Micro sans fil 10,7MHz

Projet PR-2001
2014/2015
Microphone sans fil utilisant une modulation FM à 10.7 MHz
Sujet proposé par F. de Dieuleveult
1. Introduction au projet
L’objectif est de réaliser un émetteur RF de faible puissance à la fréquence de 10.7 MHz et
son récepteur associé. Le signal à transmettre est un signal audio et la transmission sera
assurée sur quelques mètres. L’Arduino est utilisé pour fixer la fréquence délivrée par la
boucle à verrouillage de phase (PLL pour Phase Loop Locked). L’ensemble est aisément
réalisable et il utilise beaucoup de blocs classique de l’électronique des récepteurs hautes
fréquences.
2. Description de l’émetteur
Le synoptique de l’émetteur représenté à la figure 1, se compose d’un oscillateur contrôlé en
tension VCO (Voltage Controlled Oscillator) stabilisé par un PLL Analog Devices ADF 4111.
La fréquence d’émission est stabilisée par le PLL qui est programmé par l’Arduino via un bus
de communication série. La fréquence programmée est affichée sur l’afficheur LCD. Le
signal audio est ajouté au signal de commande du VCO pour assurer une modulation de la
fréquence d’émission.
Un amplificateur RF, non essentiel, complète l’émetteur et augmente légèrement la puissance
d’émission. Le projet peut être mené à bien sans cet amplificateur mais en son absence la
portée de la transmission est réduite.
Figure 1 : synoptique de l’émetteur FM.
2.1 Sous-ensemble PLL
Le PLL est du type ADF 4111 programmable via un bus série Clock Data Enable. De façon
classique et comme on peut le voir sur la documentation, la fréquence de l’oscillateur
N
stabilisée par le PLL est donnée par une formule de la forme : fVCO = f XTAL . Pour le circuit
R
ADF 4111, N est un compteur 19 bits et R un compteur 14 bits.
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L’Arduino sera utilisé pour fixer la fréquence d’émission en programmant la valeur des deux
entiers N et R. La fréquence programmée sera affichée sur l’écran LCD.
2.2 Sous-ensemble VCO
Nous utiliserons la partie du circuit intégré 74HC4046 que constitue le VCO. Le schéma
interne de ce circuit est représenté à la figure 2. Trois composants sont nécessaires pour fixer
la fréquence centrale de la modulation et l’excursion en fréquence : R1 R2 et C1. L’entrée est
sur la broche 9 et la sortie sur la broche 4. Les broches 1 2 3 10 13 14 et 15 ne sont pas
utilisées.
Figure 2 : schéma de l’oscillateur 10.7 MHz.
2.3 Sous-ensemble PLL associé au VCO
Le PLL est associé au VCO conformément au schéma de principe de la figure 3. Le filtre de
boucle est un filtre passif constitué de 5 éléments.
Une sortie Lock Detect peut être utilisée pour actionner une LED et indiquer que le PLL est
bien verrouillé sur la fréquence programmée.
Figure 3 : schéma du VCO associé au PLL.
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L’oscillateur de référence à quartz est un modèle QX14T50B10.000B50TT qui se présente
sous la forme d’un composant représenté à la figure 4. Sa sortie est connectée sur l’entrée
FREF IN du schéma de la figure 3.
Figure 4 : oscillateur de référence
2.4 Sous-ensemble BF amplification et addition
Ce sous ensemble comprend deux amplificateurs opérationnels : le premier est chargé du filtre
de préaccentuation et le second est chargé de réaliser l’addition entre le signal de contrôle du
VCO et le signal modulant.
Pour la préaccentuation la constante de temps est fixée à 50 µS. La fonction de transfert à
réaliser est donnée par la courbe de la figure 5.
C2
C1
Entrée audio
modulation
R
-
R3
R2
R
R1
+
+
Vers le VCO
Filtre de pré accentuation
En provenance du PLL
Gabarit du filtre de pré
accentuation
f1 =
1
2 π R 1C 1
f2 =
1
2πR 2C 2
Figure 5 : fonction de transfert du filtre de pré accentuation.
Les amplificateurs opérationnels sont du type LF356.
La fonction de transfert peut être aisément calculée pour choisir les cinq éléments R1, R2, R3,
C1 et C2. On a R1C1=50µS
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2.5 Sous-ensemble amplificateur RF
VCC
R2
R1
VE
VS
Figure 6 : amplificateur RF en classe A
Le schéma de l’amplificateur RF en classe A est représenté à la figure 6. Le transistor est du
type BFR96. Cet étage peut être très simplement simulé sous ADS avec des impédances
d’entrée et de sortie de 50 ohms.
Figure 7 : simulation de l’amplificateur RF en classe A
Le schéma de la figure 7 donne un exemple de simulation de l’amplificateur en classe A. Pour
un courant de polarisation de 10 mA environ, le gain est supérieur à 20 dB à 10 MHz.
3. Récepteur FM à 10.7 MHz
Le circuit intégré SA 604 réalise le récepteur de la modulation FM avec les fonctions
d’amplification et de démodulation FM. Le signal en provenance de l’antenne est transmis à
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l’entrée notée input du schéma de la figure 8. Le signal reçu est amplifié par deux étages
d’amplification internes et transmis finalement au démodulateur F2.
Le schéma de la figure 8 présente la mise en œuvre du circuit intégré SA 604. Le filtre
céramique F1 est un filtre intégré du type SFELF10M7HAA0-B0 Murata disponible chez
Farnell. L’allure de ce filtre est représentée à la figure 9.
Le concepteur doit seulement calculer la valeur de C6 C7 et F2. La note d’application à
télécharger explique simplement la méthode de calcul.
Figure 7 : récepteur et démodulateur FM à 10.7 MHz.
Le signal audio est disponible à la sortie 6 du circuit intégré. La résistance interne de la sortie
6 associée au condensateur C9 constitue le filtre de désaccentuation à 50 µS. Ceci correspond
à l’opération inverse qui a été faite à l’émission.
Le signal audio est envoyé à un amplificateur de puissance via un potentiomètre de volume.
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Figure 9 : filtre céramique Murata.
3.1 Sous-ensemble amplificateur de puissance audio
Le schéma de la figure 10 représente la structure de l’amplificateur de puissance audio.
L’amplificateur opérationnel est du type LF356, le transistor NPN du type 2N2219 et le type
PNP 2N2905.
Figure 10 : amplificateur de puissance audio.
Le haut-parleur est connecté à la place de la résistance R1. Le gain de l’amplificateur est
donné par le rapport des deux résistances R2/R3. La résistance R4 est égale à la valeur des
deux résistances R2 et R3 mises en parallèles. Le signal audio, en provenance de la sortie
audio output de la figure 7, est transmis à l’étage amplificateur audio via un potentiomètre de
volume.
L’émetteur et le récepteur peuvent être traités et testé séparément. Il ne faut pas
attendre d’avoir fini l’émetteur pour travailler sur le récepteur.
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2014/2015
Février 2015
Mars 2015
Avril 2015
Mai 2015
Juin 2015
Tâches
Janvier 2015
Décembre 2014
4. Diagramme de Gantt des tâches
Tâche
1
Tâche
2
Tâche
3
Tâche
4
Tâche
5
Tâche
6
Utiliser le VCO avec le
74HC4046 : tâche 1.
Utiliser le circuit ADF
4111 et le programmer
par l’Arduino : tâche 2.
Connecter le VCO au
PLL
et
ajouter
l’oscillateur à quartz :
tâche 3.
Simuler l’amplificateur
d’émission et réaliser un
PCB du circuit émetteur
: tâche 4.
Utiliser le circuit SA
604 avec son filtre ;
tester
l’amplificateur
audio : tâche 5.
Réaliser le PCB du
récepteur tâche 6.
Validation de la tâche
attendue.
5. Descriptif du travail demandé
Il vous est demandé de concevoir et de réaliser sur un circuit imprimé toute
l’électronique.
Vous devrez rendre un rapport final expliquant la conception du montage. Le rapport
final devra être rendu au plus tard le jour de la dernière séance encadrée. Vous serez
régulièrement noté sur votre travail en évaluation surprise et ce sera votre cahier de
laboratoire du projet PR-2001 qui sera noté.
Vous devez présenter des mesures qui vérifient le cahier des charges.
Il est évident que le code arduino et les circuits électroniques peuvent utiliser des
éléments que vous aurez repris par ailleurs mais vous devrez citer vos sources.
Cette démarche est acceptée car vous travaillerez de cette façon quand vous serez
ingénieur. Mais il est tout aussi évident, que vous devrez avoir compris ce que
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avez repris ailleurs, pour pouvoir le modifier, pour l’adapter, ou l’expliquer à
d’autres.
5.1. Contenu du rapport final
Il doit comporter.
Un plan, une introduction,
un organigramme du code Arduino et le programme complet (ou un lien pour s’y
référer ; pour éviter le plagiat, il faut citer ses sources…),
des schémas électroniques et un schéma complet avec tous les éléments du montage et
une nomenclature donnant la liste de tous les composants,
une partie dimensionnement des différentes parties qui doit être justifié par des calculs
théoriques,
une partie mesures pour la vérification du cahier des charges,
une conclusion.
5.2. Conseils pour la conduite du projet
Vous devrez utiliser un cahier de projet dans lequel vous conserverez les différents
programmes que vous aurez fait, les différents montages testés. Ce cahier de projet est
d’abord utile pour l’avancement de votre projet.
Avant de tester un montage, vous devrez faire un schéma sur papier et avoir la
documentation du composant sous les yeux. Aucun circuit ne sera vérifié si vous
n’avez pas un schéma sous les yeux.
Utiliser les ressources à votre disposition (google) tels que internet et aussi
www.esiee.fr/~poulichp/, la simulation, la bibliothèque et bien sur vos cours.
5.3. Notation
La notation tiendra compte de votre comportements pendant les séances encadrées et de vos
initiatives par rapport au synoptique proposé par l’intermédiaire des validations
intermédiaires.
La note est une moyenne de l’évaluation périodique de votre cahier de laboratoire, de la note
du rapport final, des validations intermédiaires des différentes tâches et de la présentation
finale.
La présentation finale de votre travail sera faite lors de la dernière séance de quatre heures
encadrées. Votre travail et votre compréhension individuelle du sujet seront évaluées.
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Composants usuels à disposition
AOP : LF351, LF 356, NE5534 (AOP à fort produit gain bande), KA3403 (4 AOP dans le
même boîtier)
Transistor bipolaire faible puissance : 2N2222, 2N2907, 2N2219, 2N2905
Transistor bipolaire moyenne puissance : D44H11, D45H11
Diode signal et redressement : 1N4148, 1N4001
Diode de commutation : BA157
Circuit générateur de signaux : NE 555, XR2206, ICL8038
Comparateur : LM311
Circuit logique : CMOS (CD4XXX)
CAN et CNA 8 bits : ADC0804 et DAC800
Interrupteur analogique : CD4016
Multiplieur analogique : AD633
Buffer logique CMOS : CD4049
Boucle à verrouillage de phase (PLL) : CD4046
Transistor FET : 2N4393, BF245
Zener
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