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PATRIE Thomas E2CARLIER Julien Groupe A26

M. Lebret

Projet d’électronique

analogique

Radar de reculEmetteur

2005 Semestre S3

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


I.IntroductionLe 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 ( Hz12/12 ) 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’émetteurNous 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)

PATRIE Thomas/CARLIER Julien dd/11/yyyy


II.Dossier de conception

1.Conception des différentes parties

a.Le VCO ; générateur de signaux triangulairesLe 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



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 :

1 12 . . 25R C sµΠ >Pour limiter la consommation du montage on va prendre 1 47R k= Ω donc on en déduit la capacité vérifiant l'inégalité : 1 85C 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 2R et 3R car :

3 2

3 2

. . 6satV R V R VR R

−− + =

+ et 3 2

3 2

. . 6satV R V R VR R

++ + =

+

On en déduit ainsi le rapport 2

3

23

RR

=

On choisira dans la série E12 Ω= kR 2702 et Ω= kR 3903 , 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.



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.



b.Le générateur de rampes ; Tension de commandePour 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=(Vcc-Vc1). 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 +.



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



Dimensionnement des différents éléments :Seuils de l’hystérésis :

Dans le générateur de triangles, à la sortie de l’intégrateur, on a le signal suivant :

Le signal est symétrique et sa pente estτ

2CVtVVp =

−= −+ , où Vc est la tension de

commande, et τ est la constante de temps de l’intégrateur. De plus, on a VVV 8=− −+ . 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.

On a donc sp

µτ 5,12826 == , d’où sµτ 7,4= .

On en déduit les seuil de l’hystérésis, correspondant aux fréquences 35kHz, et 45kHz : VVL 25,5= et VVH 75,6=

Calcul de la réaction de l’hystérésis :

Figure 5 : Montage hystérésis

VRR

RVRVV satBIASL 25,5..

21

21 =++=

−

et VRR

RVRVV satBIASH 75,6..

21

21 =++=

+

Apres résolution du système à 2 inconnus (Vbias et R2/R1), on Trouve :

VVBIAS 125,6= et 62

1 =RR

.

Il faut donc faire un pont de résistances tel que 6// 32

1 =RR

R et V

RRR 125,612

32

2 =+

⋅ d’où

95,02

3 =RR



Le cahier des charge n’imposant pas une grande précision sur la plage de fréquence 35-45kHz, on a choisit Ω== kRR 3932 et Ω= kR 1201 .

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.

On a donc mskT 12050010

33412 =⋅⋅= .

On doit donc avoir mC

I120

5,1= . On a choisi C= 47uF et I=0,6mA.

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



( )i

RRrbeRRrbeR

ib76

768

//////

++

−= (Pont diviseur de courants)

Figure 8 : schéma équivalent

On a ( )768 //// RRrbeRReq += donc iRRrbe

Ri eqb

76 //+−=

On a donc la résistance équivalente :76 //

..RRrbe

RrcerceR

iVR eq

eq +++== β

i.e. 768

8

768

8

//..

//..

RRrbeRR

rceRRrbeR

RrcerceRR eq ++

≈++

++= ββ

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 Ω= kR 8,68 .

Pour avoir un courant I de 0,6mA, il faut VRIVV BEB 68,48,6*6,06,0. 8 =+=+=On choisi donc Ω= kR 106 et Ω= kR 8,67 .

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 mAIcQ 1002 ≈ , on a mAIbQ 5,02 ≈



On donc Ω≈= kIbVRQ

R 182

55

Puis AIbQ µ101 ≈ d’où Ω≈ MR 14

Montage final :

Figure 10 : Générateur de rampes – Montage final



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.Le cahier des charges nous impose une précision de la note émise inferieur à Hz06,12 12

1 =, 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

410− .

Pour connaître la résistance équivalente minimum possible, on résout l’équation de R de la différence entre la droite, et l’exponentielle :

( ) ( ) 410 −−

∞∞∞ ≤

−−−+− τ

τt

iii eVVVVtVV ,

avec RCR ⋅== µτ 47. , RmIRV ⋅==∞ 6,0. , VVi 25,5= , et mst 120= .On trouve qu’il faut Ω≥ MR 20 . Cette condition est satisfaite, puisque l’application numérique nous donne une résistance équivalente de ΩM66 .



2.Simulations

a.Générateur de rampe

Figure 1 : Sortie de l’hystérésis Figure 2 : Sortie du générateur de rampes



b.VCO

Figure 3 : Triangle en sortie du montage Figure 4 : Sortie de l’hysteresis

c.Montage completLe 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.



III.Dossier de production

1.Schéma global



2.Nomenclature et géométrie des composantsNomenclature : Resistances : Référence Valeur (Ohm)R1 120kR2 39kR3 39kR4 1MR5 10kR6 10kR7 6,8kR8 6,8kR9 47kR10 330kR11 390kR12 10kR13 10kR14 10kR15 10kR16 10k

Condensateurs : Référence Type Valeur (Farad)C1 Polarisé 47uC2 Non Polarisé 100pCd1 Non Polarisé 1uCd2 Non Polarisé

Transistors : Référence Type ModelQ1 NPN 2N2222Q2 PNP 2N2905Q3 NPN BC550C

Inverseurs :Référence ModelU5A et U6A INV6 ; 4069UB

AOP : Référence ModelU1 à U4 AOP4 ; TL074



Géométrie des composants : Condensateurs polarisés : c_chim_1Condensateurs : CK05Fiches bananes : plklx400Fiches sondes : cnklx2002N2222A : 2n2222to920BC550C : BC550Cto9202N2907A : 2n2907to9202N2222 : 2n2222to920Resistances : RC05Inverseurs 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



Figure 2 : Typon face arrière

Figure 3 : Placement des composants



IV.Dossier d’essaiConditions 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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