Traitements analogiques de signaux

Julien AUPETIT
Emmanuel COHEN
Cycle ingénieur - 1ere année
Electronique
Micro projet n°1
Traitements analogiques de signaux
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IFIPS - Université Paris-Sud
Maison de l’Ingénieur, Bâtiment 620, 91405 ORSAY CEDEX
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Sommaire 1) Introduction ........................................................................................................................................................................... 3 2) Etage d’entrée ........................................................................................................................................................................ 3 Pont diviseur de tension ............................................................................................................................................................. 3 Test ............................................................................................................................................................................................. 4 Montage suiveur ......................................................................................................................................................................... 4 Amplification du signal .............................................................................................................................................................. 4 Diode (conversion du signal électrique en un signal audio) ....................................................................................................... 5 3) Etage de sortie ....................................................................................................................................................................... 6 Conversion du signal lumineux en un signal électrique ............................................................................................................. 6 Mise en forme du signal attaquant les écouteurs ........................................................................................................................ 6 Test ............................................................................................................................................................................................. 8 Schéma Electrique complet ........................................................................................................................................................ 9 4) Caractérisation de la liaison par fibre optique ..................................................................................................................... 10 5) Conclusion ........................................................................................................................................................................... 10 2
1) Introduction Dans ce projet, nous souhaitons réaliser un système permettant de capter des sons (typiquement ceux de la voix), de les transmettre optiquement, puis de les restituer par l’intermédiaire d’écouteurs. Dans ce but, nous allons devoir dans une première partie mettre au point un système permettant de transformer les sons en un signal électrique exploitable puis de mettre celui‐ci en forme afin de le transmettre par fibre optique. Dans une seconde partie, il faudra retransformer le signal lumineux provenant de la fibre optique en un signal électrique et le mettre en forme afin qu’ils puissent êtres exploités pour alimenter des écouteurs. L’ensemble du traitement et de la transmission se fera de manière analogique. 2) Etage d’entrée Dans ce projet, nous voulons utiliser les signaux provenant d’un microphone à électret. Ce microphone possède deux pôles qui servent à la fois à l’alimenter et à récupérer les signaux de sortie. La documentation nous indique qu’il doit être alimenté par une tension continue de 9V. Disposant d’une alimentation de 12V, nous allons donc réaliser un pont diviseur de tension. Pont diviseur de tension Sur ce montage, nous avons : Nous voulons : • E=12 V • Valim = 9V En choisissant R1 = 1kΩ et R2 = 2kΩ nous parvenons à ce résultat. Nous choisissons finalement R1 = 1,00 kΩ et R2=2,20 kΩ parmi les résistances à notre disposition ; ainsi : 2,2
8,25 1 2,2
Afin de protéger le montage, on ajoute une résistance R3 = 2,20 kΩ en série à l’entrée du micro. Le signal correspondant se superpose en fait à la tension d’alimentation. Afin d’éliminer celle‐ci, on ajoute un filtre passe haut (RC). D’impédance très grande pour une tension continue, il ne laisse passer que la partie alternative, c'est‐à‐dire le signal audio Vaudio. On choisit arbitrairement C1 = 10nF, pour avoir c
c
1
2 8
1
1kHz : 8
1
2 c
1
15 Ω On choisit R8 = 22 kΩ (on abaisse ainsi encore légèrement la fréquence de coupure. Au final, on obtient donc : 3
Test En réalisant un test en parlant à proximité du micro nous observons le signal Vaudio : nous avons bien une réponse quand le micro perçoit du bruit. L’amplitude des oscillations mesurées est d’environ 65 mV, centrées sur 0V. Dans la suite, nous utiliserons donc un GBF fournissant un signal sinusoïdal d’amplitude 65 mW de fréquence 3kHz qui correspond à une fréquence moyenne pour la voix humaine. Montage suiveur Afin d’isoler le système précédemment mis au point de la suite du traitement du signal, et plus particulièrement afin d’adapter l’impédance de sortie, nous ajoutons un montage à AOP suiveur. Ainsi les paramètres du filtre passe‐haut ne sont pas affectés ; la fréquence de coupure reste celle calculée. Nous vérifions le bon fonctionnement de ce filtre en ajoutant un offset à la tension délivrée par le générateur : la tension Vaudio n’est pas affectée. Amplification du signal Nous voulons maintenant transformer le signal d’amplitude 65mV centré en 0V en un signal d’amplitude 2,5 V oscillant autour de 5V. Ainsi, nous pourrons alimenter une LED en restant dans sa zone linéaire. Pour cela, on utilise le montage sommateur inverseur suivant :
4
Sur ce montage, on a : 1
6 5
4
Dans notre cas, on veut : 6
5
5
6
2,5
4
On choisit arbitrairement R6=100 kΩ et on calcule : 5
4
12 65. 10
100
240 Ω
5
100
2,5
2,6 Ω
On choisit alors R4 = 2,7kΩ et R5 = 220kΩ. Diode (conversion du signal électrique en un signal audio) Nous allons utiliser le signal préalablement mis en forme afin d’alimenter la diode électroluminescente. On ajoute cependant une résistance en série afin de contrôler le courant qui va y circuler. Le courant moyen dans la diode doit être de 10mA. 1
7
7
Avec Vled = 1,6V
,
.
340 Ω
5
Voici alors l’étage d’entrée que nous obtenons : 3) Etage de sortie On veut maintenant transformer le signal lumineux reçu de l’étage d’entrée en un signal audio utilisable avec des écouteurs. Conversion du signal lumineux en un signal électrique On utilise pour cela un phototransistor SFH350. Il doit être utilisé suivant ce montage : R9 = 18 kΩ Mise en forme du signal attaquant les écouteurs Le signal obtenu en V2 comporte le signal alternatif utile auquel se superpose la composante continue que nous avions volontairement ajoutée afin de travailler dans la partie linéaire de la LED. Il convient donc de l’éliminer. Pour cela, on utilise le même filtre que celui utilisé dans l’étage d’entrée. Comme précédemment, un ajoute un AOP monté en suiveur afin d’adapter l’impédance : On a toujours : C2 = C1 = 10nF et R10 = R8 = 22kΩ 6
En conservant en entrée le GBF avec les mêmes paramètres, on mesure en V3 alors un signal sinusoïdal d’amplitude 2,3 V. Nous disposons d’écouteurs stéréo acceptant une puissance maximale Pmax= 0,05 W. Chacun d’entre eux a une impédance de 32Ω. Pour restituer correctement notre signal mono, il conviendrait de connecter en parallèle les 2 écouteurs. Cette solution impliquerait une impédance équivalente de 16Ω et donc un fort courant circulant dans les écouteurs. Un AOP ne pourrait pas le fournir. Pour pallier à ce problème, nous avons décidé de connecter les deux écouteurs en série : On a ainsi une impédance équivalente de 64Ω. On veut maximiser l’amplitude de la tension attaquant les écouteurs. Or, on a : 0,05 64
1,78 L’amplitude de Vhp doit donc être de 1,78V environ ; un amplificateur inverseur va nous permettre d’atteindre cette valeur à partir de V3 : 3
12
12
11
On choisit arbitrairement R11 = 8,2 kΩ, on a alors : AN : 12
1,78 8,2
2,3
3
11 6,4 Ω Soit finalement : R12 = 6,8 kΩ. 7
Test Le signal Vhp que nous mesurons a une amplitude d’environ 1,8V (cette amplitude est légèrement supérieure de fait de la valeur de R12 que nous avons prise légèrement plus grande que lors de nos calculs). Les sinusoïdes ne sont pas déformées et respectent l’allure de celles issues du GBF et ce pour les fréquences de la voix humaine. En branchant les écouteurs, on entend distinctement un son monotone. Reconnectons alors le micro à électret : en parlant à proximité, le son de la voix est audible dans les écouteurs. Ce son est suffisamment fort et on ne perçoit pas de saturations. Le gain final semble correct, il n’est pas nécessaire de le réajuster. Il ne reste plus qu’à souder ce circuit sur une plaque. Schéma Synaptique Sommateur (mise en forme du signal pour alimentation de la diode)
Micro
(conversion son ‐ signal electrique)
Ecouteurs
Filtre passe haut
Suiveur
Amplificateur inverseur (adaptation pour alimentation des écouteurs)
Suiveur
Diode
Filtre passe haut
Transmission par fibre optique
Phototransistor
Tableau Récapitulatif des valeurs des composants : R1 R2 R3 R4 R5 R6 kΩ 1,00 2,20 2,20 2,70 220,00 100,00 kΩ R7 0,34 R8 22,00 R9 18,00 R10 22,00 R11 8,20 R12 6,80 C1 C2 C3 C4 nF 10,00
10,00
8
Schéma Electrique complet 9
4) Caractérisation de la liaison par fibre optique Pour caractériser la liaison par fibre optique, nous allons tracer la courbe V2 = f(Iled). Nous étudierons l’incidence du choix de la résistance R2 en réalisant des mesures avec R2 = 18kΩ (cas de notre montage) puis avec R2 = 4,7kΩ. V2 = f(Iled)
V2 (V) pour R2=18kΩ
14
V2 (V) pour R2=4,7kΩ
12
10
8
y = ‐0,235x + 12,714
6
4
2
y = ‐0,7964x + 13,455
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Iled (mA)
On observe que la tension V2 varie dans le sens inverse de l’intensité qui traverse la LED donc de l’intensité lumineuse. Il y a une inversion du signal (le gain est négatif). La valeur de la résistance influence la plage des intensités lumineuses pouvant être détectées. Une résistance plus petite entraine en effet une réduction de cette plage. ([0 ; 17] avec R2= 18kΩ et [0 ; 50] avec R2= 4,7 kΩ). 5) Conclusion On est finalement parvenu à capter, traiter, transmettre, et restituer la voix à l’aide de composants simples. L’ensemble du traitement se fait de manière analogique. On peut alors penser que ce système permettrait de transmettre la voix sur une longue distance, tout simplement en utilisant une fibre de grande longueur. Il faut cependant émettre des réserves. En effet, la fibre que nous utilisons ne mesure que quelques centimètres. Dans ces conditions, le signal lumineux ne subit que peu de perturbations et est peu atténué. En revanche, si l’on augmente la longueur de fibre, les risques d’obtenir un signal de mauvaise qualité en sortie augmentent (dispersion, atténuations…) Pour conclure, on retiendra que le traitement d’un signal de manière analogique est quelque chose de relativement simple mais que le risque de perte de qualité augmente avec le nombre d’étages utilisé ainsi qu’avec la longueur entre entrée et sortie. Si l’on voulait une fibre de grande longueur, il serait alors préférable d’y faire transiter des informations sous forme numérique. 10