illustration_dv_toussaintA l’occasion des vacances de Toussaint je propose un devoir sur l’étude de systèmes électroniques reprenant les thèmes abordés depuis le début du S3 dans le cadre du module SEI (Systèmes Electroniques pour le traitement et la transmission de l’Information) :

  • Oscillateurs à boucle de réaction
  • Oscillateurs contrôlés en tension (VCO)
  • Transmission en modulation de fréquence
  • Boucle à verrouillage de phase (PLL)

Un corrigé sera disponible d’ici une semaine. Ce devoir est aussi l’occasion de préparer le prochain devoir surveillé du module SEI.

 

caracteristique_VCOLa mise en œuvre d’une modulation de fréquence peut être effectué simplement en utilisant un oscillateur contrôlé en tension (VCO : Voltage controlled Oscillator). Le logiciel de simulation LTSpice propose le bloc « modulate » très facile d’emploi. Afin de définir la caractéristique de transfert du VCO il suffit de définir dans le champ « value » de ce composant, les 2 quantités mark et space correspondant aux fréquences que l’on obtient en sortie lorsque l’on applique respectivement sur l’entrée FM une tension de 1V et de 0V comme le montre la caractéristique suivante : La caractéristique de transfert du VCO peut alors s’écrire :

 Fvco = space + FMinput*(mark-space)

L’exemple proposé ci-dessous permet de vérifier le bon fonctionnement de ce composant :

fnct_bloc_modulate

Pour la mise en œuvre d’une modulation FM, on applique sur l’entrée FM un signal modulant représentant l’information à transmettre. Si l’on ne connecte rien sur l’entrée AM, l’amplitude crête du signal de sortie est de 1V. Si l’on souhaite régler cette amplitude à d’autres valeurs il suffit d’appliquer une tension continue correspondant à l’amplitude crête du signal de sortie.

Dans l’exemple proposé ci-dessous le gain de conversion du VCO est de 10kHz/V. Comme l’amplitude du signal modulant est de 2,4V, la déviation en fréquence est ΔF=24kHz. Avec une fréquence fa du modulant fixée à 10kHz, l’indice de modulation est alors m=ΔF/fa=2,4.

ModulationFM

Télécharger le fichier de simulation LTSpice : modulation_FM.asc

Ce réglage correspond  au cas dit du faux-porteur comme le montre l’analyse FFT du signal modulé. L’amplitude des composantes se situant à fp+fa & fp-fa est égale à So.J1(m=2,4)/√2 puisque l’analyse FFT affiche le résultat en valeur efficace. Comme l’amplitude So du signal modulé est de 2V et que J1(m=2,4)=0,52 on retrouve bien la valeur de 735mV proposée par l’analyse FFT.

spectre_m2_4

Pour retrouver les résultats principaux concernant les modulations de fréquences je vous propose les 2 fiches pratiques suivantes :

Le principe simplifié d’un analyseur de spectre à balayage est représenté sur la figure suivante. Un générateur de rampe commande un oscillateur contrôlé en tension. La sortie de cet oscillateur est mélangée au signal d’entrée dont on souhaite analyser le contenu fréquentiel. On effectue donc une transposition de fréquence qui à pour but de faire passer devant le filtre d’analyse ou filtre intermédiaire (fixe) l’ensemble des composantes fréquentielles du signal d’entrée. Un détecteur d’amplitude suivi d’un filtre passe bas (ou filtre vidéo) permet de visualiser l’image du spectre sur un écran en concordance avec la rampe générée.

schema_AS

Afin d’analyser le fonctionnement de ce dispositif de mesure je vous propose une simulation LTSpice mettant en oeuvre des éléments de la bibliothèque SP.lib reprenant ainsi le schéma synoptique précédent. La détection d’amplitude est réalisée à partir d’une fonction valeur absolue + filtrage et la réalisation de l’oscillateur contrôlé en tension est . Le fichier de simulation est disponible en téléchargement : analyseur_balayage.asc

schema_LTSpiceASB

Avec les paramètres proposés le résultat permet d’afficher le spectre en amplitude du signal d’entrée composé de 2 composantes sinusoïdales à 100kHz et 300kHz. La mise à l’échelle proposée permet d’obtenir une lecture directe de la fréquence en adoptant une conversion de type 1V=1Hz. Bien évidemment il est possible de modifier l’ensemble des paramètres du fichier de simulation.

resultat_Simul

Je vous propose dans cet article d’utiliser le logiciel LTSpice pour effectuer la simulation d’une boucle à verrouillage de phase ou PLL (Phase Lock Loop). Le dimensionnement des éléments sera effectué en conformité avec le problème d’une PLL utilisé en démodulation de fréquence utilisée dans une commande pour un robot filoguidé.

Mise en œuvre du VCO

Contrairement aux autres simulateurs SPICE, LTspice possède une fonction VCO prête à l’emploi sous la forme d’un bloc fonctionnel Modulate ce qui est atout considérable ! (C’est un des éléments de choix de ce logiciel dans notre formation). Les paramètres de réglages sont saisis dans le champ Value lorsque l’on clique sur le bouton droit de la souris qui pointe sur ce composant. On définit alors 2 valeurs Mark et Space pour définir la caractéristique du VCO comme l’indique la caractéristique de transfert ci-dessous :

Télécharger le fichier de simulation suivant et configurer le bloc Modulate en fonction des valeurs du problème. Proposer une simulation permettant de vérifier le bon fonctionnement de ce dispositif.

Caractérisation du comparateur de phase

L’analyse du comparateur de phase peut être effectuée en lançant la simulation suivante prête à l’emploi. Justifier les configurations effectuées sur le schéma et vérifier le fonctionnement du comparateur de phase pour quelques valeurs du paramètre phi. Afin de relever la caractéristique de ce comparateur de phase on peut effectuer une analyse paramétrique en utilisant la directive Spice : .step param phi 0 180 20 Le paramètre phi est alors une grandeur qui varie de 0 à + 180 par pas de 20 (degré). En lançant la simulation (Transient Analysis), le calcul est effectué autant de fois que le paramètre phi  change. Afin d’observer en sortie des successions de niveaux continus, il est indispensable de ne pas afficher le régime transitoire. Comme on ne peut pas effectuer le tracé en fonction du paramètre phi il faut disposer sur le schéma d’une « tension image du déphasage ». Une autre méthode de caractérisation avec une variation de phase continue est proposée sur cette page du site.

Mise en œuvre de la PLL

Afin d’observer le fonctionnement de la PLL, on vous propose d’injecter sur l’entrée de la PLL un signal modulé FSK en utilisant comme donnée de modulation un signal pseudo aléatoire (nécessite la bibliothèque SP.lib) comme le montre le schéma ci-dessous :

Télécharger ici le fichier de simulation complet

Configurer les différents éléments et proposer une simulation permettant de vérifier le bon fonctionnement de votre PLL utilisée en démodulation de fréquence. Justifier les résultats obtenus à partir de l’étude menée sur la réponse indicielle de la boucle. En utilisant les infos disponibles sur la page LTSpice&PLL du site poujouly.net, proposer une simulation permettant de mesurer les plages de fonctionnement de la PLL. Afin de compléter l’étude de cette PLL, on vous propose de rajouter un comparateur à hystérésis en téléchargeant le fichier de simulation complet.