TP1 PLL TP2 CAN/CNA
Transcription
TP1 PLL TP2 CAN/CNA
TP CESI Electronique Non Linéaire TPs CESI Electronique non linéaire Salles G45-G46 Bât 3A (voir plan fac page 2) Responsables TPs : Hélène LEYMARIE [email protected] // Thierry PERISSE [email protected] Techniciens : Franck Lacourrège TP 1 (6h) : Etude d’une Boucle à verrouillage de phase PLL 4046. TP2 (6h) : CAN/CNA + Acquisition/Restitution 3 séances de 4h soit : Première séance TP1(4h) début Deuxième séance TP1(2h) fin + TP2(2h) début Troisième séance TP2(4h) fin Documentation CI : PLL 4046 ADC0804 DAC0800 Année 2012-13 Thierry PERISSE 1 Electronique Non Linéaire G45 / G46 Salles de TP TP CESI A– PREPARATION Les questions théoriques sont à préparer avant de venir en TP (la préparation peut être demandée en début de séance et doit être jointe au compte rendu en fin de séance) B– MANIPULATION Une validation de chaque partie expérimentale doit être faite avec un responsable de TP. Thierry PERISSE 2 BOUCLE A VERROUILLAGE DE PHASE (4046) Le but de ce TP est de caractériser la boucle à verrouillage de phase en statique et en dynamique, puis d’en définir les plages de capture et de maintien. En tant que système asservi, on n’omettra pas de vérifier les conditions de stabilité du système. 1 Brefs rappels théoriques Page 1/12 Page 2/12 Page 3/12 2 Présentation du circuit intégré 4046 L’étude expérimentale de la PLL sera réalisée grâce au composant HCF4046 qui est un circuit intégré de la famille CMOS 4000. Il se compose d’un oscillateur linéaire commandé en tension (OCT ou VCO) et de deux comparateurs de phase au choix. C’est un circuit intégré « classique » pour réaliser une boucle à verrouillage de phase numérique. Les applications les plus courantes de la PLL (Phase Locked Loop) sont la démodulation de fréquence, la synthèse de fréquence, la reconstitution de porteuse dans certains cas de démodulation AM, décodeur stéréophonique … Schéma équivalent et brochage en boitier DIL : Page 4/12 3 Travaux pratiques I ETUDE STATIQUE DE LA PLL Ia) Etude du VCO Le circuit sera alimenté par une tension Vdd = 15 V. Il est nécessaire de découpler l'alimentation par un condensateur de 4,7 µF. On prend C1 = 470 pF, R1 = R2 = 100 kΩ. En utilisant la documentation technique du 4046 (annexe 1), déterminer Fmin, Fmax, FL et f0. On donne Fmin = F0 - FL et Fmax = F0 + FL. Tracer la fréquence du signal de sotie V4 (nommée fs) en fonction de V9 pour V9 variant de 0 V à 16 V. En déduire la pente K0 du VCO (K0 = ∆ω/∆u rd V-1 s-1) et la fréquence F0. Comparer Fmin et Fmax aux valeurs effectivement obtenues. Ib)- Etude du comparateur de phase 1 (CP1) Le tracé de la caractéristique du comparateur de phase s’effectue ici lorsque le système est bouclé. Mesurer précisément la résistance R3 et C2 du filtre passe bas. Câbler le montage et visualiser à l’oscilloscope V14,V4 et V9. Conclure. Tracer la tension V9 (mode DC du voltmètre) en fonction du déphasage Φe-Φs lorsque la PLL est verrouillée (Fe=Fs). En déduire la pente Kd de la caractéristique (V/rad). Comparer la à la valeur théorique. Page 5/12 II ETUDE DYNAMIQUE DE LA PLL II a) Stabilité de la PLL A l’aide de l‘annexe 2, déterminer si le système est stable ou non pour une résistance R3 égale à 10 Kohms et des capacités C2 égales à 1 nF ou 10 nF. A quoi sert le filtre passe bas ?Expliquer le compromis stabilité /filtrage et trouver une solution. Par un souci de simplicité de câblage, le filtre passe bas sera par la suite constitué de R2 et C3 seulement (R4 = 0). II b) Mesure des fréquences d'accrochage (capture range) et de verrouillage (lock in range) En augmentant progressivement la fréquence Fe du signal d'entrée, noter la fréquence Fc1 où la PLL se verrouille (Visualiser V14 et V4). En continuant d'augmenter Fe, noter la fréquence FL2 où la PLL décroche. Faire la même étude pour les valeurs décroissantes de Fe, noter les fréquences Fc2 et FL1. FC1 FL2 Fe valeurs croissantes Fe valeurs décroissantes FL1 FC2 En déduire les plages de capture FC2- FC1= 2 ∆ FC et de verrouillage FL2- FL1 = 2∆ FL. Refaire les mesures pour une capacité C2 = 10 nF. Expliquer les phénomènes de déverrouillage et de capture puis comparer vos résultats aux valeurs théoriques. 1 (∆ ∆FC = 2π . KoVdd 2τ ) II c) Modélisation du système bouclé d’ordre 2 Le but de cette manipulation est d’observer la réponse du système bouclé à un échelon indiciel appliqué à l’entrée de la PLL. Il s’agit d’un échelon de fréquence. Comme il est difficile d’observer un saut de fréquence à l’oscilloscope, on étudiera les tensions images de la fréquence d’entrée Umodulant et de la fréquence de sortie V9 . L’échelon de fréquence d’entrée sera obtenu à l’aide de deux GBF (1 et 2) en réalisant une modulation de fréquence. L’échelon de fréquence réponse de sortie est obtenu patte 9 (entrée du VCO de la PLL). Cette dernière effectue alors une démodulation de fréquence. Le schéma suivant décrit la manipulation à effectuer. Page 6/12 GBF1 V9 tension Umodulant 9 14 VCO 1 GBF2 VCO 2 Tension modulée en fréquence (fe) PLL 4046 4 Tension modulée en fréquence (fs) PLL verrouillée Quels que soient les GBF1 et 2 utilisés la fréquence de la tension modulée doit être comprise entre 105 et 95 KHz pour une capacité C2 égale à 10 nF. Umodulant est un signal sinusoidal de fréquence égale à 100Hz. Vérifier que la PLL est bien verrouillée. Observez à l’oscilloscope la tension V9 en synchronisant sur la tension Umodulant. On assimile le système à un système du second ordre de fonction de transfert T(p). En observant V9, mesurer le dépassement d et la pseudopulsation ωp en déduire mexpérimental et ω0 expérimental. On donne : Dépassement d = exp() Pseudo Pulsation ωp = ω0 . Comparer aux valeurs théoriques. ω 0 = KoKd τ 1 et m = 2 . 1 Ko.Kd.τ II d) Application de la PLL : reconstitution de porteuse AM Pour C = 1 nF, la boucle étant verrouillée, visualiser les tensions V4 et V14. Faire varier la fréquence du signal d'entrée de 0 à 100kHz. Que se passe-t-il ? Conclure quant à l'utilisation de ce dispositif pour une restitution de porteuse AM en vue d'une détection synchrone. Page 7/12 III MEME ETUDE AVEC LE COMPARATEUR DE PHASE 2 Principe du comparateur de phase 2 : - Si V3 est en avance de phase par rapport à V14, V13 est mis à zéro pendant un temps proportionnel à ce déphasage. C se décharge alors à travers R et V9 diminue, donc la fréquence F3 également. V3 se trouve donc "retardé". - Si V3 est en retard de phase par rapport à V14, V13 est mis à VCC pendant un temps proportionnel à ce déphasage. C se charge alors à travers R et V9 augmente, donc la fréquence F3 également. V3 se trouve donc "avancé". - Si V3 et V14 sont en phase, V13 est à l'état haute impédance. C reste alors chargé, donc V9 = cte et F3 = cte. III a) Stabilité de la PLL A l’aide de l‘annexe 2, déterminer si le système est stable ou non pour une résistance R3 égale à 6.8 KOhms, R4 à 1 KOhm et une capacité C2 égale à 159 nF. III b) Mesure des fréquences d'accrochage (capture range) et de verrouillage (lock in range) Mesurer les fréquences de verrouillage et de capture. Visualiser V4 et V14 lorsque la boucle est verrouillée. Faire varier Fe. Que se passe-t-il ? Conclusion. III c) Application de la PLL : reconstitution de porteuse AM Faire varier la fréquence du signal d'entrée de 0 à 100kHz. Que se passe-t-il ? Conclure quant à l'utilisation de ce dispositif pour une restitution de porteuse AM en vue d'une détection synchrone. Bibliographie : « Boucles à verrouillage de phase » Michel Girard Edisciences Page 8/12 ftp://ftp.discip.crdp.ac-caen.fr/discip/physapp/bts/electronique/107.pdf http://iut-tice.ujf-grenoble.fr/ticeespaces/GTR/tn/monsite/modtn/tp/TextesTP/cycle2A-1/PLL/TpPll.pdf Annexe 1 : DOCUMENTATION TECHNIQUE DU 4046 (EXTRAIT) ANNEXE 2 : ETUDE DE LA STABILITE Page 9/12 Page 10/12 DOCUMENT REPONSE : Travaux pratiques I caractéristiques statiques Ia) caractéristique statique du VCO V9(mode DC voltmètre) Fs (Hz) Pente Ko expérimentale(rad/s/V) = Pente Ko théorique(rad/s/V) = Fo = Fmin = Fmax = Ib) caractéristique statique du comparateur de phase R3mesurée = C2mesurée = Conclusion des chronogrammes V14, V4 et V9 : V9(mode DC voltmètre) Φe-Φs (°) Pente Kd expérimentale (V/rad) = Pente Kd théorique (V/rad) = II caractéristiques dynamiques : Comparateur de phase 1 et filtre passe bas1 IIa) stabilité IIb) Mesure des plages de verrouillage et de capture Valeurs de C2 Plage de verrouillage expérimentale 2 ∆ FL Plage de verrouillage théorique 2 ∆ FL Plage de capture expérimentale 2 ∆ FC Plage de verrouillage théorique 2 ∆ FL C=1nF C = 10 nF Explications des phénomènes de capture et de déverrouillage Page 11/12 II c) Modélisation du système d’ordre 2 Valeurs de C2 dépassement expérimental d Pseudo m ωo Oscillation expérimental expérimental Expérimentale ωp C=10 nF m théorique = ωo theorique = II c) Verrouillage sur harmoniques III caractéristiques dynamiques : Comparateur de phase 2 et filtre passe bas 2 IIIa) stabilité IIIb) Mesure des plages de verrouillage et de capture Valeurs de C2 Plage de verrouillage expérimentale 2 ∆ FL Plage de verrouillage théorique 2 ∆ FL Plage de capture expérimentale 2 ∆ FC Plage de verrouillage théorique 2 ∆ FL C=159 nF Etude des phases de V14, V4 et V9 : III c) verrouillage sur harmoniques Page 12/12 TP CAN CNA TP2 partie 1 : CAN / CNA 1. Introduction : Vue d’ensemble de la carte CAN CNA : 2. Schémas électriques : 3. Projet FPGA : 4. Programmes VHDL : Documents constructeurs : CAN : Datascheet ADC0804 CNA : Datascheet DAC0800 Thierry PERISSE 1 Thierry PERISSE ADC0804 CAN Signaux de commandes BUFFER FPGA CNA Horloge BUFFER DAC0800 CNA 2,5v. réglable Sortie 0v./5v. DAC0800 ANALOGIQUE SORTIE Tension variable Sortie 1. Introduction : ANALOGIQUE ENTREE CAN +5v/0v +15v/0v/-15v. Horloge Alimentation Alimentations Entrées sélections TP CAN CNA Vue d’ensemble de la carte CAN CNA : 2 TP CAN CNA 2. Schémas électrique : 2.1 Alimentations de la carte et réalisation du +2.5v réglable et de la tension variable 0/5v. : 2.2 Thierry PERISSE Schéma du Convertisseur Analogique Numérique : 3 TP CAN CNA 2.3 Schéma électrique du FPGA : 2.4 Schéma électrique du convertisseur Numérique Analogique : 3. Projet FPGA : 3.1 Projet d’ensemble : gestioncancna 3.2 Sous projets : CMP8BITS gestionsinus8 gestioncan gestioncna Thierry PERISSE 4 TP CAN CNA Thierry PERISSE 5 TP CAN CNA 4. Programme VHDL : gestioncan.vhd gestioncan.vhd 4.1 Thierry PERISSE 6 gestioncan.vhd TP CAN CNA cmp8bits.vhd 4.2 : CMP8BITS.vhd Thierry PERISSE 7 TP CAN CNA gestioncna.vhd 4.3 : gestioncna.vhd Thierry PERISSE 8 TP CAN CNA A- Préparation : Repérer les différentes parties sur la carte à l’aide de sa vue d’ensemble Une résistance de 330Ω est mise en série avec les leds rouge, à l’aide de la documentation ci-dessous, justifier cette valeur ? LED La tension de seuil dépend de la couleur et donc de la composition chimique du dopage. A_1 CAN ADC084 : Sur quel principe est basé le fonctionnement du circuit intégré ADC0804 ? Expliquer le fonctionnement a partir du schéma fonctionnel du CAN ? A quel timing doit correspondre les signaux de commandes du CAN ? A_2 CNA DAC0800 : A l’aide de la documentation constructeur et du schéma électrique du can : Donner l’expression de la tension de sortie SDAC en fonction de Iref, R0 (R0=R26=R27), V0 (V0=5v.) et de la valeur numérique N présente sur les entrées du CNA. Justifier la valeur de Rref=R32//R33 pour avoir Iref=2mA (avec Vref=15v.) ? Justifier la présence et les valeurs de R30//R31 sur le VR– du cna ? Justifier les valeurs de R0 et de V0 pour une tension SDAC variant entre –5v et +5v. ? Tracer la caractéristique théorique SDAC=f(N). ? Calculer la valeur de la résolution du CNA.? Donner le temps de conversion ? Thierry PERISSE 9 TP CAN CNA B- Manipulation : B_1 ALIMENTATIONS : MERCI DE BIEN VOULOIR RESPECTER LES COULEURS POUR LE CÂBLAGE DES ALIMENTATIONS: · Noir <——> Masse (0v.) · Rouge <—> Toutes les tensions positives (+15v. Et +5v.) · Bleu <—> Tension négative (-15v.) Tests et réglages des différentes alimentations : · Vérifier que la LED est allumée · Régler la sortie tension 2.5v. à cette valeur à l’aide du potentiomètre · Vérifier que sur l’autre sortie nous ayons une tension variable 0v./5v. B_2 CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMERIQUE ADC0804 HORLOGE HCAN et TENSION EADC : · Régler le générateur de fonction à 2Mhz (0/5v.) à l’aide de l’oscilloscope (ou bien utiliser la sortie TTL du générateur). Mesurer à l’oscilloscope la fréquence et les niveaux de tension avant de l’envoyer sur la maquette. · Relier la tension variable 0/5v. à l’entrée analogique à convertir EADC et vérifier qu’un mot binaire est présent en sortie. ( Led rouge allumée —> un 1 logique en sortie ). Relever les chronogrammes suivants : RDBAR WRBAR INTBAR et DATAVALID ? Comme l’on a un oscilloscope à 2 voie il sera opportun de relever les chronogrammes 2 par 2 en prenant le front descendant de WRBAR comme origine des temps. WRBAR avec INTRBAR / WRBAR avec RDBAR / WRBAR avec DATAVALID Donner la fréquence d’échantillonnage ? Mesurer les différents temps sur les chronogrammes et les comparer a ceux du datascheet du convertisseur ADC0804 ? En utilisant le programme gestioncan.vhd; Donner l’allure des signaux WR RD DATAVALID ? Thierry PERISSE 10 TP CAN CNA Tracer la fonction de transfert du CAN : N=f(EADC) ? (// avec la théorie) N équivalent décimal du mot numérique en sortie EADC : Tension d’entrée analogique (0/5v.) Mesurer le Quantum ? (// avec le quantum théorique) B_3 CONVERTISSEUR NUMERIQUE ANALOGIQUE DAC0800 HORLOGE HCNA ET POTENTIELS PARTICULIERS : · Dans un premier temps on reliera les deux horloges : HCNA = HCAN = 2Mhz (TTL 0/5V.) · Relier la tension Vref du CNA au potentiel +15v. · Les entrées de sélection seront sur la combinaison 00 (combinaison qui permet de renvoyer sur l’entrée du CNA le mot N correspondant à une tension analogique EADC). Vérifier que la sortie du CNA SDAC varie de Xv. à +Xv. ? Donner la valeur de X et justifier cette valeur ? · Prenons maintenant une horloge : HCNA = 100hz (TTL 0/5V.) Visualiser et donner l’allure des signaux sur SDAC en fonction de la combinaison des inters (entrées de sélection) : Sel=11 Q<=Q+1 Rampe Sel=10 Q<=Qmémoire sinus numérique sur 256 échantillons Donner la relation entre la fréquence du sinus HSIN et la fréquence du CNA HCNA ? Vérifier cette relation pour 1khz et 256khz ? Sel=01 Q<=Qinters Le mot d’entrée N est fabriquée par 8 inters Tracer la caractéristique de transfert SDAC=f(N) ? (// avec la théorie) Donner une mesure expérimentale du quantum ? (// avec le quantum théorique) Thierry PERISSE 11 TP ACQ. / REST. TP2 partie 2 : Acquisition / Restitution A– PROJET ACQUISITION : A-1 Essai carte CAN / CNA : A-1-1 Alimenter la carte (voir tp can cna). ATTENTION LE CI ADC0804 ADMET SUR SON ENTREE EADC UNE TENSION COMPRISE ENTRE 0 ET 5 VOLTS. A-1-2 Régler le générateur sur un sinus de 1Khz avec une tension crête à crête de 4volts et un offset de 2volts à l’aide de l’oscillo. A-1-3 Envoyer ce signal sur l’entrée EADC de la maquette CAN / CNA et visualiser la sortie SDAC. A-2 Réalisation de l’étage interface microphone et Amplificateur d’entrée : A-2-1 Interface microphone : Réaliser le câblage et visualiser le résultat à l’oscillo ? A-2-2 Amplificateur d’entrée : Réaliser le câblage et mettre l’ampli après l’interface micro et régler le gain de telle sorte que l’on retrouve l’image du son sur l’oscillo ? Microphone ACQUISITION /RESTITUTION Projet CAN CNA RESTITUTION ACQUISITION Projet Projet Projet Haut-parleur TP ACQ. / REST. TP ACQ. / REST. A-3 Réalisation du filtre anti repliement FAR : A-3-1 Cahier des charges : Normes Téléphoniques : Fréquence d’échantillonnage —> 8Khz. Gabarit —> Voir le gabarit de réponse en fréquence d’une voie téléphonique. Largeur du canal de transmission : Localement, la ligne téléphonique assure la liaison vocale dans un gabarit normalisé et limité à la bande passante 300/3400Hz. Cela permet de transmettre, de façon économique, les fréquences fondamentales de la voix et un nombre d’harmoniques suffisant pour la compréhension du message. Ce gabarit tient compte de la bande passante des filtres répéteurs et autres appareils intercalés dans le réseau téléphonique. Gabarit de réponse en fréquence d’une voie téléphonique. TP ACQ. / REST. Pour des raisons de réalisations le cahier des charges retenu du Filtre anti repliement FAR: Avec fp=3.4Khz fa=8Khz et Amax=3db Amin=25db Rappel sur un gabarit atténuation d’un filtre passe bas normalisé : A-3-2 Préparation : Donner le gabarit en gain et en atténuation ? Mentionner sur ce gabarit les fré quences et les atténuations du cahier des charges ? A l’aide du cahier des charges et de l’abaque trouver l’ordre du filtre n ? A l’aide du tableau donner la fonction de transfert normalisée Hn(p) ? A quoi cor respond les différentes colonnes sur le tableau ? RAPPEL : Dans cette fonction de transfert normalisé la variable p est une variable normalisée pn qui est égale à p/wc. Donner la fonction de transfert dénormalisée H(p) ? Mettre cette fonction de transfert sous la forme canonique d’un filtre passe-bas ? TP ACQ. / REST. A-3-3 Etude de la structure de SALLEN KEY : C11 0 C12 R11 R12 E 3 4 U1A V+ + OUT 2 TL084 - 1 S 11 V- Donner la fonction de transfert de la structure de SALLEN KEY ? Montrer que l’on peux mettre cette fonction de transfert sous une forme canoni que d’un filtre passe bas ? Pour chacune des cellules; Identifier W0 pulse naturelle et ξ coefficient d’amortis sement ? A-3-4 Réalisation du FAR : Si l’on prend toutes les résistances égales à 10KΩ, calculer les autres composants du filtres ? A-3-5 Expérimentations : Tracer le Bode (module) du filtre FAR ? (Exel, Matlab ou autre) Dessiner le gabarit sur le tracé de Bode ? Conclusion ? TP ACQ. / REST. A 4 Etage adaptateur : A la sortie du filtre anti repliement nous sommes en présence de tension pouvant varier entre +15 et –15 volts et en entrée du CI ADC0804 il nous faut une tension comprise entre 0 et 5volts. Donner la fonction de transfert du circuit ci-dessous ? Câbler et tester à l’oscillo ? Si le signal est convenable l’envoyer sur l’entrée EADC et voir si on récupère bien ce signal à la sortie SDAC (si les inters sont bien positionnés) ? ENTREE CAN ADC0804 Projet ACQUISITION Récapitulatif TP ACQ. / REST. TP ACQ. / REST. B– PROJET RESTITUTION : B-1 Filtre de lissage : B-1-1 B-1-2 Cahier des charges du filtre de lissage :. Avec fp=3Khz fa=8Khz et Amax=3db Amin=15db Préparation :. - Utilité d’un filtre de lissage ? - Donner l’ordre du filtre ? - Donner les fonctions de transfert normalisée et dénormalisée ? (les résistances seront toutes égales à 10KΩ ) - Donner le schéma de câblage ( en utilisant une structure de SALLENKEY ) avec toutes les valeurs de composants ? B-1-3 Expérimentation :. Tracer le Bode (module) du filtre FAR ? (Exel, Matlab ou autre) Dessiner le gabarit sur le tracé de Bode ? Conclusion ? B-1-4 Test du filtre de lissage dans la restitution du signal : Régler le générateur sur un sinus de 1Khz avec une tension crête à crête de 4volts et un offset de 2volts à l’aide de l’oscillo. Envoyer ce signal sur l’entrée EADC de la maquette CAN / CNA et visualiser la sortie SDAC. Mettre le filtre de lissage à la sortie du CNA et visualiser l’effet du lissage ? TP ACQ. / REST. B-2 Etage adaptateur : A la sortie du filtre de lissage nous sommes en présence de tension pouvant varier entre +5 et –5 volts et en sortie il nous faut une tension comprise entre 0 et 5volts. Donner la fonction de transfert du circuit ci-dessous ? Donner les valeurs des différents composants ? Câbler et tester à l’oscillo ? B-3 Etage Générateur / CAN-CNA / Projet Restitution : Relier la sortie du filtre de lissage au casque et faire varier la fréquence du générateur et tester l’acquisition du son ? Si besoin d’insérer un ampli audio entre le filtre de lissage et le casque : Faire l’étude de l’ampli audio et réaliser le câblage des 3 étages en casca des (Filtre de lissage + étage adaptateur de tensions + ampli audio) B-4 Projet COMPLET : Câbler les 2 projets Acquisition et Restitution. Visualiser le résultat aux différents points du montage ? Conclusion ? Projet RESTITUTION TP ACQ. / REST. Sortie CNA DAC0800 Annexe 1 Microphone et Haut parleur : TP ACQ./ REST. TP ACQ. / REST. Annexe 2 Courbes de l’atténuation en fonction de la fréquence des filtres de Butterworth TP ACQ. / REST. Annexe 3 Filtres passe-bas et passe-haut de Butterworth. Schéma d’un filtre passe-bas de Butterworth dont les valeurs des éléments figurent dans le tableau ci-dessus. Courbe de réponse d’un élément de filtre passe-bas TP ACQ. / REST. Annexe 4 Schéma d’un filtre passe-bas de Butterworth dont les valeurs des éléments figurent dans le tableau ci-dessus. Courbe de réponse d’un élément de filtre passe-bas