Rapport de projet - Site perso Benoit Decoux

Projet d’électronique P2 n°1
Télémètre à ultra-sons
Oct. 2000
Durée : 4 séances + 1 séance de validation
Objectif du Projet
Le but de ce projet est la mise au point d’un télémètre à ultrasons, qui permettra de mesurer une
distance sans contact.
Le principe est l'émission d'une onde ultrasonore vers un objet massif ou un mur, la détection de
l'écho renvoyé par cet obstacle, la mesure du temps de parcours de l'onde et la déduction de la distance
entre le système émetteur-récepteur et l'obstacle.
Moyens utilisés
On utilise comme émetteur-récepteur deux composants appelés “transducteurs à ultrasons”. Le
même type de transducteur peut être utilisé pour les deux fonctions (émission et réception). En effet, il
s'agit de transducteurs utilisant l'effet piézoélectrique (voir plus bas), qui est un phénomène réversible.
Trois afficheurs 7 segments seront utilisés pour afficher la distance mesurée.
Cahier des charges
- Tension d’alimentation : 9 V (pour que le système puisse être alimenté par une pile, donc
être portable)
- Distance affichée en centimètres
- Mesure fiable dans une plage de distances allant de 10 centimètres à 3 mètres
- Affichage de la distance avec rafraîchissement à intervalles de temps régulier (inférieur
à 0,5 s)
Ultrasons
Les ultrasons sont des sons que l’homme n’entend pas car leurs fréquences sont supérieures à la
fréquence maximale qu’il peut entendre (c’est à dire de l’ordre de 20kHz). Certains animaux comme
les chiens peuvent cependant les entendre.
Les chauve-souris utilisent les ultrasons pour localiser les proies volantes : elles émettent des
ultrasons, écoutent leur échos et en déduisent la position des obstacles que constituent ces dernières.
Benoît Decoux
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Transducteurs à ultrasons
Les transducteurs à ultrasons utilisés sont piézoélectriques : ils sont composés d'une lamelle d'un
matériau (quartz ou céramique) ayant la propriété de se dilater sous l'action d'un champ électrique.
Inversement, ils donnent naissance à un champ électrique lorsqu'ils sont soumis à une pression
mécanique. Il est donc possible de les utiliser à la fois comme émetteurs et comme récepteurs. En
d'autres termes, il peut être utilisé à la fois comme haut-parleur et comme microphone.
Ils sont actuellement également utilisés dans le cadre du projet d’électronique P3, qui porte sur la
détection d’obstacles par un robot mobile.
Utilisation en émetteur
Une variation de tension électrique imposée aux bornes d’un de ces transducteurs va provoquer
l'émission d'une onde acoustique ultrasonore (vibration de l’air).
Utilisation en récepteur
Une onde ultrasonore environnante va provoquer l'apparition de variations de tension
(d’amplitudes très faibles) à ses bornes.
Propriétés
La bande passante de ces transducteurs est très étroite, et centrée sur une valeur située au delà des
fréquences audibles. Les transducteurs utilisés auront pour fréquence centrale 40 kHz.
Ces composants peuvent être également appliqués à la mesure de forces (par exemple un poids),
de pressions, d'accélérations, etc.
L'espace d'efficacité, c'est à dire l’espace dans lequel les ondes sont émises ou seront perçues, ne
dépasse pas quelques mètres en profondeur, dans un cône formé par un angle d'une quarantaine de
degrés (figure 1).
20°
Figure 1
Principe de la mesure électronique
La mesure d'une distance peut être basée sur la mesure du temps que met une onde acoustique
pour aller de la source ultrasonore (ou sonore) à un obstacle, s'y réfléchir et revenir. Une fois ce temps
connu, et sachant que la vitesse du son dans l’air est de 340 mètres/seconde, la distance entre la source
et l’obstacle peut être déduite.
Benoît Decoux
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Compteur binaire
D'un point de vue électronique, on peut utiliser un compteur, commençant à compter à l'émission
de l'onde, et s’arrêtant à la réception de l'onde réfléchie. L'état du compteur, proportionnel à la distance
recherchée puisque la vitesse de déplacement de l'onde est constante, peut alors être interprété pour
déterminer et afficher la distance correcte.
Pour éviter d'effectuer une opération mathématique entre l'état du compteur et la valeur à afficher,
il suffit de choisir une fréquence d'horloge adéquate, pour que l'état du compteur corresponde
directement à la distance en centimètres. Une fois le compteur arrêté, il suffit alors d'afficher
directement son état sur les afficheurs.
Il n'est pas nécessaire d'afficher l'état du compteur sur les afficheurs en permanence (sinon on
risque de ne rien pouvoir lire sur ces derniers). L'affichage doit se faire seulement à intervalles de
temps réguliers, ou une fois que l'écho du signal émis est reçu, c'est à dire une fois que le compteur a
été arrêté. Dans le premier cas, il faut s’assurer que cet intervalle corresponde à une distance très
grande devant la distance maximale à mesurer.
La figure 2 rappelle le chronogramme des sorties Q0 à Q3 d'un compteur binaire. Il y a 16 états de
sortie possibles. L'entrée d’horloge cadence le comptage, qui est incrémenté sur cet exemple sur front
descendant. Ce compteur est également un diviseur de fréquence.
horloge 0 1
0
Q0
0 0
1
Q1
0 0
0
Q2
0 0
0
Q3
0 0
0
Figure 2. Sortie d’un compteur binaire.
Compteur DCB
Pour afficher sur un afficheur 7 segments un chiffre variant de zéro à 9, on a besoin d'utiliser un
compteur comme celui qui est décrit ci-dessus, mais repassant à zéro après 9. Ceci peut être réalisé en
utilisant des portes logiques détectant la combinaison des sorties correspondant à 9 et remettant à zéro
les compteurs, ou en utilisant un compteur dans lequel cette fonction est déjà intégrée (compteur
décimal-codé-binaire, ou DCB).
Décomposition du système en modules
Le système complet peut être décomposé en trois parties principales (figure 4) :
1) Logique de commande
2) Emission-réception
3) Comptage et affichage
Benoît Decoux
3
émission-
émission
horloge
logique de
commande
réception
réception
RAZ
affichage
comptage et
affichage
Figure 4. Décomposition du système en 3 modules, et signaux logiques échangés entre eux.
1) Logique de commande
Le module "logique de commande" gère l'ensemble du système : l'émission et la réception des
signaux ultrasonores via le module "émission-réception", et l'affichage de la distance mesurée via le
module "comptage et affichage".
Il échange avec le module d'émission-réception deux signaux logiques : il envoie un signal
commandant l'émission (signal émission), et reçoit un signal lui indiquant qu'un écho a été reçu (signal
réception).
Il échange trois signaux avec le module de comptage et d’affichage : horloge, raz (remise à zéro)
et affichage.
2) Emission-réception
La partie utile du signal émission envoyé par le module "logique de commande" au module
"émission-réception" est constituée par un front. Il doit être utilisé pour déclencher l’émission d’un
signal généré par le module d’émission-réception, par exemple une salve (série) d'impulsions logiques
dont la période et le nombre devront être choisis de façon à avoir le donner naissance à un écho
exploitable par le système.
L'écho reçu ayant une amplitude très faible, la tension présente aux bornes du transducteurrécepteur doit être amplifiée d'un facteur très important. Un ou plusieurs étages amplificateurs à
transistors doi(ven)t donc être utilisés. Le signal amplifié doit alors être mis en forme par des portes
logiques de manière à pourvoir être utilisé par le module "logique de commande" (signal réception).
3) Comptage et affichage
Le module de comptage et d'affichage comporte 3 afficheurs 7 segments destinés à indiquer la
distance mesurée en centimètres. Il n’envoie pas de signaux aux autres modules.
Le principe du comptage est basé sur l'utilisation de compteurs DCB. La sortie de ces compteurs
doit être convertie en code 7 segments par des décodeurs appropriés. Les compteurs utilisés
comportent 4 bits de sortie ; ils vont permettre chacun de coder un chiffre.
L’affichage de chaque chiffre comporte : un transcodeur 7-segments dont le rôle est de convertir
le code DCB (issu de la sortie d’un compteur) en code 7-segments, permettant l’affichage du chiffre
correct correspondant sur un afficheur 7-segments.
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Le module de comptage-affichage doit recevoir 3 signaux du module comportant la logique de
commande :
- horloge (ou clock) dont chaque front incrémente les compteurs d'une unité ;
- raz (ou reset), destiné à remettre à zéro la sortie des compteurs ;
- affichage (ou latch), destiné à provoquer l’affichage de l'état des compteurs sur les trois
afficheurs.
Chronogramme des signaux
La première étape de la mise au point d’un circuit électronique est la recherche du chronogramme
des signaux, c’est à dire la description des différents signaux nécessaires dans le temps. Une fois ce
chronogramme défini il ne reste plus qu’à le traduire sous forme d’un circuit capable de générer ces
signaux.
Dans le cas du télémètre à ultrasons, il faut au préalable définir les contraintes à respecter,
notamment celle qui sont imposées par le cahier des charges, pour définir un chronogramme valable.
On peut déterminer déjà 4 contraintes :
1) La bande de fréquence que les transducteurs à ultrasons peuvent émettre (ou recevoir) est étroite et
centrée sur 40kHz.
Les signaux envoyés au transducteur émetteur doivent donc avoir cette fréquence. De plus, ce que
l’on cherche à capter à l’aide du transducteur récepteur est l’écho de ce signal renvoyé par un obstacle.
Donc la partie utile du signal émis est son début. Il n’est donc pas nécessaire que le signal dure
longtemps. A l’opposé, il faut que ce signal comporte quand même un certain nombre de périodes,
pour pouvoir donner naissance à un écho exploitable. Ces 2 constatations nous amènent à déterminer
un compromis, dans lequel notre signal émis sera constitué de quelques dizaines de périodes. On
appellera ce signal une salve d’impulsions.
2) Il est inutile d’effectuer des mesures qui ne seront pas affichées.
A partir de cette constatation, c’est la fréquence d’affichage qui va déterminer la fréquence des
mesures (c’est à dire des émissions de salves). Cette fréquence doit être dictée par le confort
d’utilisation du télémètre et de la lecture de la valeur affichée. Une durée de l’ordre de quelques
dizaines de millisecondes à 1 seconde semblent pouvoir convenir.
Une autre contrainte intervient dans le choix de cette fréquence : entre 2 mesures successives il
faut que le temps écoulé soit suffisamment long pour que l’ultrason ait le temps de parcourir 2 fois
(aller et retour) la distance maximale à mesurer (sinon à la réception d’un écho il serait impossible de
savoir à quelle salve elle correspond).
3) L’origine du temps compté par les compteurs doit correspondre à l’envoi d’une salve.
L’émission d’une salve doit donc se faire en même temps que le comptage commence. On peut
faire (re)commencer un comptage en (re)mettant à zéro les sorties des compteurs concernés.
Benoît Decoux
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4) L’affichage doit comporter une certaine mémorisation.
En effet, entre l’émission d’une salve d’impulsions et la réception de l’écho, les compteurs
tournent (mesurent le temps). Il ne faut donc pas afficher en permanence leurs sorties sur les afficheurs
7 segments, sinon aucune valeur ne serait visible, vu la fréquence de changement d’état de ces sorties.
Lors d’une mesure, il faut donc mémoriser la valeur mesurée et affichée précédemment. Les
transcodeurs 7 segments utilisés (4511) comportent une entrée de mémorisation appelée latch,
pouvant être utilisé à cet effet.
Remarque important sur l’alimentation des composants intégrés
Certains circuits intégrés que l’on va utiliser appartiennent à la série dite 4000, d’autres de la série
74HC. Les tensions d’alimentation admissibles par les circuits de ces 2 séries ne sont pas les mêmes.
Sachant que le cahier des charges impose une tension d’alimentation générale bien précise, il sera
peut-être nécessaire d’utiliser un circuit régulateur ou une diode zéner (qu’il faudra bien sûr polariser
avec une résistance) pour abaisser cette tension, pour certains des circuits intégrés.
Marges de manœuvre dans la gestion du projet
Il n’existe pas de solution unique pour le montage télémètre à ultrasons. Certains modules, comme
le générateur de salves pour l’émission et l’amplification à la réception, sont indispensables. Mais
pour la partie logique de commandes, il existe de nombreuses solutions, plus ou moins coûteuses en
terme de composants électroniques.
Même si les énoncés vous permettent d’aboutir à une solution opérationnelle, et donc constitue
une sécurité, nous laissons certaines parties incomplètes pour vous laisser réfléchir à une solution
personnalisée. Toute prise d’initiative de votre part dans le choix de solutions différentes que celle que
l’on vous suggérera sera valorisée lors de la validation du projet.
N’oubliez pas que l’objectif n°1 de ce projet est d’aboutir à un système qui fonctionne, même s’il
n’est pas complet et qu’il ne remplit pas toutes les conditions du cahier des charges. Votre stratégie
doit découler de cet objectif, et doit vous amener à choisir les solutions les plus simples à chaque
étape. Le respect du cahier des charges peut être vu comme une 2e phase. Souvenez-vous : vous
pourrez vendre un système qui fonctionne même s’il est très limité, alors qu’en aucun cas vous ne
pourrez vendre un système sophistiqué s’il ne fonctionne pas !
Documents distribués
Seuls les énoncés des sujets vous sont distribués. Les fiches techniques des composants
nécessaires se trouvent sur la page web élec. consultable à partir des PC du labo rouge. Ils sont
disponibles au format .pdf. Attention, il n’est pas nécessaire d’imprimer les fiches complètes
(certaines font plusieurs dizaines de pages). Vous pouvez néanmoins imprimer les pages qui
comportent des informations utiles au projet.
Les fiches techniques non disponibles sur la page web élec pourront être récupérées directement
auprès des sites des fabricants des composants, dont les adresses sont placés dans les signets de
Netscape.
Benoît Decoux
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Projet P2 : “ Télémètre à ultrasons ”
Programme de la 1ère séance (/5)
Compte-rendu à remettre à la fin de la séance
Programme de la séance
Etude des transducteurs à ultrasons
Mise au point d’un montage astable
Mise au point d’un montage monostable
Montage de test générateur de fonctions + monostable + astable + transducteurs
Mise au d’un montage amplificateur pour la réception
1. Etude des transducteurs à ultrasons
Placer les deux transducteurs en vis-à-vis (face à face), espacés de quelques dizaines de
centimètres, et appliquer au transducteur-émetteur la sortie TTL du générateur de fonctions réglé sur
40kHz. Visualiser la sortie du transducteur-récepteur à l'oscilloscope. L’onde ultrasonore émise par
le transducteur-émetteur et captée par le transducteur-récepteur, doit alors être apparaître.
Q1. Faire varier la distance entre les 2 transducteurs et, en prenant quelques points de mesure, relever
et représenter la courbe de l’amplitude du signal reçu en fonction de la distance. Même chose avec un
obstacle solide.
Q2. En prenant la valeur maximale de l’amplitude comme référence, mesurer la bande passante à
−3dB des transducteurs (en décrivant la mesure en détails), et représenter la courbe de gain en fonction
de la fréquence (en prenant quelques points de mesure supplémentaires).
Q3. En raisonnant avec les séries de Fourier, expliquer pourquoi la forme du signal présent aux bornes
du transducteur récepteur est une sinusoïde. Diminuer progressivement la fréquence du générateur
(jusqu’à 10kHz environ), et déterminer 2 valeurs de la fréquence pour lesquelles un signal de faible
amplitude est reçu. Expliquer ce phénomène.
2. Mise au point d’un montage astable
On souhaite réaliser un montage astable générant un signal carré de fréquence 40kHz destiné à
être transformé en ultrasons par le transducteur-émetteur. Il remplacera le générateur de
l’expérimentation 1. Pour cela on utilisera un circuit spécialisé dans cette fonction : le NE555.
Des informations générales sur les montages astables et montages monostables sont données en
annexe.
Q4 Mettre au point un montage astable délivrant la fréquence souhaitée, basé sur l’utilisation d’un
NE555. Représenter le schéma de cet astable et décrire les équations de son fonctionnement. Préciser
si cet astable possède une entrée de commande, et si oui décrire ses caractéristiques.
Q5. Donner le schéma d’un montage astable à porte logique NAND à hystérésis et calculer
l’incertitude sur la fréquence du signal qu’il délivre, en fonction de l’incertitude existant sur la
capacité (on prendra 20%) et la résistance que comporte ce montage (5%).
3. Mise au point d’un montage monostable
On a vu que l’ultrason émis doit avoir une durée très courte. Le signal appliqué au transducteur
émetteur, généré par un montage astable, doit être appliqué uniquement pendant cette durée. Pour
Benoît Decoux
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cela on utilise une impulsion que l’on appellera signal de porte (qui laisse passer ou non le signal de
l’astable, en d’autres termes, qui le commande ou non). Une manière de générer une impulsion isolée
est d’utiliser un montage monostable.
Pour le monostable nous utiliserons un circuit intégré spécialisé dans cette fonction : le 4538. Il
pourra être soit de la série 4000, soit de la série 74HC. Il faudra faire attention à cela car selon la
série, les tensions maximales d’alimentation ne seront pas les mêmes.
Q6. Mettre au point un montage monostable générant une impulsion dont la largeur permettra
d’encadrer quelques dizaines de périodes du signal issu de l’astable, à l’aide du circuit intégré 4518.
Donner un schéma possible pour ce monostable (en précisant les différents modes possibles que ce
composant possède).
Q7. A partir de la fiche technique du 4538, indiquer un couple de valeurs pour la résistance et la
capacité externes associées à ce circuit, pour obtenir la durée désirée de son impulsion de sortie
(indiquée dans le texte de l’énoncé du projet). Préciser comment cette information peut être obtenue à
partir de cette documentation, et les valeurs limites de ces variables.
Q8. Relier la sortie du monostable à l’entrée de l’astable déjà réalisé. A l’aide du générateur de
fonctions réglé sur une fréquence basse (quelques dizaines ou centaines de Hertz), faire déclencher le
monostable pour que les salves d’impulsions disponibles à la sortie de l’astable puissent être
visualisées à l’oscilloscope. Reproduire ce signal sur le compte-rendu en précisant le mode opératoire.
Q9. Proposer une autre solution pour l’ensemble monostable-astable, n’utilisant que des portes
logiques à hystérésis (sans préciser la valeurs des éléments passifs).
4. Montage de test générateur de fonctions + monostable + astable + transducteurs
Recommencer l’expérimentation de la partie 1, mais cette fois avec le signal généré par
l’ensemble générateur de fonction + monostable + astable.
Q10. Visualiser le signal émis (sortie de l’astable) et le signal reçu, à l’aide d’une 2e sonde (sonde
"labo", c’est à dire devant être restituée en fin de séance). Représenter sur un même repère temporel le
signal appliqué aux bornes du transducteur émetteur et le signal présent aux bornes du transducteur
récepteur, tels qu’ils sont observés à l’oscilloscope. Mesurer le temps séparant ces signaux et retrouver
par calcul la vitesse du son dans l’air.
5. Mise au point d’un montage amplificateur pour la réception
Pour commencer nous allons utiliser un montage amplificateur à base d’amplificateur
opérationnel (AO). Ce montage comporte une double alimentation. Nous verrons par la suite
comment passer à une alimentation unique. Les AO utilisés sont le TL081, TL082 ou TL084.
Q11. Mettre au point un amplificateur à AO (inverseur ou non-inverseur), de gain maximal. Pour
calculer ce gain, il faut connaître le produit gain bande de l’AO utilisé (cette information se trouve
dans la fiche technique du composant). Il faut également utiliser la fréquence de travail. Décrire le
calcul.
Q12. Tester ce montage en vérifiant que le gain est bien maximal (expliquer comment) et
recommencer la question 1.
Benoît Decoux
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Projet P2 : “ Télémètre à ultrasons ”
Programme de la 2e séance (/5)
Compte-rendu à remettre à la fin de la séance
Programme de la séance
1) Montage de test : générateur de fonctions + monostable + astable + transducteurs
2) Mise au point d’un montage amplificateur pour la réception
3) Comptage et affichage
Remarques importantes
•
Le volume horaire des TP-projets d’électronique en P2 est 80 heures, dont 60 sont
encadrées. Les 20 heures restantes correspondent au travail personnel en dehors des séances
(soit 1/4 du volume horaire total).
•
Cette séance, comme les séances qui vont suivre, fera l’objet de validations partielles. Les
modules à valider sont les montages qui correspondent aux 3 parties décrites ci-dessous.
•
Si vous n’avez pas le temps de répondre à toutes les questions pendant la séance, vous
pouvez nous faire parvenir un complément de compte-rendu avant la séance suivante (au
plus tard en tout début de la séance, pour ne pas empiéter sur le programme prévu). Ce
complément sera noté avec un coefficient inférieur à 1.
TRAVAIL A EFFECTUER
1. Montage de test : générateur de fonctions + monostable + astable + transducteurs
On recommence l’expérimentation de la partie 1 de la 1ère séance, mais cette fois avec le signal
généré par l’ensemble générateur de fonctions + monostable + astable
Q1 (pratique). Visualiser le signal émis (sortie de l’astable) et le signal reçu, à l’aide d’une 2e
sonde (sonde "labo", c’est à dire devant être restituée en fin de séance). Représenter sur un même
repère temporel le signal appliqué aux bornes du transducteur émetteur et le signal présent aux
bornes du transducteur récepteur, tels qu’ils sont observés à l’oscilloscope.
Q2 (p). Mesurer le temps séparant ces signaux et retrouver par calcul la vitesse du son dans l’air (en
détaillant le calcul).
Q3 (théorique). Proposer un montage utilisant 2 circuits NE555 permettant d’obtenir le même
signal qu’à la question précédente (l’un des deux devra générer un signal carré de rapport cyclique
faible). Préciser la valeur des composants de ce montage.
Benoît Decoux
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2. Mise au point d’un montage amplificateur pour la réception
Pour commencer nous allons utiliser un montage amplificateur à base d’amplificateur
opérationnel (AO). Ce montage comporte une double alimentation. Nous verrons par la suite
comment passer à une alimentation unique. Les AO utilisés sont le TL081, TL082 ou TL084.
Q4 (th). Donner le schéma d’un amplificateur à AO (inverseur ou non-inverseur), de gain maximal.
Pour calculer ce gain, il faut :
• connaître le produit gain bande de l’AO utilisé (cette information se trouve dans la fiche
technique du composant) ;
• utiliser la fréquence de travail.
Décrire le calcul.
Q5 (p). Tester ce montage en vérifiant que le gain est bien maximal (expliquer comment) et
représenter le signal émis et le signal reçu, une fois amplifié.
3. Comptage et affichage
Q6 (th). Pour afficher, sur 3 afficheurs 7 segments, les nombres de 000 à 999 (en décimal), on doit
réaliser un montage comportant 3 compteurs DCB (décimal-codé-binaire) à 4 bits de sortie, et 3
transcodeurs 7 segments (et 3 afficheurs 7 segments). Les composants utilisés seront :
• Compteurs DCB : 4518
• Transcodeurs 7 segments : 74HC4511
A partir des fiches techniques de ces composants, représenter les schémas fonctionnel et structurel
de ce montage.
Q7 (th). Comment est obtenu le passage de 9 à 0 dans le 4518 ? (on pourra comparer sa structure
interne avec celle du 4520, décrite sur la même fiche technique).
Q8 (th). Quel est le rôle de l’entrée Enable du 4518 et comment ce rôle est réalisé matériellement ?
Q9 (p). Câbler ce montage et décrire le test de son fonctionnement (avec 2 sondes pour les
compteurs, un signal d’horloge logique pour cadencer les compteurs…).
Q10 (th). Relever les chronogrammes du signal d’horloge et des signaux de sortie des compteurs
(les 5 premières uniquement).
Benoît Decoux
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Projet d’électronique P2 : “ Télémètre à ultrasons ”
Programme de la 3e séance (/5)
Introduction
Les modules étudiés jusqu’à maintenant sont :
Un ensemble monostable+astable+transducteur (+générateur) pour générer des salves
d’ultrasons
Un ensemble compteurs+transcodeurs 7 segments+afficheurs pour visualiser la distance
mesurée
Un ensemble transducteur+amplificateur pour la réception de l’écho des ultrasons et
pour rendre possible leur utilisation par les circuits logiques
Il reste à voir maintenant comment connecter ces différents modules entre eux pour obtenir
l’application télémètre recherchée. Des petits modules supplémentaires seront sans doute
nécessaires pour assurer le bon séquencement des différentes opérations du système.
La liste des constatations suivante va nous aider à imaginer une solution possible pour le
séquencement général du système :
Tout d’abord il faut rendre le système autonome, donc par conséquent s’affranchir du générateur
de fonctions. Les salves d’ultrasons doivent être générées par notre système et lui seul. Une
combinaison d’astables et de monostables peut être une solution.
Les compteurs vont être cadencés par une horloge interne au système.
L’affichage des mesures doit avoir lieu à intervalle de temps régulier. Cet intervalle de temps est
dicté en premier par le confort visuel de la lecture de la distance mesurée sur les afficheurs. Un
intervalle de temps de quelques dixièmes de secondes semble un bon ordre de grandeur.
Les mesures doivent être répétitives, et peuvent être faites au même rythme que l’affichage : il
est en effet inutile de faire des mesures qui ne seront pas affichées.
Les transcodeurs 7 segments possèdent une entrée de verrouillage : cette entrée, lorsqu’elle est
mise dans son état actif, fige la sortie des transcodeurs ; l’affichage est donc figé même si les
entrées des transcodeurs changent.
Les compteurs comportent une entrée de remise à zéro de leurs sorties. Cette remise à zéro doit
avoir lieu à chaque mesure.
La démarche pour la mise au point d’un système opérationnel va être la suivante :
1. Détermination d’un chronogramme possible pour l’ensemble des signaux du système
2. Déduction du schéma fonctionnel d’un système pouvant générer ces signaux
3. Déduction du schéma structurel d’un système correspondant à ce schéma fonctionnel
Nouveau module à valider
Générateur de salves autonome
Horloge interne (avec fréquence adéquate)
Q1(pratique). Une fois le module de comptage et d’affichage câblé, décrire le test de son
fonctionnement (avec 2 sondes pour les compteurs et un signal d’horloge logique pour cadencer les
compteurs).
Q2(p). Relever les chronogrammes du signal d’horloge et des signaux de sortie des compteurs (les 5
premières uniquement).
Benoît Decoux
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Q3(th). Au final, les compteurs vont être cadencés par un signal d’horloge généré de manière
interne au système. La valeur adéquate de la fréquence de ce signal pour afficher directement la
distance en centimètres, sans calcul (c’est à dire ne pas avoir à calculer distance=vitesse/temps de
manière électronique) est 17 kHz. A partir de la vitesse du son dans l’air, expliquez comment peut
être déterminée cette valeur (en détaillant le calcul).
Le chronogramme et le schéma suivants représentent une solution possible pour le système. Mais
ce montage est incomplet : il ne comporte pas de remise à zéro des compteurs.
astable
monostable
astable
affichage
émission
émission
verrou
astable
horloge
blocage/
déblocage
compteur
décodeur
DCB
7 segments
à multiplier par le nombre d'afficheurs
amplificateur
Q4(th). Décrire le fonctionnement de ce montage, et proposer une solution pour la remise à zéro des
compteurs à chaque nouvelle mesure (en donnant un chronogramme et un schéma fonctionnel
complets sur le compte-rendu).
Pour le blocage/déblocage de l’horloge des compteurs, on peut utiliser une simple bascule RS.
Cette bascule comporte 2 entrées et 1 sortie : la 1ère entrée impose un niveau 1 (entrée S pour "Set")
en sortie, qui reste à ce niveau même lorsque l'entrée repasse à 0 (mémorisation) ; l'autre entrée (R
pour "Reset") impose un 0 en sortie, qui reste mémorisé également (jusqu'à ce que S re-passe à 1).
La bascule la plus simple pouvant être utilisée ici est la bascule RS obtenue avec 2 portes NON-OU.
Le schéma et la table de vérité de cette bascule sont donnés ci-dessous (le cas R=S=1 est inutilisé).
R
Q
S
S
R
Q
1
0
1
0
1
0
0
0
inchangé
Q5(th). Montrer, au moyen d’un chronogramme des 2 entrées et de la sortie de cette bascule,
qu’elle peut être utilisée pour le bloc dénommé "blocage-déblocage" du schéma fonctionnel cidessus.
Benoît Decoux
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Projet d’électronique P2 : “ Télémètre à ultrasons ”
Programme de la 4e séance (/5)
Introduction
A ce stade du projet, l’objectif principal est de parvenir à un télémètre qui fonctionne, même si
celui-ci ne respecte pas encore toutes les conditions du cahier des charges.
Une fois que le télémètre fonctionnera, l’objectif deviendra alors l’amélioration de son
fonctionnement, d’abord pour respecter le cahier des charges, puis pour éventuellement le dépasser,
ce qui sera valorisé au niveau de l’évaluation finale.
Pour respecter les conditions du cahier des charges, il sera nécessaire de :
• Alimenter le circuit avec une seule alimentation (en prévision de l’utilisation d’une pile de
9V), donc de trouver un moyen d’alimenter les montages à AO avec une seule tension
• L’augmentation de l’amplification à la réception (pour avoir plus de chances d’atteindre la
distance maximale de mesure), par ajout d’un étage amplificateur
Pour améliorer le télémètre et le rendre plus robuste, il sera intéressant de :
• rendre l’amplification sélective, pour n’amplifier que le signal utile (40 kHz) et pas les
signaux parasites
• trouver un moyen électronique pour empêcher que les ultra-sons directs (avant l’écho) ne
soient captés par le récepteur
• la gestion de l’affichage au cas où aucun écho n’est reçu
Lors de la validation finale, des points bonus seront attribués dans les deux cas suivants :
• la solution proposée pour le séquencement général du télémètre est originale, et différente
de la solution proposée dans les énoncés du sujet
• le cahier des charges est dépassé (distance maximale de fonctionnement, gestion du point
sur les afficheurs, etc)
Rapport de projet
Le rapport est à rédiger pour la fin du projet. Pour des impératifs de délais de correction, ce
rapport doit être rendu lors de la dernière séance. Des indications sur la manière de rédiger un
rapport de projet sont données en annexe du "Guide de TP et projets d’électroniques de l’EFREI
(version 2000)"
Bloc blocage/déblocage
Le rôle de ce bloc est de mémoriser un événement fugitif (en l’occurrence une salve d’US à
l’émission ou à la réception). Cette mémorisation est indispensable, parce que le blocage/déblocage
de l’horloge doit durer plus longtemps que les événements qui le déclenchent.
Il y a plusieurs façons de bloquer l'arrivée du signal d'horloge aux compteurs. Si l'astable
générant le signal d'horloge possède une entrée de commande, il suffit d'appliquer la sortie de la
bascule sur cette entrée (figure ci-dessous, à gauche). Sinon, une porte ET ou NON-ET peut être
utilisée pour combiner la sortie de la bascule et la sortie de l'astable (figure ci-dessous, à droite).
Benoît Decoux
13
Dans ce 2e cas, quand la sortie de la bascule est à 1, le signal d'horloge se retrouve à la sortie de la
porte NON-ET ; quand elle est à 0 elle impose un 1 en sortie.
astable
horloge
S
bascule
Q
R
S
astable
horloge
R
bascule
Q
Amplification sélective
Un montage amplificateur sélectif (en fait un amplificateur passe-bande) peut être réalisé au
moyen d’un amplificateur inverseur, mais avec un circuit RLC parallèle, à la place de la résistance
de bouclage de la sortie de l’AO sur son entrée −.
Question 1. Représenter ce filtre et calculer sa fonction de transfert. Proposer des valeurs pour les 2
résistances du montage, L et C pour avoir une fréquence de coupure égale à la fréquence utile, et ne
pas avoir d’atténuation du signal à la fréquence de travail.
Alimentation du montage
Q2. Adapter le montage amplificateur à AO que vous avez utilisé jusqu’à maintenant, pour le
rendre mono-alimentation (voir informations en annexe). Faire varier la fréquence du signal de test
pour déterminer grossièrement la fréquence de coupure à –3dB. Si nécessaire, adapter la valeur de la
capacité de liaison d’entrée pour que la fréquence de coupure soit inférieure à la fréquence utile
(40kHz). Décrire cette mise au point en détails.
Montage complet
Q3. Donner un schéma structurel du montage complet.
Autres solutions
Il existe d’autre solutions pour le séquencement général du système.
Par exemple, il n’est pas obligé d’arrêter le comptage lors de l’affichage, si la durée de cet
affichage est très faible, et s’il se fait juste après la réception de l’écho.
Pour ce qui est de l’horloge générale du système (obtenue à l’aide d’un montage astable dans
notre solution), une autre solution consisterait à utiliser un compteur-diviseur supplémentaire, qui
diviserait encore la fréquence d’horloge des compteurs déjà présents, et fournirait donc une
fréquence suffisamment basse pour cadencer les mesures.
Benoît Decoux
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Annexe
Informations pratiques pour le projet télémètre (4e séance)
Montage amplificateur inverseur mono-alimentation à AO
L’utilisation habituelle des AO est avec une double alimentation, symétrique par rapport à 0V.
Or dans le cahier des charges il est demandé d’alimenter le montage avec une pile de 9V, ce qui
nous oblige à alimenter les AO soit en mode symétrique –4,5V/+4,5V, soit en mode monoalimentation de 9V. Nous allons voir comment modifier les montages pour les alimenter avec une
seule alimentation.
La cahier des charges imposant d’utiliser une seule tension d’alimentation, on cherche à
alimenter l’AO en mode mono-alimentation.
Le principe est d'appliquer Vcc/2 sur l'entrée + de l'AO, pour décaler la tension d’entrée vers les
valeurs positives. Cette tension peut être obtenue facilement à l'aide d'un pont diviseur de tension.
Un condensateur de découplage, relié entre la borne d'entrée + et la masse, est facultatif, car il existe
déjà un condensateur de découplage à l'intérieur de l'alimentation générant Vcc.
R doit être grande : en effet le courant passant de Vcc à la masse par les 2 résistances du pont est
perdu pour le montage. La limite inférieur de R est donc contrainte par la consommation du
montage. Sa limite supérieure est imposée par le fait que le courant dérivé du pont i+ (celui qui entre
dans la borne d’entrée + de l'AO) doit être très faible devant le courant de pont. Ca sera le cas,
même pour de très grandes valeurs de R, puisque le courant i+ est de l'ordre du nA dans le cas du
TL08x.
Du point de vue des signaux (courants et tensions) alternatifs, Vcc est équivalent à la masse, du
fait de l'existence d’une capacité de découplage dans l’alimentation. Donc tout ce passe comme si
l'entrée + était reliée à la masse.
Le schéma est donc, du point de vue des signaux alternatifs, équivalent à celui du montage
amplificateur-inverseur de base, et l’on a :
vs/ve=-R2/R1
Il existe cependant la tension continue Vcc/2 sur l’entrée non-inverseuse (+), et donc la même
sur l’entrée inverseuse (–), puisque la différence de potentiel entre ces 2 entrées est quasi-nulle.
Benoît Decoux
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Comme la composante continue de ve est nulle, si le montage était câblé tel qu’il est représenté cidessus, un courant continu naîtrait et pénétrerait dans le générateur de ve. Pour éviter ceci on ajoute
un condensateur de liaison Ce en entrée, qui va bloquer ce courant. De même, un condensateur de
liaison en sortie Cs permet de ne récupérer que la partie alternative de la tension (ce condensateur
peut être omis si l’on a besoin de la composante continue). Le montage devient alors :
Pour étudier ce qui se passe pour les tensions et courant continus, on remplace ve par 0. Le
montage devient alors équivalent à un montage suiveur :
On obtient vs=Vcc/2. On va donc bien retrouver une composante continue égale à Vcc/2 en sortie
du montage, car les composantes alternatives et continues vont s’ajouter.
Le choix de Ce doit être effectué judicieusement. Ce condensateur forme avec le reste du circuit
situé à sa droite un filtre passe-haut. Il faut faire attention à ce que les fréquences utiles ne soient pas
filtrées, c’est à dire que le fréquence de coupure de ce filtre devra être inférieure à ces fréquences).
Expérimentalement, on pourra rechercher une valeur de capacité adéquate en faisant varier la
fréquence de ve et en notant la fréquence de coupure de ce filtre. Celle-ci doit être inférieure aux
fréquences utiles.
Dans l'expression de vs/ve, il faut remplacer R1 par |R1+1/jCeω| : le 2e terme de cette expression
sera négligeable devant le 1er, quand 1/Ceω sera très inférieur à R1. Cela dépend donc à la fois de la
fréquence et de la valeur de Ce.
Même chose pour le montage amplificateur non-inverseur
Pour le montage non-inverseur, le principe est le même que pour le montage inverseur : une
composante continue égale à Vcc/2 est obtenue au moyen d’un pont diviseur de tension ; une
capacité de liaison Ce isole ce continu du montage générateur d’entrée. Par contre une capacité
supplémentaire Cd est nécessaire : entre R1 et la masse. Cette capacité est nécessaire pour
déconnecter virtuellement R1 de la masse, pour les signaux continus. Du point de vue du continu, le
montage est alors équivalent à un montage suiveur, et quand ve=0, on retrouve bien Vcc/2 en sortie.
Benoît Decoux
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Obtention d’une tension continu 5V à partir du 9V
On alimente les AO en 9V, mais certains circuits logiques (série 74HC) doivent être alimentés
en 5V (6V au maximum). Il est donc nécessaire d’obtenir une tension 5V à partir du 9V.
On peut utiliser pour cela un composant appelé régulateur de tension de la famille 78xx. Pour
une tension de 5V, il s’agit de la référence 7805. Ce composant existe en plusieurs versions, de
puissances différentes. La version faible puissance est capable de débiter un courant de 100mA. Si
on utilise celle-ci il faudra veiller à ce que la partie logique du montage ne consomme pas un
courant supérieur à 100mA. Si ça n’est pas le cas, la consommation pourra être réduite notamment
en diminuant le courant circulant dans les afficheurs 7 segments.
Brochage du 7805 (vu de dessus) :
1 : sortie
2 : masse
3 : entrée
Interfaçage analogique-logique
Un interfaçage entre des parties analogiques et des parties numériques est nécessaire quand on
veut par exemple déclencher une bascule, lorsqu’un événement analogique se produit (comme c’est
le cas dans le télémètre quand on reçoit l’écho de l’US).
Les AO étant alimentés en 9V, leur sortie va varier entre 1,5V et 7,5V environ, si l’on n’utilise
pas de capacité de liaison de sortie, ou –3,5V et 3,5V environ, si l’on en utilise une. Dans le 1er cas,
il faudra diminuer la plage de variation au moyen d’un pont diviseur de tension en sortie des AO.
Dans le 2e cas ; il est nécessaire d’éliminer la partie négative de la sortie des AO, par exemple au
moyen d’une diode (figure ci-dessous).
1er cas
Benoît Decoux
2e cas
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Projet d’électronique P2 : “ Télémètre à ultrasons ”
Informations sur le déroulement de la 5e séance (/5)
Rapport de projet
Pour des raisons de délai de correction, le rapport devra impérativement être remis lors de cette
dernière séance.
Le montage décrit dans le rapport est l’aboutissement du travail réalisé lors des 4 séances
précédant la séance de validation. Il est donc composé des différents modules étudiés, ces modules
étant gérés par ce qu’on appelle la logique de commande.
Le montage se résume à une association de :
• Transducteurs à ultrasons
• Composants passifs (R, C, L)
• Compteurs BCD, transcodeurs 7 segments et afficheurs
• Montages astables (de type NE555), et monostables (de type 4538)
• Portes logiques élémentaires
• Amplificateurs opérationnels
• Autres (régulateur de tension, comparateur, etc)
Validation finale
Modules séparés
Le montage se compose de 4 parties principales :
• Le générateur de salves
• Le comptage et l’affichage
• L’amplification à la réception
• La logique de commande, qui contrôle le fonctionnement de ces différentes parties
Chaque partie sera décomposée en modules, dont le fonctionnement sera évalué lors de cette
séance.
Fonctionnement global
La validation portera également sur le fonctionnement global du télémètre (c’est à dire la mesure
correcte d’une distance) et le respect du cahier des charges .
Des points bonus pourront être attribués aux améliorations par rapport au cahier des charges, et
aux solutions autres que celles proposées pour l’organisation générale du système (notamment
logique de commande).
Benoît Decoux
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Projet d’électronique P2 : "Télémètre à ultrasons"
Feuille de validation
(à destination des enseignants)
Date :
Groupe (A - D) :
Numéros plaquettes :
Noms élèves : …………………………………………………………
…………………………………………………………
Modules à valider
(cocher les cases correspondantes ;
vpd : module validé lors d’une validation partielle, dans les délais prévus
vf : module validé lors de la validation finale ou d’une validation partielle quel que soit le moment)
vpd
vf
Logique de commande
Blocage-déblocage de l’horloge (ou autre solution)
Séquencement général correct
oui
oui
non
non
Fonctionnement global
oui
non
Respect du cahier des charges
oui
non
Améliorations
2 amplis
Inhibition réception directe de l’US
Gestion d’absence d’écho
oui
oui
oui
non
non
non
Solution originale
oui
non
Composants récupérés
oui
non
Comptage-affichage
DCB correct
Horloge 17 kHz
Système de RAZ des compteurs
Générateur de salves
Astable affichage BF
Monostable "encadrement"
Astable US (40kHz)
Fontionnement global
Réception
Amplificateur
Amplificateur sélectif
Mono-alimentation des amplis
Remarques
Benoît Decoux
19
Projet d’électronique P2 : “ Télémètre à ultrasons ”
Barême 1ère séance
(proposé par Hervé Delafolie)
Q1 :
Q2 :
Q3 :
Q4 (schéma, composants, commandable) :
Q5 :
Q6 (schéma, explications) :
Q7 :
Q8 :
Q9 :
/2,5
/2,5
/2
/3
/2
/2
/1
/3
/2
Le complément de compte-rendu (rendu avant la séance suivante) a été affecté d’un coefficient 0,75.
Barême 2e séance
(proposé par Jean-Luc Paillard)
Q1 : 2
Q2 : 2
Q3 : 3 (schéma 1,5; calculs composants 1,5)
Q4 : 3 (schéma 1; démarche et calcul 2)
Q5 : 2
Q6 : 4 (fonctionnel 2; structurel 2)
Q7 : 2
Q8 : 2
Pour la question 7, nous avons précisé qu'une réponse basée sur le principe de fonctionnement suffisait
car l'analayse du schéma se révèle assez ardue, il faut l'avouer.
Barême 3e séance
(proposé par Jean-Luc Paillard)
Q1 : /2
Q2 : /3
Q3 : /2
Q4 : /10
analyse fonctionnement /4
solution pour RAZ /2
chronogrammes /2
Schéma fonctionnel /2
et Q5 : /3
Barême 4e séance
(proposé par Jean-Luc Paillard)
Q1 : 6 points :
4 pts pour le calcul de la fonction de transfert,
2 points pour le calcul de C.
Q2 : 4 points :
2 pts pour détermination de Fc et explications,
2 pts pour calcul de Ce.
Q3 : 10 points.
Benoît Decoux
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