Laboratoire 6 - Université Laval

Laboratoire6
Oscillateursnon-liné airesetModulateurPWM
CheikhLatyrFall,PhilippeTurgeonetBenoitGosselin
UniversitéLaval-Hiver2016
I.
Objectifs
J Partie1:séancedu23/03/16(40%)
o Étudier,expérimenteretmesurerlescaractéristiquesdesoscillateursnonlinéaires
o Concevoirungénérateurdefonctionsbasésuruncircuitastable
J Partie2:séancede30/03/16(60%)
o GénérerunsignalPWM(Pulse-Width-Modulation)àl’aided’ampli-op
o UtiliserunsignalPWMdansdifférentesapplicationsdemodulationetdecontrôle
o Effectueruncircuitanti-rebondpourunboutonpoussoir
II.
Description
Lors du précédent laboratoire, il était question de l’expérimentation d’un circuit de type
oscillateurlinéairedontlefonctionnementestrégiparlesloisdelarésonnancephysique.Dansun
premiertemps(Partie1),celaboratoireporterasurl’étudeetl’expérimentationd’unoscillateurnonlinéaire à base d’ampli-op. Par la suite (Partie 2), l’oscillateur réalisé dans la partie 1 servira à
modulerunePWMenfréquencequiserautiliséedansuneapplicationdecontrôled’unmoteurDC.
Unepréparationseraàrendreaudébutdechaqueséancedelaboratoireetlerapportfinalincluant
les résultats des travaux expérimentaux et les réponses aux questions post-laboratoire sera à
remettrepourle05/04/16.
III.
Questionspré-laboratoireetsimulationSPICE(10%)
Effectuez la préparation suivante avant de vous présenter au Laboratoire. N’oubliez pas
d’imprimervoscourbesetvosréponsesetdelesremettreàl’assistantavantdedébuter.UtilisezVDD
=5VetVSS=-5Vpourtoutesvossimulations.
A. Partie1(Séancedu23/03/16)
La Figure 1 montre le schéma d’un circuit astable permettant de générer des formes d’ondes
carréeettriangulaire.CecircuitutiliseunintégrateurdeMillerformantunebouclederétroaction
avecuncircuitbistableàhystérésis.Lasortiedubistable(Vcar)donneuneondecarréealorsquela
sortiedel’intégrateurdonneuneondetriangulaire(Vtri).Deplus,cecircuitcomporteunécrêteur
permettant de limiter le signal de sortie du bistable. Étudiez les notes de cours et le volume de
référence(SedraandSmith,6ed.p.1366)afindebiencomprendrelefonctionnementdececircuit.
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GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
1. CalculezlesvaleursdeC1,R1,R2etR3nécessairespourquelecircuitdelaFigure1produisedes
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
connaitrelavaleurdestensionsécrêtéesL+etL-(Lavaleurdelachutedetensiond’unediode
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
toutesleséquationsdedesigndugénérateurdefonctions.
Figure1:Legénérateurd’ondescarréeettriangulaire.
(a)
(b)
Figure2:Paramètresdesondes(a)carréeet(b)triangulairegénéréeàl’aideducircuitastable. 3
GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
2. Notez les valeurs des composants calculées à la question précédentes dans un tableau
(voirTableau1.)
Tableau1.Valeurssimuléesdesparamètresducircuitastable.
Paramètres
R2 R3 VTH
VTL
L+
L-
C1
R1 T1
T2
f0(1/T)
Valeursimulées
3. SimulerlefonctionnementducircuitgénérateurdefonctionsdansAltiumDesigneretassurezvousd’obtenirunefréquencede8kHz.Rapportezvosrésultats.
4. Expliquezl’utilitéducircuitd’écrêtageetsonimpactsurlasymétriedesdemi-périodesT1
etT2desondes.
B. Partie2(Séancedu30/03/16)
Un signal PWM (Pulse-Width-Modulation), ou MLI (Modulation à Largeur d’Impulsion) en
français,consisteenunseulcarrédefréquencefixedontlerapportcycleestvariable(modulable).
Lecircuitquevousconcevraiserviradebaseàlaréalisationdeladeuxièmepartiedecelaboratoire
portantsurlagénérationd’unePWM.Parconséquent,ilvousestconseillédenepasledémonteren
findeséance.Vousréaliserezcettemodulationàl’aided’uneondetriangulaire(voirFigure 1) de
fréquenceconstante,jouantlerôledeporteuse,etd’uneondeautrepouvantêtreunsignalDCcomme
illustrédanslesFigures3et4,oualternatif.
Figure4.Modulationavecunsignalalternatif
Figure3.ModulationavecunsignalDCconstant
LecircuitdelaFigure5estuncomparateuràhystérésis.Rajoutez-leaucircuitdelaFigure1
testélorsdelapremièrepartiedecelaboratoire.VousutiliserezVDD=5VetVSS=-5V.
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GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
Figure5.ComparateuràhystérésisservantàmodulerlesignalPWM
1. SimulerlecircuitdelaFigure1combinéàceluidelaFigure5.Lesignald’entréeducomparateur
correspondàVtri.Tracerlesformesd’ondesVtri(t),Vmod(t)etVpwm(t).Utiliserlesspécifications
suivantespourlasimulation:
-
Transientanalysis(start=0,stop=3ms,step=20ns,stepmax=100ns)
-
Dans“TransientAnalysisSetup”,choisir“UseInitialConditions”
-
Dans"AdvancedOptions",choisir"Gear2"pourlechamp"IntegrationMethod".
2. RépéterlasimulationavecdeuxautresvaleurspourV3(0,2Vet0,3V)del’amplitudedusignal
modulant(ondesinusoïdale).
IV.
Travauxàeffectueraulaboratoire(45%)
Cettepartiedutravails’effectueauPLT-3101etconsisteàréaliserlesmontagescorrespondant
auxFiguresde1à5.Rapportezlesmesuresdemandéesdansvotrerapport,comparez-lesavecles
valeurs simulées et discutez vos résultats. Pour tous vos montages, choisissez +5V pour
l’alimentationpositiveet-5Vpourl’alimentationnégative.
N’oubliez pas de faire vérifier et évaluer tous vos montages avant de quitter le
laboratoire.
A. Partie1(séancedu23/03/16)
1. MontezlecircuitdelaFigure1survotrebreadboardenutilisantlesvaleurscalculéeslorsdela
préparation.
2. Mesurezlesparamètresdesondesgénéréesparlecircuitastable.Rapportezvoscourbeset
comparez-lesaveclesrésultatsobtenuslorsdelapréparation.
3. Remplissezletableausuivant:
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Tableau2.Valeursmesuréesdesformesd’ondes.
Paramètres
VTH
VTL
L+
L-
T1
T2
f0(1/T)
Valeurmesurées
4. Pour les ondes triangulaire et carrée, notez l’amplitude relative en dB des 6 composantes
fréquentielles les plus importantes et rapportez-les dans votre rapport. Rapportez-y
égalementlespectrefréquentielpourchacundessignauxetcomparezlesrésultatsavec
votreoscillateursinusoïdaldulaboratoireprécédentetexpliquezlesdifférences.
B. Partie2(séancedu30/03/16)
1. Premièrement,calculezlarésistanceR6etR8ducircuitadditionneurdelaFigure6afind’obtenir
ensortie,uneondetriangulairedontl’amplitudefrôleles4.5Vpp(lesignaldesortienedoitpas
êtresaturéetneconnectezpastoutdesuiteVref).Parlasuite,effectuezlemontaged’undiviseur
detension(réaliséavecunpotentiomètre)suivitd’unsuiveur,pourgénérerlaVref(unetension
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
pourravarierentre0et4.5Vafind’ajusterlavaleurmoyennedusignaltriangulaire.Ajustezla
tensionVrefafinquelavaleurminimumdel’ondearriveà0V.Releverlaformed’ondedans
votrerapport.
Figure6.Circuitadditionneur
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GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
2. Montez le circuit de la Figure 7. Attention, utilisez l’ampli-op LMC6482 ou LMC6408 (au
choix).Connectezlecircuitàlasortiedel’additionneur.Lasourcesinusoïdaleestremplacéepar
unpotentiomètre(diviseurdetension)afindefairevarierlatensionVmodentre0et5V.Encore
une fois, isolez votre diviseur de tension à l’aide d’un suiveur. Il est important de réaliser le
suiveur avec le LMC6408 car la tension DC doit pouvoir varier entre 0 et 5 V au besoin (voir
Figure8).Ilestdoncnécessaired’utiliserunampli-oprail-to-rail.Vérifierlebonfonctionnement
devotremontageenobservantquelatensiondesortiecorrespondbienàunsignalPWMlorsque
latensionVmodestmodifiée.
Figure7.Circuitcomparateur
Figure8.Circuitgénérateurdelatensionderéférence
B.1 ModulationparunsignalDC
1. Relevezlaformed’ondeVaddsuperposéeavecVmoddansvotrerapport.Releverlaforme
d’onde Vpwm résultante dans votre rapport. Effectuer cette étape pour trois valeurs
différentesdeVmod.
2. Mesurez la tension moyenne du signal PWM à l’aide de l’oscilloscope, en fonction du rapport
cyclique.Effectuezcetteopérationpour5valeursderapportscycliquesdifférents.Rapporter
vosrésultatsdansuntableau.Queconstatez-vous?
3. EffectuezuneFFTdusignalPWMdesortiepourunrapportcycliquedevotrechoix.Rapportez
lesvaleursd’amplitudedequelquesharmoniquesnormaliséesenfonctiondelavaleurde
lafondamentale(parrapportàlafondamentale,0dB).RelevezlaFFTdansvotrerapport.
4. Comparativement aux formes d’onde PWM obtenues en simulation, quelles différences
observez-vousetpourquoi?
B.2 Modulationparunsignalsinusoïdal
1. Remplacez Vmod par un signal sinusoïdal d’une fréquence de 1 kHz et d’amplitude de 1,5 Vpp
obtenue avec le générateur de fonction. Ajoutez un offset au signal sinusoïdal (à l’aide du
générateur)pourquelavaleurminimumdusignalarriveà0V.Advenantlecasoùl’oscilloscope
adeladifficultéàtriggerlesignal,utilisezlafonctionSINGLESEQ(appuyezsurRUN/STOPpour
recommencerl’acquisition).Relevezlaformed’ondeVPWMsuperposéeàVmod.
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2. Effectuez une FFT du signal PWM modulé avec le signal sinusoïdal. Rapportez les valeurs
d’amplitude de quelques harmoniques normalisées en fonction de la valeur de la
fondamentale (fondamentale, 0dB). Relevez la FTT dans votre rapport. Qu’elle-est la
fréquencefondamentale?Qu’elleestl’amplituderelativeendBdelafondamentaledela
porteuse(signaltriangulaire)surcelleduPWM?Queconstatez-vous?Serait-ilpossiblede
remplacerlesinusparuneondesonore?Dansquelleapplicationretrouvons-nouscette
situation.
B.3 ApplicationdelamodulationPWM
LaFiguresuivantemontrelecircuitdecontrôledumoteurDC.Cedernierutiliseuntriggerde
schmittsuivid’unebasculeD.NotezquelaDELestfacultative.Ellevouspermetcependantde
mieuxvisualiserl’étatduboutonpoussoir.
Figure9.CircuitdecontrôlepourlemoteurDC.
1. Premièrement,monteruniquementlecircuitduboutonpoussoir.
Figure10.Circuitduboutonpoussoir.
2. Connectez l’oscilloscope aux bornes du bouton. En utilisant la fonction SINGLE SEQ de
l’oscilloscope,effectuezlacapturedelatensionauxbornesduboutonlorsquevousappuyezsur
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GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
cedernier.Queconstatez-vous?Releverlaformed’onde.Quelssontlesniveauxdetension
maximaleetminimale.
3. Àprésent,montezlecircuitjusqu’àlaLEDsanstoutefoisbrancherlarésistancede300Ωetle
condensateurde100nF.Leboutonfonctionne-t-ilcorrectement(lavaleurdeQ(sortiedela
bascule)change-t-elleàchaquefoisquevousappuyezsurlebouton)?
4. Ajoutezlarésistanceetlecondensateuretvalidezlefonctionnementdubouton.
5. Finalement,branchezleresteducircuitetvalidezlefonctionnementdumoteur.Faitesvarierla
tension DC (Vmod) de modulation du PWM. Que constatez-vous et pourquoi? À l’aide de
l’oscilloscope, relevez la forme d’onde de la tension aux bornes du moteur pour une
certainetensionVmod(spécifiezlatension).
II.
Questionspost-laboratoire
Répondezauxquestionssuivantes:
1) Quelssontlespointsimportantsàretenirdanscelaboratoire?Quellessontlesdifficultés
rencontrées(s’ilyalieu)?
2) À partir des équations de design des générateurs, démontrez que si L-=-L+, la période
d’opération du générateur est donnée par 4C1R1R2/R3. Laissez toutes les traces de votre
démarche.
3) Proposezuneméthodepourréaliserunefréquenced’opérationvariableaveccegénérateur
ettracerleschémadevotresolutionetexpliquezsonfonctionnement.Suggestion:utilisez
unpotentiomètre.
4) Consultez les fiches techniques des composants et déterminez la fréquence maximum
d’opérationdecegénérateurdefonctions.Justifiezvotreréponse.
5) TracezlacaractéristiqueVovsViducircuitbistable.MontrezlesparamètresVTH,VTL,L+etL-
survotregraph.
6) Discutez de l’impact des imperfections DC dans ce circuit et proposez une solution pour
réduireleureffet.
7) Qu’elle est l’avantage d’utiliser un circuit anti-rebond lorsqu’un bouton poussoir ou tout
autreinterrupteurestutilisédansuncircuitnumérique?
III.
Rapport
Lerapport,àrendrepourle05/04/16,devracomprendrelesréponsesrésultatsdestravaux
expérimentauxetquestionspost-laboratoire.Iln’estpasnécessairederédigeruneintroductionet
une conclusion. Les courbes et valeurs demandées (les informations en gras dans le protocole)
devront être présentées en spécifiant les numéros de question correspondants. De plus, placez la
dernièrepagedeceténoncécomme1èrepagedevotrerapportetremplissez-là.
VotrerapportdoitêtreremisenformattexteimprimédanslaboîteidentifiéeGEL-3000située
enavantduPLT-1300auplustardà16h30lajournéeprécédantleprochainLaboratoire.Deplus,
téléversez-enégalementunecopieélectroniquesurPixel(https://pixel.fsg.ulaval.ca/)avantladate
limite.
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Laboratoire6
Oscillateursnon-linéairesetModulateurPWM
Nom
1.
2.
Matricule
Section:
Signaturedel’assistant:
Date: