Elect p Ligne Interphone

Unité : ELE202Année : 2012-2013Version du document : 2.0Date : 13 décembre 2013

Logiciel de simulation : Cadence_Design Entry CIS

Etude de Cas : Interphone Full-Duplex

0. Préliminaire Après la mise sous tension du PC, lancer la configuration « Circuits »Lancer Design Entry CIS 16_5 sur le bureau

1. Etude de la modélisation, l’adaptation de ligne et du couplage- Fonction de transfert d’une cellule élémentaire pour modéliser une

ligne- Tension d’entrée et de sortie de la ligne : notion de pertes et

d’adaptation- Etude du couplage entre 2 lignes chargées avec un modèle de lignes

couplées donné

2. Etude des amplis driver et récepteur de ligne- Notion de puissance et de courant de sortie (dynamique de signal du

récepteur) des AOP- Gain des AOP- Caractéristiques GBW et Slew Rate (SR)

3. Etude des modes asymétrique et symétrique- Mode asymétrique- Mode symétrique- Susceptibilité à un parasite de mode commun pour chaque mode

4. Réalisation de l’interphone- Travail sur le schéma bloc (fonctionnel)- Dimensionnement du dispositif « séparation des voies) - Test avec sinusoïde pure puis signal audio réel- Influence des dispersions des composants CI et résistances

Etude de Cas : Interphone vidéo Full-Duplex 1C.Ripoll – P.Poulichet

1. Etude de la modélisation et de l’adaptation de ligne

Objectif : - Travailler sur un modèle R, L, C, G de ligne de transmission- S’assurer que la ligne est bien modélisée à la fréquence de travail avec les

cellules élémentaires- Savoir réaliser l’adaptation entre le générateur, la ligne et la charge

On utilise dans notre application une ligne bifilaire à une paire avec un écran métallique qui sert de masse extérieure (ligne de type STP : Shielded Twisted Pair).

Exemple de ligne bifilaire STP à 4 paires

Caractéristiques importantes de la ligne :- Longueur de ligne : 10 m- Impédance caractéristique : 100 - Capacité linéique : 56 pF/m - Inductance linéique : 560 nH/m - Constance diélectrique : 2.5

Q1. Déterminer l’inductance et la capacité linéique pour une paire torsadée blindée.Inductance : 560 nH/m.Capacité linéique : 56pF/m.Pour modéliser les pertes joules de la ligne, on prendra en compte une résistance linéique de 0.01 .m-1 et on négligera la conductance (pertes des isolants entre les lignes).


Ouvrir le projet : File > Open > Project : Edcas I2_Partieproj1_1.opj

1.1. Etude fréquentielle d’une cellule élémentaire : PAGE1

Cliquer sur Edccas i2_partieproj1_1.dsn et SCHEMATIC1 pour avoir accès à la page 1

Remarque : On supposera que l’impédance caractéristique est également valable pour le fil de la paire torsadée par rapport au blindage.

Q2. Modifier les valeurs de R2, L2 et C4 du montage pour prendre en compte les paramètres d’un fil de la paire torsadée en double cliquant sur les valeurs des éléments. Déterminer les valeurs de R12 et R13 pour être à l’adaptation d’impédance. Lancer la simulation par F11.

R12=R13=Zc=100Ω. On a calculé précedement L2 et C4 pour un mètre. On multiplie donc par 10. Et on prends R2=10x0.01=0.1Ω.

Q3. Effectuer la simulation dans le cas où nous sommes adaptés en entrée et en sortie.


Q4.

1.2 Etude fréquentielle de la structure 3 cellules : PAGE2

Ouvrir la page 2

Remarque : Pour le choix des grandeurs simulées : Trace / Add Trace (cochez Analog et Voltages)

Q5. Calculer la longueur d’onde effective et montrer qu’il est nécessaire d’utiliser 3 cellules RLC pour modéliser cette ligne correctement jusqu’à 6 MHz.

λ= 32m.Pour une ligne de 10m, on a λ/10 , donc on utilise 3 cellules RLC .Q6. Modifier le schéma pour prendre en compte les paramètres d’un fil de la paire torsadée.

Q7. Effectuer la simulation pour la ligne coaxiale dans le cas où nous sommes adaptés en entrée et en sortie.


Q8.

1.3 Etude fréquentielle de la ligne coaxiale : PAGE3

Ouvrir la page 3

Q9. Effectuer la simulation pour la ligne coaxiale dans le cas où nous sommes adaptés en entrée et adaptés en sortie.

Q10. Effectuer la simulation pour la ligne coaxiale dans le cas où nous sommes adaptés en entrée mais désadapter en sortie (forte impédance)


Q11. Donner vos conclusions sur la validité d’un modèle à constantes localisées dans la bande de travailPour une modélisation avec 3 cellules, on remarque que le modèle est valide et 0-10MHz.L’interphone a besoin d’une fréquence de 6MHz pour faire passer la vidéo, donc on utilise la modélisation trois cellules.

Avec 1 cellule on atteint une bande de travail comprise entre 0-3MHz, ce qui est insuffisant.


2. Etude des modes de transmission asymétrique et différentiel et susceptibilité aux parasites de mode commun

Objectifs : - Montrer que la susceptibilité aux signaux parasites de mode commun est réduite

en mode symétrique (différentiel).- Observer la forme d’onde due au couplage entre deux lignes portant des signaux

différents et quantifier le coefficient de couplage correspondant.

On se propose d’étudier la susceptibilité à un signal parasite externe. Pour cela, on va étudier notre paire bifilaire dans deux cas de figure :

1. on utilise un seul conducteur de la paire (mode asymétrique)2. on utilise les deux conducteurs de la paire en attaquant chaque conducteur en

différentiel

2.1 Etude temporelle des modes asymétrique et différentiel : PAGE4

Ouvrir la page 4

On considère que le couplage entre deux lignes sera de type inductif (mutuelle de couplage) et capacitif avec une capacité de couplage linéique de 3.3 pF/m. Dans ce paragraphe, on se contentera d’analyser les formes des signaux et les valeurs des amplitudes correspondantes. Nous aborderons le choix des impédances série et parallèle lors de l’étude de l’interphone.Placer des sondes de visualisation des tensions avec :

Modifier les paramètres de simulation pour faire l’analyse temporelle : PSpice > Edit Simulation profile.


Q12. Décrire le schéma et vérifier que le dimensionnement de la capacité de couplage est correct.

Pour un mètre on a la capacité de couplage égale 3pF/m.Sachant qu’une cellule représente 3.3mètres. On a la capacité de couplage par cellule égale à

3.3*3 soit égale à 10pF.

Q13. Analyser la forme d’onde obtenue dans le cas de la transmission symétrique.

On a Vs1 et Vs2 en opposition de phase donc on est bien dans le cas de la transmission symétrique.On a bien la tension de sortie Vs=Vs1+(-Vs2)on a aussi Vs = 1/2 Ve(3)V1 = ¼ Ve (1)V2 = ¼ Ve (2)Pour montrer (1) et (2),on fait un millman en V1 et V2V1 = ((-Ve)/50 + V2/50)/(3/50)V2 = (Ve/50 + V1/50)/(3/50)

donc V1 = ((V1 + Ve)/3 – Ve) / 3parsuite 3V1 = V1/3 + Ve/3 –Veenfin V1 = -¼ Veil en découle que V2 = ¼ Vepour montrer (3)on a Vs = V2 – V1 = 1/4Ve – (-1/4 Ve ) = 1/2Ve

Q14. Analyser la forme d’onde obtenue dans le cas de la transmission asymétrique (éteindre les amplis driver et récepteur de ligne sur une des deux voies en mettant leur gain à 0 et en augmentant la résistance différentielle pour ne « plus voir » l’autre voie).

2.2 Etude temporelle des modes asymétrique et différentiel avec parasite de mode commun: PAGE5

Ouvrir la page 5

On excite la ligne avec un signal utile à la fréquence de 1 kHz. On a par ailleurs un signal parasite (V4) à une fréquence dite fréquence parasite.

Q15. Décrire le schéma dans le cas du mode symétrique.Le schéma ci dessus nous montre un montage anti parasite en effet on a :

V1 = -V1réel + VparasiteV2 = V1réel + Vparasite Donc quand on soustrait V1 à V2 on a :V1 – V2 = 2V1réelLe résultat ne contient plus VparasiteQ16. Analyser la forme d’onde obtenue.

On a bien V1 et V2 symétriques avec les parasites. les parasites ont disparu Sur Vs Et on a bien Vs = 2Vréel

Q17. Extraire le coefficient de réjection du système, défini comme le rapport de la tension parasite sur la tension utile en sortie lorsque le système est équilibré (toutes les résistances affichent leurs valeurs nominales).Pour générer un calcul par FFT du signal

Step 1 : Plot >Add Plot to WindowStep 2 : Traces > Add Traces (cochez Analog et Voltages)

Step 3 : Plot > Unsynchronized XaxisStep 4 : Traces > FourierStep 5 : Pour mettre des curseurs : Toggle cursors (icône) puis touche G ou D pour mettre 2 curseurs

On remarque que le spectre du parasite a disparu dans la tension Vs qui est égale que a deux fois le gain V1 a 1 KHzLa réjection du système est donc infinie.

Q18. Décrire le schéma de test dans le cas du mode asymétrique.

Q19. Analyser la forme d’onde obtenue.

On remarque que Vs=1/4VeLes parasites n’ont pas disparu

Q20. Extraire le coefficient de réjection du système, défini entre le rapport de la tension parasite sur la tension utile en sortie lorsque le système est équilibré (toutes les affichent leurs valeurs nominales).

Coeef = Vsutile/Vsparasite = 0.37/0.2 = 1.85Soit un coefficiant de réjection de 5.34 dB

Q21. Revenir au mode symétrique. Extraire le coefficient de réjection du système lorsque le système est déséquilibré :

la résistance série d’entrée R36 passe à 60 (seulement ce changement) la résistance différentielle de sortie R39 passe à 150 seulement ce changement

Q22. Conclure sur les conditions d’utilisation du mode différentiel pour en tirer un bénéfice maximum.

On remarque que les parasites n’ont pas totalement disparu, mais sont très atténués. Vsutile/Vsparasite = 500 / 5 = 100 On a un coefficiant de rejection de 40 dB.Le déséquilibre est du à l’absence de symétrie.

3. Etude des amplificateurs driver d’émission et des amplificateurs récepteur

Objectifs : - Visualiser les effets de la montée en fréquence (influence du produit gain-bande GBW

et du Slew Rate SR - Savoir calculer une puissance de sortie d’ampli- Adapter l’ampli de transmission (driver de ligne) et l’ampli de réception

Ouvrir le projet « Edcas I2_Partieproj2_2.opj » Ouvrir la page 1

Attention erreur le cablage est apres R26 !Q23. Décrire les différents éléments du banc de test en précisant les fonctionnalités de chaque

bloc et effectuer la simulation à la fréquence donnée de 1kHz.

Le premier bloc permet de transiter les informations des 2 microphones (A à gauche et B à droite). Le deuxième permet de séparer les 2 voix et de n’en garder qu’une, ici B, qui sera transmit dans le haut parleur de A.

On remarque que la sortie du haut parleur n’envoie rien. En effet seule l’entrée A est active et B est éteint

50

50

Q24. Augmenter la fréquence délivrée par V10 pour vérifier les effets d’une montée en fréquence (produit gain-bande et Slew Rate).

On remarque l’apparition d’interférences le haut parleur emmet un signal alors que B n’envoie rien.

Q26. Choisir une fréquence de travail permettant de travailler avec cet ampli.On peut choisir une fréquence jusqu’à 1000 kH avant l apparition des parasites.

4. Etude de l’interphone full-duplex

Objectifs : - Dimensionner un montage soustracteur permettant de faire la séparation des voies- Comprendre l’impact d’une dispersion sur la valeur des composants sur les

performances en isolation des voies TX et RX

4.1 Etude théorique et analyse des résultats

Ouvrir la page 2

Le schéma complet est le suivant, avec les deux sources émettrices de gauche et de droite :

Q27. Décrire les différents éléments du banc de test en précisant les fonctionnalités de chaque bloc

On découpe le montage en trois parties. Une partie pour transmettre la ligne, une partie pour supprimer le signal venant de l’interlocuteur A, une partie pour supprimer le signal venant de l interlocuteur B

Q28. Analyser les résultats lorsque les deux sources sont activées. Observe t-on un mélange des voies en entrée de ligne ?

- -

Schéma de principe pour ligne en mode asymétrique

V1émisSource A

V1 reçu

V2 émisSource B

V2 reçu

Les deux voies sont transmises et on observe que le haut parleur de l’interlocuteur A est exactement le signal envoyé par l’interlocuteur B. Et le signal transmit par l interlocuteur B est exactement envoyé au haut parleur de A.

Q29. Vérifier par une modélisation simple en impédance que chaque ligne est bien adaptée en impédance (en entrée ou en sortie) lorsque la résistance série est Zc/2 et la résistance différentielle est Zc

Q30. Vérifier le par la simulation en éteignant la source 2 et en observant les résultats à l’entrée de la ligne

Le signal est bien transmit pour A et le haut parleur de B reçoit ce que A envoie. Comme la source B est éteinte le haut parleur de A ne reçoit rien

Q31. Modifier la résistance différentielle d’entrée (ou de sortie) et vérifier que cela entraine une distorsion du signal de sortie (prendre 50, 100 et 200 )

Pour une resitance de 50 ohms on a une distorsion

Q32. Modifier la résistance série d’entrée de la voie « + » (de +20%) et vérifier que cela entraine une distorsion du signal de sortie.

R = 100 ohms

Q33. Modifier les résistances série d’entrée des voies « + et - » (de , augmentation pour l’une et diminution pour l’autre). Quel est l’impact sur la distorsion du signal de sortie ?

On observe une distorsion très faible.

Q34. Conclure sur les expériences précédentes.Il est important que les resistances restent telle qu elles sont.Q35. Vérifier qu’un déséquilibre du soustracteur différentiel engendre aussi de la distorsion.

On a bien une distorsion dans le Haut parleur B

Q36. En s’appuyant sur le calcul de la fonction de transfert, vérifiez qu’un défaut d’appariement de la valeur des résistances va entrainer de la distorsion.

Il y a annulation de V1 pour que le locuteur ne s’entende pas parler

Q37. Vérifier par la simulation qu’un déséquilibre du soustracteur/isolateur engendre aussi de la distorsion (faire varier une résistance de sa tolérance de 10% par exemple).

Annexe 1 : Calcul des tensions en entrée du câble et conditions d’adaptation

On adopte le schéma équivalent suivant. Comme le câble se comporte comme un fil puisque nous travaillons très bas en fréquence, nous pouvons mettre en parallèle les deux résistances différentielles.

Pour l’étudier, on applique le principe de superposition :

1. Contribution de A en Vin+ :

2. Contribution de B en Vin+ :

3. Contribution de C en Vin+ :

4. Contribution de D en Vin+ :

5. On somme les contributions pour obtenir :

De la même façon, on démontrerait que

En sortie du soustracteur, on a donc la tension double

R19+RoutAmp5

= 50

R11+RoutAmp1 = 50

R20 // R21

= 50

e1=500mVSource A

-e1= -500mVSource B

e2=500mVSource C

-e2= -500mVSource D

R18+RoutAmp3 = 50

R22+RoutAmp6 = 50

V in+

V in-

Si l’on supprime , on obtient pour la seule contribution de :

Attention, résultats moitié car sous ADS, simulation avec tension moitié à l’entrée !

On démontre donc que l’adaptation en différentiel est réalisée puisque l’on a en entrée du câble une tension différentielle de 500 mV, qui est la moitié de la tension différentielle d’attaque (1V).

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