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Modulation FM avec la carte TI Analog System Labkit Pro

Modulation FM avec la carte TI Analog System Labkit Pro

Message non lude Wistaro » 06 Nov 2018, 19:01

(version en anglais)

7633Nous vous parlions il y a quelques mois de la carte
Texas Instruments
nommée
Analog System Labkit Pro
.

Cette carte est un kit
pédagogique
, à destination des filières axées sur
électronique
comme les lycées, les IUT
(Institut Universitaire de Technologie)
... Elle comprend un certain nombre de
circuits à réaliser
, directement sur la carte avec des
connexions filaires
type "Arduino"
, pour
se familiariser
ou
approfondir ses connaissances
dans le domaine de
l'électronique analogique
. Très simple à utiliser, il n'est pas nécessaire d'avoir des
connaissances poussées
en électronique pour réaliser les premières expériences. Néanmoins, si vous avez de bonnes notions et que vous voulez allez plus loin, les possibilités de cet
Analog System Labkit
sont nombreuses et vous permettront de sortir des expériences détaillées pour créer les vôtres.

Récemment, j'ai pu acquérir cette
excellente carte
et m’entraîner un peu dessus. Vous le savez peut-être, je suis passionné par l'électronique et j'étudie dans ce domaine. J'ai déjà réalisé plusieurs articles sur une carte DSP de chez
Texas Instruments
, que vous pouvez regarder en cliquant ici si vous êtes curieux!

En découvrant la carte
Analog System Labkit Pro
, j'ai immédiatement su que je pourrai faire des
circuits sympathiques
à présenter en article!

Aujourd'hui, je vais vous présenter un premier circuit que j'ai réalisé avec ce module.
Plus tard, suivront peut-être d'autres montages plus poussés combinant cette carte avec d'autres pour réaliser des fonctionnalités avancées :bj:

Je précise que le but de cette série d'articles n'est pas de faire un cours d'électronique, mais de donner des pistes de réflexion et attiser votre intérêt pour cette discipline fascinante et porteuse d'avenir qu'est l'électronique :p Je reste disponible en commentaire pour répondre à des détails plus techniques


Pour commencer, j'ai voulu partir d'un sujet que vous connaissez sûrement:
la modulation FM
. OK, ce nom ne vous dit peut-être pas grand chose, mais si je vous dit
"Radio FM"
, je suis sûr que vous voyez de quoi je parle!
Il s'agit tout simplement de la
radio
que vous pouvez capter de chez vous, avec
votre smartphone, votre radio...



FM signifie
"Modulation de fréquence"
(par opposition à "AM" pour "modulation d'amplitude", même s'il existe d'autres types de modulation)
.
Prenons un exemple très simple: un animateur radio va parler dans un micro. Un système, appelé
VCO
pour
Oscillateur Contrôlé en Tension
, va générer un
signal sinusoïdal dont la fréquence va varier en fonction de l'intensité de la voix de l'animateur
. Ce signal sera ensuite
amplifié
, et basculé en haute fréquence
(avec un mélangeur)
pour permettre son émission.
Le terme de
modulation en fréquence
prend alors tous son sens!

Ensuite, ce que fait votre récepteur radio, il se contente de
lire le signal modulé en fréquence
, et de récupérer le signal qui se cache derrière avec un circuit
assez simple
.
J'ai déjà réalisé un émetteur/récepteur FM, si le sujet vous intéresse, je pourrai le développer dans un prochain article.


La question qui nous intéresse ici, c'est comment fonctionne ce fameux VCO?

Généralement, on n'utilise pas le VCO seul, il est toujours accompagné d'un
système
autour permettant de
stabiliser la fréquence centrale
et de conserver la fréquence souhaitée à l'aide de l'un des circuits suivants:
  • Avec une
    PLL
    , ou Boucle à Verrouillage de Phase. C'est le plus utilisé, mais le plus complexe à traiter. Il existe plusieurs sorte de PLL, nous traiterons ici du cas le plus simple;
  • Avec un
    quartz
    . C'est très précis et durable, mais encombrant
    (impossible à miniaturiser sur les cartes)
    .

OK, maintenant que vous savez de quoi je parle, comment réaliser un VCO concrètement, et plus particulièrement sur la carte
Analog System Labkit Pro
de chez
Texas Instruments
?

Sur notre kit, nous avons à notre disposition:
  • des amplificateurs opérationnels
    (AOP)
    ;
  • un régulateur linéaire de tension;
  • des potentiomètres;
  • des multiplicateurs analogiques;
  • et des convertisseurs analogique-digital.

Pour réaliser notre
premier VCO
, nous allons simplement utiliser des
amplificateurs opérationnels
et un
potentiomètre
.

Notez qu'il est parfaitement possible de réaliser un VCO à l'aide d'autres composants
(comme des transistors)
, comme sur ce schéma-là, que j'ai utilisé dans un autre projet:
Image



  • En entrée
    , nous aurons
    une tension continue
    ,
    le signal modulant de notre VCO
    . Plus cette tension sera
    élevée
    , plus la
    fréquence
    en sortie sera
    élevée
    . A l'inverse, plus la tension sera
    basse
    , plus le signal sera en
    basse fréquence
    . J'ai choisi de prendre une tension continue par simplicité, mais remplacez cette tension par le signal d'un micro-phone, et le résultat sera le même, après amplification.
    Cette tension sera modifiable à l'aide d'un potentiomètre.
  • En sortie
    , il y aura un haut-parleur qui permettra d'entendre
    le signal modulé en fréquence
    . Plus le son sera aiguë, plus la fréquence sera haute.

Nous utiliserons 2 AOP, de référence TL082, mis en cascade. Les AOP sont une sorte de composant magique, permettant d'amplifier un signal, de créer des fonctions mathématiques
(si, si!)
, de faire du filtrage...Ils sont simples à utiliser et très pratiques en électronique malgré hélas, leurs nombreux défauts
(en particulier en haute fréquence!)
.

Voici à quoi ils servirons ici:

  • Le
    premier AOP
    servira à générer un signal carré,
    tout ou rien
    (0 ou 1)
    , modulé en fréquence. On appelle cet circuit un
    trigger de Schmitt
    ;
  • Le second AOP
    , monté en
    intégrateur
    , servira à générer un
    signal triangulaire
    modulé en fréquence.
  • On utilisera un multiplicateur analogique pour combiner les deux et créer un VCO dit "linéaire" en rebouclant le système.

Les différents composants ont été calculés pour pouvoir générer une fréquence audible, entre
50Hz et 2kHz
.
De plus, brancher le haut-parleur, d'un impédance de 8 Ohms, n'aura quasiment aucune incidence sur le montage, l'impédance de sortie des AOP étant très faible. Néanmoins, pour parfaire le circuit, il aurait fallu ajouter un circuit suiveur entre le VCO et le haut-parleur.


La carte
Analog System Labkit Pro
sera alimentée par 2 générateurs de laboratoire, permettant de générer 2 tensions continues stables. Il faut en effet générer du
+10V et du -10V
.
Il est possible d'utiliser une
seule alimentation
et de réaliser un circuit permettant de symétriser la tension en +/-10V avec une seule alimentation, mais cette solution n'est pas terrible. C'est la solution que j'avais réalisé au début, mais la tension n'est pas stable. Je suis donc parti sur
2 alimentations
.


Voici ce que donne le montage terminé sur la carte
Analog System Labkit Pro
:

9891 9892 9890
(cliquez sur les images pour les agrandir)


Maintenant, écoutons le doux signal généré par ce circuit. Sur la vidéo qui suit, je modifie la fréquence du signal en changeant la valeur de la tension de modulation à l'aide du potentiomètre. Le son généré est assez particulier
(voire très étrange :p)
, cela vient du signal généré, du haut-parleur, et de la vidéo qui déforme le son. On dirait un bruit de moteur, mais c'est bien le haut-parleur :p
L'essentiel est que le principe de la modulation fréquence fonctionne :)
Il serait possible d'améliorer le signal en mettant un filtre.
:'( Seul petit bémol: n'ayant malheureusement pas
(encore? )
d'oscilloscope
disponible chez moi pour le moment, je ne peux malheureusement pas voir la forme du signal!



Et voilà, les VCO et la modulation en fréquence n'ont plus de secrets pour vous :p ! Je précise aussi que le VCO n'est pas seulement utilisé dans la modulation en fréquence. Vous le retrouvez dans les convertisseurs analogique-digital type Sigma-Delta ou dans les amplificateurs de classe D.

J'espère que cet article vous a plus, n'hésitez pas à me donner votre avis ou à poser vos questions :)

Merci à Texas Instruments et critor pour la carte!
(read in french)

7633 A few months ago, we talked about the Texas Instruments' Analog System Labkit Pro in this news article.

This bord is an educational
kit
, dedicated to schools oriented electronics. It includes a huge number of
circuits that you can make
, directly on the board with
wired connections
like on "Arduino"
, to
get familiarized or deepen your knowledge
in the field of
analog electronics
. Very simple to use, you don't have to have
advanced knowledge
in electronics to perform the first experiments. Nevertheless, if you have ideas and want to go further, the possibilities of this
Analog System Labkit
are numerous and will allow you to go out of detailed experiences to create your own.

Recently, I acquired this
excellent card
and train a bit on it. As you may know, I am passionate about electronics and I study in this field. I already made several articles on a DSP card from
Texas Instruments
, which you can watch by clicking here if you are curious!

Today, I will present the first circuit that I realized with this board.
Later, may follow other more advanced montages combining this board with others to achieve advanced features: bj:

I want to point out that the purpose of this series of articles is not to do an electronics course, but to stir your interest in this fascinating and future-oriented discipline : p I stay available in comment section to answer more technical details


To begin, I wanted to start with a subject that you probably know:
the FM modulation
. OK, this name may not tell you much, but if I tell you
"FM Radio"
, I'm sure you see what I'm talking about!
This is simply the
radio
that you can listen at home, with
your smartphone, your radio ...



FM means
"Frequency modulation"
(opposed to "AM" for "amplitude modulation", even if there are other types of modulation)
.
Let's take a very simple example: a radio host will speak in a microphone. A system, called
VCO
for
Voltage Controlled Oscillator
, will generate a
sinusoidal signal whose frequency will vary according to the intensity of the voice of the host
. This signal will then be
amplified
, and switched to high frequency
(with a mixer)
to allow its transmission.
The term of
frequency modulation
then makes sense!

Then, what your radio receiver does, it just
read the frequency modulated signal
, and retrieve the signal behind it with a fairly simple circuit.
I have already made a FM transmitter / receiver, if the subject interests you, I can develop it in a future article.


The question that interests us here, is how does this famous VCO work?

Generally, we don't use a VCO alone, it's always accompanied by a
system
to stabilize the central frequency [/b] and to keep the desired frequency using from one of the following circuits:
  • With a
    PLL
    , or Phase Lock Loop. It's the most used, but the most complex to treat. There are several types of PLL, we will deal here with the simplest case;
  • With a
    quartz
    . It's very accurate and durable, but cumbersome
    (impossible to miniaturize on maps)
    .

OK, now that you know what I'm talking about, how to realize a VCO concretely, and more specifically on the board
Analog System Labkit Pro
from
Texas Instruments
?

On our kit, we have at our disposal:
  • operational amplifiers
    (AOP)
    ;
  • a linear voltage regulator;
  • potentiometers;
  • analog multipliers;
  • and analog-to-digital converters.

To realize our
first VCO
, we will simply use
operational amplifiers
and
potentiometers
.

Note that it's perfectly possible to realize a VCO using other components
(like transistors)
, as on this diagram, which I used in another project at school:
Image



  • In input
    , we will have
    a DC voltage
    ,
    the modulating signal of our VCO
    . The higher this voltage is, the higher the
    frequency
    output
    high
    . On the other hand, the lower the voltage is, the lower the signal will be
    low frequency
    . I chose to take a continuous voltage for simplicity's sake, but replace this voltage by the signal of a microphone, and the result will be the same, after amplification.
    This voltage will be modifiable using a potentiometer.
  • At the output
    , there will be a loudspeaker allowing us to hear
    the frequency modulated signal
    . The higher the sound, the higher the frequency.

We will use 2 AOP, reference TL082, cascaded. AOPs are a kind of magic component, to amplify a signal, to create mathematical functions
(yes, of course!)
, to build filters ... They are simple to use and very practical in electronic, although they have many defects
(especially in high frequency!) [/​​i].

Here's what they will serve here:

  • The first
    AOP
    will be used to generate a square signal,
    all or nothing
    [i] (0 or 1)
, frequency modulated. This circuit is called a
Schmitt trigger
;
  • The second AOP
    , mounted in
    integrator
    , will be used to generate a
    frequency modulated triangular signal
    .
  • An analog multiplier will be used to combine the two and create a so-called "linear" VCO by looping the system back.

  • The different components were calculated to be able to generate an audible frequency, between
    50Hz and 2kHz
    .
    In addition, connecting the speaker, with an impedance of 8 Ohms, will have almost no impact on global circuit, the output impedance of the AOP is very low. Nevertheless, to perfect the circuit, it would have been necessary to add a follower circuit between the VCO and the loudspeaker.


    The
    Analog System Labkit Pro
    board will be powered by 2 laboratory generators, allowing 2 stable DC voltages to be generated. It's necessary to generate
    + 10V and -10V
    .

    Here are pictures of the complete circuit:

    9891 9892 9890
    (click on images to enlarge them)


    Now, let's listen to the sweet signal generated by this circuit. On the following video, I change the signal frequency by changing the value of the modulation voltage using the potentiometer. The generated sound is quite special
    (even very strange: p)
    , it comes from the generated signal, the speaker, and the video that distorts the sound. Sounds like a motor sound, but it's the speaker: p
    But the most important is that the principle of frequency modulation works :)
    It would be possible to improve the signal by putting a filter.
    (Only small problem: unfortunately I don't have any oscilloscope at home for the moment, I can unfortunately not see the shape of the signal !




    Now, VCO and frequency modulation have no secrets for you: p! I also specify that the VCO is not only used in frequency modulation. You find it in analog-to-digital converters type Sigma-Delta or in Class D amplifiers.

    I hope this article Interested you, feel free to give me your opinion or to ask your questions :)

    Thanks to Texas Instruments and critor for the kit!
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    Re: Modulation FM avec la carte TI Analog System Labkit Pro

    Message non lude critor » 06 Nov 2018, 19:41

    Cette carte me dit quelque chose, hein Victor_D ? ;)

    Mais sinon merci, super article ! :bj:
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    Re: Modulation FM avec la carte TI Analog System Labkit Pro

    Message non lude Wistaro » 06 Nov 2018, 20:46

    critor a écrit:Cette carte me dit quelque chose, hein Victor_D ? ;)

    Mais sinon merci, super article ! :bj:


    Merci :)
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