I. Introduction et cahier des charges

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Matthieu DARTOIS
Vianney D’ARAQUY
P1
Groupe A
Projet d’Electronique n°2
Génération de signaux en basses fréquences
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Sommaire_______________________________________________
I. INTRODUCTION ET CAHIER DES CHARGES ...................... 3
1. INTRODUCTION GENERALE .................................................................................................. 3
2. CAHIER DES CHARGES ......................................................................................................... 3
II. SCHEMA FONCTIONNEL .......................................................... 5
III. SCHEMA STRUCTUREL........................................................... 8
IV. DETAIL DES MODULES ......................................................... 10
1.
LE VCO ........................................................................................................................ 10
a. Génération du signal carré : le trigger ........................................................................ 10
b. Génération du signal triangulaire : l’intégrateur ........................................................ 11
c. Circuit de commande de la fréquence : le suiveur/inverseur ....................................... 12
d. Commande du rapport cyclique ................................................................................... 13
2.APPROXIMATION D’UN SIGNAL SINUSOÏDAL ....................................................................... 14
V. DOSSIER DE TESTS ................................................................... 15
VI. ESTIMATION DES COUTS ..................................................... 16
VII. PERSPECTIVES D’AMELIORATION ................................. 17
VIII. CONCLUSION......................................................................... 18
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I. Introduction et cahier des charges
1. Introduction générale
Lors des séances de TP d’électronique, nous avons à de très nombreuses reprises
travaillé sur des signaux basse fréquence. Les signaux que nous utilisons habituellement sont
générés par des générateurs basse fréquence faisant parti du matériel des laboratoires, ils sont
capable de générer des signaux de type sinusoïdaux, carrés, ou triangulaires, à une fréquence
ajustable.
Le but de ce projet est la réalisation d’un circuit équivalent à un générateur de basse fréquence
capable de générer à partir d’un signal continue un signal de basse fréquence sinusoïdal,
triangulaire, ou carré, dont la fréquence est ajustable à l’aide d’une tension de commande.
Le signal carré est délivré par un oscillateur de relaxation, les signaux sinusoïdaux et
triangulaires sont synthétisés à partir de circuits à amplificateurs opérationnels.
2. Cahier des charges
- Le circuit réalisé ici joue le rôle d’un générateur de signaux en basses fréquences, il doit être
capable de générer des signaux de type carrés, triangulaires et sinusoïdaux.
- La fréquence des signaux générés doit pouvoir être modifiée à l’aide d’une tension continue
de commande, afin de générer des signaux d’une fréquence allant de 100Hz à 10kHz.
- Le rapport cyclique des signaux doit être réglable.
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II. Schéma fonctionnel
Vk
Le suiveur/inverseur.
Manipulation du rapport
cyclique et intégration.
Signal carré
Transforme le précédent signal
carré en un signal carré
d’amplitude –Vk, +Vk.
Transforme le signal carré en un
signal triangulaire de même
amplitude soit –Vk, +Vk
Signal triangulaire
Signal
carré
Le Trigger inverseur.
Génère un signal carré compris
entre –6V, +6V.
Signal
triangulaire
Approximation d’un signal
sinusoïdal.
Transforme le signal triangulaire
en un signal sinusoïdal.
Signal sinusoïdal
Vs
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III. Schéma structurel
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IV. Détail des modules
Dans cette partie nous allons expliquer le fonctionnement des différents modules du
projet.
Penchons nous tout d’abord sur son fonctionnement global.
Le générateur de basses fréquences réalisé ici est constitué d’un VCO comprenant un trigger
permettant de générer le signal carré, un suiveur inverseur permettant le traitement du signal
de commande de fréquence Vk, et d’un intégrateur qui génère le signal triangulaire, enfin un
circuit effectuant une approximation de la fonction sin(x) branché en sortie de l’intégrateur
génère le signal sinusoïdal.
1. Le VCO
a. Génération du signal carré : le trigger
Pour générer le signal carré, nous avons réalisé un comparateur à hystérésis, le
montage utilisé ici est un trigger inverseur
Ce montage est un comparateur, c’est un montage instable, et la tension de sortie passe de
Vcc+ à Vcc- en fonction de la valeur de la tension d’entrée, le composant étant alimenté en
+/-6V la valeur de sortie prendra donc les valeurs de +6 V et –6 V.
L’étude préalable de ce circuit en mettant en entrée un signal sinusoïdal nous a permis de
visualiser les seuils de basculement, qui peuvent être déterminé par le calcul.
Une fois intégré dans le VCO, le signal en entrée provient de la sortie de l’intégrateur c’est
donc un signal triangulaire c’est ce qui permet la commutation du signal de sortie du trigger.
A la sortie du trigger on obtient donc un signal carré d’amplitude 6V et de même fréquence
que le signal triangulaire issu de l’intégrateur.
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b. Génération du signal triangulaire : l’intégrateur
Afin de générer un signal triangulaire, on utilise un intégrateur.
C’est l’association d’une résistance et d’un condensateur qui permet la génération du signal
triangulaire. Il faut vérifier que la constante RC soit suffisamment grande devant la période
des signaux générés.
A résistance Rp sert à débarrasser le condensateur de la composante continue de sa charge due
à la tension d’offset et sa valeur est calculée de manière à se comporter comme un circuit
ouvert pour les fréquences générées.
Une fois intégré au VCO, en entrée, ce circuit reçoit un signal carré d’amplitude Vk et il
génère en sortie un signal triangulaire de même amplitude et de même fréquence que le signal
d’entrée.
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c. Circuit de commande de la fréquence : le suiveur/inverseur
C’est grâce à l’intégration de ce circuit au VCO qu’il va être possible de générer des
signaux à fréquence variable. La modification de la fréquence de ces signaux se fait en
modifiant la valeur d’une tension continue de commande en entrée du suiveur/inverseur.
L’utilisation du transistor permet le passage d’un montage suiveur à un montage inverseur :
-quand Ve < 0,6V le circuit est équivalent à un suiveur, donc Vs = Vk
-quand Ve > 0,6V le circuit est équivalent à un inverseur, donc Vs = -Vk
Ceci est du au fonctionnement du transistor, on a déterminé que le seuil de basculement est de
0,6V, donc pour Ve < 0,6V le transistor est bloqué car la jonction base-emetteur étant polarisé
en inverse aucun courant ne circule dans Rc, et pour Ve>0,6 le transistor est saturé donc le
transistor conduit.
Cela nous permet donc d’obtenir en sortie de l’amplificateur opérationnel un signal carré
d’amplitude égale à la valeur de Vk, de plus on obtient un signal en phase avec le signal
triangulaire.
Ce montage nous permet de modifier la fréquence des signaux générés : en modifiant la
valeur de Vk, on modifie le temps de charge du condensateur du circuit RC dans le montage
intégrateur, ce qui modifie la fréquence des signaux générés.
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d. Commande du rapport cyclique
Afin de pouvoir manipuler le rapport cyclique, il est nécessaire d’apporter une
modification à l’intégrateur.
La résistance en entrée est remplacée par un potentiomètre de 10kOhm associé à deux diodes
antiparallèles. La résistance totale du potentiomètre se partage en une fraction égale à alphaR
sur la branche D1 et une autre fraction égale à (1 – alpha).R sur la branche D2 selon le sens du
courant.
En manipulant le potentiomètre on modifie la résistance d’entrée et donc par conséquent la
transmitance isochrone du montage.
L’utilisation des diodes permet d’obtenir une résistance d’entrée différente selon le signe de
Ve.
Cette modification permet donc de modifier le rapport cyclique en manipulant le
potentiomètre.
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2.Approximation d’un signal sinusoïdal
Ce circuit ne fait pas parti du VCO, il reçoit en entrée le signal de sortie de
l’intégrateur (signal triangulaire).
Le but de cette partie du montage est de transformer un signal triangulaire (issu de
l’intégrateur) en un signal sinusoïdal. Cette transformation correspond à une fonction nonlinéaire f(x).
Cette fonction non-linéaire est réalisée grâce à la caractéristique naturelle d’une paire de
diodes anti-parallèles.
La fonction f(x) est une approximation de la fonction sinus sur l’intervalle [-/2, /2] qui peut
être réalisée par à l’aide d’une paire de diodes. En effet l’association de 2 diodes montées tête
bêche permet de synthétiser un sinus hyperbolique. De plus une entrée en courant produisant
déjà une tension de sortie en sh-1 , nous allons ainsi approcher la fonction sin(x) au moyen
d’une polarisation appropriée des deux diodes.
Le montage que nous avons réalisé contient une ambiguïté sur le signe de Vs faisant que le
signal est soit en phase, soit en opposition de phase. Il y a donc une opposition de phase entre
les signaux d’entrée et de sortie.
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V. Dossier de tests
Lors de la réalisation de ce projet, il a été nécessaire de réaliser un certain nombre de tests
afin de détecter d’éventuelles erreurs et de les corriger.
-Trigger inverseur
On attaque le montage avec un signal sinusoïdal ou un signal triangulaire, dans les deux cas,
on doit obtenir en sortie un signal carré d’amplitude égal aux tensions d’alimentation et en
opposition de phase avec le signal en entrée
-Le suiveur inverseur
On attaque le montage avec un signal sinusoïdal en Ve et en Vk avec un signal TTL issus du
GBF HAMEG. On doit obtenir un signal carré d’amplitude Vk en opposition de phase avec le
signal d’entrée en Ve.
-L’intégrateur
On attaque le montage avec un signal carré d’une fréquence comprise entre 100Hz et 10kHz,
on doit obtenir en sortie un signal triangulaire en phase avec le signal d’entrée et de même
fréquence .
-Génération du signal sinusoïdal
En attaquant le montage avec un signal triangulaire, on doit obtenir un signal proche d’une
sinusoïde en sortie en phase avec le signal d’entrée et de même fréquence .
-Analyse harmonique par Wobulation
On câble un circuit de test, ici le filtre ci-dessous
On commence par déterminer la fréquence de résonance du circuit, puis on attaque le circuit
avec le signal de sortie de l’intégrateur du VCO, la tension de commande de fréquence du
VCO est une tension continue à laquelle on superpose un signal sinusoïdal de manière à
générer la résonance du circuit.
On câble la sortie du filtre avec un détecteur d’enveloppe et on observe Vk et le signal de
sortie du filtre en mode XY.
On doit observer la courbe de réponse du filtre. Ici on doit trouver la courbe d’un filtre passebande.
Tous ces tests ont été effectués lors de la réalisation de ce projet et on été validés avec succès.
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VI. Estimation des coûts
Comparateur LM311
Diode 1N4148 (x4)
AO TL084
Transistor
Condensateur
Potentiomètre 10K
Résistance (x11)
Câblage
Total
Prototype
Pour 1000 unités
0,80
0,02x4 = 0,08
0,78
1,25
0,25
1,45
0,30x11 = 3,30
0,25
8,16
0,55
0,015x4 = 0,06
0,67
0,87
0,20
1,00
0,20x11 = 2,20
0,15
5,70
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VII. Perspectives d’amélioration
Le signal sinusoïdal peut être amélioré car sa qualité n’est pas très bonne.
Limité à certaines fréquences (entre 100 Hz et 10 kHz), le générateur pourrait couvrir une
bande de fréquence plus élevée afin d’étendre ses possibilités.
De plus il faudrait intégrer un afficheur pour visualiser la valeur de la fréquence en temps réel
car nous pouvons la faire varier mais sans voir sa valeur.
Finalement on pourrait faire permettre au générateur de varier en amplitude car jusqu’à
présent la variation d’amplitude provoquée par le changement de Vk entraîne une variation de
la fréquence, il faut donc que l’amplitude puisse varier seule.
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VIII. Conclusion
Ce projet nous a permis de mettre en pratique une large partie des connaissances
acquises lors des séances de TP, notamment sur les ampli op. Il nous a également donné
l’occasion d’approfondir nos connaissances sur les ampli op et les transistors mais également
d’aborder des notions que nous aurons l’occasion d’approfondir l’année prochaine.
La réalisation a été moins laborieuse que lors du projet précédent que nous n’avions pas réussi
à terminer, ici le projet a été fini dans son intégralité, cela est probablement du à une meilleur
connaissance de l’électronique analogique et en particulier des ampli op.
Ce projet présentait également l’intérêt de nous montrer le principe utilisé pour générer des
signaux basse fréquences, que jusque là nous utilisions assez fréquemment mais sans
vraiment connaître la manière de les obtenir.
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