touch control

2006
Système «touch
control »
Domaine « high tech »
Le but de ce TR porte sur la réalisation d’un système « touch control ».Le
principe d’un tel système consiste à utiliser le signal émis par le corps humain
(cf. schéma ci-dessous) pour commander une grandeur électrique
LAGIN Gary
IUT EVRY
08/01/2006
Système «touch control » 2006
SOMMAIRE
I- Introduction........p3
I.1-Cahier des charges .................p3
I.2- Schéma fonctionnel.......................P4
II-Etude du signal..................p5
II.1-Pourquoi utiliser des portes CMOS ?..........p5
II.2-Montage permettant de transformer un signal sinusoïdal en un signal carré....p5
II.3-Utilisation du trigger de schmitt........................p5
II.4-Montage « diviseur de fréquence »..........................p8
III-Etude et réalisation compteurs.............p9
III.1-Mise en cascade des compteurs (sans pré-positionnement)..................p9
III.2-Réalisation d’une bascule RS avec des portes NOR.................................p9
III.3-Montage réalisant le blocage ............................p11
III.4-Etude et réalisation du pré positionnement...........................p13
IV-Schéma structurel..............p17
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I.Introduction :
Le but de ce TR porte sur la réalisation d’un système « touch control ».
Le principe d’un tel système consiste à utiliser le signal émis par le corps humain (cf. schéma ci-dessous) pour
commander une grandeur électrique :
Intensité lumineuse, intensité sonore, etc.
Nous réaliserons un système de type « HI-FI » dont l’amplification en tension sera commandée par le doigt de
l’utilisateur.
Schéma équivalent du corps humain :
A
A
Eg
10 000MΩ
B
B
Terre
I.1-Cahier des charges :
Pour la réalisation de ce système, il nous faut respecter les conditions suivantes :
-Av doit appartenir à l’intervalle [0,20]
BP= [20Hz, 20 KHZ]
Temps nécessaire pour passer d’Av=0 à Av=20
Tb=10s
Pré positionnement à une valeur désirée à la mise sous tension.
Entrée supplémentaire sensitive de positionnement prioritaire à cette valeur choisie (3ème touche)
Utiliser uniquement des portes CMOS.
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I.2- Schéma fonctionnel
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II) Etude du signal
II.1-Pourquoi utiliser des portes CMOS ?
Au cours de ce TR, nous devrons utiliser uniquement des portes de type CMOS, cela peut se justifier de la façon
suivante :
Les circuits CMOS ont l’avantage de posséder une marge d’immunité aux bruits supérieure aux circuits de type TTL.
Nous choisirons donc des circuits CMOS, car on sait que le signal injecté à l’entrée des portes logiques est un signal
sinusoïdal parasité.
De plus, les circuits CMOS possède une plage d’alimentation nettement supérieure à celle des TTL [3v ; 18v].
II.2-Montage permettant de transformer un signal sinusoïdal en un signal carré.
L e montage suivant permet, à l’aide de composants logiques, de transformer une tension sinusoïdale en une tension
carrée.
A’
Augmentation
TA
CD4093
R
B
Abaisseur de tension
R
TB
Diminution
CD4093
Interprétation : Lorsqu’une personne appuie sur un bouton (en aluminium), il génère au montage une tension
sinusoïdale de 10 kV à vide. Pour atténuer cette tension très grande afin d’avoir en entrée du trigger une tension
comprise entre [3v, 18v] ; nous mettons une résistance de façon à obtenir un diviseur de tension avec la résistance
interne du modèle de Thévenin.
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VA’B=
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10V=
10(R+10 000M)=10K*R
10R+100 000M=10K*R
100 000M=10K*R-10*R
ଵ଴଴ ଴଴଴ெ
=10M
ଵ଴௄ିଵ଴
R=
(alimentation 15V)
II.3-Utilisation du trigger de schmitt
Nous utilisons le trigger de schmitt pour éviter que les tensions parasites fassent changer d’état les bascules.
Si on avait câblé la porte sans le trigger de schmitt, on aurait vu en sotie de la porte des variations indésirables dues
aux oscillations parasites de la sinusoïde (cf. ci-dessous).
Ainsi, nous décidons d’utiliser le trigger de schmitt pour éviter les changement intempestifs des bascules dus aux
parasites.
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La différence Vt+ - Vt- constitue la marge de bruit qui est l’écart de tension qu’un signal peut avoir sans entrainer
d’incident particulier sur le fonctionnement du circuit.
Remarque : Il faut ajouter des inverseurs en sortie des 4093 de façon à avoir :
Entrée=1 sortie=0, et non, entrée=0 sortie=1
Autre solution (celle choisie) : Mettre le montage à Vdd.
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II.4-Montage « diviseur de fréquence ».
Le cahier des charges nous impose un Tb=10 s. Le signal injecté est de fréquence 50 Hz(réseau) soit de période
T=1/f=1/50=20 ms et de rapport cyclique ½.
On sait que 1 période correspond à une valeur de compteur :
La somme des périodes=256(Vmax)*20ms=5.12 s.
Cela veut dire qu’à la 255 (valeur maximale), il sera écoulé 5.12 s .La durée d’un cycle de comptage durera 5.12s or on
désire TB=10s. Il est donc nécessaire d’utiliser un diviseur de fréquence par 2 afin de doubler la période.
Pour réaliser cette fonction, nous pouvons utiliser 2 types de structures :
•
•
Bascule D (la sortie complémentaire est rebouclé à l’entrée)
Bascule JK (forçage des entrées à l’état 1)
Nous choisirons une bascule D en pratique.
Structure du diviseur de fréquence par 2 (bascule D) :
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Chronogrammes :
III-Etude et réalisation compteurs.
III.1-Mise en cascade des compteurs (sans pré-positionnement)
Le cahier des charges nous impose un compteur pouvant compter de $00 à $FF. Voici la structure initialement
proposée :
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III.2-Réalisation d’une bascule RS avec des portes NOR.
Essayons d’incrémenter le compteur, celui-ci se décrémentera lorsqu’on enlèvera notre doigt de la touche TA.
Ainsi, l’utilisateur doit pouvoir incrémenter le compteur avec la touche haute et le décrémenter avec la touche basse.
Lorsqu’on retire le doigt de l’une des touches le compteur doit rester à sa valeur.
Nous utiliserons donc une structure RS « idéale » qui imposera un état interdit à l’entrée du compteur (UP/down) dans
le cas où on appui sur les 2 boutons simultanément . Si on agit sur le bouton TA (S=1 et R=0), la sortie de la bascule
passe à 1, le compteur compte. Si on agit sur le bouton TD (S=0 et R=1), la sortie de la bascule passe à 0, le compteur
décompte. Enfin, si on appuie sur aucun bouton, il y a mémorisation de l’état précédent, le compteur conserve donc sa
valeur
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III.3-Montage réalisant le blocage :
Malgré la réalisation des compteurs ci- dessus, nous sommes désormais confronté à un problème :le système ne se
bloque pas aux valeurs max/min désirées. Ceci peut être très ennuyant dans certains système utilisant le procédé «
touch control » car on peut se retrouver très rapidement de la valeur min à la valeur max ! (Ex : variation de
volume,...).
Il est alors nécessaire d’arrêter le système à ces valeurs caractéristiques.
En consultant la doc constructeur des compteurs, nous observons que la réalisation de ce blocage peut se faire en
agissant sur le carry out des compteurs.
Schéma fonctionnel réalisant le blocage :
Rem : pour le câblage complet, se reporter au schéma structurel.
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III.4-Etude et réalisation du pré positionnement
Le cahier des charges nous impose de créer une touche supplémentaire sensitive prioritaire permettant le
positionnement à une valeur choisie. Ce pré positionnement à une valeur choisie. Ce pré positionnement devra être
valide la mise sous tension. Voici la structure proposée :
Chronogramme
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Nous validons expérimentalement notre pré positionnement par la troisième touche et la mise sous tension.
III.5-Réseau R2-R
Nous allons étudier le réseau R-2R de façon à calculer la résistance R du montage :
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Explications :
Ce CNA (convertisseur numérique analogique) n’utilise que 2 valeurs de résistances :R-2R.
Les interrupteurs sont commandés électriquement par le code numérique.
La valeur analogique est la somme des courants aboutissant à l’entrée inverseuse de l’ALI qui traduit le courant en
tension.
En fonction de la position des interrupteurs, le courant total It sera plus ou moins élevé.
La mise en équation est simplifiée en faisant le constat suivant :
L’entrée + de l’Ali est à la masse. En considérant que cet ALI est parfait, I entrée+ de l’Ali est parfait, I entrée 6 est au
même potentiel, soit 0 (masse virtuelle). Par conséquent, la position des interrupteurs reste toujours la même, à savoir
0.
Ainsi la détermination des courants I0 à I8 peut se faire à partir du réseau suivant :
Les courants I0 à Ia sont égaux (diviseur d courant avec 2 résistances égales),on a donc :
I0=Ia=IB/2
Le courant Ib circule dans une résistance équivalente Req=R+(2R//2R)=2R
L’étude du réseau se ramène à :
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On en déduit facilement :
I1=Ib=Ic/2 d’où I0=I1/2
I2=Ic =Id/2 d’où I1=I2/2 et I0=I2/4
I3=Id=Ie/2 d’où Ie=I3/2; I1=I3/4; I0=I3/8
Etc.
L’étape finale du raisonnement conduit au schéma suivant:
I=Vref/10K
N=b1.b2.b3...b7.b8
Is=B1.I/2+I/4+I/8+…+I/256=255/256.I#I
Is#Vref/10K
Vs=-(10K+R).Is
Vs=
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ଵ଴௄
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On desire |A|max=20=
Vs=
ିሺଵ଴୏ାୖሻ∗୚୰ୣ୤
ଵ଴௄
10K*(Vs/Vref)=-10 K-R
R=-[Vs/Vref) =-10K-R
R=-[10K*(-A)]-10K
A.R=-[10K*(-20)]-10K=190 Kߗ
Valeur normalisée: R=200KΩ
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IV-Schéma structurel.
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