Projet Analogique

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Projet Analogique

PATRIE Thomas
CARLIER Julien
E2
Groupe A26
M. Lebret
Projet
d’électronique
analogique
Radar de recul
Emetteur
2005
S3
Semestre
Projet d’électronique Analogique – Radar de recul : Emetteur
Enseirb 2005
Sommaire
I. INTRODUCTION......................................................................................................................................... 4
1. CAHIER DES CHARGES......................................................................................................................................... 4
2. STRUCTURE GÉNÉRALE DE L’ÉMETTEUR................................................................................................................ 4
II. DOSSIER DE CONCEPTION................................................................................................................... 5
1. CONCEPTION DES DIFFÉRENTES PARTIES................................................................................................................ 5
A. LE VCO ; GÉNÉRATEUR DE SIGNAUX TRIANGULAIRES............................................................................................... 5
B. LE GÉNÉRATEUR DE RAMPES ; TENSION DE COMMANDE.............................................................................................. 8
2. SIMULATIONS................................................................................................................................................... 15
A. GÉNÉRATEUR DE RAMPE...................................................................................................................................... 15
B. VCO...............................................................................................................................................................16
C. MONTAGE COMPLET........................................................................................................................................... 16
III. DOSSIER DE PRODUCTION................................................................................................................17
1. SCHÉMA GLOBAL.............................................................................................................................................. 17
2. NOMENCLATURE ET GÉOMÉTRIE DES COMPOSANTS.............................................................................................. 18
3. TYPON ET PLACEMENT DES COMPOSANTS.............................................................................................................19
IV. DOSSIER D’ESSAI.................................................................................................................................. 21
Enseirb 2005
I.Introduction
Le but est de réaliser un système permettant d’indiquer par un son plus ou moins grave la
distance le séparant d’un obstacle. Pour cela, le radar doit émet une onde, qui est
réfléchie sur l’obstacle. La mesure de la distance est faite à partir du temps de parcours.
Dans le cas de notre radar, la distance ne sera pas mesurée ; l’émetteur émet une onde
de fréquence variable autour de 40kHz. L’onde réfléchie sur l’obstacle n’a pas la meme
frequence que celle émise au moment du retour de celle-ci.
Notre système devra émettre la différence de fréquence entre l’onde réfléchie et l’onde
émise a un instant donné.
Nous allons concevoir et réaliser l’émetteur d’un tel système.
1.Cahier des charges
 Alimentation d’une batterie de voiture : 0-12V.
 Modulation de fréquence réalisée par un VCO à base d’AOP.
 Tension de commande en dents de scie réalisée à partir d’AOP.
 Précision sur la note émise a la note près ( 21 / 12 Hz )
 Fréquence sonore émise entre 20 et 500Hz.
 Fréquence sonore émise de 500Hz pour une distance de 1m.
 Fréquence sonore émise de 20Hz pour une distance de 4cm. (condition
équivalente à la précédente)
2.Structure générale de l’émetteur
Nous allons réaliser un générateur de signaux triangulaires, dont la fréquence varie
linéairement sur une durée de 120ms.
Pour cela, notre émetteur se divise en 2 parties :
•
Un VCO générant un signal triangulaire
•
Un générateur de rampe, d’une période de 120ms, fournissant la tension
de commande du VCO.
Figure 1 : Schéma de principe de l’émetteur.
On peut rajouter un suiveur en sortie pour récupérer le signal sans perturber le VCO (nous
n’avons pas mis ce suiveur, mais l’utilisation du signal sur un émetteur peut nécessiter une
certaine puissance, et donc un suiveur voire un amplificateur en sortie)
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II.Dossier de conception
1.Conception des différentes parties
a.Le VCO ; générateur de signaux triangulaires
Le principe du VCO que nous avons développé dans notre projet est d'intégrer un signal
carré d'amplitude variable en fonction de la tension de commande Vc (voir II.1.b). Pour
cela nous avons utilisé un montage intégrateur, un montage hystérésis ainsi que deux
inverseurs CMOS alimentés par la tension de commande Vc.
Le schéma de principe est le suivant :
Figure 1 : Schéma de principe du VCO
Nous allons commencer par dimensionner les valeurs des composants du montage
intégrateur.
Figure 2 : Montage intégrateur
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Tout d'abord il faut que le montage intégrateur puisse intégrer un signal de fréquence
moyenne 40 kHz (ce qui correspond à une période de 25 µs) donc on arrive à l'inégalité
suivante :
2Π .R1.C1 > 25µ s
Pour limiter la consommation du montage on va prendre R1 = 47 k Ω donc on en déduit la
capacité vérifiant l'inégalité : C1 > 85 pF on prendra donc une capacité de 100pF pour
rester dans la série E6.
Figure 3 : Montage hystérésis
Ensuite pour calculer les seuils de l'hystérésis on veut que la sortie donc le triangle soit
entre 2V et 10V et on sait que les tensions de saturation du TL074 sont 1,5V et 10,5V
donc on en déduit R2 et R3 car :
V− .R3 + Vsat− .R2
V+ .R3 + Vsat+ .R2
= 6V et
= 6V
R3 + R2
R3 + R2
R2 2
=
On en déduit ainsi le rapport
R3 3
On choisira dans la série E12 R2 = 270kΩ et R3 = 390kΩ , toujours par souci de réduction
de la consommation.
Pour finir on rajoutera une résistance assez grande en entrée du premier inverseur pour
éviter d'aller jusqu'aux seuils de la porte CMOS et ainsi déclencher les diodes de
protection de la porte. Il ne faut pas non plus mettre une résistance trop grande car il en
résulterai une constante de temps qui serai due aux capacités d'entrée de la porte CMOS.
Nous avons donc choisi une résistance de 47 kΩ.
Il est également nécessaire de découpler les alimentations des AOP et des inverseurs
CMOS pour ne pas avoir de perturbations car les deux montages, générateur de rampe et
VCO, ne fonctionnent pas du tout à la même fréquence.
Pour les ponts diviseur de tension on prendra des valeurs de résistance assez grandes.
Pour les résistances de R4 à R7 on choisira donc de prendre 100 kΩ.
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Le montage final est donc le suivant :
Remarque : Les composants U1 et U2 ainsi que U3A et U4A étant dans les mêmes
boîtiers on n'utilise que deux condensateurs de découplage.
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b.Le générateur de rampes ; Tension de commande
Pour générer la tension de commande, nous avons choisi d’utiliser la charge et la
décharge d’un condensateur à courant constant. Un montage à hystérésis permet le
basculement.
Le schéma de base du montage est le suivant :
Figure 1 : Générateur de rampe
L’entrée – du comparateur à hystérésis reçoit la tension de commande Vc=(VccVc1). Il faut donc que lorsque le condensateur est chargé, i.e. lorsque Vc est au seuil bas
de l’hystérésis, l’interrupteur J1 se ferme pour décharger le condensateur.
Pour décharger le condensateur C1, nous utilisons un transistor pnp. Pour le rendre
passant, nous avons besoins d’un niveau bas a la sortie du comparateur.
Figure 2 : Commande de la décharge du condensateur
Nous avons donc besoin d’un cycle non inverseur entre la tension de commande et
le transistor Q2.
Une solution consisterai a connecter l’AOP en hystérésis non inverseur, en mettant
la tension Vc sur l’entrée +.
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Figure 3 : Hystérésis non inverseur
Le problème de ce montage est la résistance équivalente vu du condensateur. En
effet, elle est limitée par R1//R2, est n’est pas assez importante pour assimiler la charge
du condensateur a une droite (les contrainte de linéarité sont très importantes.)
La solution que nous avons adoptée est donc de rajouter un montage inverseur
entre la sortie de l’AOP, et la base du transistor. Nous avons choisi un simple montage à
émetteur commun.
Figure 4 : schéma global du générateur de rampes
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Dimensionnement des différents éléments :
Seuils de l’hystérésis :
Dans le générateur de triangles, à la sortie de l’intégrateur, on a le signal suivant :
V+ − V− VC 2
=
, où Vc est la tension de
t
τ
commande, et τ est la constante de temps de l’intégrateur. De plus, on a V+ − V− = 8V .
Cf II-1-a
On veut que la fréquence centrale soit de 40khz (i.e. t=12,5us), et corresponde a la
tension de commande centrale de 6V.
62
8
=
On a donc p =
, d’où τ = 4,7 µ s .
τ
12,5µ s
Le signal est symétrique et sa pente est p =
On en déduit les seuil de l’hystérésis, correspondant aux fréquences 35kHz, et 45kHz :
V L = 5,25V et V H = 6,75V
Calcul de la réaction de l’hystérésis :
Figure 5 : Montage hystérésis
VBIAS .R1 + V .R2
VBIAS .R1 + Vsat+ .R2
VL =
= 5,25V et VH =
= 6,75V
R1 + R2
R1 + R2
Apres résolution du système à 2 inconnus (Vbias et R2/R1), on Trouve :
R
VBIAS = 6,125V et 1 = 6 .
R2
−
sat
Il faut donc faire un pont de résistances tel que
R1
R2
= 6 et 12 ⋅
= 6,125V d’où
R2 // R3
R2 + R3
R3
= 0,95
R2
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Le cahier des charge n’imposant pas une grande précision sur la plage de fréquence 3545kHz, on a choisit R2 = R3 = 39kΩ et R1 = 120kΩ .
Pente de la rampe – choix de I et C1 :
La tension de commande, i.e. la rampe a une amplitude de 1,5V (entre 5,25 et
6,75V).
La période se déduit du cahier des charges. Celui-ci donne 500Hz pour 1m, l’onde
se propageant à 334m/s.
1 10k
⋅
= 120ms .
On a donc T = 2 ⋅
334 500
I
1,5
=
On doit donc avoir
. On a choisi C= 47uF et I=0,6mA.
C 120m
Source de courant :
La structure de la source de courant est assez basique, mais le choix des
composants est important. En effet, la résistance équivalente de la source de courant
provoquera le défaut de linéarité. Il faut donc maximiser cette résistance équivalente.
Figure 6 : structure de la source de courant
Resistance équivalente :
Figure 7 : schéma aux variations de la source de courant
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ib = −
R8 // ( rbe + R6 // R7 )
i
rbe + R6 // R7
On a Req
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(Pont diviseur de courants)
Figure 8 : schéma équivalent
Req
= R8 // ( rbe + R6 // R7 ) donc ib = −
i
rbe + R6 // R7
Req
V
= Req + rce + β .rce.
i
rbe + R6 // R7
R8
R8
≈ β .rce.
i.e. R = Req + rce + β .rce.
R8 + rbe + R6 // R7
R8 + rbe + R6 // R7
Il faut donc choisir un transistor pour avoir un grand β, un grand rce (i.e. une grande
tension d’Early). Nous avons choisi le BC550C, qui a un β typique de 600, et une tension
d’Early de 100V.
Il faut également maximiser R8 et minimiser R6 et R7 (pas trop pour ne pas consommer
trop de courant), bien que ces paramètres soit secondaires.
Pour maximiser R8, on calcul la tension minimum du collecteur du transistor Q3.
Elle est de 5,25V (seuil bas de l’hystérésis). On a donc choisi R8 = 6,8kΩ .
Pour avoir un courant I de 0,6mA, il faut V B = V BE + I .R8 = 0,6 + 0,6 * 6,8 = 4,68V
On a donc la résistance équivalente : R =
On choisi donc R6 = 10kΩ et R7 = 6,8kΩ .
Calcul des résistances R4 et R5 :
Figure 9 : Courant de décharge du condensateur.
Pour décharger le transistor, on choisit un courant de 100mA environ. La décharge
s’effectue ainsi 150 fois plus rapidement que la charge, et est ainsi quasi-instantanée.
Pour IcQ 2 ≈ 100mA , on a IbQ 2 ≈ 0,5mA
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On donc R5 =
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VR5
≈ 18kΩ
IbQ 2
Puis IbQ1 ≈ 10 µ A d’où R4 ≈ 1MΩ
Montage final :
Figure 10 : Générateur de rampes – Montage final
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Vérification de la linéarité de la rampe :
Lors de la charge du condensateur, on a le montage équivalent suivant :
Figure 11 : Charge du condensateur
A l’aide du générateur de Thevenin équivalent, on applique les formules classiques de la
charge du condensateur.
1
Le cahier des charges nous impose une précision de la note émise inferieur à 2 12 = 1,06 Hz
, correspondant l’écart entre 2 notes. Il nous faut une telle précision sur une plage de
10kHz couverte (entre 35 et 45kHz). Il nous faut donc une erreur de linéarité maximum de
10 − 4 .
Pour connaître la résistance équivalente minimum possible, on résout l’équation de R de
la différence entre la droite, et l’exponentielle :
−t
(V∞ − Vi ) t + Vi −  V∞ − (V∞ − Vi ) e τ  ≤ 10 − 4 ,


τ
avec τ = R.C = 47 µ ⋅ R , V∞ = R.I = 0,6m ⋅ R , Vi = 5,25V , et t = 120ms .
On trouve qu’il faut R ≥ 20 MΩ . Cette condition est satisfaite, puisque l’application
numérique nous donne une résistance équivalente de 66 MΩ .
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2.Simulations
a.Générateur de rampe
Figure 1 : Sortie de l’hystérésis
Figure 2 : Sortie du générateur de rampes
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b.VCO
Figure 3 : Triangle en sortie du montage
Figure 4 : Sortie de l’hysteresis
c.Montage complet
Le montage complet n’a pas pu être simulé. En effet, les inverseurs sont des composants
numériques, et un tel montage nécessite un mode de simulation mixte
(analogique/numérique) assez complexe a configurer sous mentor.
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III.Dossier de production
1.Schéma global
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2.Nomenclature et géométrie des composants
Nomenclature :
Resistances :
Référence
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
Valeur (Ohm)
120k
39k
39k
1M
10k
10k
6,8k
6,8k
47k
330k
390k
10k
10k
10k
10k
10k
Condensateurs :
Référence
C1
C2
Cd1
Cd2
Type
Polarisé
Non Polarisé
Non Polarisé
Non Polarisé
Valeur (Farad)
47u
100p
1u
Transistors :
Référence
Q1
Q2
Q3
Type
NPN
PNP
NPN
Model
2N2222
2N2905
BC550C
Inverseurs :
Référence
U5A et U6A
Model
INV6 ; 4069UB
AOP :
Référence
U1 à U4
Model
AOP4 ; TL074
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Géométrie des composants :
Condensateurs polarisés : c_chim_1
Condensateurs : CK05
Fiches bananes : plklx400
Fiches sondes : cnklx200
2N2222A : 2n2222to920
BC550C : BC550Cto920
2N2907A : 2n2907to920
2N2222 : 2n2222to920
Resistances : RC05
Inverseurs et AOP : DIP_14P
On peut également voir les détails des géométries des transistors sur leurs datasheets.
3.Typon et placement des composants
Figure 1 : Typon face composants
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Figure 2 : Typon face arrière
Figure 3 : Placement des composants
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IV.Dossier d’essai
Conditions de tests :
Nous avons réglé les alimentations à 0-12V, avec un courant de court-circuit à
0,1A.
Apres un premier test, nous avons mis en évidence quelques problèmes et erreurs sur
notre montage.
La plus importante d’entre elles (qui empêchait totalement notre montage de fonctionner)
etait l’amplificateur U1, de type LM324, dont la tension de seuil bas ne descendait pas
assez bas (contrairement à la datasheet). Nous avons donc dus changer le potentiel
d’émetteur de Q1, afin que celui-ci se bloque lorsque U1 est a Vsat-. Nous avons donc
utilisé un générateur externe à 6V pour connecter Q1, car notre plaque était déjà réalisée.
Avec cette configuration, l’utilisation d’un AOP rail-to-rail n’était plus nécessaire, et nous
l’avons donc remplacé par un TL074, dont le Slew Rate est bien meilleur.
Nous avons aussi rajouté des capacités de découplage sur les alimentations des
inverseurs, et des AOP.
Notre montage étant destiné a générer un triangle avec une fréquence oscillant sur
120ms, il n’est pas possible d’imprimer ces courbe a partir d’un oscilloscope (seul la
dynamique de cette courbe représente le fonctionnement de notre montage).
De plus, la fréquence centrale d’oscillation, qui devrait être de 40kHz environ, ne
correspond pas au cahier des charges. Le temps limité pour faire ce projet ne nous a pas
permis d’en chercher la cause.
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