la «station de mesure»
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@LRSD BUT GEII NIUT de Cergy
09/ 2021SAE1&2
La «station de mesure»
Conception d'une carte électronique&
Test d'une carte électronique
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SAE 1 : Compétences de CONCEPTIONSAE 2 : Compétences de VERIFICATION
sommaire
Présentation générale Page 1 Titre et sujet de la SAEPage 2 SommairePage 3 C'est quoi une SAE ?Page 4 Mener l'étude d'un projet : le WBSPage 5 WBS : Découvrir Page 6 WBS : PlanifierPage 7 WBS : RéaliserCycle en V de la conception étudiée pendant la SAE1Page 8 WBS : Cycle en V ; étape 2 Expression des spécifications Page 9 WBS : Cycle en V ; étape 3 Conception généralePage 10 WBS : Cycle en V ; étape 4 Conception détailléePage 11 WBS : Cycle en V ; étape 5 Réalisation Page 12 WBS : Cycle en V ; étapes 6 7 8 9 Tests et livraisonSujets abordés en salle de TP Page 13 sujet A formationPage 14 sujet B formationPage 15 sujet C formationPage 16 sujet D formationPage 17 sujet E vérification des compétences acquisesPage 18 sujet F Schéma et Routage de la carte étudiantPage 19 sujet G 1/3 attentePage 20 sujet G 2/3 attentePage 21 sujet G 3/3 attentePage 22 sujet de TP sujet TP pour validation de la carte étudiant Page 23 sujet I travail maison ( jalon 2) Compétences attendues Page 24 Compétences attendues
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Préambule : C'est Quoi une SAé ? Situations d'apprentissage et d'évaluation
Aspect général : La station de mesure est un équipement destiné à constituer l’univers de mesure d'un étudiant de S1 . Il pourra l'utiliser chez lui pour tester certains TP de S1 , et pouvoir obtenir des mesures comparables à celles obtenues en salle de TP .
Cet équipement se présente avec 1/ Une plaque LAB offrant une zone de câblage pour que l'étudiant puisse y câbler un TP. 2/ Une carte « interface de mesure » réalisée par l'étudiant. 3/ Une carte « microbit » préprogrammée pour mesurer des signaux .4/ Un logiciel IUT dans la carte « microbit » pour transmettre les mesures 5/ Un ordinateur, pour recevoir et afficher les données sur son écran 6/ Un logiciel « IUT » dans le PC pour piloter le tout .
Les étudiants réaliseront le circuit électronique de la partie « carte interface de mesure » Ils lui implanteront les fonctions de mesure suivantes : Sortie Alimentation pour plaque de TP en 3,3V Oscilloscope un canal Ohmmètre Capacimètre 2 Entrées sorties Numériques Un traceur X/Y pour diode
Ressources utilisées Électricité : U = RI , loi des nœuds , loi des mailles , superposition.. TP : Utilisation du voltmètre et ampèremètre Maths : résolution de 2 équations de type y = ax+b à 2 inconnues dérivation, pente et coef directeur .. En fait : le programme de terminale .. ( normalement ) Com : rédaction d'un document Présentations à oral de 5 minutes entreprise SADT ou décomposition fonctionnelle simpleLangue : lecture de documents en anglais
Fonctionnement Pratique Cette SAE est programmée sur 60H reparties en 16 semaines . De base : les étudiants auront 16 séances de 3H en salle de TP ( 48H) . ils y seront encadrés par un enseignant garant de la transversalité. En plus : 1/ il y aura une séance de « réception client »à plusieurs.( à la fin) 2/ 6 séances seront allongées d'une heure ( passage de 3 à 4H)
Pour accueillir pendant 1 H un spécialiste. Pour faire le point ( jalon) avec un personnel non technique.EVALUATIONVous serez évalués sur votre travail et sur les compétences que vous aurez acquises.Soit par un passage en revue du travail fait, soit au travers de sujets mettant en œuvre les dernières compétences acquises. Soit par le résultat obtenu. Au final Scodoc vous montrera 2 notes ..( composées chacune de sous notes) Une pour la SAE1 conception d'une carte , une autre pour la SAE2 vérification d'une carte. .
Une SAé :Est un élément pédagogique intégré au programme du BUTObjectif : Acquisition de compétences en passant par l'exemple .SAE1 :Compétences visées : conception et vérification ..
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GENERALITES : MENER une ETUDE de PROJET Quel est le Rôle d'un bureau d'étude ?Le rôle d'un bureau d'étude, est de transformer, une demande virtuelle en un objet réel .. Les demandes peuvent être internes ou externes, elles s'expriment par un cahier des charges. Le rôle de l' ingénieur est de garantir la faisabilité en temps et en heure du projet .Le rôle du technicien est de « faire » et de s'assurer de la conformité avec le cahier des charges.
Pourquoi adopter une approche méthodologie ? Pour gagner du temps et mettre plus tôt les produits sur le marché, les bureaux d'étude sont
invités à optimiser leur manière de travailler, ils doivent utiliser une méthode de travail normalisée. Toutes les actions qui vont : de la conception du produit, en passant par sa mise sur le marché, et qui se continuent jusqu'à son entretient, peuvent être regroupées sous l’appellation WBS Le WBS ( work breakdown structure) fut popularisé par la Nasa dans le projet SATURNE V . Le WBS structure et encadre et planifie le découpage en tâches et sous ensembles, il rend le travail plus accessible et maîtrisable par tous. Sa mise en œuvre oblige à ne rien oublier . Il produit une documentation dont la forme est identique et homogène dans toutes les parties du projet. Il limite les erreurs de conception et minimise les retards de livraison.
Approche « WBS » adapté au projet « STATION DE MESURE » Chaque entreprise possède sa propre manière de construire sa structure WBS .A l'IUT nous structurerons ce WBS pour atteindre un but, l' acquisition de compétencesLes thèmes abordés seront
DECOUVRIR .. PLANIFIER … REALISER
Vous utiliserez une vision globale servant à comprendre le rôle du projet et mieux entrevoir la manière de le réaliser. Il faut : Analyser la demande du client , la contextualiser par rapport à son cahier des charge, pratiquer une analyse fonctionnelle et proposer une arborescence adaptée.
Un projet c'est : du temps, des personnes , des lieux , des ressources ..etc..un planning souvent complexe l'encadre.Un diagramme de Gantt est recommandéIl permet de mettre en avant les points critiques et les besoins amont Le planning vous sera imposé
Après une analyse fonctionnelle de l'ensemble du projet, le chef de labo distribue le travail aux personnes concernées. Il les aidera en présentant un planning, un diagramme fonctionnel , et un diagrammedit « cycle en V »
DECOUVRIR
Exemple fictif d'une d'arborescence
PLANIFIER
REALISER
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Aspect général de la « station de mesure »
PC Un programme IUT, déjà écrit Il affiche les datas transmises
par la carte microbitcarte Microbit Un programme qui mesure au
travers de la carte à concevoir .
Un câble USB
« Carte étudiant »
c'est elle que vous
allez réaliser et
souder
Un TP d'électronique pour lequel votre SAE servira de station de mesure
Un PC
Une Carte microbit
DECOUVRIR
Généralement c'est le client qui définit d'une manière simple et synthétique sa demande . Le cahier des charge sera vu plus tard
BUT comprendre de quoi il s'agit !
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Expression des besoins
Formation des étudiants
WBS
Actions décidées
Expression des spécifications
Mesures sur prototype
WBS
Actions décidées
Actions décidées
Conception
Schéma, Routage
WBS
Réalisation
câblage
WBS
Actions décidées
Test unitaire
WBS
Tests d'intégration
WBS
Jalon 1
Semaine du 25 Octobre
> fichiers GERBERS remis au technicien max le 28/10
Semaines du 6/13/20/27 septembre
> faire les 4 sujets A B C DC'est l’enseignant qui fixera l'ordre ils seront abordés
Semaine du4 octobre
> Sujet spécifique à la station de mesure sujet E
Semaines du 11/18/25 Octobre
> proposition d'un schémaSaisie de schéma , simulation , routage d'un exemple ,Étude carte sujets F
Semaines du8/15 Novembre
> attente carte sujet G
Semaines du22/29 Novembre
> câblage carte Tests unitaire de la carte
Jalon 3 Semaine Du 29 novembre
>carte opérationnelle
Semaines du6/13 Décembre
> test d'intégration avec la carte système, test sur un sujet de TP
2 Semaines de Janvier> préparation et soutenanceValidation des compétences Jalon 4
PLANIFIER
Validation client
WBS
Procédure de test d'intégration
Procédure de test unitaire
soutenance
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Semaine du 15 Novembre > retour sujet I : travail maison
Jalon 2
Présentation du CYCLE en V du projet « station de mesure «
REALISER
Expression des besoins
maintenance
Expression des spécifications
Conception générale
Validation Client
Tests d'intégration
Conceptiondétaillée
Tests unitaires
Réalisation
Cahier de recette
Spécifications
Étapes
Vers le produit
Vers le client
temps
Icibesoins en formation
La finalité du projet est de produire une station de mesure, elle se conclura par une démonstration face au client ( les profs).Mais il faudra aussi fournir les documents utilisables lors de sa fabrication .
DOCUMENTS Créés par les étudiants
LE CAHIER DE PROJET , c'est un cahier , un fichier pdf .. ou tout autre dispositif facile d'accès.. dans lequel les étudiants noteront « TOUT » notes de calcul , schémas, résultats de mesure .. point étape, remarques du profs … TOUTLE DOCUMENT DE PRODUCTION.. c'est un dossier comprenant tous les éléments utilisés pour la mise en production , découpage fonctionnel , schéma , nomenclature , éléments de mise en œuvre , réglages ….
Généralement cette étape est pilotée par le chef de projet ( ici le prof) à partir du cahier des charges et de l'expression des besoins du client , il détermine la liste de matériels qu'il faudra acquérir au labo, et décide aussi des actions de formations Les sujets A B C D ont pour rôle de vous former aux méthodes de calculs de l'électricité ,et à l'utilisation des outils de CAO nécessaires à la réalisation de la carte.
Cycle en V Étape 1 : Expression des besoins
Code couleur
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Cahier des charges
1/ Elle se branche sur une plaque LAB par son connecteur DIP10pin ( FP1) Elle possédera les fonctionnalités de mesures suivantes 1 Entrée oscilloscope V1 , pin 1 , FP2 , +-10V , Zin 1Meg , 10Khz max 1 Entrée ohmmètre Rx , pin 3 , FP3 FP4 , 100ohms à 1Meg ( 10%) 1 Entrée capacimètre Cx , pin 4 , FP5 FP6 , 1nF à 1µF ( 20%) 2 entrées E/S A et B , pin 6 et 7 , FP7 , 3,3V , 4 mA en CC Fournit une alim 3,3V et 0V , pin 10et 5 , FP8 3,3V 300mA en CC
2/ Elle reçoit une carte microbit , sur un connecteur spécifique( FP9) La carte microbit fournira du 3,3V pour le fonctionnement de la carte Elle possède des E/S Digitales et Analogiques lui permettant de transformer vos
mesures en valeurs numériques, et de les transférer par USB vers le PC
3/ Elle possède une Led pilotée par la carte microbit (FP10 )
4/ Caractéristiques spécifiques, la rendant utilisable par des étudiants novices Toutes les Entrées sorties coté plaque LAB seront protégées
Les 2E/S ne pourront pas donner plus que 4mA en court circuit FP7 L' entrées oscilloscope sera limitée à voir passer 10µA sur 10V Le 3,3V ne pourra pas donner plus de 300mA en court circuit FP8 Les autres Entrées ne pourront pas laisser entrer plus de 1mA alimentées en 10V
Formes et dimensions du produit attendu.
Les spécifications sont composées des demandes du client , regroupées dans un cahier des charges qui sert de référence
Cycle en V Étape 2 : Expression des Spécifications
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60mm
60mm
V1 Fs2adaptationvoltmetre
C Fs3protection
Fs4oscillateur
R Fs6protection
Fs5Polarisationohmmètre
Fs7protection
E/S
fréquence
Fs9cartemicrobit
logique
tension
tension
Fs1connecteurDIP10p
Fs8protection
tension3,3V
PCTP
Fs10témoin
logique
Approche fonctionnelle ( étudiée hors document)
Découpage fonctionnel secondaire de la CARTE « ETUDIANT » FP3
Découpage fonctionnel PRINCIPAL de la « station de mesure »
Cycle en V Étape 3 : Conception générale
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PC avec fichier Exécutable
FP1
Carte MicrobitProgrammée
FP2
Carte « Etudiant »FP3
Montage en test utilisateur
demandes
mesures
schéma éclectique ( attention la valeur de certains composants reste à calculer)
Remarque Au début du S1 vous ne disposiez pas des connaissances nécessaires pour créer les structures utiles à la SAE1. C'est pour cette raison que nous vous les avons fait découvrir au début de l'année en faisant les sujets A B C D et F . De telle manière a vous former à l'étude détaillée de l'étape 4 du cycle en V . Dans cette étape vous allez rentrer dans le vif du sujet Saisir le schéma complet de la carte La simuler pour savoir si elle correspond au cahier des charges Et concevoir le circuit imprimé de la carte ( router)
Vous aurez à cœur de faire évoluer ce schéma , de proposer des modifications que vous aurez simulé et testé en labo, pour enfin transformer ce nouveau schéma en un circuit imprimé . Vous souderez les composants sur le circuit et vous devrez prouver qu'il remplit bien toutes les demandes du cahier des charges.
Schéma de départ
Cycle en V Étape 4 : Conception détaillée
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FS2
FS5FS4
FS3
FS1
FS7FS8
FS9
FS10
FS6
MISE EN GARDE Le choix des composants, ainsi que les caractéristiques du circuit imprimé sur lesquels ils vont se poser, ont une influence non négligeable sur le temps de conception. Vos compétences en la matière étant limitées, je vous donne un schéma de « base » , avec les composants clefs déjà placés , ainsi qu'un routage initial. Vous progresserez ainsi plus rapidement . Le répertoire base.zip présent sur mon site page SAE1 présente le projet PROTEUS utilisable. À vous d'y ajouter les composants présélectionnés ,et d'en faire le routage.
SCHEMA DE DEPART Une seule voie deMesure de type scop+ les 2 connecteurs Et la led
Aspect 3D Routage de base du circuit « base »
Notez .. Tous les composants sont bloqués sur la carte .. Les connecteurs J3 J4 sont associés pour créer un seul connecteur FP9 Ils sont bloqués sur le routage à leur emplacement, pour que ses
caractéristiques d’écartement entre broches soient correctes. Le connecteur J1 ( FP1) , est lui aussi fixé au circuit imprimé..
La forme et les dimension de la carte est en jaune , vous n'y toucherez pas .. ..
Cycle en V Étape 5 : Réalisation
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Cycle en V Étape 6 : Tests unitaires
Cycle en V Étape 7 : Tests d'intégration
Cycle en V Étape 8 : Validation client
Cycle en V Étape 9 : Maintenance
Le test unitaire est fait pendant la production, sur chaque carte !La carte sera testée hors de son environnement de travail client . Est elle bien câblée ? , avec les bons composants ? , ses sous fonctions répondent elles correctement aux des tests unitaires ? Avant de câblez , Vous vérifierez que vous disposez :Du Circuit imprimé , et des composants ( magasin IUT)D'un fer à souder , de la soudure , et d'une pince coupante. CABLEZ !!Vous préparez la procédure de test unitaire avec l'enseignant. Cette procédure apparaîtra dans votre cahier de projet, et dans le document de production. Vous devez vérifier : Si La carte est elle câblée comme indiqué sur les plans ?Si Les sous parties de la carte fonctionnent elles ?Embryon eu test unitaire Vous branchez la carte sur une plaque LAB par FP1 Vous suivez la procédure de test Vous injectez 3,3V entre 10 et 5 de FP1 Vous vérifiez si les tensions prévues sur la procédure de test sont conformes
Le test d’intégration se fait avec des cartes pré testées fonctionnelles. La carte est testée dans son environnement de travail client . L'utilisation de la carte permet elle de répondre au cahier des charges du client ? Vous vérifierez que vous disposezde votre circuit , d'une carte microbit programmée , du programme PCVous préparez la procédure de test d'intégration avec l’enseignant . Elle sera consignée dans le cahier de projet et dans le dossier de production. >>> vous pouvez câbler l'ensemble du projet et le schéma de test. Vous devez vérifier Vous utilisez votre procédure d'intégration >> cahier de projet Vous vérifiez si les tensions prévues sur la procédure de test sont conformes
C'est la fameuse soutenance de projetVotre enseignant et une autre personne , vous écouteront 15 minutes. Vous présenterez votre projet ( en vous servant du dossier de production) , et vous ferez une démonstration .. Nou validerons ensemble les compétences acquises
En SAE1 Vous ne verrez pas cette partie du cycle en V en SAE1.
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Prise en main du logiciel de simulation avec un exemple : Schéma A et câblage Utilisation du 4093 dans le cadre de Fs4 simulation . Câblage et tests dur Fs4Saisie de schéma sur CAO Vous allez utiliser PROTEUS, pour cela vous devrez écoutez votre enseignant, il va vous donner les rudiments de saisie de schéma Et ensuite essayez de refaire ce travail pour obtenir les mêmes résultats .Vous n’êtes pas obligé de devoir comprendre le fonctionnement de schéma 1 , par contre il vous sera proposé d'observer les signaux pour en tirer des conclusions.
Formation à la CA0 Sujet A
Résistance res 4093.IEC LED-GREEN
VSOURCEMise à5V
InterrupteurSWITCH
Sonde de mesure de tension
RepèreÀ mettre à gauche
Broche 1 Le 0 du 5 V
Alimentation en 5V( entre 0 et 5)
Simulation sur CAO Encore une fois l'enseignant va vous montrer la voie à suivre. A/ Lancez la simulation ( flèche RUN en bas à gauche )Si le schéma est correct , si l'interrupteur est ouvert .. la LED s'allumeObservez la tension U1:C(A) sur la sonde virtuelle quelle est sa tension Observez U R5(1) sur la sonde virtuelle quelle est sa tensionVous devriez en conclure que si une est à 5V l'autre est à 0 ( 5V +- 0,5 et 0V +- 0,5V )Nous dirons que l'une est inversée par rapport à l'autre . B/ fermez le switch > que fait la LED ?.. en logique on dit que le rôle de U1C est d'inverser
Câblage sur plaque LAB écoutez bien l'enseignant , il va vous présenter un élément qui vous suivra tout au long de votre scolarité … la plaque LAB Une mini plaque LAB Câblage interne câblage externe
Câblage interne du 4093 repérage des broches
TRAVAIL A LA MAISON Vous pouvez vous entraîner au câblage sur une plaque LAB en ligne , sur le site TINKERCADC'est gratuit.. ouvrez un compte avec un mail et un mdp ( un compte simple pas étudiant) Allez dans circuits et créez .. UTILISEZ un CD4011 (v pas de 4093)
SUJETS ABORDES EN SALLE DE TP
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Fs4 : le capacimètreSujet B
1/Rappels ( base sujet A) sur le schéma B Saisissez ce schéma sur protéus , le prof vous montrera comment simuler V(R1) ( analog) En simulation : l'interrupteur fermé , lancez la simulation ? ..ouvrez l'interrupteur.. c'est beau ! Après en câblage : regardez si la diode clignote de la même manière 2/ Étude théorique sur le simulateur Le constructeur nous donne l'équation de la fréquence du signal de sortie en fonction des composants utilisés. f = 1/ (k R C ) ( R> à 10Kohms) ( ici : R = R1 et C = C1) Calculez fréquence du signal de sortie si k = 0,6 avec R1= 100K et C1 = 1nF Simulez avec ces nouvelles valeurs , et mesurez (sur protéus) la période du signal V(R1)
3/ Étude pratique faite en câblage 1/ Vérifiez la fréquence du signal de sortie avec 100K et 1nF
2/ vous connaissez R C et f : Calculez le coefficient k dans ce cadre réel .. 3/ Relevez à l'oscilloscope la forme du signal ( pour 2 périodes)
4/ Faites varier C de 1nf à 1µF ( par décade) et relevez f
4/ imaginons un capacimètre 5/ Écrivez l'équation théorique de la période du signal 't' en fonction de C1, k ,et R1 6/ Proposez une valeur de R1 pour que t = 1ms avec C1 = 1,5nF 7/ câblez R1, placez un condensateur C1 choisi au hasard dans les casiers de C , et mesurez t à l'oscilloscope , ensuite déduisez la valeur de C1 à l'aide de l'équation (5)
SUJETS ABORDES EN SALLE DE TP
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Fs2 / Fs5 Voltmètre et ohmmètre
Construction d'un voltmètre : La tension Ve est divisée pour être mesurée au voltmètre en Vs
Q5/ reprenez l'équation 1C : Exprimez Rx = f( 5V , VS , R4 ) Que vaut Rx si : R4 =10K Ve =5V et Vs = 2,5V
S simulez avec la Rx calculéeR
Q2/ imaginez que nous disposions de R2 Vs Ve et que nous recherchions R1 C Utilisez l'équation 1 pour exprimez R1 = f(R2 Ve Vs) Calculez quelle R1 provoquera Vs = 1V avec Ve = 2V et R2 = 1Mohms Faites R et S Q3/ imaginez que nous disposions de R1 Vs Ve et que nous cherchions R2 C Utilisez l'équation 1 pour exprimez R2 = f(R1 Ve Vs) Calculez quelle R2 provoquera Vs = 1V avec Ve = 10V et R1 = 10K Faites S R Q4/ estimons la qualité d'un vrai voltmètre C Exprimez Rv = f( R1 Ve Vs) Faites S R avec Ve = 2 V R1 = 1M
Estimez la résistance du Voltmètre électronique .
Construction d'un ohmmètre : Un Ohmmètre est composé d'une source de tension interne, et d'une résistance étalon
Q6/ refaire avec R4 = 1Meg Ve = 5V et Vs = 1V ( C S R)
Q6/ Utilisez R4 = 100K et Mesurez Vs avec Ve = 5V Et Estimez la valeur des résistances que vous donnera l’enseignant .
Rappel faites du CSR !!Q1/ C : Exprimez VS = f( Ve R2 R1 ) Calculez Vs avec Ve = 2V R1 = R2 = 10Kohms S : simulez sur protéus C : Câblez et testez ce montage
Sujet CSUJETS ABORDES EN SALLE DE TP
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Point de départ équation dite du pont diviseur
Ve Vsi iDans la maille d'entrée on voit Ve R1 et R2 i = Ve/ (R1 + R2)Dans la maille de sortie on voit Vs R2 i = Vs/ R2 Les 2 équations de i donnent Ve/(R1+R2) = Vs / R2 On peut exprimer l'équation 1 : Vs = Ve R2 / (R1+R2)Vs sera toujours inférieur à Ve car R2/(R1+R2) est < 1
Ve Vsi i
Pour chaque question de ce sujet vous appliquerez la procédure « C S R » C calculer sur le papier … S Simuler en CAO R réaliser sur plaque LAB .
R1Ve2V voltmetre Rv
0V masse
Voltmetre
ohmetre0V masse
R2 est composée de la résistance interne du voltmètre nommée Rv
Source interne 5VRésistance étalon R4
Vs
Vs est la tension mesurée sur la voltmètre
Fs 3/6/8 protection des entrées
Travail à faire 1/ Saisir le schéma sur protéus , 2/ malheureusement le simulateur ne calcule pas Vs en fonction de Ve 3/ Câblez : faites un tableau de mesures pour Vs avec Ve = 0 2 4 6 8 10 V ( voltmètre) Câblage ..pour le 4011 n’oubliez pas que la broche 14 = 5V et 7 est à 0V 4/ Tracez Vs = f(Ve) améliorez les mesures en ajoutant un point de mesure dans le coude 5/ conclure qu'il existe des diodes entre 1 et 2 du 4011 et son 5V 6/ testez avec Ve allant de 0 à -5V7/ recalculez R1 pour que le courant qui la traverse soit au maximum de 1mA Dans le cas ou VE = 10V et dans le cas ou VE = -10V
Sujet DSUJETS ABORDES EN SALLE DE TP
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Théorie : La DIODE
Dans ce sens , le courant passe dans la diode I > 0 Vd = 0,5VLe schéma équivalent de la diode = un générateur de 0,5V
Vd
=
Dans ce sens , pas de courant dans la diode I = 0 Vd = Ve
Le schéma équivalent de la diode = un circuit ouvert
=
Ve Vd
1/ Simuler et testez un montage avec une diode
Travail à faire 1/ Saisir le schéma sur Protéus , mettre V1 = 1V 2/ Simuler sur Protéus , Ve allant de 0 à 4V , pratiquez une analyse DC TRANSFERT 3/ Câblez et faites un tableau de mesures avec VE = 0 1 2 3 et 4V ( voltmètre ) 4/ Tracez Vs = f(VE) améliorez les mesures en ajoutant un point de mesure dans le coude 5/ Recalculez R1 pour que le courant dans R1 soit de 1mA si VE était égal à 10V
Schéma électrique équivalent à ce montage Comme la diode « conduit » ou ne « conduit pas » , il faut faire 2 schémas A)si la diode ne conduit pas : VE < V1 , remplacez la par un circuit ouvert Faites le schéma équivalent à ce montage simplifié ( ou la diode n'existe pas ) Exprimez Vs = f(Ve) B) si la diode conduit : VE > V1+ 0,5V , elle est remplacée par une tension de 0,5V Faites le schéma B équivalent à ce montage simplifié Exprimez Vs = f(Ve)
2 /Simuler et testez un second montage
Ve
Ne pas oublier cette résistance 5V
Edit property Source choisir VE() ou VR1()
Fs2 Le Voltmètre But du montage Permettre à un voltmètre qui ne saurait mesurer que sur le calibre « 3,3 volts » d'observer des tensions pouvant aller de -10V à + 10V
Vous utiliserez un pont diviseur plus un offset.
TRAVAIL
A/Commençons par une Simulation sur la CAO sans faire de calculs :)1/ prenez : R1 = R2 = R3 = 1M faites varier Ve de -10V à +10V en transfert sur Proteus Mesurez Vs et Relevez la caractéristique Vs = f(Ve) 2/ avec R1 = R2 = 1M R3 = 470 K , faites varier VE de -10V à +10V(transfert)
Relevez la caractéristique Vs )= f(Ve) 3/ Le cahier des charges est 'il rempli ? B) Calculs 1/ trouver R2 R3 en utilisant le cahier des charges En 1/ du cahier des charges : Ve = 10V Vs = 3,3V Dans ces conditions il n'y a pas de courant dans R2 R2 disparaît du schéma 3,3 V = 10 V R3 / ( R1 + R3)
En 2/ du cahier des charges : Ve = -10V Vs = 0V Dans ces conditions il n'y a pas de courant dans R3 R3 disparaît du schéma On écrira que i = (0- -10V)/R1 et que i = (3,3V-0)/R2 R2 10V = 3,3V R1 R2 = 3,3 R1 /10
2/ Résolution Connaissant les demandes du cahier des charges Si je donne R1 égale à 1M Calculez R2 en utilisant R2 = 3,3 R1/10 Calculez R3 en utilisant 3,3 V = 10 V R3 / ( R1 + R3)
3/ Simulation et validation par le câblage en utilisant les valeurs calculées Le test réel se fera au voltmètre électronique et avec 2 alimentations Il existe d'autres méthodes de résolution avec le théorème de superposition ou Millman
C/ Validation finale But injecterez un signal* TTL ( 0 à 5V) sur Ve , observer Vs avec un oscilloscope . 1/ en simulation faites varier Ve de 0 à 5V ( en transfert ) notez Vs min et Vs Max 2/ injectez votre propre signal TTL sur Ve et observer Vs Les tensions Vs min et Vs max sont elles correctes 3/ en simulation ajouter l’impédance de l'oscilloscope ( 1Meg) en parallèle sur R3 Retrouvez les Vmi_n et Vmax mesurées Fabrication du signal* C'est un 4093 alimenté en 5V qui fera le signal TTL à1KHZ. Le sujet B vous servira de base de départ .. une seule porte 4093 celle avec le R et C , broches 1 et 2 ensemble
Sujet ESUJETS ABORDES EN SALLE DE TP
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0V
10V 3,3V
3,3V
R1 R2
R3
3,3V10V
0V
R1
R3
3,3VR2
0V
-10V 0V
3,3V
R1 R2
R3
-10V
0V
R1
i
Cahier des charges du montage à étudier Nous voulons obtenir 1/ Vs = 3,3V si Ve = 10V 2/ Vs = 0V si Ve = -10 V
Sujet F
Saisie du schéma et routage de la carte (3 séances ).
Vous aller saisir le schéma en prenant en compte la forme réelle des composants, comme ceux que vous aurez à souder par la suite. Mais comme votre expérience est limitée, vous partirez d'un schéma de « base » constitué des composants essentiels de la carte . Schéma dit de « base » Sur mon site il y a le fichier base.zip , il contient beaucoup des informations utiles . vous y trouverez un répertoire Proteus Dans ce répertoire Protéus .. il y a un projet protéus nommé base1/ : Ouvrez « base » sur protéus , vous verrez le fameux schéma de départ Il incorpore les connecteurs et leur forme réelle 2/ : Enregistrez ce projet sous un nom comportant au minimum votre groupe de TP et un prénom Faites une copie dans votre drive perso et sur l'ENT ( si il fonctionne ) .
3/ Saisie de schéma Sur ce schéma de base, Vous saisirez l’ensemble du schéma présenté page 10. Tous les composants importants ( sauf cap et 4093IEC) existent déjà Attention R est une résistance généric 'res' de boîtier RES40 , Attention C est un condensateur généric 'cap' de boîtier CAP10
Faites souvent des sauvegardes .. en cas de plante (car il y en aura)Pas de calculs, Ils seront à faire chez vous avant le 15 novembre ( calculs = sujet I page 23 )Faites 2 sauvegardes .. une de secours au cas ou une autre que vous utiliserez au routage plus tard .
Le routage consistera à placer les pistes manuellement en fonction de votre schéma1/ ROUTAGE d’initiation ( fin de séance 1) Votre enseignant vous fera une démonstration Fabien notre technicien viendra vous apporter des compléments intéressants . 3/ ROUTAGE de votre projet lancez vous Pour votre aide , vous remarquerez que page 8 de ce document , il est présenté un plan de votre carte « finie » , observez donc la disposition des composants ..et inspirez vous en pour placer les vôtres au même endroit .. cette aide sera précieuse .
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SUJETS ABORDES EN SALLE DE TP
1/ SAISIE du SCHEMA ( temps alloué 1H30 séance 1)
Notez la liste des composants et leur nom
C'est une nouveauté accès au circuit imprimé
2/ ROUTAGE
L'idée du chef de labo est de Créer un Dé numérique
Mais avec cela
1) Principe Le composant électronique dit « dé » dispose de 7 leds , chacune d'elle peut s’allumer séparément ,pour produire les 6 faces d'un Dé .Vous concevrez un dispositif électronique destiné à piloter les 7 Leds .
Un compteur produira 6 étapes de codage, une par face du dé . Le compteur « comptera » en permanence, trop rapidement pour lire une face du dé, c'est en ouvrant le circuit qui amène l'horloge vers le compteur que l'on fige le compteur .
2) Schéma Fonctionnel
Fp1 Fp2 Fp3
action
Fp1 horloge à 10 Khz , constituée d'un 4093
Fp2 Compteur , constitué d'un 4040
Fp3 Décodeur , constitué de portes Nand (4011 ou 4093)
Fp4 remise à 0 : compter les 6 faces, reste des Nand du 4093 de FP1
Le TR fonctionne en 5V
Fp4
H
Z
SUJETS ABORDES EN SALLE DE TPSujet G1/3
Bravo , votre projet est en temps et en heure, il ne vous reste plus qu'a recevoir votre circuit imprimé. Cependant votre chef de Labo ne veut pas vous laisser oisif, il en profite pour vous demander une petite étude de faisabilité ..
But faire commeUn Dé
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Fp1 L'horlogeSchéma du montage à câbler
La documentation constructeur , nous dit que le signal de sortie est une horloge ( signal carré ) possédant une fréquence nommée Fh Fh = 1/ (0,55 R C ) 0,55 est le coefficient que vous avez relevé au TR1L'équation est vérifiée à la condition que R soit >= à 20 kOhmsFixer R, et ensuite calculez C pour avoir la fréquence (plus C est élevé plus il est cher ) Fp2 le compteur 4040
Éléments de compréhension Si l'entrée Z est à 1 , le compteur est arrêté toutes ses sorties sont à 0Lorsque Z = 0 Q0 change d'état à chaque fois que H passe de 1 à 0 Q1 change d'état à chaque fois que Q0 passe de 1 à 0
Q2 change d'état à chaque fois que Q1 passe de 1 à 0 Et ainsi de suite jusqu'à Q11 ( 12 étages )
lorsque l’interrupteur est ouvert , R1 sert de rappel à 0, sinon l'entrée est une antenne . Quant l'interrupteur est fermé l'horloge fournit le courant dans R1 . 10µA < IR1 < 100µA .
Guide fil pour le Travail de réalisationÉtape 1 génération d'horloge ,et comptage ..à basse vitesse pour observer un comptage FP1 seul : simulation et câblage de FP1 .. calculer R et C pour obtenir 1Hz FP1 + FP2 avec le 4040 branché directement , sans interrupteur ni résistance à 0v.. Vous placerez des leds avec des résistances, sur les sorties Q0 Q1 Q2 Observez le comptage .. (en simulation mettre 1ohm en série sur la broche 10 )Étape 2 génération des 6 étapes produites par le compteur ( 6 faces )
Ajouter FP4 , pour décoder Q1xQ2 à 1 et commandez le MR du 4040(11) Ajouter l'interrupteur et la résistance , observez qu'un court circuit fait compter . Ensuite Recalculez R et C pour obtenir 10Khz ( comptage rapide) testezEtape 3 recherchez des solutions pour FP3 Faire une table de vérité, pour les 6 faces du dé .. ou à chaque étape de comptage du 4040 vous identifierez quelles LED du dé sont allumées . Remarquez la symétrie du tableau exemple leda est allumée comme ledg Proposez des équations , simplifiez les , et câblez les .. en utilisant que des portes NAND Etape 4 Proposez une amélioration, ou une nouvelle led clignote en présence de l'horloge.
H
Z
Q0
Q2Q1
entrées : H (horloge ) et reset Z . sorties Q1 à Q3 jusqu'à Q12
H Q0 Q1Z Q2
Les 3 sorties forment un nombre 0 1 2 3 4 5 6 7 0
H
0V
R1
SUJETS ABORDES EN SALLE DE TPSujet G2/3
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Circuit DéAvec exemple de mise en œuvre
Nc a b c d
e f g nc 0V
a b c
d
e f g
SUJETS ABORDES EN SALLE DE TPSujet G3/3
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Sujet HSUJETS ABORDES EN SALLE DE TP
Test Fonctionnel
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But du TRAnalyser un schéma contenant des parties déjà étudiéesFaire des calculs de structures Mettre en œuvre votre station de mesure pour vérifier si ce TR test fonctionne
Schéma en étude
DescriptionCe « test » incorpore 2 oscillateurs , constitués des deux 4093 .Ces oscillateurs produisent 2 horloges , une à 200Hz l'autre à 400Hz Les sorties J1 6 et 7 servent à aiguiller laquelle des 2 horloges est envoyée vers le HP
Travail à faire Étude théorique Q1/ grâce à vos notes précédentes, calculez les valeurs de C1 et C3 pour qque chacun des oscillateur produise la bonne fréquence . Q2/ imaginez la fonction logique ( composée uniquement de portes NAND 4093 , ou 4011 ) Qui puisse remplir la fonction attribuée au système. Soit : J1 6 7 HP 0 0 0
0 1 400Hz 1 0 200Hz 1 1 0Étude de simulationFaites le schéma sur protéus Forcez les sorties J1 6 ou 7 avec 0 ou 3,3V Observez le bon comportement de la tension de sortie sur HPÉtude pratique Câblez le dispositif étudié sur une mini plaque labVérifiez le bon fonctionnement avec un vrai oscilloscope et avec l'app de mesure
FS1 connecteur 10 points ayant l'empreinte d'un circuit intégré Il s'enfiche directement sur la plaque LAB ou sera câblé le TP à vérifier L'emplacement et la fonction de chacune de ses broche est prédéfini p1 V1 , p3 Rx , p4 Cx , p5 OV , p6 E/S, p7 E/7 , p8 nc ,p9 nc , p10 3,3V
FS2 oscilloscope canal V1 avec son pont diviseur et un offset sujet E R5= 1 M calculez R3 et R4 Contraintes VE = + 10V VS = 3V et VE = -10V VS = 0V dans les données
FS3 , FS4 Capacimètre avec un oscillateur et son circuit de protection sujet B Le condensateur à mesurer est placé sur la pin « Cx » de Fs1 (1nF à 1000nF) C1 = 100pf sert de valeur minimale à Cx . La sortie 2 de J3 (Fp9) peut bloquer l'oscillation .. La carte microbit mesure la période du signal et affiche la valeur calculée de Cx R1 évite des erreurs de câblage ( limite le courant sur la pin , à 1mA avec du 10V) Avec R2 = 1Meg , Calculez la plage réelle de fréquences, avec les variations possibles de Cx Proposez une nouvelle valeur de R2 pour varier de 1Kkz à 1Hz Dans quel état, doit être la sortie de FP9 pour que l'oscillateur soit bloqué ..
FS5, FS6 ohmmètre et traceur X/Y avec son pont diviseur et sa résistance de charge sujet C Ohmmètre mesure sur 2 J4 Fs9, R8, R7 pont diviseur , 5 de J4(Fs9)P0= 1L Calculez R7 si R8 = 10Kohms pour que La tension mesurée par 2 J4 (Fs9) soit à vide = 3V. ( avec 5 J4(Fs9)P0= 1L )
Quelle tension est mesurable sur 2 J4 (Fs9) si Rx = 10Kohms FS6 : R6 , limite à 1mA le courant max, si une tension de 10V était mise sur l'entrée Rx . Traceur X/Y on mesure la tension de sortie (Y) sur 2J4Fs9 , on fait évoluer (PWM) 5J4Fs9 Pour créer un courant par R6 (X) ,un condensateur de filtrage de 1µF est en sortie
FS7 protection des E/S digitales sujet d Limite à 1mA le courant provoqué par un court circuit sur une sortie, ou lorsque par erreur on connecte 10V sur l'entrée. Calculez si FP7 assure la protection proposée avec les résistances vues sur le schéma
FS8 protection de la sortie Alimentation Une résistance limite à 300mA le courant de court circuit FP8 assure t’elle la protection attendue , calculez sa valeur .
FS9 Connecteur spécifique recevant la carte microbit composé de J4 et J5 Les entrées sorties vers Fs9 sont fixées par décret .
1 J4 : +3,3V , 11 J4 11 J5 GND : pour l'alimentation 4 J4 : V1 oscillo ( P2 microbit, entrée analogique , 0 à 3 V ) 2 J4 : mesure de tension pour Rx ou XY ( P0 microbit, entrée analogique , 0 à 3 V ) 5 J4 : sortie PWM ( P3 microbit , valeur moyenne de 0 à 3,3V) ) 1 J5 : entrée digitale ,p20 microbit, mesure de la période signal U1A 2 J5 : sortie digitale ,P19 microbit pour bloquer ( avec un 0 ) l'oscillateur U1A 3&4J5 : entrées sorties digitales, P16 P15 microbit 5 J5 : sortie digitale vers la led ( FP10) pilotée par le PC , P14 microbit
FS10 Dispositif d'affichage constitué d'une LED Pilotée par logiciel à partir du PC
Sujet ITRAVAIL à LA MAISON Visible dans votre cahier de projet ( 15/11)
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CALCUL des COMPOSANTS avant câblage Le schéma correspondant est celui de l' étape 4 du cycle en V page 10 Les question à résoudre sont en rouge
Compétences attendues CONCEPTION et VALIDATION A= débutant B = opérationnel C = Expert
Niveau attenduCalculs de structures simples ( U= RI) BSaisie de schéma sur un outil de CAO BSimulation d'un schéma simple BValidation sur carte d'une fonction prototype BRoutage ( base circuit type) ASortie des fichiers gerber BSoudage correct (exemple) BConception du banc de test BTest de la carte BModification d'une carte BValidation du projet BFourniture des documents techniques BReporting des problèmes rencontrés BRédaction du cahier de projet BRédaction d'un document de soutenance ACapacité à soutenir devant 2 personnes A
Version prototypeElle sera dans votre porte folio de compétences
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