Laboratoire 6 - Université Laval

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Laboratoire!6!
Oscillateurs!non-linéaires!et!Modulateur!PWM!
Cheikh&Latyr&Fall,&Philippe&Turgeon&et&Benoit&Gosselin&
Université&Laval&-&Hiver&2016&
!" #$%&'()*+,
J Partie!1!:!séance&du&23/03/16!-./01!
o Étudier,!expérimenter!et!mesurer!les!caractéristiques!des!oscillateurs!non!linéaires!
o Concevoir!un!générateur!de!fonctions!basé!sur!un!circuit!astable!
J Partie!2!:!séance&de&30/03/16!-2/01!
o Générer!un!signal!PWM!(Pulse-Width-Modulation)!à!l’aide!d’ampli-op!
o Utiliser!un!signal!PWM!dans!différentes!applications!de!modulation!et!de!contrôle!
o Effectuer!un!circuit!anti-rebond!pour!un!bouton!poussoir!
!!" 3&+'4)5()67,
Lors! du! précédent! laboratoire,! il! était! question! de! l’expérimentation! d’un! circuit!de! type!
oscillateur!linéaire!dont!le!fonctionnement!est!régi!par!les!lois!de!la!résonnance!physique.!Dans!un!
premier!temps!(Partie!1),!ce!laboratoire!portera!sur!l’étude!et!l’expérimentation!d’un!oscillateur!non-
linéaire! à! base! d’ampli-op.! Par! la! suite! (Partie! 2),! l’oscillateur! réalisé! dans! la! partie! 1! servira! à!
moduler!une!PWM!en!fréquence!qui!sera!utilisée!dans!une!application!de!contrôle!d’un!moteur!DC.!
Une!préparation!sera!à!rendre!au!début!de!chaque!séance!de!laboratoire!et!le!rapport!final!incluant!
les! résultats! des! travaux! expérimentaux! et! les! réponses! aux! questions! post-laboratoire! sera! à!
remettre!pour!le!05/04/16.!!
!!!" 89&+()67+,54:;<=$64=(6)4&,&(,+)>9<=()67,?@!AB,-C/,01,
Effectuez! la! préparation! suivante! avant! de! vous! présenter! au! Laboratoire.! N’oubliez! pas!
d’imprimer!vos!courbes!et!vos!réponses!et!de!les!remettre!à!l’assistant!avant!de!débuter.!Utilisez!VDD!
=!5V!et!VSS!=!-5V!pour!toutes!vos!simulations.!
D" @=4()&,C,-?:=7'&,E9,FGH/GHC21,
La!Figure!1!montre!le!schéma!d’un!circuit!astable!permettant!de!générer!des!formes!d’ondes!
carrée!et!triangulaire.!Ce!circuit!utilise!un!intégrateur!de!Miller!formant!une!boucle!de!rétroaction!
avec!un!circuit!bistable!à!hystérésis.!La!sortie!du!bistable!(Vcar)!donne!une!onde!carrée!alors!que!la!
sortie!de!l’intégrateur!donne!une!onde!triangulaire!(Vtri).!De!plus,!ce!circuit!comporte!un!écrêteur!
permettant! de! limiter! le! signal! de! sortie! du! bistable.! Étudiez! les! notes! de! cours! et! le! volume! de!
référence!(Sedra!and!Smith,!6ed.!p.!1366)!afin!de!bien!comprendre!le!fonctionnement!de!ce!circuit.!
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2!
GEL-3000!−!Électronique!des!composants!intégrés!
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1. Calculez!les!valeurs!de!C1,&R1,&R2&et&R3!nécessaires!pour!que!le!circuit!de!la!Figure!1!produise!des!
ondes! triangulaire! et! carrée! d’une! fréquence!de! 8& kHz.! Pour! ce! faire,! utilisez! un! facteur! de!
rétroaction!β!de!1/4!dans!le!bistable!et!consultez!la!fiche!technique! des!diodes!IN4148!pour!
connaitre!la!valeur!des!tensions!écrêtées!L+!et!L-!(La!valeur!de!la!chute!de!tension!d’une!diode!
correspond!au! paramètre! Forward& voltage!dans!la!spécification! technique).! Référez-vous!aux!
notes!de!cours!et!au!volume!de!référence!(Sedra!and!Smith,!6ed.!p.!1366)!pour!avoir!accès!à!
toutes!les!équations!de!design!du!générateur!de!fonctions.!
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Figure'1:'Le'générateur'd’ondes'carrée'et'triangulaire.'
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(a)''''''(b)'
Figure'2:'Paramètres'des'ondes'(a)'carrée'et'(b)'triangulaire'générée'à'l’aide'du'circuit'astable.'

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3!
GEL-3000!−!Électronique!des!composants!intégrés!
!
2. I6(&J,<&+,K=<&94+,E&+,'6>56+=7(+,'=<'9<:&+,L,<=,M9&+()67, 54:':E&7(&+,E=7+,97, (=$<&=9,
-K6)4,N=$<&=9C"1!
N=$<&=9,C"!Valeurs!simulées!des!paramètres!du!circuit!astable.!
Paramètres&
Valeur&simulées&
R2!
!
R3!
!
VTH!
!
VTL!
!
L+!
!
L-!
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C1!
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R1!
!
T1!
!
T2!
!
f0!(1/T)!
!
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3. Simuler!le!fonctionnement!du!circuit!générateur!de!fonctions!dans!Altium!Designer!et!assurez-
vous!d’obtenir!une!fréquence!de!8&kHz.!O=5564(&J,K6+,4:+9<(=(+"!
4. BP5<)M9&J,<Q9()<)(:,E9,')4'9)(,EQ:'4R(=S&,&(,+67,)>5='(,+94,<=,+T>:(4)&,E&+,E&>);5:4)6E&+,T1,
&(,T2,E&+,67E&+",
U" @=4()&,F,-?:=7'&,E9,G/H/GHC21,
Un! signal! PWM! (Pulse-Width-Modulation),! ou! MLI! (Modulation! à! Largeur! d’Impulsion)! en!
français,!!consiste!en!un!seul!carré!de!fréquence!fixe!dont!le!rapport!cycle!est!variable!(modulable).!
Le!circuit!que!vous!concevrai!servira!de!base!à!la!réalisation!de!la!deuxième!partie!de!ce!laboratoire!
portant!sur!la!génération!d’une!PWM.!Par!conséquent,!il!vous!est!conseillé!de!ne!pas!le!démonter!en!
fin!de!séance.!Vous!réaliserez!cette!modulation!à!l’aide!d’une!onde!triangulaire!(voir!Figure!1)!de!
fréquence!constante,!jouant!le!rôle!de!porteuse,!et!d’une!onde!autre!pouvant!être!un!signal!DC!comme!
illustré!dans!les!Figures!3!et!4,!ou!alternatif.!
!
Le!circuit!de!la!Figure!5!est!un!comparateur!à!hystérésis.!Rajoutez-le!au!circuit!de!la!Figure!1!
testé!lors!de!la!première!partie!de!ce!laboratoire.!Vous!utiliserez!VDD!=!5V!et!VSS!=!-5V.!
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Figure'3.'Modulation'avec'un'signal'DC'constant'
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Figure'4.'Modulation'avec'un'signal'alternatif'

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4!
GEL-3000!−!Électronique!des!composants!intégrés!
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1. Simuler!le!circuit!de!la!Figure!1!combiné!à!celui!de!la!Figure!5.!Le!signal!d’entrée!du!comparateur!
correspond!à!Vtri.!Tracer!les!formes!d’ondes!Vtri(t),!Vmod(t)!et!Vpwm(t).!Utiliser!les!spécifications!
suivantes!pour!la!simulation!:!!
- Transient!analysis!(start!=!0,!stop!=!3ms,!step!=20ns,!step!max!=100ns)!
- Dans!“N4=7+)&7(,D7=<T+)+,?&(95”,!choisir!“V+&,!7)()=<,A67E)()67+”!
- Dans!WDEK=7'&E,#5()67+W,!choisir!"X&=4,FW!pour!le!champ!"!7(&S4=()67,Y&(Z6EW.!
2. Répéter!la!simulation!avec!deux!autres!valeurs!pour!V3!(0,2!V!et!0,3!V)!de!l’amplitude!du!signal!
modulant!(onde!sinusoïdale).!
![" N4=K=9P,L,&**&'(9&4,=9,<=$64=(6)4&,-.\,01,
!Cette!partie!du!travail!s’effectue!au!PLT-3101!et!consiste!à!réaliser!les!montages!correspondant!
aux!Figures!de!1!à!5.!Rapportez!les!mesures!demandées!dans!votre!rapport,!comparez-les!avec!les!
valeurs! simulées! et! discutez! vos! résultats.! Pour! tous! vos! montages,! choisissez! +5V! pour!
l’alimentation!positive!et!-5V!pour!l’alimentation!négative.!!
IQ69$<)&J, 5=+, E&, *=)4&, K:4)*)&4, &(, :K=<9&4, (69+, K6+, >67(=S&+, =K=7(, E&, M9)((&4, <&,
<=$64=(6)4&",
D" @=4()&,C,-+:=7'&,E9,FGH/GHC21,
1. Montez!le!circuit!de!la!Figure!1!sur!votre!breadboard!en!utilisant!les!valeurs!calculées!lors!de!la!
préparation.!
2. Mesurez!les!paramètres!des!ondes!générées!par!le!circuit!astable.!O=5564(&J,K6+,'694$&+,&(,
'6>5=4&J;<&+,=K&',<&+,4:+9<(=(+,6$(&79+,<64+,E&,<=,54:5=4=()67"!!
3. O&>5<)++&J,<&,(=$<&=9,+9)K=7(!:!
!
Figure'5.'Comparateur'à'hystérésis'servant'à'moduler'le'signal'PWM'

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5!
GEL-3000!−!Électronique!des!composants!intégrés!
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N=$<&=9,F"!Valeurs!mesurées!des!formes!d’ondes.!
Paramètres&
Valeur&mesurées&
VTH!
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VTL!
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L+!
!
L-!
!
T1!
!
T2!
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f0!(1/T)!
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!
4. Pour! les! ondes! triangulaire! et! carrée,! notez! l’amplitude! relative! en! dB!des! 6! composantes!
fréquentielles! les! plus! importantes! et! 4=5564(&J;<&+, E=7+, K6(4&, 4=5564(.! O=5564(&J;T,
:S=<&>&7(,<&,+5&'(4&,*4:M9&7()&<,5694,'Z='97,E&+,+)S7=9P,&(,'6>5=4&J,<&+,4:+9<(=(+,=K&',
K6(4&,6+')<<=(&94,+)79+6]E=<,E9,<=$64=(6)4&,54:':E&7(,&(,&P5<)M9&J,<&+,E)**:4&7'&+"!
U" @=4()&,F,-+:=7'&,E9,G/H/GHC21,
1. Premièrement,!calculez!la!résistance!R6!et!R8!du!circuit!additionneur!de!la!Figure!6!afin!d’obtenir!
en!sortie,!une!onde!triangulaire!dont!l’amplitude!frôle!les!4.5!Vpp!(le!signal!de!sortie!ne!doit!pas!
être!saturé!et!ne!connectez!pas!tout!de!suite!Vref).!Par!la!suite,!effectuez!le!montage!d’un!diviseur!
de!tension!(réalisé!avec!un!potentiomètre)!suivit!d’un!suiveur,!pour!générer!la!Vref!(une!tension!
DC!variable).! Cette! tension! permettra! d’ajuster! la! valeur! moyenne! du! signal! triangulaire.! On!
recommande! d’utiliser! le! même! ampli-op! que! celui! utilisé! pour! l’additionneur! (utilisez! le! 2e!
ampli-op! de! la! puce! TL082).! Ce! dernier! possède! une! alimentation! bipolaire! et! la! tension! DC!
pourra!varier!entre!0!et!4.5!V!afin!d’ajuster!la!valeur!moyenne!du!signal!triangulaire.!Ajustez!la!
tension!Vref!afin!que!la!valeur!minimum!de!l’onde!arrive!à!0!V.!O&<&K&4,<=,*64>&,EQ67E&,E=7+,
K6(4&,4=5564("!
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Figure'6.'Circuit'additionneur'
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