PROJET. L'utilisation d'un casque audio associé à différentes sources sonores non transportables (ex: télévision, chaîne HI-FI etc...) pose des problèmes de confort d'utilisation. En effet la liaison filaire est souvent pénible, elle occasionne une gêne permanente en limitant les mouvements à une distance extrêmement courte (1 ou 2m). Le casque infrarouge apporte alors l'avantage de supprimer toute liaison matérielle entre l'émetteur et le récepteur. La distance étant toutefois limitée (environ 6 à 7m pour les versions commercialisées). Ce projet débouchera donc à l’étude et à la réalisation de deux objets technique par deux équipe différentes (Un émetteur et un récepteur). PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT. Le principe fait appel à une transmission de type infrarouge entre un émetteur et le récepteur incorporé au casque. La transmission de signaux analogiques par infrarouge nécessite une modulation (Ici on utilisera la modulation de fréquence) (Voir article Electronique Radio Plan N°481). A) ETUDE FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE DE L'EMETTEUR INFRAROUGE (PROJET N°1). (voir schéma fig. 10 p 26 de l’article Radio plan N°481, et schéma structurel de l’émetteur page 7). SCHEMA FONCTIONNEL DE 1ER DEGRE DE L'EMETTEUR. Signal à transmettre V2 Amplification V1 Filtrage de tension passe bande Fp1 Fp2 Préaccentuation des fréquences élevées Fp3 V3 Modulation V4 Diminution du V5 Conversion tension rayonnement de fréquence rayonnement rapport cyclique IR d'une porteuse infrarouge Fp6 Fp5 Fp4 OT 1) ETUDE DE FP1: AMPLIFICATION DE TENSION (SORTIE BROCHE 14 DE U5D). 1a) Etude statique: (En continu, tous les condensateurs de liaisons seront remplacés par des circuits ouverts) a1) Quelle est la structure canonique (Nom courant donné à une structure) réalisée par le montage à ALI U5D en statique ? Attention: Les condensateurs sont enlevés. a2) Calculer le potentiel en statique de la sortie. Justifier la réponse. 1b) Etude dynamique: (Etude pour les signaux variables, tous les condensateurs de liaisons seront remplacés par des courts-circuits, les polarisations continues seront ignorées). b1) Calculer l'amplification de l'étage (V1/Ve). Rem: Le potentiomètre R1 sera supposé à fond. b2) Donner l'expression de la fonction de transfert de FP1 en tenant compte de C3 en entrant sur l'armature () de C3 (on ne tient pas compte de C1 et R1). b3) Quel est le rôle de R5, R6, C6 ? 2) ETUDE DE FP2: FILTRAGE PASSE BANDE. 769798356 PAGE 1 PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE Schéma fonctionnel de FP2 V1 Filtrage passe haut fs21 Vx Filtrage passe bas fs22 V2 Fp2 Etude de fs21 et fs22: 1) Quelles sont les noms des structures canoniques réalisées par les montages à ALI U5C et U5B? 2) Donner l'expression des fonctions de transfert de fs21 et fs22 Ex: T 21 (j.w ) V2 V1 . Remarque: On demande l’expression littérale de chaque fonction de transfert sous la forme canonique. 3) Donner l'expression de 0 , f0 et de m (coefficient d’amortissement ) pour chaque filtre. 4) Mettre les fonctions de transfert sous forme d'un produit de fonction du 1er ordre (si cela est possible). 5) Tracer le diagramme asymptotique de bode en gain de la fonction de transfert de FP2 complète. 6) Effectuer la simulation complète ( gain, phase et impédance d'entrée), des montages à l'aide d’Orcad Pspice. Modifiez si besoin les valeurs de composants pour avoir pour FP2 une bande passante à -3db de 20Hz, 20kHz. 3) ETUDE DE FP3 : PREACCENTUATION DES FREQUENCES ELEVEES. 1) Donner l'expression de la fonction de transfert de FP3. 2) Vérifier avec les valeurs des composants du schéma si la structure répond au gabarit donné fig. 11 p26 de l’article de radio plan N°481. 4) ETUDE DE FP4 : MODULATION DE FREQUENCE D'UNE PORTEUSE. 1) A l'aide de la documentation fournie du circuit 4046, expliquez de manière qualitative le principe de la modulation de fréquence par utilisation d'un VCO (voltage control oscillator). Donner la fréquence centrale de travail du VCO (Voltage control oscillator), en vous aidant de la documentation RTC. Donner la déviation de fréquence possible. Remarque: en cas de présence d'éléments ajustables, on donnera les plages de réglage. 2) Effectuer sur plaque d'essais la manipulation jointe en annexe 1 sur la modulation de fréquence. 5) ETUDE DE FP5 : DIMINUTION DU RAPPORT CYCLIQUE. 1) A l'aide des documents fournis (article radio plan N°481) justifiez la présence de la fonction FP5. 2) A l'aide de la documentation constructeur du 4017, établir les chronogrammes des signaux VQ1 (broche 2) et VQ5 (broche 1) du circuit U2 (4017). 769798356 PAGE 2 PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE 6) ETUDE DE FP6 : CONVERSION TENSION RAYONNEMENT INFRAROUGE. 1) Etudiez la structure de FP6 sans le condensateur C30. Montrez que l’ensemble R30, Q1, Q2, R32, D4, D5 réalise un générateur de courant commandé par le signal V5. 2) Vérifiez en simulation à l’aide de PSPICE, le fonctionnement du générateur de courant en utilisant une charge résistive variable (utilisation d’un paramètre). On placera en V5 un générateur (Stimuli) reproduisant au mieux le signal V5 étudié précédemment. 3) Ajouter le condensateur C30 et ajustez en simulation sa valeur pour obtenir des commutations rapide du courant dans la charge. Prendre cette fois une charge R fixe et paramétrez la valeur du condensateur C30. 4) Cherchez des documentations sur les diodes émettrices infrarouge, et exploitez ces documentations pour obtenir le courant maximum (crête) et le courant moyen (maximum permanent) que l’on peut utiliser pour obtenir une portée maximum de l'émetteur. Modifiez éventuellement R32 en conséquence. 5) Faire un bilan de puissance dans chaque élément (Transistor, résistance,...), et déterminez le choix de puissance des résistances, et ajoutez éventuellement des radiateurs aux transistors. B) ETUDE FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE DE LA RECEPTION INFRAROUGE (PROJET N°2). Voir schéma structurel du récepteur fourni et l’article Radio Plan (figure 12 page 27). Attention: Sur l’article de radio plan, la nomenclature des CI sur la partie récepteur est fausse. Se reporter aux explications dans le texte pour retrouver IC1 à IC4. De plus il faudra analyser le schéma structurel (Radio plan) avec un oeil critique. Celui-ci comportant quelques oublis ou erreurs: masse ou alimentation de circuits). SCHEMA FONCTIONNEL DE 1ER DEGRE DU RECEPTEUR. rayonnement IR V1 Amplification Conversion IR tension et amplification contrôlée de tension (c.a.g) Fp2 Fp1 V2 Filtrage et Démodulation V3 V4 Amplification de désaccentuation des Signal à de fréquence puissance fréquences élevées transmettre Fp3 Fp5 Fp4 OT 1) ETUDE DE FP1 : CONVERSION IR TENSION ET AMPLIFICATION A GAIN CONTROLEE. 1) Etudiez la documentation du SL486 de GEC PLESSEY, et localisez les différents étages d’amplification à gain variable sur le schéma fonctionnel de ce circuit. Remarque: La documentation est disponible au format pdf pour insertion d’éléments (textes ou graphiques) dans votre dossier. 2) Localisez la fonction “détection crête et contrôle automatique de Gain”. Remarque: Le contrôle Automatique de Gain est appelé CAG en français ou AGC en anglais. Donnez un schéma fonctionnel simplifié à un seul étage d’amplification pour un tel contrôle, et expliquez en quoi l'amplification du montage est contrôlée. 2) A l'aide de la documentation constructeur, explicitez le rôle des condensateurs reliés aux broches 5, 6, 15, 8 (composants annexes au circuit SL486). 769798356 PAGE 3 PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE 2) ETUDE DE FP2 : AMPLIFICATION DE TENSION. a) Etude statique (En continu, tous les condensateurs seront remplacés par des circuits ouverts). a1) Quelle est la structure canonique réalisée par le montage à ALI U2A. a2) Calculer le potentiel de la sortie. Justifier la réponse. b) Etude dynamique simplifiée (Etude pour les signaux variables, tous les condensateurs de liaisons seront remplacés par des courts-circuits, les polarisations continues seront ignorées.) Calculer l'amplification de l'étage c) Etude dynamique complète (tous les condensateurs de liaisons seront rétablis) c1) Donner l'expression de la fonction de transfert de FP2. c2) Tracer les diagrammes asymptotiques de bode en gain et en phase de cette fonction de transfert. c3) Effectuer la simulation complète du montage à l'aide de Pspice utilisé en analyse Harmonique. c4) Le signal V1 est un signal qui ressemble au signal V5 de l’émetteur mais dont l’amplitude crête à crête est de l’ordre de 0,5V (f=100kHz, rapport cyclique 20%). Déduire de l’analyse Harmonique en simulation, le choix de la structure amplificatrice, et critiquez le choix de l’ALI utilisé en comparant par rapport à la documentation de cet ampli. c5) Effectuer la simulation du montage à l'aide de Pspice utilisé en analyse transitoire, en cherchant à générer un signal d’entrée (V1) conforme à la question c4 précédente. 3) ETUDE DE FP3 : DEMODULATION DE FREQUENCE. 1) A l'aide de la documentation fournie sur le 4046 expliquez de manière qualitative le principe de la démodulation de fréquence par "boucle à verrouillage de phase". 2) A l'aide de la documentation constructeur du circuit 4046 : - Donnez la fréquence centrale de travail du VCO (Voltage control oscillator). - Donnez la déviation de fréquence possible. Remarque: en cas de présence d'éléments ajustables, on donnera les plages de réglage. 3) Effectuer sur plaque d'essais la manipulation jointe en annexe 1 sur la modulation de fréquence. 4) ETUDE DE FP4 : FILTRAGE ET DESACCENTUATION DES FREQUENCES ELEVEES. V3 Filtrage passe bas Désaccentuation des fréquences fs41 Va élevées fs42 V4 Fp4 Schéma fonctionnel de FP4. Etude dynamique complète de fs41 1) Quelle est le nom de la structure canonique réalisée par le montage à ALI U2B? 2) Calculez l'expression de la fonction de transfert de fs41, et la mettre sous la forme canonique. 3) Donnez l'expression de w0 , f0 et de m (coefficient d’amortissement). 4) Mettre la fonction de transfert sous forme d'un produit de fonction du 1er ordre (si cela est possible). 5) Tracer le diagramme asymptotique de bode en gain de cette fonction de transfert. 6) Effectuer la simulation complète ( gain, phase et impédance d'entrée) du montage à l'aide de Pspice. Etude de fs42. Montrer que le choix des composants de fs42 est judicieux, pour compenser la préaccentuation mise en oeuvre sur l'émetteur. Justifiez la présence de U2C. 5) ETUDE DE FP5 : AMPLIFICATION DE PUISSANCE. 769798356 PAGE 4 PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE 1) Donnez le nom de la structure composée de Q1 et Q2. Représentez son schéma simplifié en enlevant R18, R19, R20 et R21, et en court circuitant D1 et D2. 2) Etudiez le fonctionnement de cette structure simplifiée en plaçant en entrée un signal sinusoïdal d’amplitude 3V à une fréquence de 1 kHz puis de 10kHz en série avec un générateur continu de VDD/2. On remplacera le haut parleur par une résistance de 8. Conclure sur la forme d’onde en sortie (déformation appelée distorsion de croisement ou distorsion de raccordement). 3) Ajoutez l’ampli U2D associé à ses composants. L’entrée se fera sur l’armature - du condensateur C18. On rajoutera les résistance R20 et R21 (mais pas R18, R19, D2, D3). On diminuera l’amplitude du générateur d’attaque pour éviter toute saturation et on enlèvera le générateur VDD/2 en justifiant ces modifications. Constatez et justifiez l’amélioration. Et montrez les défauts. 4) Ajoutez les diodes D2, D3, et les résistances R18 et R19. Procédez aux mêmes simulations. Comparez et déduisez en le rôle des diodes D2 et D3 en expliquant le principe. 5) Donner l'expression de la fonction de transfert de FP5, et vérifiez en simulation AC. C) FABRICATION ET ESSAIS. Il s'agit de réaliser un prototype du casque infrarouge en 2 projets réunis (émetteur et récepteur). Pour chaque projet, on demande: „ 1 - Essais sur plaques LAB-DEC des fonctions non simulables, avec description des essais (relevés précis avec conditions de mesure). „ 2 - Etude en CAO, saisie du schéma structurel à l'aide du logiciel “Orcad Capture” , puis routage du circuit imprimé à l'aide du logiciel “Layout”. Saisie des empreintes manquantes à l'aide du logiciel “Orcad Layout”. Impression des masques d'insolation, du schéma d'implantation et de la nomenclature. „ 3 - Réalisation de la carte (émetteur ou récepteur). „ 4 - Essais de la carte, avec description des essais nécessaires pour la mise en conformité du prototype. „ 5 - Définition des caractéristiques complètes de l'appareil terminé (ensemble des deux cartes). „ 6 - Conclusions, problèmes rencontrés et propositions d'améliorations. „ 7 - Un compte rendu de l'étude et de la réalisation. D) DOCUMENTS JOINTS: Article Radio Plan N°481 (Ensemble de transmission IR large bande). Documentation GEC PLESSEY, sur le SL486 (document SL486NADP.pdf). Documentation sur la boucle à verrouillage de phase 4046 (documents RTC). Manipulation sur la boucle à verrouillage de phase (4046). E) REDACTION D’UN DOSSIER DACTYLOGRAPHIE. Chaque binôme devra respecter le planning fourni. Le dossier compte-rendu de projet final devra obligatoirement être dactylographié, afin d’apprendre à maîtriser les outils informatiques (traitement de texte avec fusion de courbes et données diverses). 769798356 PAGE 5 PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE Il contiendra obligatoirement les points suivants : „ - Un sommaire avec pagination. Chaque page (à la suite du sommaire) doit être numérotée, et le sommaire doit indiquer les numéros des pages importantes (début de chaque chapitre). „ - Une introduction avec une présentation du projet. „ - Une présentation fonctionnelle succincte. „ - L'étude structurelle complète avec les calculs théorique, la détermination des composants discrets (1 calcul de puissance pour les résistances, transistors...), les simulations, chronogrammes et explications. „ - Les schémas saisis sur ORCAD. „ - Les documents de fabrication des différentes cartes (Typons, implantation, nomenclature). „ - Le compte-rendu d'essais, avec des relevés précis (caractéristiques diverses, oscillogrammes...). „ - Le planning réel des séances de projet, avec l'avancement réel des travaux. „ - Les conclusions, les critiques (propositions d'amélioration), et une bibliographie des recherches effectuées sur le sujet. Rappel: Tout dossier doit être organisé, avec des titres, des chapitres. Les photocopies des documents constructeurs utilisés seront placées en annexes à la fin du dossier s’il sont indispensables. Attention: Il est préférable de joindre un extrait de documentation constructeur (copié, collé d’un extrait de fichier PDF) en précisant la référence précise pour pouvoir consulter la documentation complète (Ex: Extrait du fichier 721.pdf sur les diodes Zener de chez Thomson. Voir CD SGS-Thomson ou Site internet http://us.st.com/stonline/products/index.htm). F) PLANNING: „ Etude théorique et simulation. „ Saisie de schéma pour le routage. „ Fin de la rédaction du dossier 1ère partie sur l’étude théorique et simulation „ Dossier 1ère partie rendu. Routage, tirage des typons et gravure chimique du circuit imprimé. „ Câblage, essais, modifications et mise en conformité par rapport au cahier des charges. Relevés de mesure et rédaction d’un compte rendu de mesure avec relevés réels. „ Dernières finitions et remise du compte rendu final. „ Préparation Exposé oral avec transparents et présentation Power Point. „ Exposé Oral des projets. 769798356 PAGE 6 PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE CASQUE INFRAROUGE SCHEMA STRUCTUREL DE L'EMETTEUR. FP1 : Amplification en tension J1 FP2 : Filtrage passe bande FP3 :Préaccentation fréquences élevées VDD VDD RCA JACK 1 Ve + C1 10u/16V 2 U5D R3 C3 + R1 10u/16V 10k 10k PAH VDD R5 10k 12 + 13 - 14 C7 0.1u LM324 R7 10 + 9 - 0.1u 8 V2 LM324 R8 47u/16V R12 R11 10k U5C C8 V1 VDD + C11 R9 22k VDD/2 U5B 10k C9 C10 1n 1n 5 6 VDD/2 7 + - R13 C12 680p LM324 3 2 U5A 1 + - 8.2k V3 LM324 R14 100k VDD/2 10k R10 100k R15 22k +C5 47u/16V 100k R6 + C6 10k 10u/16V FP4 : Modulation de fréquence d'une porteuse FP5 :Diminution du rapport cyclique U1 1 2 13 3 CIN 4 VCOUT 14 SIN 6 CX PP P1 P2 V4 C14 47p V3 9 VCOIN 10 15 DEMO ZEN FA : Alimentation régulée J2 U4 1 2 LM7812 VI CON2 + C19 C18 100n 220uF/25V 4046 +12V +15V C13 33p 7 CX 5 INH 11 R1 12 R2 VDD R16 R17 22k 27k VDD 1 2 R21 10k U3A & 4011 R20 VO R18 22 GND + C17 C15 + 10k PAH + C16 R19 10k PAH 3 U2 CTRDIV 10 DEC 0 3 2 1 4 13 2 7 & + 3 10 14 4 1 5 5 6 6 7 9 15 CT=0 8 11 9 CT 5 12 4017 V5 5 6 U3B & 4 4011 47u/16V 47u/16V 100u/16V FP6 : Conversion Tension -> IR D3 V5 C30 33pF R30 33k Q2 2N2222 D4 1N4148 D5 1N4148 CASQ_IR3.LWP PAGE 7 D2 D1 +12V Q1 2N2222 R32 1 DOCUMENT ELEVE PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE CASQUE INFRAROUGE SCHEMA STRUCTUREL DU RECEPTEUR. FP1 : Conversion IR->Tension - CAG FP2 : Amplification en tension FP3 : Démodulation de fréquence VCC1 VCC1 + C1 10u BPW41 D1 C3 U1 7 4 DC DA GC2 VCC1 VCC0 9 GC1 VOUT 2STD 4STD 11 AGC/STD S/OUT S/IN 1STD RIN VEE VEE0 14 13 SL486 1 16 2 3 5 6 8 10 15 12 + 47u/10V C4 33n R1 47 C5 47n +C6 10u 3 4 VCC0 + 4.7u/10V C2 VCC0 U3 R2 33k VCC0 C8 C7 150n 15n VCC0 4 R23 15k C9 V1 14 1 11 TL084 680p R3 3.3k C10 6 C22 U2A 2 3 + 100n R32 15k V2 1 PP 2 P1 13 P2 CIN VCOUT SIN R8 47k CX R4 7 5 CX 11 INH 12 R1 R2 R6 15k 12k P1 P2 VCOIN R30 9 10 DEMO 15 ZEN 4046 R9 2.2k C13 1.5n 10k C31 C30 12n VDD 4.7n V3 22k 100p 10k FP4 : Filtrage et désaccentuation des fréquences élevées FP5 : Amplification de puissance C15 R10 100p R11 V3 VDD R12 6 5 + 150k 150k U2C U2B 7 47k 10 + 9 - C16 TL084 TL084 1.5n C14 100p VDD 8 VDD R18 C17 V4 R16 10k + 10u U2D C18 P3 10k J1 CASQ_IR3.LWP LM7805 VDD +9V 1 2 C11 + C12 VI CON2 10n 47u 10u R14 + VCC0 VO 12 + 13 - 4.7k C19 10u FA : Alimentation régulée 5V 3.3k TL084 + R17 10k 14 D2 1N4148 1N4148 D3 R15 R19 1Meg + C21 47u Q1 2N1711 R20 10 R21 10 Q2 2N2905 C20 + VS LS1 220u SPEAKER 3.3k R22 GND 12k PAGE 8 DOCUMENT ELEVE PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE CASQ_IR3.LWP PAGE 9 PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE CASQ_IR3.LWP PAGE 10 PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE CASQ_IR3.LWP PAGE 11 PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE CASQ_IR3.LWP PAGE 12