iut marseille departement genie electrique et informatique industrielle

IUT DE MARSEILLE
DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
TRAVAUX PRATIQUES 2ème ANNEE
Générateur à commande électrique de fréquence dit VCO ou CCO.
Objet du TP.
Le générateur de fonction est avec l’oscilloscope l’appareil que vous utilisez le plus. En connaissez-vous le principe ?
Il fournit le sinus, le triangle, le carré et les dérivées, rampe et impulsion. Leurs gammes s’étend depuis quelques mHz à
quelques MHz, certains possèdent un compteur qui affiche la fréquence.
Ces générateurs fonctionnent à partir d’une charge de condensateur limitée par les deux seuils d’un trigger. Le trigger
commande le sens du courant dans le condensateur. La valeur absolue du courant et le condensateur fixent la pente du
‘’triangle’’, donc la fréquence. Le synoptique montre comment on génère ainsi le triangle et le carré. Le sinus est obtenu à
partir du triangle par une mise en forme non linéaire.
Enfin un adaptateur A permet de fournir le signal sous l’impédance normalisée de 50 Ω.
S’ajoute à cela une commande électrique de la fréquence, par action sur la valeur absolue du courant chargeant C.
A
En premier lieu nous illustrerons le mécanisme du synoptique par un montage de base utilisant un amplificateur
opérationnel à transconductance, dit OTA, qui nous permettra de contrôler la pente du signal triangle très facilement. On
obtient ainsi la commande électrique de la fréquence. Le montage générateur devient alors un VCO ou CCO (voltage/current
controled oscillator ).
Le composant OTA (CA 3094 ou CA3080) étant un élément important de l’électronique analogique nous lui consacrerons au
préalable un peu de réflexion et quelques mesures !
Nous tracerons ensuite la relation (fréquence/tension) qui décrit la fonction CCO et la comparerons aux prévisions et ensuite
nous analyserons les anomalies observées lorsque l’on augmente la fréquence du CCO.
Enfin nous vérifierons la possibilité de commander électriquement le rapport cyclique.
C’est une fonction que vous rencontrerez, plus tard, dans l’étude de certains convertisseurs AN.
Préparation.
Analysez le schéma interne du CA3094 ou du CA3080 (voir en annexe), dessinez sur votre copie son synoptique simplifié,
constitué d’un différentiel et de quatre miroirs de courant. Dans le cas du CA3094 l’adaptateur Q12 Q13 est ignoré,
(bornes 1 et 6 réunies).
Pour contrôler le sens de la charge de C, donc le signe de Is, nous utiliserons
+15V
l’OTA en ‘’aiguillage’’ c’est à dire en écrêtant franchement le signal de
l’entrée différentielle. Le choix de l’amplitude de Vd (ou V3-V2) est donc
RL
primordial ! Généralement la valeur minimum Vaig de Vd qui garantit ce régime
VD
Is
3
1kΩ
est de 0.2V crête à crête.
Dans ces conditions tout le courant de polarisation Ia (Iabc) se retrouve dans
2
5 Ia
Q1 ou dans Q2 et par conséquent l’OTA fournit soit Is = Ia soit Is = - Ia.
4
Exprimez cette relation entre Is, Ia et le signe de Vd, en utilisant une fonction
Ra
mathématique simple.
22kΩ
Vz=10V
L’environnement de l’OTA est présenté ci contre :
Alim Var
- 15V
Le CA3094 ( ou CA3080 ) est alimenté en + 15V , -10V et l’entrée de
150Ω
polarisation (borne n°5 ) est alimentée en courant ( Ia ) par une résistance Ra de
22kΩ.
Une alimentation variable de 0 à 30V, référée au -15V, injecte le courant Ia.
Calculez les valeurs extrêmes du courant Ia, quel doit être le réglage de tension pour annuler Ia ?
Les mesures :
1 - L’OTA en régime d’aiguillage : détermination des seuils de Vd.
L’OTA est chargé par RL =1KΩ, réglez Ia à 0,5 mA, puis injectez un signal ‘’triangle’’ vers 1kHz. Observez simultanément
Vd(t) et l’image de Is(t). Augmentez l’amplitude jusqu’à écrêter franchement la sortie. Relevez soigneusement à l’oscilloscope
en mode XY Is(Vd ) sur votre copie. Commentez, en déduire les valeurs limites de Is en aiguillage et de Vd minimum pour ce
régime. On pourra baptiser ces valeurs limites de Vd, provoquant le fonctionnement en aiguillage, Vaig. Donnez la valeur de
Vaig = |Vd|limite. Doublez Ia, que deviennent les limites de Is, que devient Vaig. L’expression suggérée en préparation vous
parait elle justifiée, si oui, elle devra figurer comme très importante sur votre copie car c’est la base des mécanismes
illustrés dans ce TP.
Avec un signal d’entrée carré, d’amplitude Vaig, on s’intéresse maintenant à la rapidité.
Notez la rapidité en sortie dIs/dt, le courant Ia agit-il sur la rapidité, précisez ?
En vous servant du schéma interne, faites un commentaire sur l’impédance d’entrée de la borne 5 et sur l’impédance de
sortie de la borne 1 ( ou 6 ). Vos commentaires découlent du cours d’électronique de 1° année.
2 - L’oscillateur commandé en fréquence par un courant : dit CCO.
Maintenant que vous connaissez mieux l’OTA utilisé comme ‘’fonction signe’’, réalisons l’astable suivant, avec l’OTA et un
ampli OP (CA3140) monté en Trigger non inverseur :
Tracez sur la copie sommairement l’allure de
la relation fréquence/courant f(Ia), 3 à 4
R4 22KΩ
S3
points suffisent.
L’astable fonctionne-t-il à partir de Ia nul ?
A quelle relation idéale auriez vous pensé
pour f(Ia) ?
It E3
S1 Is
R3
OTA
La forme ‘’triangle’’ est elle obtenue ?
560Ω
R1 2,2KΩ R2 18KΩ
Analysez la cause de ces ‘’anomalies’’ et
Ic
commentez.
Ia
Enfin proposez une solution.
C 100nF
Ra 22KΩ
Une solution ‘’prof ‘’ est proposée en 3,
grâce à Trigger inverseur.
3 - Un CCO plus conforme à l’idéal souhaité.
Faites le schéma amélioré et câblez.
Tracez sur papier millimétré la caractéristique f(Ia) jusqu’à Ia environ 1,2 mA.
Faites un dessin idéal du signal triangle sur une période et découvrez la relation f(Ia) idéale.
Portez sur ce graphe la caractéristique idéale et expliquez les écarts.
Comparez l’amplitude du triangle à la valeur prévue.
Vous avez ainsi réalisé une fonction qui permet de faire varier une grandeur de sortie ( la fréquence ) en agissant sur une
grandeur d’entrée ( le courant ) : c’est un ACTIONNEUR. Il ne vous reste plus qu’a le caractériser par son ‘’gain ‘’.
Donnez le gain de l’actionneur en précisant les unités.
4 - Les problèmes liés à la montée en fréquence du CCO.
Pour augmenter la fréquence (par décade comme dans un générateur) nous réduisons le condensateur C à 1nF.
Sur une nouvelle feuille millimétrée tracez la caractéristique f(Ia) mesurée ainsi que celle calculée. De graves anomalies
apparaissent, que vous expliquerez en observant l’amplitude du triangle. ( par exemple pour Ia = 0,5mA).
Comparez l’amplitude actuelle à celle observée avec C = 100nF.
Dans la réalité, lorsque Vc(t) atteint le seuil du trigger, le courant met un temps tp à changer de sens, cela se voit
directement sur l’oscilloscope. Ce ‘’temps de réponse de la boucle’’ provoque deux gros inconvénients : le générateur n’est
plus à amplitude constante, et à la période prévue s’ajoute quatre fois tp ! Par conséquent n’espérons pas de fréquence
supérieure à 1/4tp !
Si vous aviez à concevoir un générateur un peu rapide, sur quels composants porteriez-vous votre attention ?
Citer une référence de remplacement.
5 - L ‘ oscillateur commandé en rapport cyclique Θ.
Il s’agit de réaliser un nouvel actionneur dont la grandeur de sortie est le rapport cyclique Θ ( signal rectangulaire en sortie
d’un astable ) , et dont la grandeur de commande est une tension.
Pourquoi cette fonction ?
Certain convertisseur AN ( ∆ Σ ) utilisent un modulateur ( astable ) à rapport cyclique variable : Le signal à convertir , x ,
agit sur un astable en commandant Θ.
La tension de sortie de l’astable, Vs en S3, prend deux valeurs, telles que Vs moyen représente le signal à convertir.
Cette sortie, en quelque sorte binaire, est ensuite rythmée (échantillonnée) régulièrement pour fixer le débit binaire.
Un filtre numérique moyenneur transforme l’information en mots de n bits.
Le nombre ainsi codé représente la grandeur x .
Pour la réalisation nous restons fidèles au synoptique général, mais nous remplaçons l’OTA par un intégrateur
La charge de C se fait grâce à un intégrateur (741). Attention le trigger (CA3140 ) redevient non inverseur !
En synchronisant l’oscilloscope sur la sortie de l’astable observez son fonctionnement.
Entrée x(t)
Sortie Vs(t)
de rapport
cyclique Θ (t)
3,3nF
15KΩ
E4
15KΩ
Restitution de x(t)
par moyennage de Vs(t)
S5
S3
22KΩ
S4 E3
2,2KΩ
10KΩ
100nF
x(t) est transformé
en une tension à
deux niveaux !
Notez l’amplitude du triangle, la fréquence et le rapport cyclique Θ.
Le rapport cyclique est-il celui prévu , pourquoi ?
On ajoute maintenant le signal x qui commande Θ . Ceci grâce à une résistance de 15KΩ sur le point de sommation de
l’intégrateur.
Faites varier x très lentement ( ~ 0.1 Hz ) et accrochez votre oeil sur la période, puis sur le rapport cyclique.
Comment évoluent ces deux grandeurs ?
Limitez l’amplitude de x pour rester à fréquence quasi constante ( ~ 0 à - 10% ).
Le rapport cyclique Θ est il en relation linéaire avec le signal x ?
Pour le vérifier il suffit d’observer la valeur moyenne de Vs grâce à un filtre passe bas simple! ( 100nF et 22KΩ ).
Synchronisez l’oscilloscope sur le signal x ( triangle à ~ 20Hz ) observez simultanément x et la sortie moyennée S5.
Quelle est votre conclusion ?
Remarquez que c’est un moyen simple de transporter une information analogique ‘’codée sur un bit’’ ( point S3 )
Donnez le gain de ce nouvel actionneur, attention aux unités!
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