CircuitsCHAPITRE 3

CHAPITRE 3

Circuits

Dans ce chapitre nous allons présenter notre circuit en complet et analyser le fonctionnement de chaque partie en détaille, nous inclurons aussi les étapes importantes et nécessaires à la programmation. Car il faut quand même prévoir un circuit facile à programmer.

1. Registre 74LS374 :

Parmi les périphériques connectés avec le microcontrôleur, il y en a ceux qui peuvent être connectés directement avec le microcontrôleur, et d’autres qui ne peuvent pas l’être, sauf via des registres du type 74LS374, afin qu’ils puissent être commandés facilement comme entrées et sorties. Ces registres sur huit bits comme c’est illustré sur la figure 3.1, possèdent huit bascules du type D actives par un flanc montant sur l’entrée d’horloge CLK afin de positionner les sorties Qi aux niveaux logiques présents sur les entrées D i . La broche (Broche d’activation de sortie) sert à valider les huit sorties aux niveaux logiques bas (0) ,haut (1), ou a l’état haute impédance qui n’apporte ni charge ni commande significative des lignes de bus.

Figure 3.1 : Diagramme et table de vérité du registre 74LS374

INPUTOUTPUT

xQCLOCK

CKxD

0 1 10 0 00 0 X Q0

1 X X HI-Z

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2. Convertisseur analogique numérique :

2.1 Description :

La conversion analogique numérique est l'opération qui permet la conversion d'une grandeur analogique (généralement une tension) en une expression binaire sur N bits, cette dernière est basée sur un code et à chaque mot du code on associe une grandeur analogique dans la plage de conversion.

Le circuit utilisé est l’ADC0804 qui est un boîtier intégré CMOS de 20 broches, effectuant la conversion A/N au moyen de la méthode par approximations successives CAS (cette technique par approximations successives réalise actuellement un des meilleurs compromis pour obtenir simultanément une grande résolution et une précision élevée avec une rapidité de 10 à 25µs, ainsi le temps de conversion qui est le même quelque soit la valeur de la tension d’entrée), possédant un registre de sortie à trois états qui permet l'accès direct au bus de données, et il est prévu pour fonctionner avec des microcontrôleurs utilisant un minimum de circuits externes.

Ce convertisseur traduit linéairement en 2N codes numériques les tensions comprises entre 0 et 5 volts avec une précision de 0,20 volts. C'est-à-dire que le bit de poids faible a une valeur de 0,20 volts, le second de 0,40 volts, le troisième de 0,80 volts, le quatrième de 1,60 volts, etc.

2.2 Caractéristiques :

L’ADC0804 donné par la figure 3.2, possède les caractéristiques suivantes :

Alimentation simple de 5V.

Connexion aisée avec tout type de microprocesseurs, et peut fonctionner en mode individuel.

Deux entrées analogiques: VIN (+) et VIN (-) pour permettre une entrée différentielle. On veut dire par là que l'entrée analogique à convertir est la différence entre les tensions sur ces broches [entrée analogique = VIN (+) - VIN (-)]. Dans le cas des mesures non différentielles, l'entrée à convertir est appliquée à VIN (+) tandis que l'entrée VIN (-) est connectée à la masse analogique. En fonctionnement normal, le convertisseur a recours à une tension de référence de VCC = +5 V et dans ce cas, la tension analogique peut parcourir la plage de 0 à 5 V pleine échelle.

Conversion de la tension analogique en une sortie numérique de 8 bits. Les sorties numériques sont de type à tampon trois états et il est alors possible de les raccorder à un bus de données 8 bits permettant d'obtenir une résolution de 5V/255 = 10,6 mV.

Générateur d'horloge interne dont la fréquence est f = 1/ (1,1 RC), où R et C sont deux composants extérieurs à la disponibilité de l’utilisateur. Une fréquence d'horloge typique est 606 kHz réalisé avec R = 10 KΩ et C =150 pF. Il est aussi possible d'utiliser une horloge externe; les impulsions arrivent alors sur la broche CLK IN.

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Avec une fréquence d'horloge de 606 kHz, la durée de conversion est environ de 100 µS.

Masses distinctes pour les signaux numériques et les signaux analogiques. La broche 8 est la masse analogique connectée à un point de référence commun du circuit analogique qui fournit le signal à convertir. La broche 10 agit comme masse numérique à laquelle se rapportent tous les éléments numériques du système. La masse numérique est toujours parasitée en raison de la rapidité des changements de courant qui ont lieu quand les éléments numériques basculent d'un état vers l'autre. Bien qu'il ne soit pas indispensable de séparer ces deux masses, deux masses distinctes isolent le signal analogique de la masse numérique parasitée et empêche le basculement avant temps du comparateur analogique interne au CAN.

Vréf/2 : Cette entrée est facultative et on peut s'en servir pour imposer une tension de référence interne et ainsi changer la plage des signaux analogiques que peut traiter le convertisseur. Quand cette entrée n'est pas raccordée, la tension qu'on y mesure est 2,5V (VCC/2), puisque c'est l'alimentation VCC qui agit alors comme tension de référence. Si on connecte une tension extérieure à cette broche, la référence interne est modifiée et devient deux fois la tension fournie de l'extérieur; la plage des tensions analogiques change de façon correspondante. Voici un tableau illustrant ceci:

V réf/2 Plage des entrées analogiques (V) Résolution (mV)Ouverte 0-5 19,6

2,25 0-4,5 17,62,0 0-4 15,72,5 0-5 11,8

Niveaux d’entrée et de sorties logiques compatibles MOS et TTL.

Ajustement du zéro non nécessaire.

Temps d’accès 135ns.

Erreur absolue ±1/4 LSB, ±1/2 LSB, ±1 LSB.

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AD

C0804

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Figure 3.2 : Convertisseur ADC0804

Identification des broches :

Entée d’activation1Commande de lecture2Commande d’écriture3

Cette entrée (entrée horloge) sert à recevoir les signaux d'une horloge externe ou à connecter un condensateur

quand on utilise l'horloge interne.CLKIN4

Sortie indiquant la fin de conversion5Entrée différentielle positiveVIN(+) 6Entrée différentielle négativeVIN(-) 7

Masse analogiqueAGND8Entrée de référence = 2.5VVréf/29

Masse numériqueDGND10Sorties logiquesDB0……..DB711 à 18

Cette entrée (sortie horloge) est connectée à une résistance quand on utilise l'horloge interne. C'estsur cette broche que l'on relève le signal d'horloge.

CLKR ou CLKOUT 19

AlimentationVCC20

Remarque : La broche n° 11 de l’ADC0804 correspond à l’octet du poids le plus fort (MSB), et la broche n° 18 correspond à l’octet du poids le plus faible (LSB).

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2.3 Description des fonctions :

Les entrées de commande digitales (CS, RD, WR) correspondent au niveau TTL normale. Elles sont actives bas pour permettre une connexion aisée avec un bus de commande de microcontrôleur. On présente ci-dessous la définition du rôle de ces entrée ainsi le chronogramme de fonctionnement de l’ADC (voir figure 3.3).

CS : Cette entrée (sélection de la puce) doit être à son niveau vrai (BAS) pour que les entrées RD et WR agissent. Quand CS est au niveau HAUT, les sorties numériques sont dans leur état de haute impédance.

RD : Cette entrée (validation du registre interne de sortie) sert à valider les tampons de sortie numériques. Quand = = niveau BAS, les broches des sorties numériques sont actives et contiennent la représentation numérique de la dernière conversion A/N.

WR : Cette entrée (début de la conversion) reçoit un signal BAS à titre d'indication du début d'une nouvelle conversion.

INTR : Cette entrée (fin de la conversion) passe au niveau HAUT au début d'une conversion et effectue une transition vers le niveau BAS afin d'indiquer la fin de la conversion.

Figure 3.3 : Chronogramme de fonctionnement de l’ADC 0804

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Entrée analogique

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2.4 Connexion de l’ADC0804 avec le microcontrôleur 80C32 :

C'est le microcontrôleur qui contrôle la conversion en envoyant les signaux CS et WR. Ensuite, il prélève la donnée de sortie du CAN en générant les signaux CS et RD dès qu'il a décelé un front descendant sur la borne INTR, signal de la fin de la conversion. Notez que INTR passe au niveau HAUT au moment où CS et WR passent au niveau BAS, mais que la conversion proprement dite ne débute pas tant que CS et WR ne sont pas revenus à 1. Observez en outre que les lignes de donnée de sortie du CAN restent dans leur état haute impédance jusqu'au moment où le microcontrôleur active CS et RD; c'est à cet instant que les tampons de donnée du CAN sont validés et envoient la donnée numérique du CAN sur le bus de données. Les lignes de données retournent dans leur état haute impédance quand CS et RD sont remis dans l'état HAUT.

Figure 3.4: Connexion entre Microcontrôleur et ADC0804

3. Carte d'affichage :

Le schéma de cette carte est donné par la figure 3.8. Elle contient principalement les composants suivants :

Registres 74LS374 : On concède pour chaque afficheur un registre 74LS374 qui fait passer le code sept segments correspondant juste en appliquant un front montant à son horloge après l'envoi du code sept segments à son entrée. La broche (broche d'activation de sortie de ces registres) est à la masse afin que ses sorties soient toujours activées.Ces registres sont branchés en parallèle afin de pouvoir constater bien les valeurs affichées, ses entrées sont connectées au port P1 du microcontrôleur, et les entrées d'horloges sont connectés à la bascule B2 (74LS374).

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Microcontrôleur

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Afficheur LTS4801G à anode commune : On a besoin de 5 afficheurs, dont 2 sont destinés à montrer laquelle des informations est en cours d’affichage, et les 3 autres pour l'affichage de la valeur de cette information. Le digramme et la table de vérité de l’afficheur sont donnés ci-dessous :

Figure 3.5 : Afficheur LTS4801G

Les afficheurs 7 segments sont constitués de 7 diodes électroluminescentes (LED) a, b, c, d, e, f et g appelées segments. Une huitième LED permet de gérer un point décimal (DP). Toutes les anodes sont reliées et connectées au potentiel haut (5V). La commande de chaque segment se fait indépendamment des autres par sa cathode mise au potentiel bas (0V).

Chaque segment est également repéré par un bit (a à g) afin de le commander. Le bit p

n’est pas utilisé.

Décodeur 74LS138 : C'est un décodeur 3-8, qui sert à sélectionner l’un des afficheurs en donnant une impulsion a son registre approprié via un inverseur 74LS04, il fonctionne comme c'est illustré sur la figure suivante :

DigitSegment (‘0’ : éclairé)

a b c d e f g

0 0 0 0 0 0 0 1

1 1 1 1 1 0 0 1

2 0 1 0 0 1 0 0

3 0 1 1 0 0 0 0

4 1 0 1 1 0 0 0

5 0 0 1 0 0 1 0

6 0 0 0 0 0 1 0

7 0 1 1 1 0 0 1

8 0 0 0 0 0 0 0

9 0 0 1 0 0 0 0

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Figure 3.6 : Diagramme et table de vérité du décodeur 74LS138

Inverseur 74LS04 : il fonctionne comme c'est illustré sur la figure suivante :

OUTPUTINPUT SELECT ENABLE

Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0ABCG2BG2AG111111111XXX1XX11111111XXXX1X11111111XXXXX01111111000000111111101100001111110110100011111011111000111101111001001110111111010011011111101100101111111111001

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Figure 3.7 : Diagramme et table de vérité de l’inverseur 74LS04

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SN74LS374N

12345678910

20191817161514131211

OEQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GND

VCCQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4CLK

R320

SN74LS374N

12345678910

20191817161514131211

OEQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GND

VCCQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4CLK

SN74LS374N

12345678910

20191817161514131211

OEQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GND

VCCQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4CLK

R320

SN74LS138N

161514131211109

12345678

VccY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6

ABCGG+5VY7Vss

LTS4801G

109876

12345

af+5v

ep

gb+5vcd

LTS4801G

109876

12345

af+5v

ep

gb+5vcd

LTS4801G

109876

12345

af+5v

ep

gb+5vcd

LTS4801G

109876

12345

af+5v

ep

gb+5vcd

R320

SN74LS374N

12345678910

20191817161514131211

OEQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GND

VCCQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4CLK

DM7404N

141312111098

1234567

VccA6Y6A5Y5A4Y4

A1Y1A2Y2A3Y3Vss

123CBA

R320

SN74LS374N

12345678910

20191817161514131211

OEQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GND

VCCQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4CLK

LTS4801G

109876

12345

af+5v

ep

gb+5vcd

12345678910

+5VgbcdpefaGND

R320

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Figure 3.8 : Circuit d’affichage

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v

t

1 Redresseur 2t

v

Filtrage : capacité

v

t 3

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4. Détection et mise en forme du signal :

Certes que pour toute détection ou acquisition de données, la disponibilité d’une information instantanée ou le plus rapidement que possible et très favorable pour un traitement et réaction meilleurs. Mais dans certaines cas à voire dans la plus part des cas, on est limité par des contraintes souvent comprise dans le cadre du matériel d’acquisition et de traitement, surtout quand il s’agit d’un système de développement numérique. Donc de l’instrumentation jusqu’au traitement d’information et prise de décision automatique les performances matériels sont indispensables pour réaliser des systèmes parfaits et performants. A notre 21eme siècle la diversité des technologies nous offre de jour en jour du matériel plus qualitatif et performant que son précédant mais le coup financier de celui-ci devient évidemment plus important et c’est une autre manche de contraintes surtout pour les constructeurs du matériel industriel.

Alors suite à des contraintes de rapidité de traitement du matériel à notre disposition nous avons choisit de traiter et afficher la valeur efficace à partir d’une acquisition des valeurs crêtes des tensions et courants alternatifs. C’est d’ailleurs ce qui a beaucoup limité les perspectives et le cahier de charge de notre application.

4.1 détection de la tension d’une ligne électrique :

Nous avons choisit les transformateurs de tension présentés au chapitre 1 qui sont le moyen le plus courant pour abaisser, détecter et fournir une image d’une tension sans perturber les lignes d’alimentations, utilisés afin de pouvoir exploiter une faible tension sans danger sur les utilisateurs, ainsi pour fabriquer un matériel de traitement de cette tension plus compacte, robuste, et réduit que possible. Alors jusque-là on a un signal alternatif réduit et linéairement proportionnel au signal a surveillé. Seulement que pour saisir la valeur efficace on fait appel à un redressement et un filtrage adéquat, duquel s’ensuit une valeur crête qui est égale à (√2 * la valeur efficace).

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10ms

Figure 3.9 : Simulation de la mise en forme du signal

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La décharge du condensateur doit être rapide, ainsi que celui-ci doit maintenir sa charge pour une acquisition correcte de la valeur crête du signal. Donc cette décharge sera faite automatiquement après la lecture de l’information.

Le signal à l’entrée A de l’oscilloscope est celui qui montre la durée de sélection de la voie X0 d’adresse {ABC = 000}. Ainsi le signal à l’entrée B de l’oscilloscope montre la charge du condensateur et le maintien de la valeur crête du signal qui se fait en 18ms et la décharge de durée estimée à 2ms. Or nous avons fixé le cycle minimal de notre programme à 2ms, en plus pour revenir à l’acquisition du même signal on doit accomplir celles des six autres restants qui requièrent un temps de 12ms>10ms, et donc c’est suffisant pour une acquisition correcte.

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