APPROCHE DE L ELECTRONIQUE PAR LES FONCTIONS

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1 APPOHE DE L ELETONIQUE PA LES FONTIONS Manul Avila, Pascal Vrignat, Stéphan Bgot, Flornt Duculty To cit this vrsion: Manul Avila, Pascal Vrignat, Stéphan Bgot, Flornt Duculty. APPOHE DE L ELETONIQUE PA LES FONTIONS. olloqu sur l Ensignmnt ds Tchnologis t ds Scincs d l Information t ds Scincs HAL Id: hal Submittd on 3 Jun 0 HAL is a multidisciplinary opn accss archiv for th dposit and dissmination of scintific rsarch documnts, whthr thy ar publishd or not. Th documnts may com from taching and rsarch institutions in Franc or abroad, or from public or privat rsarch cntrs. L archiv ouvrt pluridisciplinair HAL, st dstiné au dépôt t à la diffusion d documnts scintifiqus d nivau rchrch, publiés ou non, émanant ds établissmnts d nsignmnt t d rchrch français ou étrangrs, ds laboratoirs publics ou privés.

2 APPOHE DE L ELETONIQUE PA LES FONTIONS AVILA M., VIGNAT P., BEGOT S., DUULTY F. Manul.Avila@univorlans.fr Laboratoir Vision t obotiqu, IUT d l Indr av. F. Mittrrand, HATEAUOU ESUME Dans ct articl, nous présntons ds maqutts d travaux pratiqus d élctroniqu qu nous avons conçus pour l nsignmnt d l élctroniqu n duxièm anné d DUT GEII, notammnt sur l aspct transmission d l information. L cours d élctroniqu st construit autour ds fonctions élémntairs pour la transmission d un signal : l oscillatur sinusoïdal, l filtr, l mélangur (ou mixr), l oscillatur commandé n tnsion. A partir d cs fonctions, il st possibl d «construir» ds systèms plus complxs : un boucl à vrrouillag d phas, un démodulatur AM ou FM, Mots clés : TP d élctroniqu, VO/OT, PLL, Modulation/démodulation INTODUTION L programm d duxièm anné d DUT Géni Elctriqu t Informatiqu Industrill contint un modul intitulé : Fonctions associés au Traitmnt t à la Transmission d l Information. Ls compétncs attndus sont : Savoir mttr n ouvr un oscillatur sinusoïdal t Dans ct articl, nous présntons ls qulqus fonctions qu nous avons réalisés ainsi qu l «fond d panir». Ds xmpls d systèms «complxs» sont nsuit construits à partir d cs fonctions «élémntairs». ls circuits spécialisés afférnts, LES FONTIONS ELEMENTAIES Nous commncrons donc par présntr ls fonctions élémntairs utils pour décrir ds systèms plus complxs. onnaîtr t savoir xploitr la boucl à vrrouillag d phas, Êtr capabl d mttr n œuvr un chaîn élémntair d traitmnt t d transmission du signal. Ls fonctions «élémntairs» pour présntr cs notions sont : l filtr (actif ou passif), l oscillatur (évntullmnt commandé n Tnsion OT ou VO), t l mélangur (ou mixr). A partir d cs «briqus d bas», il st possibl d rconstruir ds fonctions plus évolués : boucl à vrrouillag d phas (PLL), modulatur, démodulatur, Il put êtr nécssair d utilisr d autrs fonctions particulièrs pour prmttr d caractérisr ds fonctions : par xmpl l filtr déphasur. Dpuis qulqus annés, nous étions à la rchrch d matérils d TP prmttant d illustrr «simplmnt» cs problèms. Ls systèms disponibls sur l marché étaint xcssivmnt chrs ou n corrspondaint pas à nos attnts. Ls systèms xistants nécssitnt généralmnt l usag d un ordinatur pour ls pilotr, pour collctr ls msurs, pour rédigr l compt rndu, L un ds intérêts pédagogiqus ds TP d élctroniqu st d obligr ls étudiants à utilisr l matéril d msur (GBF, multimètrs, oscilloscops, ) n ls incitant à s posr ds qustions. Nous avons, donc, conçu ds maqutts d TP sous forms d moduls insérabls dans un «fond d panir» qui simplifi la connxion vrs ls apparils d msur t fournit ls alimntations à chaqu modul. L intérêt st d réduir la parti câblag d l étudiant pour qu il s consacr aux partis «intérssants» qu sont l étud t la caractérisation ds fonctions élctroniqus.. LE FILTE La fonction filtr put êtr réalisé n tchnologi passiv ou activ. Un moyn simpl d réalisr un filtr actif consist à mttr n cascad un crtain nombr d cllul d filtrs actifs d ordr. On put utilisr ds clluls d auch, d Salln & Ky ou d autrs. Suivant l ordr t la méthod d approximation, il suffira d détrminr la valur ds composants n fonction du cofficint d amortissmnt t d la fréqunc d coupur. problèm n sra pas traité dans ctt étud. Nous étudirons simplmnt un circuit passif (figur ) comportant impédancs. V Z Z Z3 fig : Filtr passif En fonction d la natur ds impédancs, on put réalisr un filtr pass bas, un filtr pass haut ou un filtr pass band. L xprssion suivant donn la fonction d transfrt génériqu du filtr. Z

3 vs v z. z z. z 3 z. z z. z z. z 3 z. z Par xmpl, la figur prmt d réalisr un filtr pass bas passif d ordr. V fig : Filtr pass bas passif On obtint, pour c montag, la fonction d transfrt suivant : vs v 3. jω ( jω) En rmplaçant un ds résistancs par un bobin (figur 3), il st possibl d obtnir un filtr pass band très sélctif n fonction ds valurs ds composants. la prmt, par xmpl, d réalisr un résau d réaction pour un oscillatur. V fig 3 : Filtr pass band passif On obtint, pour c montag, la fonction d transfrt suivant : vs v j( ω L jω L jω ) L ( ) ( ) 3 La rlation, sur laqull st basé l princip du mélangur, st la suivant : cos( a b) cos( a b) cos( a).cos( b) Si l on considèr ls signaux suivants aux ntrés du mélangur : Sur IN : v A cos( ω. t ϕ) Sur IN : v A cos( ω. t ϕ ) En sorti, nous obtnons : t) A cos( ω. t ϕ ). A cos( ω. t ) v x v x ( ϕ A. A cos( ( ω ω ). t ϕ ϕ ) cos ( ω ω ). t ϕ ϕ [ ( )] En plaçant un filtr pass bas n sorti du mélangur, on élimin la parti haut fréqunc t il rst n sorti : v s A. A. t ϕ [ cos( ( ω ω ) ϕ )] Suivant la natur ds ntrés, on obtint un fonction différnt : Un comparatur d phas si ls fréquncs d V t V sont voisins (figur 5). Hypothès : mêm fréqunc avc déphasag v t) A cos( ω. t ), v t) A cos( ω. t ) ( ϕ On obtint n sorti : A. A ( ϕ [ ( ϕ )] v s cos ϕ 0 A.A. LE MELANGEU La fonction mélangur (ou mixr) st un fonction ssntill pour la transmission d information. t élémnt prmt d concvoir ds comparaturs d phas pour la PLL, ds démodulaturs ou ds élémnts d cuxci pour la démodulation d amplitud ou d fréqunc, ds translaturs d fréqunc, IN IN AD633 OUT A.A fig 5 : aractéristiqu du comparatur d phas Un translatur d fréqunc si ls fréquncs sont éloignés. V Vx V s f V f Oscillatur local fig 6 : Translatur d fréqunc fig : Fonction mélangur

4 A la sorti du translatur (figur 6), ls fréquncs présnts dans l signal V sont décalés n fonction d la fréqunc d l oscillatur local. typ d montag st très souvnt utilisé dans ds récpturs (radio, télévisur, ). L signal, n sorti, s trouv décalé n fréqunc. La pulsation du signal n sorti sra égal à ωs ω ω t la fréqunc f s f f. A. A v s..3 L OT ou VO [ cos( ( ω ω ) t) ] L Oscillatur ommandé n Tnsion (OT ou Voltag ontrol Oscillator figur 7) st un convrtissur tnsion fréqunc. Il put êtr construit sur la bas d oscillatur ou L dans lqul, la valur d un capacité st variabl n fonction d un tnsion (diod varicap). f k. V V IN OUT OT ou VO IN f OUT V OUT fig 7 : Oscillatur ommandé n Tnsion Il xist ncor qulqus circuits intégrés qui réalisnt uniqumnt ctt fonction sur ds formats simpls d mis n œuvr (composant travrsant boitir DIP) : Par xmpl : MA038, 06, composant put êtr utilisé : pour produir un signal modulé n fréqunc, dans un PLL, comm un oscillatur local (figur 6), 3 FONTIONS OMPLEES A partir ds fonctions élémntairs, on put construir ds fonctions complxs : un PLL, un oscillatur à résau d réaction, un démodulatur FM, 3. L OSILLATEU Un oscillatur à résau d réaction s compos d un amplificatur d gain A t d un résau d réaction B. Ls conditions d oscillation d c typ d montag sont définis par l critèr d Barkaüsn : A.B tt rlation conduit à dux conditions : Arg(A) Arg(B) 0 qui donn la fréqunc ds oscillations A.B qui donn la condition d démarrag Dans l montag d ollpitts (figur 8), la condition sur ls argumnts, pour l résau d réaction, put s vérifir avc un déphasag d π. Pour satisfair ctt condition, il faut utilisr un amplificatur invrsur. qui put êtr réalisé d façon simpl à l aid du mélangur sur lqul on appliqura un tnsion continu négativ sur l un ds dux ntrés, l autr rcvant l signal à amplifir. En séanc d TP, on put utilisr un simpl potntiomètr conncté aux tnsions adéquats qui prmttra, ntr autr, d vérifir la condition d démarrag. La mêm maqutt put êtr utilisé pour réalisr un oscillatur à pont d Win. Il faudra alors utilisr un amplificatur non invrsur, facil à réalisr avc l mélangur n utilisant un tnsion continu positiv. Vk Ampli A 3. LA PLL ésau d réaction B fig 8 : Oscillatur à résau d réaction Un moyn simpl d réalisr un PLL st d utilisr l schéma suivant (figur 9) composé d un mélangur, d un filtr pass bas t d un oscillatur commandé n tnsion. L étud n TP d la PLL consist à tracr ls caractéristiqus ds composants d cllci : caractéristiqu du comparatur d phas (xmpl figur 5), caractéristiqu d l OT (fréqunc n sorti / tnsion d ntré). On put, nsuit, n déduir la plag d poursuit ctt PLL. Afin d caractérisr l comparatur d phas, il st nécssair d utilisr un filtr déphasur. L princip st décrit au paragraph suivant. V V x V ε V s OT f V s f s fig 9 : Exmpl d PLL L

5 3.3 DEMODULATEU FM. LE FOND DE PANIE On put réalisr un démodulatur d fréqunc (figur 0) n utilisant un comparatur d phas associé à un filtr déphasur. L schéma d c filtr déphasur st détaillé sur la figur 5. Il possèd un gain constant d 0dB t présnt un déphasag d 0 à π n fonction d la fréqunc (figur ). Signal modulé Signal démodulé Filtr déphasur fig 0 : Démodulatur par déphasag 0 0 fig : Démodulatur par déphasag En choisissant corrctmnt la fréqunc du signal modulé par rapport à la caractéristiqu du filtr déphasur (figur ), la tnsion n sorti du comparatur d phas sra proportionnll à la tnsion modulant. LA MAQUETTE DE TP Notr maqutt d TP a été conçu afin d concntrr l travail ds étudiants sur l étud ds fonctions n limitant ls problèms d connxion ntr ls moduls. La cart «fond d panir» (figur ) a été conçu pour simplifir l câblag ds fonctions. Il suffit d connctr la cart fonction sur l fond d panir pour assurr l alimntation ds composants. Nous avons opté pour ds conncturs SUBD 9 points mâls t fmlls qui assurnt égalmnt un liaison mécaniqu fficac ds fonctions. La liaison ntr ls fonctions st assuré par ds cordons banans d mm. fig : Fond d panir La cart «fond d panir» (figur ) dispos d six mplacmnts prmttant d rcvoir ls fonctions élémntairs. Ell assur l alimntation ds carts fonctions à partir ds bornirs d alimntation (fichs banans mm). Nous avons égalmnt placé ds intrfacs d connxion : banan mm <> mm t BN < > banan mm. Dux potntiomètrs ont été placés sur la cart pour disposr d tnsions ajustabls d 5 à 5 Volts. Un voltmètr a été placé égalmnt pour visualisr un tnsion (faibl précision). Il st possibl d placr un plaqu d câblag sur l coté d la cart «fond d panir», cci afin d disposr d un zon d câblag libr (visibl figur 8).. LES FONTIONS ELEMENTAIES.. L filtr La figur 3 montr l implantation ds composants sur la fonction filtr. Quatr mplacmnts prmttnt d associr n séri ou n parallèl ds dipôls afin d constitur différnts typs d filtrs. fig 3 : Filtr passif

6 .. L mélangur La figur montr l implantation d la fonction mélangur. La sorti OUT st l produit «analogiqu» ds ntrés IN t IN. L composant AD633 ffctu l produit ds dux ntrés, suivant sa configuration, à un cofficint près d /0. tt atténuation st compnsé par un montag amplificatur non invrsur réglabl à l aid d un potntiomètr. OUT IN * IN.3. L OSILLATEU SINUSOIDAL L étud d l oscillatur d ollpitts consist à caractérisr ls dux partis d l oscillatur : l amplificatur (A) t l résau d réaction (B). Il faut tracr l diagramm d Bod du résau d réaction afin d détrminr la fréqunc pour laqull l déphasag st d π. Il faudra vérifir qu ls oscillations apparaissnt à ctt fréqunc. L amplificatur st constitué d un mélangur dont l un ds ntrés st conncté à un tnsion négativ variabl, dans notr cas, un potntiomètr. fig : Mélangur..3 L filtr déphasur L filtr déphasur st composé d clluls «filtr déphasur» n cascad. L potntiomètr n sorti prmt d ajustr l amplitud d la tnsion n sorti. GND IN n 3 5V 3 UA TL08A 5V 5 n UB 7 TL08A n U 8 TL08A fig 5 : Filtr déphasur haqu cllul possèd la fonction d transfrt suivant : vs jω v jω La mis n cascad d quatr cllul prmt d obtnir un déphasag d 0 à π n fonction d la fréqunc avc un gain théoriqu constant d 0dB. 0 n 3 GND UD TL08A POT OUT 0K.3. LA PLL fig 6 : Oscillatur d ollpitts tt PLL (figur 7) st idntiqu à cll décrit au paragraph 3.. L objctif pédagogiqu n TP consist à caractérisr ls élémnts d cllci. Pour caractérisr l comparatur d phas, il st nécssair d utilisr un filtr déphasur. La figur 8 montr l montag. La variation d fréqunc du signal n ntré prmt d fair varir l déphasag ntr ls signaux à l ntré du mélangur. La msur du déphasag ntr cs signaux t la tnsion d sorti prmt d tracr la caractéristiqu du comparatur d phas. Pour caractérisr l oscillatur commandé n tnsion,il suffit d fair varir la tnsion continu n ntré t d msurr la fréqunc n sorti. L tst d la PLL put alors s ffctur n assmblant ls différnts fonctions d bas. Il suffit alors d fair varir la fréqunc à l ntré d la PLL pour détrminr la plag d poursuit d cllci..3 EEMPLES DE TP Ls étudiants sont amnés à caractérisr ls fonctions afin d obtnir l résultat attndu. Pour attindr ct objctif, ils n ont qu à assmblr différnts fonctions élémntairs.

7 fig 7 : PLL.3.3 DEMODULATION PA DEPHASAGE transmission puvnt êtr étudiés n «basss fréquncs». La réalisation d ctt maqutt st rlativmnt pu onérus. Un ju d circuits imprimés (commandé par 5 ou 0) rprésnt moins d 00 uros. Ls composants nécssairs pour ls fonctions s chiffrnt à moins d 00 uros. Ls offrs commrcials qui pourraint répondr aux mêms objctifs pédagogiqus sont vndus qulqus millirs d uros avc ls résrvs émiss n introduction. D autrs fonctions pourront êtr ajoutés : Filtrs actifs, Oscillatur à quartz, Ls circuits ont été conçus avc l logicil d AO élctroniqu Orcad. Ils pourraint êtr mis à disposition ds collègus intérssés. L montag suivant (figur 8) prmt d caractérisr l comparatur d phas d la PLL lorsqu la fréqunc n ntré st fixé. Si on appliqu, à l ntré, un tnsion modulé n fréqunc, avc un fréqunc d portus corrctmnt choisi, la tnsion d sorti sra à l imag d la tnsion modulant. fig 8 : Démodulation par déphasag 5 ONLUSION Dans ct articl, nous présntons un maqutt prmttant d concvoir facilmnt ds TP d élctroniqu «orintés» communications. En fft, à partir d fonctions élémntairs, il st facil d obtnir ds fonctions évolués n assmblant plusiurs fonctions élémntairs. L usag d c matéril st limité car il n prmt pas d travaillr à d hauts t très hauts fréquncs. Ls liaisons étant assurés par ds cordons banans, lls sont particulièrmnt snsibls aux fréquncs élvés. pndant, nous n avons pas d spécialité HF dans notr institut, il n st donc pas nécssair d fair ds étuds à cs fréquncs. Ls princips d