Thermo

MISE EN OEUVRE D’UN CAPTEUR DE TEMPERATURE

THERMOMETRENUMERIQUE

ACRISTAUXLIQUIDES

Fabrice Jobard

LYCEE Armand PEUGEOT , 33 rue des carrières , 25700 VALENTIGNEYtel.: 03-81-30-71-00 fax.: 03-81-30-71-03

THERMOMETRE NUMERIQUEA AFFICHAGE A CRISTAUX LIQUIDES

LYCEE Armand PEUGEOT , 33 rue des carrières , 25700 VALENTIGNEY tel.: 03-81-30-71-00 fax.: 03-81-30-71-03


1.1.1.


ETUDE FONCTIONNELLE

1. Mise en situation et expression du besoin:

L’intérêt d’un thermomètre destiné à mesurer la température ambiante d’unlocal ou la température extérieure n’est plus à démontrer.

En effet, cette information permet de prendre des décisions inhérentes auconfort et au bien-être des personnes. Ainsi l’augmentation de la puissance duchauffage ou le choix de sa tenue vestimentaire ne sont plus liés à la perceptionsubjective d’une personne mais à une valeur physique concrète.

D’autre part, la météorologie, science d’une importance grandissante, nécessiteentre autres des mesures de température extérieure.

Le thermomètre étudié dans ce dossier est un thermomètre électronique àaffichage numérique à cristaux liquides. Les avantages d’un tel instrument parrapport à un classique thermomètre à mercure ou à alcool sont:

• la facilité de lecture qui peut se faire à une distance plus grande etsans faire d’erreur de parallaxe.

• la résolution de 0.1 °C.• la précision.

2. Fonction d’usage de l’objet technique:

La fonction d’usage du thermomètre numérique est de mesurer la températureambiante et de fournir une information visuelle quantifiant celle-ci.

VISUALISATIONMESURAGE

DE LATEMPERATURE

air

informationvisuelle etnumériquerelative à latempérature

de l’airOT

fig. 1 : schéma fonctionnel de niveau 2


1.1.2.


3. Elargissement de l’étude: fonction globale de l’objet technique:

La matière d’oeuvre de l’objet technique est de type informationnel.

La fonction globale du thermomètre est de mesurer la température.

MESURAGEDE LA

TEMPERATUREmatière

informationrelative à latempératurede la matière

OT

fig. 2 : schéma fonctionnel de niveau 1

Autres objets ayant la même fonction globale:• thermomètre à mercure ou à alcool• thermomètre médical• thermostat• spectromètre du domaine infrarouge

4. Etude fonctionnelle de 1er degré:

SYNCHRO-NISATION

FP2

ALIMENTATION

FA

VISUALISATION

FP4

CAPTAGEDE LA

TEMPERATUREFP1

CONVERSIONANALOGIQUE /NUMERIQUE

FP3

airinformationnumériquerelative à latempérature

de l’air

OT

fig. 3 : schéma fonctionnel de 1er degré

VT°

M

S

BCD

D Fd


1.1.3.


Description des différentes fonctions:

4.1. Fonction Annexe « ALIMENTATION »:

Elle fournit, de manière autonome, l’énergie électrique dont les autresfonctions de l’objet technique ont besoin.

Entrée:• aucune.

Sortie:• Vp: énergie électrique régulée en tension à 4.2 V.

4.2. Fonction principale 1 « CAPTAGE DE LA TEMPERATURE »:

Elle produit une tension proportionnelle à la température de l’air ambiant.

Entrée:• air ambiant.

Sorties:• air ambiant.• VT°: tension proportionnelle à la température de l’air ambiant.

4.3. Fonction principale 2 « SYNCHRONISATION »:

Elle fournit deux signaux d’horloge. L’un commande la fonction principale3 « CONVERSION ANALOGIQUE / NUMERIQUE ». L’autre estnécessaire à la fonction principale 4 « VISUALISATION » en raison de satechnologie à cristaux liquides.

Entrée:• aucune.

Sorties:• D: signal logique de début de cycle de mesure.• Fd: signal logique de fond d’affichage.


1.1.4.


4.4. Fonction principale 3 « CONVERSION ANALOGIQUE /NUMERIQUE »:

Lorsqu’elle en reçoit l’ordre de FP2, elle convertit la tensionproportionnelle à la température issue de FP1 en une valeur décimalerelative.

Entrées:• VT°: tension proportionnelle à la température issue de FP1.• D: signal de début de cycle de mesure.

Sorties:• BCD: 12 bits traduisant 3 chiffres décimaux codés en binaire.• S: signal logique d’indication du signe (négatif ou positif).• M: signal logique d’ordre de mémorisation des 3 chiffres.

4.5. Fonction principale 4 « VISUALISATION »:

Elle mémorise et affiche la valeur fournit par FP3. L’indication de latempérature est donnée sous la forme .

Entrées:• 12 bits traduisant 3 chiffres décimaux codés en binaire (BCD).• S: signal logique d’indication du signe (négatif ou positif).• M: signal logique d’ordre de mémorisation des 3 chiffres.

Sortie:• information visuelle relative à la température.


1.1.5.


5. Etude fonctionnelle de 2ème degré de la fonction annexe« ALIMENTATION »:

REGULATIONDE

TENSIONFSA2

STOCKAGED’ENERGIE

ELECTRIQUEFSA1

FA

tensioncontinueréguléeà 4.2 V

fig. 4 : schéma fonctionnel de 2ème degré de FA

Vp


5.1. Fonction secondaire A1 « STOCKAGE D’ENERGIE ELECTRIQUE »:

Elle permet de disposer d’une source de tension autonome. Cette fonctionest réalisée par une pile 6V.

Entrée:• aucune.

Sortie:• tension continue dont la valeur peut varier suivant le degré d’usure

de la pile.

5.2. Fonction secondaire A2 « REGULATION DE TENSION »:

Cette fonction assure en sortie une tension constante de 4.2 V tant que latension issue de FSA1 est supérieure à 5V.

Entrée:• tension continue dont la valeur peut varier suivant le degré d’usure

de la pile.

Sortie:• Vp: tension continue 4.2V.


1.1.6.


6. Etude fonctionnelle de 2ème degré de la fonction principale 2« SYNCHRONISATION »:

DIVISIONDE

FREQUENCEFS22

GENERATIOND’UN SIGNAL

CARRE 100 HzFS21

FP2

signal de début de cycle

signal de fond d’affichage

fig. 5 : schéma fonctionnel de 2ème degré de FP2

D

Fd


6.1. Fonction secondaire FS21 « GENERATION D’UN SIGNAL CARRE100 Hz »:

Cette fonction produit un signal logique carré de fréquence 100 Hz.

Entrée:• aucune.

Sortie:• signal logique carré de fréquence 100 Hz.

6.2. Fonction secondaire FS22 « DIVISION DE FREQUENCE »:

Elle divise la fréquence du signal issu de FS21 pour fournir un signal dedébut de cycle de mesure (fréquence 0.8 Hz) destiné à FP3 et un signalde fond d’affichage (fréquence 50 Hz) destiné à FP4.

Entrée:• signal logique carré de fréquence 100 Hz.

Sorties:• D : signal logique de début de cycle, rectangulaire de fréquence

0.8 Hz, de rapport cyclique 128/129• Fd: signal de fond d’affichage, carré de fréquence 50 Hz.


1.1.7.


7. Etude fonctionnelle de 2ème degré de la fonction principale 3« CONVERSION ANALOGIQUE / NUMERIQUE »:

SELECTIONDU

SIGNEFS36

DECOMPTAGE/ COMPTAGE

FS35

INVERSION

FS31

GENERATIOND’UN SIGNAL

CARRE 150 kHzFS34

COMPARAISON

FS33

GENERATIOND’UNE RAMPE

FS32

FP3

signal dedébut de

cycle

tensionproportionnelle

à la températureambiante

12 bits traduisant3 chiffres BCD

indicationdu signe

ordre demémorisationdes 3 chiffres


DiD

VT°

Rp

DT°

M

IT°

Z

S

BCD


7.1. Fonction secondaire FS31 « INVERSION »:

Cette fonction complémente D, le signal logique de début de cycle issu deFP2.

Entrée:• D: signal logique de début de cycle, rectangulaire, de fréquence 0.8

Hz, de rapport cyclique 128/129.


1.1.8.


Sortie:• Di: signal logique de début de cycle inversé, rectangulaire, de

fréquence 0.8 Hz, de rapport cyclique 1/129.

7.2. Fonction secondaire FS32 « GENERATION D’UNE RAMPE »:

Cette fonction fournit une tension croissante linéairement en fonction dutemps durant le niveau haut du signal d’entrée. La pente de cetteévolution est ajustable pour l’étalonnage du thermomètre.

Entrée:• Di: signal logique de début de cycle inversé.

Sortie:• Rp: signal en dents de scie dont la pente croissante ajustable

correspond au niveau haut du signal d’entrée.

7.3. Fonction secondaire FS33 « COMPARAISON »:

Le rôle de cette fonction est de produire un signal DT° dont la durée estproportionnelle à la température.

Pour cela, il suffit de comparer le signal Rp issu de FS32 avec unetension fixe V-28 d’une part, et avec la tension VT° d’autre part.VT° est la tension issue de FP1 « CAPTAGE DE LA TEMPERATURE ».V-28 est égale à VT° pour une température de -28°C.FS33 fournit un niveau logique bas si VT° < Rp < V-28 et un niveau logiquehaut dans tous les autres cas.

Entrées:• Rp: signal en dents de scie.• VT°: tension issue de FP1 « CAPTAGE DE LA TEMPERATURE ».

Sortie:• DT°: signal logique au niveau bas pendant une durée proportionnelle

à la température.


1.1.9.


7.4. Fonction secondaire FS34 « GENERATION D’UN SIGNAL CARRE150 kHz »:

Le rôle de cette fonction est de fournir un signal logique dont le nombred’impulsions négatives correspond aux nombres de dixième de degré au-dessus de -28°C.

Lorsque DT° est au niveau logique haut, IT° est au niveau logique haut.Lorsque DT° est au niveau logique bas, IT° oscille à une fréquence de 150kHz.

Entrée:• DT°: signal logique au niveau bas pendant une durée proportionnelle

à la température.

Sortie:• IT°: signal logique dont le nombre d’impulsions négatives correspond

au nombre de dixièmes de degré au-dessus de -28°C.• M: signal logique de mémorisation au niveau logique bas lorsque DT°

est au niveau logique haut.

7.5. Fonction secondaire FS35 « DECOMPTAGE / COMPTAGE »:

Le rôle de cette fonction est de traduire le nombre de front montant dusignal IT° en une valeur de température codé en BCD sur 12 bits.

Lorsque D est au niveau logique haut, les 12 bits de sortie correspondentà la valeur 280.Lorsque S est au niveau logique bas, la sortie est décrémentée d’uneunité à chaque front montant de IT°.Lorsque S est au niveau logique haut, la sortie est incrémentée d’uneunité à chaque front montant de IT°.

Entrées:• D: signal de début de cycle issu de FP2.• S: signal logique d’indication du signe.• IT°: signal logique dont le nombre de fronts montants correspond aux

nombres de dixième de degré au-dessus de -28°C.

Sorties:• Z: signal logique de passage à zéro. Lorsque la valeur correspondant

à 000 est atteinte, Z passe au niveau logique bas.• BCD: 12 bits traduisants 3 chiffres décimaux codés en binaire.


1.1.10.


7.6. Fonction secondaire FS36 « SELECTION DU SIGNE »:

Le rôle de cette fonction est de sélectionner le décomptage ou lecomptage de FS35 et de fournir à FP4 « VISUALISATION » un signallogique représentatif du signe à afficher.

Entrées:• Di: signal de début de cycle inversé.• Z: signal logique de passage à zéro issu de FS35.

Sortie:• S: signal logique d’indication du signe. S au niveau logique bas

correspond au signe négatif, S au niveau logique haut correspond ausigne positif.

8. Etude fonctionnelle de 2ème degré de la fonction principale 4« VISUALISATION »:

AFFICHAGE

FS44

DECODAGEBCD /

7 SEGMENTSFS43

MISE ENOPPOSITION DE

PHASEFS41

SELECTIONDE

PHASEFS42

FP4

mémori-sation

sélectiondu signe

fondd’affichage

12 bitstraduisant3 chiffres

BCD

informationvisuelle

numériquerelative à latempérature

de l’air

M

S

Fd

S-

S+

3x7


BCD


1.1.11.



8.1. Fonction secondaire FS41 « MISE EN OPPOSITION DE PHASE »:

Pour éviter l’électrolyse des cristaux liquides qui le détruirait en quelquessecondes, un afficheur d’une telle technologie s’utilise en alternatif. Ainsi,le fond de l’afficheur (l’électrode commune) est polarisé par un signalcarré à 50 Hz. Pour faire apparaître un segment, il faut, sur l’électrodecorrespondante, un signal en opposition de phase avec le signal du fond.Pour qu’un segment n’apparaisse pas, il faut, sur l’électrodecorrespondante, un signal en phase avec le signal du fond.

FS41 génère un signal en opposition de phase avec le signal du fondd’affichage destiné à faire apparaître en permanence le signe - et le pointdécimal.

Entrée:• Fd: signal logique de fond d’affichage, carré de fréquence 50 Hz.

Sortie:• S-: signal logique d’affichage du signe - et du point décimal, en

opposition de phase avec Fd.

8.2. Fonction secondaire FS42 « SELECTION DE PHASE »:

FS42 génère un signal en opposition de phase ou en phase avec le signaldu fond d’affichage pour faire apparaître ou non le segment vertical qui,superposé au signe -, permet l’affichage du signe +.

Entrée:• Fd: signal logique de fond d’affichage, carré de fréquence 50 Hz,

issu de FP2.• S: signal de sélection du signe issu de FP3.

Sortie:• S+: signal logique d’affichage du signe +, en opposition de phase

avec Fd si le signal S est au niveau logique haut et en phase avecFd si le signal S est au niveau logique bas.

8.3. Fonction secondaire FS43 « DECODAGE BCD / 7 SEGMENTS »:

Cette fonction transpose chacun des 3 chiffres décimaux codés en binaireen 7 signaux permettant l’affichage ou non des segments nécessaires à lacalligraphie de ce chiffre.


1.1.12.


Un signal correspondant à un segment qui doit apparaître est enopposition de phase avec le signal du fond d’affichage.Un signal correspondant à un segment qui ne doit pas apparaître est enphase avec le signal du fond d’affichage.

Entrées:• BCD: 12 bits traduisants 3 chiffres décimaux codés en binaires issus

de FP3.• M: signal logique de mémorisation issu de FP3.• Fd: Signal de fond d’affichage issu de FP2.

Sortie:• 3x7: 21 signaux d’affichage des 7 segments des 3 chiffres

correspondant, soit au code BCD si M est au niveau logique haut,soit au code précédemment affiché si M est au niveau logique bas.

8.4. Fonction secondaire FS44 « AFFICHAGE »:

Le rôle de cette fonction est de calligraphier le signe, les 3 chiffressignificatif de la température et le point décimal en fonction des 23signaux reçus.

Entrées:• S-: signal logique d’affichage du signe - et du point décimal.• S+: signal logique d’affichage du signe +.• 3x7: 21 signaux d’affichage des 7 segments des 3 chiffres.• Fd: signal logique de fond d’affichage.

Sortie:• information visuelle numérique relative à la température de l’air,

disponible sous la forme .


1.1.13.


9. Schéma structurel du thermomètre:

La fonction secondaire FS 44 n’est pas représentée sur le schéma structurel.


1.1.14.


Nomenclature des composants:

REPERE DESIGNATIONR1 Résistance 1 MΩ - 5% - 1/4 WR2 Résistance 430 kΩ - 5% - 1/4 WR3 Résistance 46.4 kΩ - 1% - 1/4 WR4 Résistance 36.5 kΩ - 1% - 1/4 WR5 Résistance 120 kΩ - 5% - 1/4 WR6 - R16 Résistance 470 kΩ - 5% - 1/4 WR7 - R8 Résistance 220 kΩ - 5% - 1/4 WR9 - R14 - R18 Résistance 100 kΩ - 5% - 1/4 WR10 Résistance 390 kΩ - 1% - 1/4 WR11 Résistance 56.2 kΩ - 1% - 1/4 WR12 Résistance 1.37 kΩ - 1% - 1/4 WR13 Résistance 1 kΩ - 1% - 1/4 WR15 Résistance 22 kΩ - 5% - 1/4 WR17 Résistance 330 kΩ - 5% - 1/4 WR19 Résistance 27 kΩ - 5% - 1/4 WA1 Résistance ajustable horizontale 220 kΩA2 résistance ajustable horizontale 100 kΩA3 résistance ajustable horizontale 2.2 kΩCTN thermistance à coef. de temp. négatif 68 kΩ - 10%CS1 capteur de température au silicium KTY81-110C1 condensateur électrochimique 100 µF - 16 VC2 condensateur polyester 330 nF - 10% - 63 VC3 condensateur polyester 10 nF - 10% - 63 VC4 condensateur polyester 15 nF - 10% - 63 VC5 condensateur céramique 100 pF - 2% - 100 VC6 condensateur céramique 330 pF - 2% - 100 VC7 condensateur polyester 1 nF - 10% - 63 VT1 - T4 - T5 transistor BC558BT2 - T3 transistor BC548BD1 - D2 - D3 - D4 diode signal 1N4148IC1 circuit intégré LM339IC2 circuit intégré HEF4069UBIC3 circuit intégré HEF4040BIC4 - IC5 circuit intégré HEF4011BIC6 circuit intégré HEF4030BIC7 - IC8 - IC9 circuit intégré HEF4029BIC10 - IC11 - IC12 circuit intégré HEF4543Bnon repèré module LCD 3 chiffres et demi de 13mm avec socleS1 à S7 cavalier de configurationnon repèré pile 6V


1.2.1.


TD N°1: ETUDE FONCTIONNELLE

1. Lire attentivement les 15 premières pages de ce dossier.

2. Repérer sur le schéma structurel, en les encadrant, les différentes fonctionssecondaires.

3. Indiquer sur le schéma structurel les différents signaux cités lors de l’étudefonctionnelle.

4. Compléter les chronogrammes suivant, sachant que le signal D est au niveaulogique haut pendant 128 période du signal de 100 Hz issu de FS21.

5. Indiquer sur ces chronogrammes les périodes de conversion de la température enune donnée numérique.

t (ms)13201310130012901230 1250 1260 1270 1280124050403010 20

100 Hz

D

Di

période de conversion

Rp (V)

5

4

3

2

1

t (ms)13201310130012901230 1250 1260 1270 1280124050403010 20

t (ms)13201310130012901230 1250 1260 1270 1280124050403010 20

t (ms)13201310130012901230 1250 1260 1270 1280124050403010 20

t (ms)13201310130012901230 1250 1260 1270 1280124050403010 20


1.3.1.


TD N°2: ETUDE FONCTIONNELLE

Soit RT° la résistance du capteur de température au silicium SC1. A partir du schémastructurel, déterminer la valeur de VT° en fonction de RT°, R12 et R13.

VT° =

Déterminer RT° pour une température de -28°C par interpolation linéaire.

A -28°C, RT° =

Compléter le tableau suivant:

T° (°C) RT° (Ω) VT° (mV)-28-20-100

102090

100

Après avoir complété les chronogrammes des trois pages suivantes, répondre auxquestions suivantes:

Quelle est l’augmentation moyenne ∆VT° de la tension VT° correspondant à unediminution de température de 0.1°C ?

∆VT° =

Quelle est la période P des oscillations du signal IT° ?

P =

En déduire la pente théorique de la rampe Rp.

La pente de Rp est :


1.3.2.


Compléter les chronogrammes suivant si la température est 90°C. Pourcela, faire figurer V-28 et VT° sur le tracé du signal Rp en fonction dutemps. Les oscillations du signal IT° peuvent être représentées par unezone grisée.

Rp (V)

1.5

1.0

0.5

t (ms)121086420

t (ms)121086420

DT° (V)

4.2

t (ms)121086420

IT° (V)

4.2


1.3.3.


Les échelles des chronogrammes suivants sont modifiées pour détailler lesoscillations de IT°.

Compléter les chronogrammes suivants si la température est -20°C:

t( x 6.6 µs)

8180797877767553 41 20

Rp (V)

1.40

1.39

1.38

1.37

t( x 6.6 µs)

8180797877767553 41 20

4.2

DT° (V)

t( x 6.6 µs)

8180797877767553 41 20

4.2

IT° (V)

t( x 6.6 µs)

8180797877767553 41 20

4.2

S (V)

compteurs

indication

unité

dizaine

dixième

2

8

0


1.3.4.


Compléter les chronogrammes suivants si la température est 10°C:

t( x 6.6 µs)

381380379378377282281280278 2791 20

Rp (V)

1.36

1.34

1.32

1.3

t( x 6.6 µs)

381380379378377282281280278 2791 20

4.2

DT° (V)

t( x 6.6 µs)

381380379378377282281280278 2791 20

4.2

IT° (V)

t( x 6.6 µs)

381380379378377282281280278 2791 20

4.2

S (V)

compteurs

indication

unité

dizaine

dixième

1.38

1.40

2

8

0


1.4.1.


EVALUATION N°1 : ETUDE FONCTIONNELLE

Pour cette évaluation, tout document est autorisé. La durée prévue est 2 heures.

La finalité de ce travail est de déterminer le mode d’étalonnage du thermomètre.

1. Quelle est la résistance RT° du capteur CS1 à une température de -30°C ?A -30°C, RT° = ....................

2. Quelle tension VT° correspond à une température de -30°C ?A -30°C, VT° = ....................

3. Compléter les chronogrammes de la page suivante pour une température de -30°C.

4. Quelle est l’indication du thermomètre dans ce cas ?Le thermomètre indique ........................

5. En déduire la plage de température mesurable par le thermomètre.Les températures mesurables sont comprises entre ......... et .........

6. Lorsque la température est -20°C, l’indication du thermomètre dépend-elle:• de la fréquence du signal D ? oui non

Cette fréquence est-elle réglable ? oui non• de la fréquence du signal Fd ? oui non

Cette fréquence est-elle réglable ? oui non• de la fréquence du signal IT° ? oui non

Cette fréquence est-elle réglable ? oui non• de la pente de la rampe Rp ? oui non

Cette pente est-elle réglable ? oui non• de la tension V-28 ? oui non

Cette tension est-elle réglable ? oui non

7. Lorsque la température est -28°C, l’indication du thermomètre dépend-elle:• de la fréquence du signal D ? oui non

Cette fréquence est-elle réglable ? oui non• de la fréquence du signal Fd ? oui non

Cette fréquence est-elle réglable ? oui non• de la fréquence du signal IT° ? oui non

Cette fréquence est-elle réglable ? oui non• de la pente de la rampe Rp ? oui non

Cette pente est-elle réglable ? oui non• de la tension V-28 ? oui non

Cette tension est-elle réglable ? oui non

Nom:.................................................. Prénom:..................................................


1.4.2.


Chronogrammes pour une température de -30°C:

t( x 6.6 µs)

2120191817161553 41 20

Rp (V)

1.402

1.400

1.398

1.396

t( x 6.6 µs)

2120191817161553 41 20

4.2

DT° (V)

t( x 6.6 µs)

2120191817161553 41 20

4.2

IT° (V)

t( x 6.6 µs)

2120191817161553 41 20

4.2

S (V)

compteurs

indication

unité

dizaine

dixième

2

8

0

Nom:.................................................. Prénom:..................................................


1.4.3.


La figure ci-contrereprésente la valeur detempérature indiquée parle thermomètre enfonction de latempérature ambiante.Le tracé en pointillésindique la caractéristiqueidéale. Le tracé en traitplein indique lacaractéristique réelle.

Le thermomètre fait trois types d’erreur:• l’erreur de décalage.• l’erreur de gain: la pente moyenne de la caractéristique réelle est

différente de celle de la caractéristique idéale.• l’erreur de non-linéarité: la caractéristique réelle n’est pas une droite.

L’erreur de non-linéarité sera étudiée ultérieurement et négligée pour le moment.

8. L’erreur de décalage entraîne-t-elle:• une erreur de mesure lorsque la température est -28°C? oui non• une erreur de mesure plus importante à 80°C qu’à -20°C? oui non

9. L’erreur de gain entraîne-t-elle:• une erreur de mesure lorsque la température est -28°C? oui non• une erreur de mesure plus importante à 80°C qu’à -20°C? oui non

10. Lors de l’étalonnage du thermomètre, quel paramètre permet:• de réduire l’erreur de décalage ? .........................• de réduire l’erreur de gain ? ........................

11. Lors de l’étalonnage du thermomètre, quel composant permet:• de réduire l’erreur de décalage ? .........................• de réduire l’erreur de gain ? ........................

Donner une procédure d’étalonnage du thermomètre.

températureindiquée (°C)

températureréelle (°C)

erreur dedécalage

100

100

-28

Nom:.................................................. Prénom:..................................................


1.5.1.


TP N°1: ETUDE FONCTIONNELLE

1. Objectif.

L’objectif de ce TP est de constater le bon fonctionnement des différentesfonctions secondaires étudiées précédemment.

2. Contraintes particulières.

Certains signaux présentent toutefois une particularité: La partie utile du signaldure un cours instant (moins de 10 ms) et ensuite le thermomètre reste aurepos pendant environ 1 seconde. En utilisant un oscilloscope analogique, si onsouhaite visualiser la partie utile du signal, la base de temps sera réglée detelle sorte que le spot traverse l’écran en 10 ms. Il y aura donc un passage trèsrapide du spot toutes les secondes, ce qui ne permet pas à l’hommed’appréhender l’image.

Il y a deux solutions pour remédier à cette difficulté:• On peut tenter de modifier le thermomètre pour que celui-ci effectue

une mesure de température plus souvent, par exemple toutes les 50ms au lieu de toutes les secondes. L’ inconvénient de cette méthodeest d’imposer une modification temporaire du thermomètre sansgarantie que celle-ci ne modifie pas notoirement les signaux que l’onsouhaite observer.

• On peut utiliser un oscilloscope numérique à mémoire. Un telinstrument permet, comme son nom l’indique, de visualiser un signalpréalablement numérisé et mémorisé. L’image du signal est alorsrecrée de toutes pièces avec un taux de rafraîchissement permettantun excellent confort visuel.

On utilisera pour ce TP la deuxième solution, l’oscilloscope numérique àmémoire.

3. Enoncé du TP.

1. Repérer sur le plan d’implantation de la maquette les points de connexionsutilisables pour mesurer tous les signaux cités dans l’étude fonctionnelle. Lespoints utilisables facilement ne peuvent être que les points tests ou lespattes des résistances et des diodes.

2. Mesurer Vp et ajuster cette tension à 4.2 V.


1.5.2.


3. Etalonner le thermomètre en remplaçant le capteur silicium par des

résistances simulant des températures de 0°C et de 25°C. 4. Visualiser et relever le signal D et le signal Di à l’oscilloscope. Le signal D

servira de signal de référence temporelle et sera conservé sur la voie dedéclenchement de l’oscilloscope pour les mesures des questions 4 à 8.

5. Visualiser et relever en concordance de temps le signal Rp à l’aide d’un

grippe-fil. Observer l’indication du thermomètre lors de la connexion dugrippe-fil. Recommencer la mesure à l’aide d’une sonde. Expliquer lephénomène observé.

6. Mesurer V-28. 7. Mesurer VT° et conserver cette indication pour le reste du TP. 8. Visualiser et relever en concordance de temps les signaux suivants:

• DT°

• M• IT°

• S 9. Remplacer le capteur silicium par une résistance simulant une température

de -28°C. Modifier alors V-28 pour que le thermomètre indique environs-27.0°C. Visualiser IT° et justifier la valeur affichée par le thermomètre.


2.1.1.


TD N°3 : ETUDE STRUCTURELLE

FSA2 : REGULATION DE TENSION

1. Rôle et nécessité de la fonction régulation de tension:

Le rôle d’une fonction « régulation de tension » est de produire une tensioncontinue indépendante de la tension continue d’entrée et de l’intensité débitéepar cette fonction.

La fonction FSA2 du thermomètre est nécessaire pour garantir unfonctionnement indépendant:

• de l’usure de la pile.• des variations de charges des autres fonctions dues aux différences

de consommation de celles-ci selon leur activité dans le cycle defonctionnement et la température ambiante.

2. Schéma structurel de la fonction FSA2:

ib2 ib3

iR2

iSic1

ic3

C1

CTN R4

R3

A

A1

R2R1

T1

Vbe1

Vbe3Vbe2

T2 T3

0V

0V

0V0V

0V

ic2

ib1

iR1

VE

VE

Vp

VS

0V

0V

Avec: R1: 1 MΩ - 5% - 1/4 W C1: 100 µF - 16 VR2: 430 kΩ - 5% - 1/4 W T1: BC558BR3: 46.4 kΩ - 1% - 1/4 W T2: BC548BR4: 36.5 kΩ - 5% - 1/4 W T3: BC548BA1: 220 kΩ CTN: 68 kΩ - 10%


2.1.2.


3. Rappel du fonctionnement simplifié d’un transistor NPN:

Vbe

(V)caractéristique du transistor NPN

en commutation

0.5 0.7

ic

Vbe

cb

e

ic

ib

En commutation,• lorsque Vbe < 0.6 V , le transistor est bloqué.• lorsque Vbe > 0.6 V , le transistor est saturé.

En fonctionnement linéaire, Vbe ≈ 0.6 V et le courant ic = β ib.

4. Rappel du fonctionnement simplifié d’un transistor PNP:

Vbe

(V)caractéristique du transistor PNP

en commutation

ic

Vbe

ib b

ic

e

c

-0.5-0.7

En commutation,• lorsque Vbe > -0.6 V , le transistor est bloqué.• lorsque Vbe < -0.6 V , le transistor est saturé.

En fonctionnement linéaire, Vbe ≈ -0.6 V et le courant ic = β ib.


2.1.3.


5. Principe de fonctionnement de la structure:

Lors de ce chapitre, on suppose que la température ambiante est 25°C. Parconséquent, la valeur de la CTN est 68 kΩ ± 10%.

Calculer Vp en fonction de VA en négligeant ib3.On considère que A1 = α A1max avec 0 < α < 1.

Les courants circulant dans le transistor T3 sont très faibles. Par conséquent, lazone de fonctionnement de ce transistor est située au début de la courbure desa caractéristique. Il commute donc pour un Vbe voisin de 0.5 V.A1 est réglé pour obtenir Vp = 4.2 V lorsque VA = 0.5 V. Déterminer la valeurthéorique de A1.

La compréhension du principe de cette structure est simplifiée par laconstruction du tableau suivant:

Vp(V)

VA

= Vbe3

(V)

état deT3

Vbe2

(V)état de

T2Vbe1

(V)état de

T1chargede C1

évolutionde Vp

< 4.2

> 4.2

≈ 4.2

Commenter les résultats obtenus:


2.1.4.


Les caractéristiques des transistors utilisés sont les suivantes:

TYPE polar. Vcb max Vce max Veb max ic max TJ max Pmax fT min hFE ic pourhFE

BC548B

NPN 30 V 30 V 6 V 100 mA 150°C 0.5 W 200MHz

200 2 mA

BC558B

PNP 30 V 25 V 5 V 100 mA 150°C 0.5 W 75 MHz 240 2 mA

Déterminer iR2 pour une tension Vp égale à 4.2 V.

iR2 =

Déterminer le courant iSmax que peut fournir la fonction FSA2.

iSmax =

Déterminer P1max, la puissance dissipée par T1 lorsque iS = iSmax et VE = 8 V. Letransistor T1 est-il bien choisi?

P1max =

Pour iS = iSmax et en régime établi (fonctionnement linéaire des transistors),déterminer les courants suivants:

ic1 =

ib1 =

ib2 =

iR1 =

ic3 =

ib3 =


2.1.5.


Pour iS = 0 et en régime établi (fonctionnement linéaire des transistors),déterminer les courants suivants:

ic1 =

ib1 =

ib2 =

iR1 =

ic3 =

ib3 =

Le courant ib3 maximum est donc .....................

Au paragraphe 3, ib3 a été négligé. Justifier cette décision.

6. Détermination des caractéristiques de FSA2:

Déterminer la plus petite valeur de Vp qu’on peut assurément obtenir parréglage de A1 (tenir compte de la tolérance des composants).


2.1.6.


Déterminer la plus grande valeur de Vp qu’on peut assurément obtenir parréglage de A1 (tenir compte de la tolérance des composants).

Si les valeurs des composants sont à leurs valeurs nominales, déterminer laplage de réglage de la tension Vp.

La résistance ajustable A1 est un modèle 3/4 de tour. En supposant que laprécision mécanique qu’on peut atteindre lors du réglage de Vp est ± 5 degrés,déterminer la précision avec laquelle on peut régler Vp.

Pour VE = 6 V, déterminer la consommation théorique à vide de FSA2.


2.2.1.



REGULATION DE TENSION :

AUTRES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES

1. Stabilisation de tension à diode zéner:

1.1. Rappel des caractéristiques d’une diode zéner:

U0.6 V

VZ

i

i

U

1.2. Schéma structurel:

is

iDzVe

Dz Vs

R

iR Ve: comprise entre 5 et 7 V.Dz: diode zener 4.3 V - 1/4 W

1.3. Principe de fonctionnement:

Si Vs augmente légèrement, alors iDz augmente entraînant l’augmentationde iR. La chute de tension aux bornes de la résistance augmente et doncVs diminue.


2.2.2.


Si Vs diminue légèrement, alors iDz diminue entraînant la diminution de iR.La chute de tension aux bornes de la résistance diminue et donc Vsaugmente.Par conséquent, la tension Vs est constante et égale à la tension dezéner.

1.4. Dimensionnement des composants et détermination descaractéristiques:

La puissance maximale dissipable par la diode zéner est 0.25 W. Pourconserver une marge de sécurité, on souhaite que la diode zéner dissipe0.15 W maximum.

Quel est le courant maximum iDzmax qui peut traverser la diode?

iDzmax =

Si Ve = 7 V et is = 0 A (stabilisateur à vide), quelle est la valeur normaliséeminimale de la résistance R permettant à la diode zéner de dissiper moinsde 0.15 W ?

Rmin =

Dans ce cas, quelle est la puissance PR dissipée par la résistance?

PR =

Si Ve = 5V, quel est le courant maximal iSmax que peut fournir lastabilisation sans que Vs chute en dessous de 4.3 V ?

iSmax =

Conclusion:


2.2.3.


2. stabilisation de tension à diode zéner et transistor:

2.1. Schéma structurel:iS

iB

iDzVe

Dz

Vs

R

iR

Ve: comprise entre 5 et 7 V.T: BC548BDz: diode zener 4.3 V - 1/4 W

Vbe

T


La tension à la base du transistor est constante et vaut 4.3 V.Si Vs augmente, alors Vbe diminue et le transistor conduit moins. Latension Vs diminue.Si Vs diminue, alors Vbe augmente et le transistor conduit davantage. Latension Vs augmente.Par conséquent, la tension Vs est constante.

2.3. Dimensionnement des composants et détermination descaractéristiques:

Quelle est la valeur de Vs ?

Vs =

Si iS ≈ iCmax = 100 mA et Ve = 7 V, quelle est la puissance PT dissipée parle transistor ?

PT =

Cette puissance est-elle admissible ?


2.2.4.


Pour iS = 100 mA, que vaut iB ?

iB =

Si Ve = 5 V, quelle est la valeur normalisée maximale Rmax de larésistance ?

Rmax =

Si Ve = 7 V et iS = 0 A (stabilisateur à vide), quelle est alors la puissancePDz dissipée par la diode ?

Pdz =

Dans ce cas, quelle est l’intensité ie absorbé par le montage ?

ie =

Conclusion:

3. Régulation de tension par circuit intégré spécialisé LM7805C:


A partir de la documentation produite par National Semiconductor,déterminer le schéma structurel du montage permettant d’obtenir unetension de sortie Vs régulée à 5 V.


2.2.5.


3.2. Détermination des caractéristiques:

Quelle est la plage de tension d’alimentation Ve du montage ?

< Ve <

Quel est le courant maximal de sortie iSmax ?

iSmax =

Quelle est l’intensité maximale absorbée par le montage à vide i emax ?

iemax =

Conclusion :


2.3.1.


EVALUATION N°2 : ETUDE STRUCTURELLE

REGULATION DE TENSION

1. Régulation de tension à transistors:

Soit le schéma structurel suivant:

ib2 ib3

iR2

iSic1

ic3

C1

R3

R2

R1

T1

Vbe1

Vbe3Vbe2

T2 T3

0V

0V

0V

0V

ic2

ib1

iR1

VE

VE

Vs

VS

0V

0V

• T1 : BC558B• T2 et T3 : BC548B• R1 : résistance 1 MΩ - 1/4 W - 5%• R2 : résistance 470 kΩ - 1/4 W - 5%• R3 : résistance 1/4 W - 5%

Rappel des caractéristiques des transistors:


BC548B

NPN 30 V 30 V 6 V 100 mA 150°C 0.5 W 200MHz

200 2 mA

BC558B


Dans cet exercice, on considérera que Vbe3 vaut 0.5 V.

1. Déterminer la valeur théorique de R3 pour que Vs soit régulée à 10 V.

2. Quelle sera la valeur normalisée de R3?

3. Dans ce cas, encadrer la valeur que peut prendre Vs en fonction destolérances sur R2 et R3.


2.3.2.


4. Si Is vaut 100 mA, calculer la valeur maximale applicable à Ve sachant quecelle-ci est limitée par la puissance dissipable par le transistor T1.

5. Lorsque T1 est saturé, Vce1 est égale à 0.3 V. Déterminer la valeur minimaleapplicable à Ve pour que la régulation s’effectue normalement.

2. Stabilisation à diode zéner:

soit le schéma structurel suivant:

is

iDzVe

Dz Vs

R

iR Ve: comprise entre 12 et 18 V.Dz: diode zener 10 V - 1/4 WR: résistance 1 kΩ - 5% - 1/4 W

1. Quelle est la valeur de Vs ?

2. Dans le cas le plus défavorable, quel est le courant maximal iSmax que peutfournir la stabilisation sans que Vs chute en dessous de sa valeur normale ?

3. Préciser dans quelles conditions la puissance dissipée par la diode zéner estmaximale. Quelle est alors cette puissance PDZmax ?

4. Préciser dans quelles conditions la puissance dissipée par la résistance estmaximale. Quelle est alors cette puissance PRmax ?


2.4.1.


TP N°1 : REGULATION DE TENSION

1. Mesure des caractéristiques de FSA2:

Sur la maquette du thermomètre,

1. Isoler la fonction FSA2 des autres fonctions en enlevant le cavalier S1.

2. Relier Ve à une alimentation de laboratoire réglée à 6 V.

3. Mesurer le courant absorbé par FSA2 à vide.

4. Charger la sortie avec une résistance de 100 Ω en série avec unerésistance ajustable de 2.2 kΩ et un ampèremètre.

5. Régler cette résistance ajustable pour que le courant la traversant vaille5 mA.

6. Disposer un voltmètre au point Vp.

7. Relever la gamme de valeur que peut prendre Vp par réglage de A1. Puis,régler A1 pour que Vp soit égale à 4.2 V.

8. Chauffer entre les doigts le transistor T3 et constater l’évolution de Vp. Puischauffer entre les doigts le transistor T3 et la CTN en constatant l’évolutionde Vp. En déduire le rôle de la CTN.

9. Tracer la caractéristique de Vp en fonction de Ve pour Ve variant de 3 à 10V. On appelle cette caractéristique la régulation de ligne.

10. Tracer la caractéristique de Vp en fonction de iS pour iS variant de 2 à40 mA. On appelle cette caractéristique la régulation de charge.

2. Mesure des caractéristiques d’une stabilisation à diode zéner:

1. Réaliser sur plaque d’essais le schéma structurel suivant:

Dz: diode zéner 4.7 V - 1/4 WR: résistance 270 Ω - 5% - 1/4 WA1 : résistance ajustable 10 kΩ


2.4.2.


is

iDzVe

Dz

Vs

Vs

A1

R

iR

V

A

2. Régler l’ajustable A1 pour que iS = 1 mA.

3. Tracer la caractéristique de Vs en fonction de Ve pour Ve variant de 3 à 10V.

4. Pour Ve = 6 V, calculer le courant théorique maximal iSmax que peut fournir lastabilisation sans que Vs chute en dessous de 4.7 V.

5. Avec Ve = 6 V, tracer la caractéristique de Vs en fonction de is pour iS variantde 0.5 à 10 mA.

6. Débrancher A1 et mesurer le courant absorbé par cette stabilisation à videlorsque Ve = 6V.

3. Mesure des caractéristiques d’une stabilisation à diode zéner ettransistor:

1. Réaliser sur plaque d’essais le schéma structurel suivant:

iS

iB

iDzVe

Dz

Vs

Vs

A1

R2

R1

iR

T: BC548BDz: diode zener 4.7 V - 1/4 WR1: résistance 3.3 kΩ - 1/4 W - 5%R2: résistance 220 Ω - 1/4 W - 5%A1: résistance ajustable 10 kΩ

Vbe

T

V

A


2.4.3.


2. Régler la résistance ajustable A1 pour que is =1 mA.

3. Tracer la caractéristique de Vs en fonction de Ve pour Ve variant de 3 à 10V.

4. Avec Ve = 6 V, tracer la caractéristique de Vs en fonction de is pour iS variantde 0.5 à 10 mA.

5. Débrancher A1 et mesurer le courant absorbé par cette stabilisation à videlorsque Ve = 6V.

4. Etude des caractéristiques du régulateur intégré LM7805C:

A partir de la documentation fournie par le constructeur, déterminer

• les caractéristiques de la régulation de ligne et de la régulation de charge,• le courant absorbé à vide,• la plage de tension d’alimentation,• le courant maximal que peut fournir le régulateur.

5. Exploitation des résultats:

Pour comparer les performances de ces régulations, il convient de traduire lesdifférentes données sous une même forme.

Pour la régulation de ligne, on exprimera la performance en pourcentage de∆Vs / ∆Ve en prenant ∆Ve dans le domaine de régulation.

Pour la régulation de charge, on exprimera la performance en pourcentage de∆Vs / ∆Is.

Compléter le tableau récapitulatif suivant et conclure à propos des avantages etinconvénients de chacune de ces régulations.


2.4.4.


plage de latensiond’alim.

courantabsorbé à

videIs maximum

régulation deligne

∆Vs/∆Ve (%)

régulation decharge

∆Vs/∆Is (%)

Régulationde tension àtransistors

Stabilisationde tension àdiode zéner

stabilisationde tension àdiode zéneret transistor

régulation àLM7805C

CONCLUSIONS:


3.1.1.



FS21 « GENERATION D’UN SIGNAL CARRE100 HZ »

1. Rôle et nécessité de la fonction génération d’un signal carré:

Le rôle de la fonction « génération d’un signal carré 100 Hz » est de fournir unebase de temps au thermomètre afin qu’il puisse synchroniser ses différentesfonctions. Ainsi, dès la mise sous tension, la fonction FS21 fournit desimpulsions à intervalle de temps régulier.

2. Schéma structurel de la fonction FS21:

0V

Vs

R17

D

C

A B1/6 IC21/6 IC21/6 IC2

C4R16

1 1 1

VC4

Avec:IC2 : HEF 4069 UBR16 : 470 kΩ - 5% - 1/4 WR17 : 330 kΩ - 5% - 1/4 WC4 : 15 nF - 10% - 63 V


La compréhension du principe de fonctionnement de cette structure est facilitéepar la construction des chronogrammes des tensions aux points A, B, C et de ladifférence de potentiel aux bornes de C4. Les questions suivantes constituentune aide à l’élaboration de ces chronogrammes. Ceux-ci sont donc tracés enmême temps en suivant une progression dans le temps.


3.1.2.


Soient VA, VB, VC et VD les tensions respectives des points A, B, C et D.Soit VC4 la différence de potentiel aux bornes du condensateur C4.

Pour ce TD, on suppose que l’impédance d’entrée des portes logiques estinfinie quelque soit la tension appliquée à ces entrées. Dans ce cas, comparerVC et VD.

A l’instant t0, on suppose que le condensateur est déchargé et que le point Aprésente un niveau logique haut.

• A l’instant t0 :

• Quel est le niveau logique du point B ?

• Quelle est la tension VB ?

• Quelle est la tension VA ?

• Quelle est la tension VC ?

• Le point A reste-t-il au niveau haut ?

• Juste après l’instant t0 :

• Comment évolue VC4 ?

• Comment évolue VC ?

• A partir de quelle valeur de VC le point A passe-t-il au niveau logiquebas ?

Que vaut alors VC4 ?

• Soit t1 l’instant où le point A passe au niveau logique bas. Calculer t1.


3.1.3.



• Que vaut VC4 ?

• Quel est le niveau logique du point A ?





• Le point A reste-t-il au niveau logique bas ?




• A partir de quelle valeur de VC le point A passe-t-il au niveau logiquehaut ?


• Soit t2 l’instant où le point A passe au niveau logique haut. Calculert2.


• Que vaut VC4 ?






• Le point A reste-t-il au niveau haut ?


3.1.4.





• A partir de quelle valeur de VC le point A passe-t-il au niveau logiquebas ?


• Soit t3 l’instant où le point A passe au niveau logique bas. Calculer t3.


• Que vaut VC4 ?






• Le point A reste-t-il au niveau logique bas ?


3.1.5.


VA

Vp

t (ms)252015105

VB

Vp

t (ms)252015105

VC4

-Vp

Vp

t (ms)252015105

VC

-Vp

Vp

t (ms)252015105


3.2.1.



GENERATION D’UN SIGNAL CARRE

AUTRES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES

1. Génération d’un signal carré par porte logique à trigger de Schmitt:


0V

Vs

R1

A1/6 IC1

C1

1

VC1

0V

avec:IC1 : 40106 alimenté sous 5VR1 : 100 kΩC1 : 100 nF

1.2. Etude du fonctionnement:

A l’aide de la documentation du constructeur du circuit intégré 40106,déterminer:

• le seuil de commutation VIH de la porte inverseur lorsque sa sortieest au niveau haut.

• le seuil de commutation VIL de la porte inverseur lorsque sa sortieest au niveau bas.


3.2.2.


Compléter les chronogrammes suivant en supposant que l’origine destemps correspond à la mise sous tension du dispositif et qu’à cet instant lecondensateur C1 est totalement déchargé:

Vs5V

t (ms)252015105

VC

5V

t (ms)252015105

Déterminer avec précision les instants de commutation de la portelogique.

Déterminer la valeur de la période en fonction de R1, C1, VIH et VIL.

Quel est le rapport cyclique du signal obtenu.

Déterminer alors les périodes minimales et maximales que l’on peutobtenir en tenant compte de la tolérance des composants (prendre 5 %pour la résistance, 10 % pour la capacité et les valeurs précisées par leconstructeur pour le 40106)


3.2.3.


2. Génération d’un signal carré par trigger de Schmitt à amplificateurintégré linéaire:


0V

0V

Vs

R2

+5V

+5V

R4R3

R1

e+

B

e-

IC1

C1

- ¹

∞+

+

VC1

0V

avec:IC1 : TL081R1 : 100 kΩR2 : 100 kΩR3 : 100 kΩR4 : 470 kΩC1 : 100 nF

0V

2.2. Etude du fonctionnement:

L’amplificateur intégré linéaire fonctionne dans ce cas en régime nonlinéaire.

Soit Vsat+ la tension de saturation maximale de l’amplificateur. Onconsidérera que Vsat+ est égale à 5 V.Soit Vsat- la tension de saturation minimale de l’amplificateur. Onconsidérera que Vsat- est égale à 0 V.

Déterminer la valeur e+max du potentiel e+ lorsque la sortie del’amplificateur est égale à V sat+.

e+max =


3.2.4.


Déterminer la valeur e+min du potentiel e+ lorsque la sortie del’amplificateur est égale à V sat-.

e+min =

Compléter les chronogrammes suivant en supposant que l’origine destemps correspond à la mise sous tension du dispositif et qu’à cet instant lecondensateur C1 est totalement déchargé:

Vs5V

t (ms)252015105

VC

5V

t (ms)252015105

Déterminer avec précision les instants de commutation de l’amplificateur.

Déterminer la valeur de la période du signal obtenu en fonction de R1, C1,e+max et e+min.


Déterminer alors les périodes minimales et maximales que l’on peutobtenir en tenant compte de la tolérance des composants (prendre 5 %pour les résistances et 10 % pour la capacité).


3.2.5.


3. Astable à circuit intégré spécialisé NE555:

3.1. Fonctionnement du circuit NE555:

TC1

C2

R

48

R

R

1

7

35

6 1

SQ

R

+ ¹ ∞+

-

2

+ ¹ ∞+

-

Schéma de principe interne du NE555

Le circuit est constitué par:• un diviseur de tension comportant trois résistances de même valeur

R, fixant les potentiels d’entrée des comparateurs à 1/3 Vcc et 2/3Vcc.

• deux comparateurs C1 et C2 ayant chacun une entrée accessible del’extérieur (2 et 6).

• une bascule de type RS commandée par les sorties descomparateurs.

• un transistor de décharge T.• un inverseur reliant la sortie de la bascule RS à la sortie (3) du circuit.• une entrée « remise à zéro » (4) autorisant la mise à zéro de la

bascule RS par un niveau bas.• une entrée « contrôle de tension » (5) permettant de modifier le seuil

des 2/3 Vcc.


3.2.6.


Le transistor T conduit lorsque la sortie de la bascule RS est à l’état hautet la sortie 3 du circuit à l’état bas.L’état de la sortie de la bascule RS dépend des tensions appliquées auxentrées des comparateur C1 et C2. La sortie de la bascule RS passe auniveau haut lorsque le potentiel de la borne 6 dépasse 2/3 Vcc. La sortiede la bascule RS passe au niveau bas lorsque le potentiel de la borne 2est inférieur à 1/3 Vcc.

3.2. Schéma structurel de l’astable à NE555:

0V

Vs

RA

Vcc

RB

CVC

0V

4

3

1

2

7

6 seuil sortie

déclenchement

décharge

8

Avec:RA : 47 kΩRB : 22 kΩC : 100 nF


3.2.7.


Compléter les chronogrammes suivant en supposant que l’origine destemps correspond à la mise sous tension du dispositif et qu’à cet instant lecondensateur C est totalement déchargé:

VsVcc

t (ms)252015105

VC

Vcc

t (ms)252015105

Déterminer avec précision les instants de commutation du NE555.

Déterminer la valeur de la période du signal obtenu en fonction de RA, RB

et C.


Déterminer alors les périodes minimales et maximales que l’on peutobtenir en tenant compte de la tolérance des composants (prendre 5 %pour les résistances, 10 % pour la capacité et les valeurs précisées par leconstructeur pour le NE555).


3.2.8.


4. Génération d’un signal rectangulaire par deux monostables:


On peut réaliser un générateur de signaux rectangulaires en utilisant deuxmonostables en circuit bouclé. Le schéma suivant précise le principe defonctionnement de celui-ci.

MONOSTABLE 2sortie entrée

durée t2

MONOSTABLE 1entrée sortie

durée t1

s2

s2

e2

s1

t

t

t2

t1

s1

e1


A l’aide de la documentation fournie par le constructeur du circuit intégréHEF4528B, déterminer le schéma structurel d’un dispositif comportantdeux monostables et produisant un signal rectangulaire ayant lescaractéristiques suivantes:

• valeur maximale: 5 V.• valeur minimale: 0 V.• fréquence: 100 Hz.• rapport cyclique: 0.75.

Tous les composants seront totalement définis et dimensionnés.


3.3.1.


TP N°3: ETUDE STRUCTURELLE

GENERATION D’UN SIGNAL CARRE

1. Etude de la fonction FS21 « GENERATION D’UN SIGNAL CARRE ».

0V

Vs

R17

D

C

A B1/6 IC21/6 IC21/6 IC2

C4R16

1 1 1

VC4

• Repérer, sur la maquette du thermomètre, les points A, B, C et D. Placer ydes grippes-fils.

• Alimenter le thermomètre et relever en concordance de temps les signaux A,B, C et VC4 (voir page suivante).

• Comparer les résultats obtenus avec les résultats théoriques et justifier leséventuelles différences.

2. Mise en oeuvre des autres solutions technologiques étudiées.

• Séparer la fonction secondaire FS21 des autres fonctions du thermomètreen retirant le cavalier S8.

• Pour chacune des structures astables précédemment étudiées, effectuer lestâches suivantes:

• Câbler la structure sur plaque d’essais.• Vérifier le bon fonctionnement de l’astable en relevant les signaux

étudiés théoriquement. Modifier éventuellement les valeurs descomposants pour obtenir en sortie une fréquence identique à celle deFS21.

• Injecter le signal obtenu à l’entrée de la fonction secondaire FS22« DIVISION DE FREQUENCE » et vérifier le bon fonctionnement duthermomètre.


3.3.2.


VA

Vp

t (ms)252015105

VB

Vp

t (ms)252015105

VC4

-Vp

Vp

t (ms)252015105

VC

-Vp

Vp

t (ms)252015105


4.1.1.


TD: ETUDE STRUCTURELLE

FS22 « DIVISION DE FREQUENCE »

1. Rôle et nécessité de la fonction division de fréquence:

Elle fournit un signal de début de cycle de mesure destiné à FP3 et unsignal de fond d’affichage destiné à FP4.

L’intérêt de cette fonction est de produire ces deux signaux à partir d’uneseule base de temps, la fonction FS21 « Génération d’un signal carré 100HZ ».


CP Fd

D

1/4 IC41/4 IC4

IC3

1/4 IC4

&

& &

CTR 12

+

CT=0

CT

1110987654

23

10

115141213423

6511MR

10 79

3. Analyse du fonctionnement de FS22:

Soit CP le signal 100 Hz issu de FS21.

Soit Q0, Q1, Q2, Q3 et Q7 les sorties 0, 1, 2, 3 et 7 du compteur HEF4040B.

Compléter les chronogrammes suivants en supposant qu’à l’instant t 0 = 0, uneremise à zéro du compteur vient de se produire.


4.1.2.


t( ms)

13201310130012901280127012607050 6030 4010 20

CP

t( ms)

13201310130012901280127012607050 6030 4010 20

Q0 = Fd

t( ms)

13201310130012901280127012607050 6030 4010 20

Q1

t( ms)

13201310130012901280127012607050 6030 4010 20

Q2

t( ms)

13201310130012901280127012607050 6030 4010 20

Q7

t( ms)

13201310130012901280127012607050 6030 4010 20

D

t( ms)

13201310130012901280127012607050 6030 4010 20

MR

Déterminer les fréquences FD et FFd et les rapports cycliques ρD et ρFd dessignaux D et Fd:

FD =Ffd =

ρD =ρFd =


5.1.1.



FS32 « GENERATION D’UNE RAMPE »

1. Rôle et nécessité de la fonction génération d’une rampe:

Cette fonction fournit une tension croissante linéairement en fonction du tempsdurant les 20 ms du niveau haut du signal d’entrée Di. Cette tension diminueensuite pendant 1.28 s, durée de l’état bas du signal Di.

La linéarité et la pente de la rampe du signal de sortie Rp sont importantes carelles contribuent en grande partie à la précision du thermomètre. La pente de larampe est ajustable.


ib5

VC2C2

D4D3

D2

D1

R7

R8

A2R6

VRe

Vbe5

T5

0V

0V

ic5

b5

e5

ie5

iR6

Di

Di

Rp

Rp

0V 0V


5.1.2.


3. Analyse de la structure:

Pour l’étude de cette structure, on négligera ib5 devant iR6 et ie5.

3.1. Si Di = 4.2 V :

Déterminer le potentiel b5 de la base de T5.

Compléter le tableau suivant:

Vbe5 évolution de ie5 évolution de VRe évolution de Vbe5

devient < -0.6 V

devient > -0.6 V

= -0.6 V

Commenter les résultats obtenus:

En déduire VRe:

Calculer ie5 en fonction de R8 et A2 :

Quelle est la fonction réalisée par l’association des composants R6, R7,R8, A2, D1, D2 et T5 ?

Déterminer Rp en fonction de VC2 :


5.1.3.


Caractériser l’évolution de VC2 en précisant le rapport ∆∆ V t

C2 en fonction de

A2, R8 et C2 :

Encadrer la valeur théorique du rapport ∆∆ V t

C2 suivant le réglage de A2:

Ce réglage permet-il d’atteindre la valeur voulue du rapport ∆∆ V t

C2 ?

3.2. Si Di = 0 V :

Lorsque Di est au niveau logique bas, T5 est bloqué. Toutefois, dans cecas, la jonction base-collecteur du transistor se comporte comme unediode dans laquelle le condensateur C2 se décharge en 1.28 s. De plus,les faibles courants mis en jeu à la fin de cette décharge permettent deconsidérer que la diode D4 conduit depuis le début du coude de sacaractéristique, soit 0.5 V environs.

Le circuit de décharge de C2 est donc équivalent au schéma suivant:

VC2C2

D4

Dbc

R7

0V

Rp

Rp

0V 0V

Dbc étant la diodeéquivalente à la jonctionbase-collecteur du transistorT5 lorsque celui-ci estbloqué.

L’évolution de VC2 est-elle linéaire ?


5.1.4.


Quelle est la valeur de VC2 à la fin de la décharge ?

Quelle est la valeur de Rp à la fin de la décharge ?

3.3. Chronogrammes de fonctionnement:

Compléter les chronogrammes suivants:

t( s)

2.622.612.602.592.582.571.311.29 1.301.280.01 0.02

Di

t( s)

2.622.612.602.592.582.571.311.29 1.301.27 1.280.01 0.02

1

2

VC2 (V)

t( s)

2.622.612.602.592.582.571.311.29 1.301.280.01 0.02

1

2

Rp (V)

Le résultat obtenu permet-il une exploitation du thermomètre de - 28 °C à+ 100 °C ?


5.1.5.


3.4. Etude des performances de cette structure:

Après étalonnage, le transistor T5 travaille-t-il dans des conditionsconstantes ?

Quel facteur peut alors intervenir sur la pente de la rampe du signal Rp?

Quel est le courant iH consommé par FS32 lorsque le signal Di égale4.2 V ?

Quel est le courant iB consommé par FS32 lorsque le signal Di égale0 V ?

Quel est le courant moyen iM consommé par FS32 ?

4. Générateur de rampe: autre solution technologique.


T

VC

Rp

C

iR3

Di

A1 R3

R14.2 V

4.2 V

R2

IC1

0V

0V

0V

- ¹

∞+

+


5.1.6.


4.2. Analyse du fonctionnement:

On considérera que l’amplificateur est parfait.

Déterminer R1 et R2 pour que le potentiel de l’entrée + de l’amplificateursoit 1 V:

Déterminer iR3 en fonction de R3 et A1:

Si Di = 0 V, quel est l’état du transistor T ?

Dans ce cas, quelle est la tension Rp ?

Si Di = 4.2 V, quel est l’état du transistor T ?

Dans ce cas, le courant traversant le condensateur est-il constant ?

Dans ce cas, déterminer A1, R3 et C pour que la pente de Rp soitréglable de 25 V/s à 45 V/s :

Compléter les chronogrammes suivants:

t( s)

2.622.612.602.592.582.571.311.29 1.301.280.01 0.02

Di

t( s)

2.622.612.602.592.582.571.311.29 1.301.27 1.280.01 0.02

1

2

Rp (V)


5.1.7.


Quelles caractéristiques doit avoir l’amplificateur afin d’assurer unfonctionnement correct de la structure ?

Le circuit intégré LM2900 conviendrait-il ?

4.3. Etude des performances de cette structure:

Quel est le courant moyen iM consommé par cette structure ?

Justifier la solution technologique retenue pour le thermomètre.


6.1.1.



FP1 « CAPTAGE DE LA TEMPERATURE »

1. Rôle et nécessité de la fonction captage de la température:

Cette fonction produit une tension VT° proportionnelle à la température de l’airambiant.

La linéarité de cette fonction doit être excellente car la précision duthermomètre dépend en grande partie de cette caractéristique.

2. Schéma structurel de la fonction FP1:

CS1KTY81-110

0V

0V

Di

Di

VT°

R131kΩ-1%

R121.37kΩ-1%

0V

VT°


A partir de la documentation fournit par le fabriquant du capteur, justifier lesvaleurs des résistances R12 et R13.


6.1.2.


Pour la suite du TP, on considère que D i = 4.2 V.

Exprimer VT° en fonction de R12, R13 et CS1.

Donner la valeur de VT° pour une température de -28 °C.

En tenant compte de la tolérance des composants, encadrer la valeur que peutprendre VT° pour une température de -28 °C.


7.1.1.



FS33 « COMPARAISON »

1. Rôle et nécessité de la fonction comparaison:

La fonction comparaison doit fournir un signal DT° comportant à chaque mesureune impulsion négative dont la durée est proportionnelle à l’écart detempérature compris entre -28°C et la température ambiante.

Pour cela, FS33 utilise la rampe Rp croissante linéairement en fonction dutemps (issue de FS32) et la tension VT° significative de la températureambiante (issue de FP1). DT° est au niveau logique bas si, pendant le temps demesure, Rp est compris entre VT° et V-28. La tension V-28 est une tension deréférence fabriquée par FS33 et égale à la valeur que prendrait V T° pour unetempérature de -28 C°.

La durée de l’impulsion négative produite sera chronométrée à l’aide d’autresfonctions pour fournir l’indication de la température.

2. Schéma structurel de la fonction FS33 :

1/4 IC5HEF4011B

1/4 IC1LM339(comp. 2)

1/4 IC1LM339(comp. 1)

A32.2kΩ

R14100kΩ-5%

R1156.2kΩ-1%

R9100kΩ-5%

R10390kΩ-1%

0V

0V0V

DT° &

+ ¹ ∞+

-

VT°

+ ¹ ∞+

-

C310nF-10%

V-28

Di

Rp


7.1.2.



3.1. Lorsque Di = 4.2 V:

Après le passage de D i à 4.2 V, quel est le temps maximum que met latension V-28 pour s’établir (on considère que V-28 est établie lorsqu’elle aatteint 99 % de sa valeur maximale) ?

Pour la suite de ce paragraphe, on suppose que V-28 est établie.

Exprimer V-28 en fonction de R9, R10, R11 ET A3 :

Encadrer la valeur que peut prendre V-28 suivant le réglage de A3 :

Donner la valeur minimale de V-28 qu’on peut assurément obtenir parréglage de A3 :

Donner la valeur maximale de V-28 qu’on peut assurément obtenir parréglage de A3 :

En déduire des remarques à propos du dimensionnement des composants:


7.1.3.


Les sorties des comparateurs sont reliées. Consulter la documentation ducircuit LM339 et justifier cette solution technologique. Préciser alors le rôlede R14 :

Compléter le tableau suivant :

état dutransistor de

sortie ducomparateur

1

état dutransistor de

sortie ducomparateur

2

tension auxentrées de laporte NAND

niveaulogique de

DT°

Rp < VT°

VT° < Rp < V-28

Rp > V-28

Quel est le rôle du condensateur C3 ?

3.2. Lorsque Di = 0 V :

Quelle est la valeur de la tension présente aux entrées de la porte NAND?

Quel est le niveau logique du signal DT° ?


8.1.1.


TD : ETUDE STRUCTURELLE

FS31 « INVERSION »

1. Rôle et nécessité de la fonction inversion :

Cette fonction inverse le signal D afin de produire le signal Di. De plus, lorsqueDi est au niveau logique haut, la fonction FS31 doit pouvoir fournir un courantd’intensité relativement importante. En effet, celle-ci alimente les fonctionsFS32, FP1 et FS33.


T4 : BC558BR5 : 120 kΩ - 5% - 1/4 W

R5

T4

iB

iC

D

DiVp

3. Analyse de la structure :

On suppose que le transistor est parfait.

Rappel des caractéristiques du transistor BC558B :


BC558B


En se reportant aux études précédentes, évaluer l’intensité iC lorsque letransistor est saturé.

Le transistor BC558B convient-il pour cette application?

Justifier la valeur de R5.


9.1.1.



FS34 « GENERATION D’UN SIGNAL CARRE150 kHz »

1. Rôle et nécessité de la fonction génération d’un signal carré 150 kHz :

Le rôle de la fonction « génération d’un signal carré 150 kHz » est de fournirdes impulsions dont le nombre est proportionnel à la température. Celles-ci sontcomptées par la fonction FS35 pour produire une information numérique de latempérature.

La fonction FS34 produit un signal carré de fréquence 150 kHz uniquementlorsque le signal DT° est au niveau logique bas.


R1927 kΩ

M

IT°

DT° D

C

A B1/4 IC41/6 IC21/6 IC21/6 IC2

C5100 pF

D51N4148

R18100 kΩ

1 1 &1

VC5


Le noyau de cette structure est identique à la structure de FS21.

Soient VA, VB, VC et VD les tensions respectives des points A, B, C et D.Soit VC5 la différence de potentiel aux bornes du condensateur C5.

Pour simplifier l’étude, on suppose que le condensateur ne peut se charger ouse décharger qu’à travers la résistance R19.

Compléter les chronogrammes suivant en précisant les instants decommutations ainsi que l’état de la diode D5.


9.1.2.


MVp

t (µs)5040302010

VC5

-Vp

Vp

t (µs)5040302010

VC

état D5

-Vp

Vp

t (µs)5040302010

IT°

Vp

t (µs)5040302010

VA

Vp

t (µs)5040302010

DT°

Vp

t (µs)5040302010


10.1.1.



FS36 « SELECTION DU SIGNE »

1. Rôle et nécessité de la fonction sélection du signe :

Le thermomètre mesure des températures comprises entre -28.0 et 99.9 °C.Pour cela, la fonction « génération d’un signal carré 150 kHz » produit le signalIT° dont le nombre de fronts montants correspond au nombre de dixièmes dedegré au-dessus de -28°C. Les 280 premières impulsions sont décomptées àpartir de 28.0 par la fonction FS35 « Décomptage / comptage » et le signe - estattribué aux valeurs obtenues. Lorsque FS35 atteint la valeur 00.0, le signedevient positif et les impulsions suivantes sont comptées.Le rôle de FS 36 est de sélectionner le signe et le mode décomptage oucomptage. Pour cela, la fonction FS36 sélectionne le signe - au début dechaque cycle de mesure et passe au signe + lorsque la fonction FS35 l’informepar le signal Z que la valeur 00.0 est atteinte.


SZ

Di

VC6

BA1/4 IC5

C6330 pF

R1522 kΩ

0V

&1/4 IC5

&

1/4 IC5

&


Soient VA et VB les tensions respectives des points A et B.Soit VC6 la différence de potentiel aux bornes du condensateur C6.

Le signal Z est au niveau logique bas seulement lorsque FS35 indique 00.0 enmode décomptage.


10.1.2.


Compléter la table de vérité suivante (St-1 représente l’état précédent de S) :

B Z St-1 S

1 1 0

1 1 1

1 0 0

1 0 1

0 1 0

0 1 1

Juste avant le passage du signal Di au niveau logique haut,• Le condensateur C6 est totalement déchargé.• Quelle est la valeur de VA ?• Quel est le niveau logique du point B ?

Juste après le passage du signal D i au niveau logique haut,• Quelle est la valeur de VA ?• Quel est le niveau logique du point B ?• Comment évolue VA ?

Ensuite,• Pour quelle valeur de VA la porte NAND commute-t-elle ?• Combien de temps après le passage du signal D i au niveau logique

haut cette valeur est-elle atteinte ?

Juste avant le passage du signal Di au niveau logique bas,• Quelle est la charge du condensateur C6 ?• Quelle est la valeur de VA ?• Quel est le niveau logique du point B ?

Juste après le passage du signal D i au niveau logique bas,• Quelle est la valeur de VA ?• Quel est le niveau logique du point B ?• Comment évolue VA ?


10.1.3.


Compléter les chronogrammes suivant en précisant les instants decommutations :

Vp

ZVp

t (µs)2010

VC6

Vp

t (µs)2010

VB

Vp

t (µs)2010

SVp

t (µs)2010

Di

Vp

t (µs)2010

VA

-Vp

t (µs)2010


11.1.1.



FS35 « DECOMPTAGE / COMPTAGE »

1. Rôle et nécessité de la fonction décomptage / comptage :

Le rôle de la fonction « décomptage / comptage » est de compter lesimpulsions issues de la fonction FS34 « génération d’un signal carré 150 kHz ».Leur nombre est proportionnel à la température et correspond au nombre dedixième de degré au-dessus de -28°C. Les impulsions sont comptées à partir de-280 pour produire une information numérique codée en BCD de latempérature.Le comptage est repositionné à -280 après chaque instant de mesure (lorsquele signal D est au niveau logique haut).


(4)

(3)

(2)

(1)

PL

CP

CE

U/D

B/D TC

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q04D

CTR DIV 10/16

M1

G 2.3+ / 2.3-

1.2 CT=0

1.2 CT=9

1.2 CT=15

1.2 CT=0

C4

G3

M2

(4)

(3)

(2)

(1)

PL

CP

CE

U/D

B/D TC

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q04D

CTR DIV 10/16

M1

G 2.3+ / 2.3-

1.2 CT=0

1.2 CT=9

1.2 CT=15

1.2 CT=0

C4

G3

M2

vers FS43(dizaine)

(4)

(3)

(2)

(1)

PL

CP

CE

U/D

B/D TC

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q04D

CTR DIV 10/16

M1

G 2.3+ / 2.3-

1.2 CT=0

1.2 CT=9

1.2 CT=15

1.2 CT=0

C4

G3

M2

0V

Vp

0V

IC7IC8IC9

0V

vers FS43(unité)

vers FS43(dixième)

Vp

SDIT°Z

C7

0V

avec:• IC7 : HEF4029B• IC8 : HEF4029B• IC9 : HEF4029B• C7 : 1 nF

3. Etude du fonctionnement de la structure:

A l’aide de la documentation du constructeur du HEF4029B et des étudesprécédentes, compléter les chronogrammes suivants :


11.1.2.


t (µs)

D

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IT°

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

S

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IC9

IC9

IC9

IC9

IC8

IC8

IC8

IC8

IC8

IC7

IC7

IC7

IC7

IC7

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Z

450420390360330300270240210180150120906030


11.1.3.


t (µs)

D

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IT°

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

S

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IC9

IC9

IC9

IC9

IC8

IC8

IC8

IC8

IC8

IC7

IC7

IC7

IC7

IC7

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Z

450420390360330300270240210180150120906030


11.1.4.


t (µs)

D

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IT°

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

S

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IC9

IC9

IC9

IC9

IC8

IC8

IC8

IC8

IC8

IC7

IC7

IC7

IC7

IC7

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Z

450420390360330300270240210180150120906030


11.1.1. (corrigé)




1. Rôle et nécessité de la fonction décomptage / comptage :

Le rôle de la fonction « décomptage / comptage » est de compter lesimpulsions issues de la fonction FS34 « génération d’un signal carré 150 kHz ».Leur nombre est proportionnel à la température et correspond au nombre dedixième de degré au-dessus de -28°C. Les impulsions sont comptées à partir de-280 pour produire une information numérique codée en BCD de latempérature.Le comptage est repositionné à -280 après chaque instant de mesure (lorsquele signal D est au niveau logique haut).


(4)

(3)

(2)

(1)

PL

CP

CE

U/D

B/D TC

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q04D

CTR DIV 10/16

M1

G 2.3+ / 2.3-

1.2 CT=0

1.2 CT=9

1.2 CT=15

1.2 CT=0

C4

G3

M2

(4)

(3)

(2)

(1)

PL

CP

CE

U/D

B/D TC

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q04D

CTR DIV 10/16

M1

G 2.3+ / 2.3-

1.2 CT=0

1.2 CT=9

1.2 CT=15

1.2 CT=0

C4

G3

M2

vers FS43(dizaine)

(4)

(3)

(2)

(1)

PL

CP

CE

U/D

B/D TC

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q04D

CTR DIV 10/16

M1

G 2.3+ / 2.3-

1.2 CT=0

1.2 CT=9

1.2 CT=15

1.2 CT=0

C4

G3

M2

0V

Vp

0V

IC7IC8IC9

0V

vers FS43(unité)

vers FS43(dixième)

Vp

SDIT°Z

C7

0V

avec:• IC7 : HEF4029B• IC8 : HEF4029B• IC9 : HEF4029B• C7 : 1 nF


A l’aide de la documentation du constructeur du HEF4029B et des étudesprécédentes, compléter les chronogrammes suivants :


11.1.2. (corrigé)


t (µs)

D

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IT°

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

S

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IC9

IC9

IC9

IC9

IC8

IC8

IC8

IC8

IC8

IC7

IC7

IC7

IC7

IC7

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Z

450420390360330300270240210180150120906030


11.1.3. (corrigé)


t (µs)

D

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IT°

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

S

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IC9

IC9

IC9

IC9

IC8

IC8

IC8

IC8

IC8

IC7

IC7

IC7

IC7

IC7

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Z

450420390360330300270240210180150120906030


11.1.4. (corrigé)


t (µs)

D

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IT°

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

S

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

IC9

IC9

IC9

IC9

IC8

IC8

IC8

IC8

IC8

IC7

IC7

IC7

IC7

IC7

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

TC

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q0

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q1

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q2

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Q3

450420390360330300270240210180150120906030

t (µs)

Z

450420390360330300270240210180150120906030


11.2.1.


TP : ETUDE STRUCTURELLE


1. Objectif de ce TP :

L’objectif de ce TP est de vérifier le bon fonctionnement de FS35.

En fonctionnement normal, la fonction FS35 « décomptage / comptage » estsollicitée pendant un instant très court (qui dépend de la température) toutesles 2 secondes environs (cycle de mesure). De ce fait, il est difficile d’effectuerdes mesures de contrôle sur cette fonction.

La méthode de contrôle envisagé consiste à séparer la fonction FS35 decertaines autres fonctions afin de vérifier son fonctionnement à vitesseconsidérablement réduite.

2. Enoncé du TP:

Les sorties des compteurs sont visualisées directement sur l’afficheur à cristauxliquides du thermomètre. Pour cela la fonction FS43 « décodage BCD / 7segments » doit demeurer totalement opérationnelle. Toutefois, la structure doitêtre modifiée pour que les verrous des décodeurs soit transparents.

La fonction FS35 est isolée des autres fonctions en effectuant les opérationssuivantes:

• déconnecter le signal D des entrées de remise à l’état initial descompteurs et appliquer sur celles-ci le niveau logique souhaité.

• déconnecter le signal S des entrées de sélectioncomptage/décomptage des compteurs et appliquer sur celles-ci leniveau logique souhaité.

• déconnecter le signal IT° des entrées d’horloge des compteurs etappliquer sur celles-ci un signal carré de valeur minimum 0 V, devaleur maximale 4.2 V et de fréquence 1 Hz environs.

Visualiser la sortie de retenue du compteur IC9 à l’aide d’un voltmètre.

Proposer une méthode de contrôle de la fonction FS35 et vérifier que celle-ciremplie correctement son rôle.


12.1.1.



FS44 « AFFICHAGE »

1. Rôle et nécessité de la fonction affichage:

Les informations issues des autres fonctions du thermomètre sont toutes denature électrique. Or l’information que l’utilisateur reçoit est visuelle. La fonctionaffichage réalise la traduction de l’information, modifiant le support de celle-cisans en modifier le contenu sémantique. La fonction FS44 calligraphie le signe,les 3 chiffres significatifs de la température et le point décimal.

2. Technologie des afficheurs à cristaux liquides:

2.1. Les cristaux liquides:

Ce sont des cristaux dans lesquels on peut obtenir une modificationd'orientation des molécules sous l'effet d'un champ électrique et ce à latempérature ordinaire. Ils sont basés sur le principe suivant. On a observéque les cristaux nématiques ont des molécules organiques de formeallongée et alignées dans une seule et même direction. Si on dispersedans le cristal une petite quantité d'une impureté ionique dissociée etqu'on la soumette à un champ électrique, il se produit une mise enmouvement des ions vers les électrodes. Sur leur passage, les ionsrencontrent les molécules et alignent l' axe de celles-ci dans une directiondéfinie par rapport à celle du champ. Si le champ électrique estinterrompu, les molécules reprennent leur arrangement initial.

Ils sont utilisés pour l'affichage et la visualisation dans les équipementsélectroniques.

2.2. Constitution:

Un afficheur est composé de deux plaques de verre parallèles.Sur la plaque avant on dépose, par évaporation cathodique, une couchetransparente d'oxyde d'indium ou d'étain.Par photogravure on forme les configurations correspondantes àl'affichage : 7 segments, 16 segments, 5 x 7 points, échelles, signesmathématiques, etc., ainsi que leurs sorties sur les côtés de la plaque deverre.


12.1.2.


La plaque de verre arrière est revêtue uniformément par la métallisation,c'est l'électrode commune.Un traitement des surfaces internes du verre oblige les molécules ducristal liquide à adopter les orientations prédéterminées etperpendiculaires entre elles. Les molécules s'orientent ainsi entre les deuxplaques en quart d'hélice (structure twistée).Les deux plaques sont soudées sur un cadre de l0 µm d'épaisseur enverre qui est rempli de cristal liquide sous vide.On colle sur les deux faces extérieures des plaques de verre les feuillesde polarisation croisée.On peut éclairer les afficheurs par réflexion ou par transparence. Pour unafficheur réflectif, on fixe une couche métallique brillante derrière lacellule.


12.1.3.


2.3. Fonctionnement :

Les cristaux liquides sont commandés par une tension alternative, car unetension continue provoque leur destruction par électrolyse.Au repos, les électrodes ne sont pas alimentées, ou plutôt, alimentées pardes signaux en phase, ne produisant aucune ddp entre elles. La lumièreest polarisée verticalement par le polariseur avant, elle traverse le verre.Elle est twistée par le cristal liquide et se trouve polariséehorizontalement. Elle traverse le verre et le polariseur arrière. Elle estréfléchie par le réflecteur et refait le même trajet en sens inverse.L'observateur ne voit sur l'afficheur qu'une teinte claire uniforme, sansaucune indication. Cependant, 50 % de la lumière incidente est absorbéepar les polariseurs.En fonctionnement, les segments du verre avant et l'électrode communedu verre arrière sont alimentés par des signaux en opposition de phase,produisant une ddp entre elles. La lumière incidente est polariséeverticalement, elle traverse le verre. Par l'effet du champ électrique etuniquement entre les segments commandés, l'orientation des moléculesdes cristaux liquides se fixe en fonction du champ et non plus de celle dueau traitement de surface des plaques de verre. La polarisation de lalumière reste verticale. Elle est arrêtée par le polariseur arrière et ne peutêtre réfléchie. Les segments commandés apparaissent en sombre surfond clair. Le contraste est de 30:1.Pour des applications spéciales on peut fabriquer des afficheurstransmissifs et non plus réflectifs. On supprime le réflecteur et on éclairel'afficheur par l'arrière. Selon la disposition des deux filtres de polarisationon peut fabriquer deux variantes. Si les filtres sont croisés, on obtient dessymboles foncés sur fond clair. S'ils sont dans le même sens, lessymboles sont clairs sur fond foncé. Ces afficheurs se prêtent auxprojections sur écran.

2.4. Différents modèles

Il existe un grand nombre d'afficheurs catalogués; on distingue :

• les afficheurs à 7segments :• hauteur des chiffres : 4,5 à 17,7 mm• tension : 3 à 5 V• fréquence : 25 à 200 Hz• consommation : 1.6 à 20 µA• Il existe des barrettes jusqu'à 16 chiffres.

• les afficheurs à 16 segments, alphanumériques. jusqu'à 16caractères.


12.1.4.


• les afficheurs à points 5 x 7, alphanumériques, jusqu'à 16caractères. Consommation : 5 µA/cm2.

• Il est possible de fabriquer un afficheur ayant plusieursdizaines caractères sur plusieurs lignes.

3. Choix technologique:

Comparer les avantages et les inconvénients d’un affichage à cristaux liquidespar rapport à un affichage à LED.

Justifier la solution retenue pour le thermomètre.

4. Documentation technique de l’afficheur à cristaux liquides orientés :

Afficheur à cristaux liquides orientés à 31/2 digits pour utilisation dans desappareils de mesure et pour des utilisations d’ordre général.

Caractéristiques générales:

Tension d’alimentation US 8 VVariation de tension d’alimentation UDC 50 mV

Température de service TU -15 à +60 °CTempérature de stockage TS -30 à +70 °C

Conditions de mesure : US = 5 V , f = 32 Hz, TU = 25 °C.Min. Typ. Max.

tension de seuil (pour 10% de contraste) UTH 1.7 VFréquence f 25 Hz 500 Hz

Consomation générale I 10 µATemps de mise en route ton 150 msTemps de mise en arrêt toff 350 ms

Rapport de contraste K 1:8Durée de vie t 50 000 H


13.1.1.



FS43 « DECODAGE BCD / 7 SEGMENTS »

1. Rôle et nécessité de la fonction BCD / 7 segments :

La fonction FS35 « décomptage / comptage » délivre le résultat du comptageen décimale codé en binaire. Il y a donc 4 bits par chiffre pour produirel’information. La fonction FS44 « affichage » utilise 7 signaux par chiffre pour ledessiner. Chacun de ces signaux correspond à un des 7 segments constituantle chiffre. Le rôle principal de FS43 est de faire correspondre à chaque codeBCD les 7 signaux nécessaires à l’affichage du chiffre, et cela pour les troischiffres.De plus, FS43 assure la mémorisation de l’affichage. En effet, en dehors desinstants de mesure (lorsque le signal D est au niveau logique haut), lescompteurs sont initialisés à 280, mais l’affichage doit indiquer la valeur finale ducomptage précédent.


versFS44

depuisFS35(unité)

BCD/7SEG

ENN109D 89D 4

9D 19D 2

BI

PH

DD

DC

DB

DA

LD

QgQfQeQdQcQbQa

d 10c 10

g 10f 10e 10

b 10a 10C9

versFS44

depuisFS35

(dixième)

IC12 IC11 IC10BCD/7SEG

ENN109D 89D 4

9D 19D 2

BI

PH

DD

DC

DB

DA

LD

0V 0V 0V

QgQfQeQdQcQbQa

d 10c 10

g 10f 10e 10

b 10a 10C9

versFS44

depuisFS35

(dizaine)

BCD/7SEG

ENN109D 89D 4

9D 19D 2

BI

PH

DD

DC

DB

DA

LD

QgQfQeQdQcQb

Fd

M

Qa

d 10c 10

g 10f 10e 10

b 10a 10C9


Fd est le signal de fond d’affichage.Rappeler les caractéristiques du signal Fd :


13.1.2.


Le signal M est le signal inverse du signal IT°.

A partir de la documentation du circuit HEF 4543B, compléter le tableau suivanten précisant si les signaux Fd et QX sont en phase (P.) ou en opposition dephase (O.P.) :

DD DC DB DA MFd&Qa

Fd&Qb

Fd&Qc

Fd&Qd

Fd&Qe

Fd&Qf

Fd&Qg

affichage

0 0 0 0 1

0 0 0 1 1

0 0 1 0 1

0 0 1 1 1

0 1 0 0 1

0 1 0 1 1

0 1 1 0 1

0 1 1 1 1

1 0 0 0 1

1 0 0 1 1

x x x x 0

Décrire les données affichées lors d’un cycle de mesure et l’aspect del’affichage :


14.1.1.



FS41 « MISE EN OPPOSITION DE PHASE »

FS42 « SELECTION DE PHASE »

1. Rôle et nécessité des fonctions FS41 et FS42 :

Le rôle de la fonction « mise en opposition de phase » est de fournir un signalen opposition de phase avec le signal de fond d’affichage Fd. Ce signal, S-,alimente, sur l’afficheur, le segment correspondant au signe - et le pointreprésentant la virgule. Cet affichage est permanent.

Le rôle de la fonction « sélection de phase » est d’alimenter le segment del’afficheur correspondant à la barre verticale du signe +.Si le signal de signe S est au niveau logique haut, le signal S+ issu de FS42 esten opposition de phase avec le signal de fond d’affichage Fd et le signe + estconstitué.Si le signal de signe S est au niveau logique bas, le signal S+ issu de FS42 esten phase avec le signal de fond d’affichage Fd et le signe - apparaît.

2. Schéma structurel des fonctions FS41 et FS42 :

S

Fd

Vp

S+

S-

1/4 IC6

=1

1/4 IC6

=1


Chacune des deux fonctions fait appel à une seule porte logique.

Quel est le nom de cette porte ?


14.1.2.


Rappeler la table de vérité de cette porte :

Compléter les chronogrammes suivant :

t( ms)

560520480440400360320280200 240120 16040 80

Fd

t( ms)

560520480440400360320280200 240120 16040 80

S

t( ms)

560520480440400360320280200 240120 16040 80

S-

t( ms)

560520480440400360320280200 240120 16040 80

S+

A B S0 00 11 01 1

A

BS

1/4 IC6

=1

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