Convertisseur durée-amplitude


INTRODUCTION


Le projet de « Convertisseur durée-amplitude » consiste à concevoir puis réaliser un circuit
électronique capable de réagir à une variation de durée d'un signal par une variation de tension du
signal de sortie.
Le signal d'entrée est une impulsion Ve d'amplitude variable de 4V à 12V et de durée
variable de 50μs à 250μs. Le temps entre deux impulsions est de 500μs. La partie intéressante de
cette impulsion est sa durée qu'il faudra traiter afin d'avoir en sortie une impulsion d'amplitude
variable. La valeur de Ve ne doit donc avoir aucune influence sur la sortie.
Le signal de sortie Vs doit avoir une amplitude variable de 2V à 10V selon la durée de
l'impulsion d'entrée. Cette impulsion en sortie doit durer 60μs et avoir commencer lors du front
descendant de l'impulsion d'entrée.
La valeur de Vs doit être proportionnelle à la durée de Ve afin de pouvoir faire une
conversion à partir de la sortie rapide. L'amplitude de Vs = 2V ± 20% = 2V ± 0.4V pour τe = 50μs
et la durée τe = 60μs ± 5% = 60μs ± 3μs

 


I) ETUDE THEORIQUE DU CIRCUIT
ETAPE 1 : Modification de l'amplitude de l'impulsion vers une tension de 5 volts :


Le signal d'entrée est une impulsion d'amplitude et de durée variable. L'amplitude est comprise
entre 4V et 12V tandis que la durée est comprise entre 50μs et 250μs.
Cette première étape consiste à fixer l'amplitude à valeur standard, qui est la même quelque soit
l'amplitude de l'impulsion.
Cette fonction est réalisée avec un comparateur LM311 qui compare la valeur de l'amplitude par
rapport à une valeur donnée. Si l'entrée est supérieure à la valeur donnée, le LM311 délivre une
tension de 5V, dans le cas échéant, le LM311 délivre une tension de 0V. Cette valeur donnée doit
etre comprise entre les deux valeurs extrêmes de l'impulsion. Une des tensions de l'alimentation
étant 5V, nous choisissons comme valeur de comparaison 2.5V, facilement réalisable avec un pont
diviseur et suffisamment éloignée de 0V et de 4V pour que le bruit électronique n'ait pas
d'incidence sur le résultat. On place en sortie une résistance de pull-up reliée au potentiel de 5V.

Les valeurs choisies sont :
R1 =1 kΩ
R2 =2 kΩ


Les schéma est le suivant :


Avec les graphes en entrée et en sortie de ce bloc :

 


ETAPE 2 : Intégration avec une amplification adéquate


L'impulsion d'entrée ne varie plus que dans sa durée, on peut donc l'intégrer et trouver une relation
directe entre la durée de l'impulsion et la valeur finale de l'intégration. On choisit un montage
intégrateur inverseur avec AOP donc voici la relation entre l'entrée et la sortie :
V s=−( ∫V e dt )/ R3 C1

Pour déterminer les valeurs de R et C, il faut étudier les cas de durée extrême de l'impulsion (en
valeur absolue)
– Ti = 50μs, Vs = 2V : R3 C1 = ( ∫V e dt )/ V s = (5 ×50.10−6) / 2 = 125.10−6Ω. F
– Ti = 250μs, Vs = 10V : R3 C1 = ( ∫V e dt ) /V s = (5 ×250.10−6) / 10 = 125.10−6Ω.F
On fixe la valeur de C1 à 4.7nF, nous avons alors R3 = 26596Ω ~ 27kΩ, d'où :
C1 =4.7nF
R3 =27 kΩ
A cela, il faut ajouter un montage inverseur pour obtenir une tension à nouveau positive avec R4 =10 kΩ

Le schéma et les graphes en entrée et en sortie du bloc sont :

 

 

ETAPE 3 : Remise à zéro de l'intégrateur


Le signal d'entrée E utilisé en pratique sera un signal carré de fréquence 2 kHz. Avec ce signal,
l'intégrateur arrivera à saturation puisqu'il additionne à chaque période l'impulsion aux impulsions
déjà intégrées. Il faut donc remettre l'intégrateur à 0 en court-circuitant le condensateur.

Le court-circuit est réalisé par un interrupteur électronique DG200 contrôlé par un multivibrateur
monostable SN 74 221. L'interrupteur doit être ouvert seulement pendant une période inférieure à
500μs et supérieure à 250+60μs, on choisit 400μs à partir du début de l'impulsion.

L'interrupteur est fermé lorsque sa tension de contrôle est à 0V et il est ouvert lorsque sa tension de
contrôle est à 5V. Il faut donc que la tension de contrôle soit à 5V pendant 400μs après le début de l'impulsion.

Cette tension de contrôle est générée par un multivibrateur monostable qui s'activera lors du front
montant de V1 (ou E) et cela pendant 400μs. La documentation du composant donne cette relation :
tw=R5 C2 ln 2 <=> R5 C2 = tw/ ln 2 <=> R5 C2 = (400.10−6)/ ln 2 = 5.77.10−4 Ω.F
On fixe C2 = 47 nF d'où R5 = 12278 Ω ~ 12 kΩ
Donc les valeurs des composants sont :
C2 =47 nF
R5 =12 kΩ


On veut utiliser un front montant pour le déclenchement du multivibrateur, il faut donc que ce front
montant V1 arrive à l'entrée B du composant, l'entrée A est à relier à la masse, CLR est à relier à
5V. La sortie s'effectuera sur Q.


Le monostable 1 est broché ainsi :


Le schéma du bloc intégrateur modifié est donc le suivant :


Les graphes sans interrupteur (V2) et avec interrupteur (V3) sont les suivants :

 

 


ETAPE 4 : Extraction 60μs après la fin de l'impulsion


Le signal que nous avons lorsque V3 arrive à son maximum varie linéairement avec le temps. On a
donc effectué une conversion du temps en une tension. Il reste, pour respecter le cahier des charges,
à extraire 60μs du maximum atteint par V3. Ceci se fera par l'intermédiaire d'un interrupteur
électronique placé en sortie de l'inverseur précédent et contrôlé par un autre multivibrateur monostable.

Cet interrupteur devra être fermé pendant seulement 60μs après la fin de l'impulsion. Il faut donc
que le multivibrateur monostable crée un échelon de 5V pendant 60μs à partir du front descendant de V1 (ou de E).

Cet échelon ouvrira l'interrupteur pendant 60μs après la fin de l'impulsion. Ce qui recherché, c'est
l'effet opposé, on utilisera donc la sortie Q pour que le monostable réagisse de manière opposé : Q
est toujours à 5V sauf pendant 60μs après la fin de l'impulsion.

L'interrupteur sera donc toujours ouvert sauf pendant cette période.

Il suffit alors de placer une résistance pour avoir une tension de sortie S
qui vaut l'amplitude du palier après l'intégration et qui dure 60μs.

La documentation du SN 74 221 (multivibrateur monostable) indique la même formule que
précédemment :
tw = (R6 C3)/ ln 2 <=> R6 C3 = tw/ ln 2 = (60.10−6)/ ln 2 = 87.10−6 Ω.F
On fixe C3 = 4.7 nF donc R6 = 18417 Ω ~ 18 kΩ
Donc les valeurs des composants sont :
R6 =18 kΩ
C3 =4.7nF

On souhaite le déclencher sur un front descendant donc on place le signal V1 en A, les entéres B et
CLR sont au potentiel de 5V. La sortie exploitée est Q.

Le monostable 2 est broché de cette manière :


On place une résistance R7 = 10 kΩ en sortie pour mesurer une tension S.
Le schéma du bloc est le suivant :


Les graphes d'entrée et de sortie de ce bloc sont les suivants (V4 = S) :

 

 


Schéma final


 

 

 


ANNEXE : NOMENCLATURE

Désignation

Nom
Description / Référence
Quantité

74LS221 1

R1Multivibrateur monostable
74LS 221, contient les circuits 1 et 2
1
74LS221 2
Multivibrateur monostable
74LS 221, contient les circuits 1 et 2
-
AO1
Amplificateur opérationnel
TL082, contient AO1 et AO2
1
AO2
Amplificateur opérationnel
TL082, contient AO1 et AO2
-
C1
Condensateur
4.7 nF
1
C2
Condensateur
47 nF
1
C3
Condensateur
4.7 nF
1
DG200 1
Interrupteur électronique
DG200, contient les circuits 1 et 2
1
DG200 2
Interrupteur électronique
DG200, contient les circuits 1 et 2
-
LM311
Comparateur
LM311
1
R1
Résistance
1 kΩ
2
R2
Résistance
2 kΩ
1
R3
Résistance
27 kΩ
1
R4
Résistance
10 kΩ
2
R5
Résistance
12 kΩ
1
R6
Résistance
18 kΩ
1
R7
Résistance
10 kΩ
1

 

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