Mini Projet sur le casque Infrarouge (cours: TP

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.
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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).
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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).
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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.
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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).
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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.
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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
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DOCUMENT ELEVE
PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE
CASQ_IR3.LWP
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PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE
CASQ_IR3.LWP
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PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE
CASQ_IR3.LWP
PAGE 11
PROJET ANALOGIQUE TS1 EN - 1ER SEMESTRE
CASQ_IR3.LWP
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