TP OPERATEURS ANALOGIQUES

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1 TP OPERATEURS ANALOGIQUES DEMODULATION D'UN SIGNAL FM INFRAROUGE EVALUATION Examen de type QCM d une durée de 1h, sans documents, et portant sur les aspects théoriques et pratiques abordés en TP. PRESENTATION DU PROJET L objectif du TP est de construire un dispositif de réception IR et démodulation FM. Le signal IR modulé FM est généré avec un montage disponible en TP qui sera adapté comme décrit en annexe (cf. schémas cartes Emet_osc_V2 et Emet_Modulant_V2). Le signal est ensuite transmis par un banc optique qui dispose d une diode réceptrice. Le câblage de l étage de réception ainsi que les étages suivants sont à réaliser. On concevra en premier l étage PLL (Phase Locked Loop) qui permet de démoduler un signal FM calibré en amplitude. On réalisera ensuite un étage AGC (Automatic Gain Control) qui aura pour fonction de maintenir une amplitude constante en entrée de la PLL. Enfin, le conditionnement du signal par les étages de réception et d amplification sera abordé. Interface Modulation Emission Réception Démodulation Interface GBF Emetteur IR Récepteur IR Conv. I V AGC PLL Oscillo. Figure 1 : synoptique de la liaison FM infrarouge Spécifications : Fréquence de porteuse : fp=200khz Déviation en fréquence : f MAX =4kHz Domaine de fréquence du signal modulant : f m =[20Hz ; 10kHz] Amplitude de la tension d entrée de l AGC : Ue AGC =[3-40]mV Amplitude de la tension d entrée de la PLL : Ue PLL =2V TP OPERATEURS ANALOGIQUES M. Aimé T.Rocacher Page 1

2 SEQUENCE PEDAGOGIQUE Activités Cours : La modulation de fréquence, les bases fondamentales Mise en contexte de la FM ( FM / AM) Caractéristiques essentielles (fréquence porteuse, déviation de fréquence, fréquence de modulation, indice de modulation, expression générale) Cours : La PLL (Phase Locked Loop) : première approche, empirique constitution, éléments constitutifs et rôles, synoptique classique (multiplieur, passe-bas, VCO). usage, intérêt d une PLL dans un contexte de détection synchrone (démodulation AM), ou pour une démodulation FM. Manipulation 1 type TP-cours : sur les cartes PLL, faire les mesures (découverte) des plages de maintien et de capture. n 1 Cours : PLL : seconde approche Discussion, explication des phénomènes d accrochage et de maintien de la PLL Démonstration du schéma équivalent dynamique de la PLL Manipulation 2 type BE : PLL en démodulation FM Déterminer tous les composants de la PLL pour atteindre le cahier des charges Câbler les éléments n TP OPERATEURS ANALOGIQUES M. Aimé T.Rocacher Page 2

3 Procéder aux essais et mesures 2 Cours : La modulation de fréquence, AGC Retour sur la modulation FM, bande passante (Bande de Carson) AGC, rôle, constitution, lien passe-bande / bande de Carson n 3,4 Manipulation 3 type BE : AGC Analyse du schéma proposé, calculs des éléments Câblage sur plaque d essais Essais, mesures Manipulation 4 type BE : Mise en œuvre de la liaison IR n 5 TP OPERATEURS ANALOGIQUES M. Aimé T.Rocacher Page 3

4 ENONCE DES MANIPULATIONS Manipulation 1 : Découvrir la PLL, plages de maintien, plage de capture On propose d utiliser une maquette dont le schéma électronique est donné ci-dessous : Figure 2 : Schéma électronique de la carte PLL Alimentation : +/-15V (deux régulateurs 7812 et 7912 donnent +/-12V sur l ensemble de la carte) Les entrées / sorties de la carte sont - ENTREE : c est à ce niveau qu on applique le signal sinusoïdal (ou éventuellement modulé) - SORTIE : c est la sortie du VCO de la PLL. La sinusoïde produite a une amplitude de 2V. - DEMOD_FM TEST_VCO : c est une entrée / sortie. o JP1 ouvert, DEMOD_FM TEST_VCO est alors une entrée qui pilote directement le VCO (placer R2 à 0Ω, ie placer un fil à la place de R2). On se sert de cette borne pour tester le VCO. o JP1 fermé, DEMOD_FM TEST_VCO est alors une sortie, qui est à l image de l entrée du VCO si R2 = 0Ω. Dans ce mode, la borne sert de sortie de démodulation FM. On peut insérer un filtre (R2-C2) TP OPERATEURS ANALOGIQUES M. Aimé T.Rocacher Page 4

5 Eléments manquants (à calculer et à insérer) - VCO : Rc, R et C. Ces éléments définissent la fréquence libre du VCO, f 0, (celle correspondant à VCO_IN=0V) ainsi que le gain du VCO, K VCO. NB : Afin de pouvoir régler finement f 0, on a ajouté un potentiomètre R, de 2KΩ. Ainsi, le calcul de R doit tenir compte de la présence de R. Par exemple, si le calcul donne une valeur, on retranchera à celle-ci la moitié de R afin de pouvoir opérer un réglage dans les deux sens. - Filtre passe-bas : R1, R1, C1. Ces trois éléments fixent la fréquence de coupure et le gain du filtre d ordre 1 de la PLL (filtre de boucle). - Filtre de sortie : R2, C2. Ces deux éléments fixent la fréquence de coupure filtre d ordre 1, utilisé éventuellement pour lisser le signal démodulé. On donne pour cette première manipulation : VCO : Rc = 10kΩ, R= 1.5k, C=1n5 Filtre de boucle R1 = R1= 3.9kΩ, C1 =56nF On précise enfin que le multiplieur type AD633 a une fonction de transfert qui vaut : W=(X1-X2)(Y1-Y2)/10 + Z 1. Câbler Les éléments. Vérifier que JP1 est en place. 2. Connecter l entrée de la PLL à 0V. Que vaut en théorie, VCO_IN (tension en sortie de JP1)? Régler alors R pour faire osciller le VCO à 50kHz (fréquence libre). 3. Injecter en entrée de PLL une sinusoïde e(t) pure d'amplitude 2V, et accrocher la PLL. 4. Mesurer la plage de capture et la plage de maintien de la PLL réalisée. 5. Multiplier la fréquence de coupure du filtre par 5. Quel est l'effet produit sur la plage de maintien, puis, sur la plage de capture. Faire les mesures. Expliquer. 6. Replacer les composants d origine. Doubler l amplitude du signal (amplitude de 4V). Mesurer à nouveau les plages de capture et de maintien. Expliquer. Manipulation 2 : PLL en démodulation FM La partie VCO est un schéma d'application trouvé dans la documentation constructeur du XR2206 (Circuit for sine wave generation without external adjustment, fig. 11). Il a été légèrement modifié de manière à fonctionner avec alimentation symétrique (+/-15 V). Travail à réaliser : Dimensionner le filtre passe-bas permettant de restituer le signal modulant [20Hz-10kHz]. Justifier le choix de la fréquence de coupure. Calculer le gain de l étage multiplieur K D. Déterminer le gain K VCO du VCO pour assurer la stabilité du système (marge de phase de 45 ). Dimensionner l étage VCO : déterminer les valeurs des résistances R C et R, ainsi que le condensateur C, (cf documentation technique) Câbler la PLL, tester le VCO en premier. Caractériser le régime statique : mesurer la plage de capture et la plage de maintien. Mesurer la bande passante à -3dB du signal démodulé (le domaine de fréquence pour lequel le signal modulant n est pas trop atténué). Utiliser un signal FSK et vérifier que la réponse indicielle correspond à la réponse théorique prévisible. TP OPERATEURS ANALOGIQUES M. Aimé T.Rocacher Page 5

6 Manipulation 3 : AGC L étage AGC a pour fonction de «calibrer» en amplitude le signal modulé FM fourni par l étage de réception IR. On demande qu il fournisse un signal de 2V en sortie quelle que soit l amplitude du signal d entrée comprise entre 3mV et 40mV. De plus, la bande passante de l AGC doit respecter les spécifications en fréquence du signal modulant. Le schéma synoptique de l AGC est donné sur la figure 9. L AGC est bâti autour d un amplificateur de gain variable tel que représenté sur la figure 10. Conversion couranttension V e (t) amplitude variable 3mV V em 40mV V ref amplitude de référence + _ ε erreur C(p) Correcteur V CDE Ampli passe bande de gain variable K Gain fixe V s (t) amplitude fixe V sm = 2V Vers PLL V mes amplitude mesurée Détecteur crête Mesure amplitude Figure 9 : schéma synoptique du récepteur IR et de l AGC. V CC = +15V L 1 C 1 470µH C 2 I B I C1 B 1 C 1 T 1 1µF R 2 2,2kΩ V s (t) V E (t) E 1 I 0 C E 1µF C 0 B 0 T 0 V CDE E 0 R 0 -V CC = -15V Figure 10 : schéma électrique de l amplificateur de gain variable utilisé dans l AGC. TP OPERATEURS ANALOGIQUES M. Aimé T.Rocacher Page 6

7 Partie 1 : étude de l amplificateur passe bande de gain variable. 1. le transistor T 0 est ici utilisé comme une source de courant commandée par la tension V CDE. Donner l expression littérale de l intensité I 0 (voir schéma figure 10) en fonction de V CDE, V BE0, V CC et R En considérant le transistor T 0 comme une source idéale de courant I 0, dessiner le schéma dynamique petits signaux équivalent au montage de la figure 9. On tiendra compte du fait que l impédance de C 2 sera négligée devant R 2 dans le schéma dynamique. 3. Dimensionner le condensateur C 1 de manière à ce que le circuit bouchon (L 1,C 1 ) soit résonnant à la fréquence f 0 =200kHz. Calculer dans ces conditions le facteur de qualité du circuit (L 1 //C 1 //R 2 ). Combien vaut l impédance du circuit bouchon lorsque celui-ci fonctionne à sa fréquence de résonnance? L amplificateur obtenu présentera-t-il une résonnance aigüe? 4. A partir du schéma équivalent dynamique de la question 3, exprimer littéralement le gain en tension du montage en fonction des paramètres R 2, β, et r π. A v = v s v e Avec les notations suivantes : β : amplification en courant du transistor bipolaire, r π : impédance dynamique d entrée du transistor bipolaire. 5. Exprimer littéralement le gain en tension du montage en fonction des paramètres R 2, I O, et u T. u T = k T q = 26mV à la température T=298K. 6. Déduire des questions précédentes l amplification du montage en fonction de la tension de commande V CDE. 7. Indiquer la plage de variation requise pour le gain lorsque l amplitude de V E (t) varie entre 3mV et 40mV. 8. Déduire de la question 7 la plage de variations de l intensité I Le montage de la figure 10 est conçu de telle manière que la tension V E (t) fluctue autour de 0V. Il en résulte que le potentiel d émetteur du transistor T 1 fluctue autour de -0,6V. Afin de ne pas perturber le fonctionnement de T 1 (et de ne pas saturer T 2 ), on désire que la tension de commande V CDE soit toujours inférieure ou égale à -2V. La diode Zener dessinée sur la figure 10 sert de sécurité, pour garantir cette condition. Déterminer la résistance R 0 de manière à ce que le gain maximal de la question 7 soit atteint lorsque V CDE =-2V. On pourra utilement remplir le tableau ci-dessous : V CDE I 0 (V CDE ) Gain en tension A V commentaires V CDEmax = I 0max = AV max = Gain requis lorsque V EM =3mV V CDEmin = I 0min = AV min = Gain requis lorsque V EM =40mV TP OPERATEURS ANALOGIQUES M. Aimé T.Rocacher Page 7

8 Partie 2 : conception du contrôle automatique de gain. 1. Dimensionner les composants de l AGC (gain fixe si nécessaire, détecteur de crête, correcteur si nécessaire, à déterminer). 2. Câbler l AGC sur plaque à insertion. Tester son fonctionnement. Pour ce faire, on enverra un signal sinusoïdal en entrée du montage dont on fera varier l amplitude. Le signal de sortie devra rester d amplitude constante égale à 2V. 3. Coupler l AGC et la PLL. Tester l ensemble. 4. Dimensionner le récepteur Infrarouge. Réaliser le banc de transmission IR modulé FM complet en utilisant les cartes disponibles pour l émission (cf. schémas cartes Emet_osc_V2 et Emet_Modulant_V2). TP OPERATEURS ANALOGIQUES M. Aimé T.Rocacher Page 8