Systèmes numériques, électronique et communications

Catégorie : Systèmes et projets

Si carré et pourtant… sinus !

En 2019, au Lycée Cabanis de Brive, un des projets de nos étudiants de BTS SN était un boîtier de commande d’un onduleur IGBT. Le but de ce boîtier, interfacé à un PC en USB, était de générer les signaux de commande pour réaliser un hacheur ou un onduleur. Ce projet utilisait un circuit PSoC5. Durant la phase de pré-étude de ce projet, je me suis posé une question :

Comment générer un signal sinusoïdal à f = 50 Hz, à partir d’un signal PWM avec un PSoC ?

On rappelle PWM : pulse width modulation ou MLI en français (modulation de largeur d’impulsion). On ne présente plus le PSoC, on en parle souvent sur ce site !

Conception PSoC

La structure retenue est la suivante :

Schéma PWM PSoC
Onduleur sinus PWM

On utilise un composant PWM 8 bits attaqué par une horloge Clock_1.

La configuration du PWM est la suivante :

Configuration du PWM PSOC
Configuration PWM

Le PWM est constitué d’un (dé)compteur qui compte de 255 à 0. La sortie PWM est à 1 lorsque l’état du compteur est inférieur ou égal (Less or Equal) à un entier CMP_Value_1. La fréquence du signal PWM est donc égale à la fréquence de l’horloge divisée par 256.

Pour obtenir un signal PWM à valeur moyenne sinusoïdale, nous allons alors à chaque fin de cycle du compteur PWM (détecté par la broche TC = Terminal Count) déclencher une interruption (ISR_1). Cette interruption va modifier la valeur de CMP_Value_1. La suite des valeurs de CMP_Value_1 suit une loi sinusoïdale.

La figure suivante illustre ce principe :

PWM et sinus
PWM sinusoïdale

Nous avons choisi une suite de 256 valeurs pour les valeurs de CMP_Value_1. Pour obtenir une sinusoïde de fréquence 50 Hz, il faut que la fréquence de l’horloge soit égale à 256 x 256 x 50 = 3,2768 MHz.

Le programme

Le programme est donné ci-après :

Programme en C du PWM sinus
Programme PSoC

On définit d’abord un tableau TabSinus de 256 éléments. Celui-ci va contenir les 256 points constituants la sinusoide.

La routine d’interruption Cy_ISR, appelée à chaque fois que le compteur du PWM a terminé son comptage, configure le nouveau rapport cyclique du PWM avec la valeur qu’elle va chercher dans le tableau TabSinus.

Le programme principal fait clignoter la led et, si le bouton-poussoir est appuyé, on diminue l’amplitude du signal sinusoïdal en écrivant une nouvelle suite de valeurs dans TabSinus.

Les résultats

Et ca marche ? Regardons un peu les mesures que j’ai faites avec mon vieux Tektro. C’est un scope analogique mais avec de la mémoire numérique (Tektronix 2212). Une antiquité (cet appareil a une trentaine d’années), mais qui fait très bien le job !

Signal PWM et sinus obtenu
PWM et sinus

En haut avec un calibre 5V/carreau, le signal PWM.

En bas, le même signal filtré par un passe-bas du 1°ordre (RC = 1kΩ.1µF), calibre 1V/carreau.

On remarquera que le PWM est plutôt à 1 quand le sinus est max et plutôt à 0 quand le sinus est bas.

Le détail est visible ici :

PWM et sinus : zoom
PWM et sinus – zoom échelle des temps

Sur cette deuxième figure, on observe bien que le rapport cyclique du PWM (donc la largeur des impulsions) diminue quand le signal sinusoïdal est décroissant !

Alors, pas mal, non ?

Et qui on est, hein ?

Un multimètre PSoC

Un mini projet

En BTS Systèmes numériques au lycée Cabanis de Brive, nos étudiants travaillent en mini-projet à la réalisation d’un multimètre rudimentaire.

Ce multimètre est construit autour d’un kit PSoC 5 (KIT-059). Il réalise les fonctions Voltmètre continu (0 à 50V) et Ohmmètre (1 Ω à 1MΩ) avec des calibres automatiques, bien entendu !

Ce projet est découpé en plusieurs phases entre la fin de la première année (avant de partir en stage) et le début de la deuxième année.

Pré-requis : avoir pris en main PSoC. C’est fait sur ce TP.

PSOC KIT-059
PSoC KIT-059

Phase 1 : saisie du schéma

Le schéma structurel est donné aux étudiants dans sa version papier. Les étudiants doivent le saisir sous KiCAD qu’ils découvrent à ce moment-là. KiCAD est un très bon outil de CAO électronique gratuit et libre.

Schéma structurel multimètre PSoC
Schéma multimètre PSoC

Il n’y a pas beaucoup de composants : le kit PSoC-059, un afficheur LCD, un petit interrupteur (pour basculer Voltmètre/Ohmmètre), 2 leds (dont 1 témoin d’alimentation), un buzzer, quelques composants pour l’alimentation. La carte est alimentée par un boitier d’alimentation en sortie jack (V> environ 8V). Le pont de diode à l’entrée permet de s’affranchir de la polarité de la tension d’entrée (et d’éviter de « griller » notre PSoC par inversion de polarité). Sur l’entrée Voltmètre, un pont diviseur /11 permet de mesurer des tensions jusqu’à 50V. Les résistances sont à calculer par les étudiants !

Après la saisie du schéma vient la phase d’affectation des empreintes et passage au routage.

Phase 2 : routage

Le routage se fait avec KiCAD. Pour les étudiants, c’est leur premier routage, les contraintes ne sont pas trop sévères :

  • taille de la carte < 1/2 page A4 ( max 10 cm x 15 cm)
  • le placement des composant doit respecter le bon sens et un minimum d’esthétisme.
  • Les tailles des pistes et vias sont imposés.
  • La carte étant réalisée localement, il n’y a pas de trous métallisés : toutes les pistes des composants doivent partir de dessous.

Le routage se termine avec la remise des fichiers GERBER.

Phase 3 : câblage

Les étudiants récupèrent le circuit imprimé nu. Ils câblent les composants. La plupart des composants sont traversants, à l’exception des résistances et des condensateurs <100 nF qui sont des composants CMS. Généralement, cette phase est effectuée en fin de première année. Ils n’oublient pas de câbler les traversées (vias). La plupart des composants (afficheur LCD, PSoC, douilles, etc…) sont récupérés d’une année sur l’autre. C’est aussi ça le développement durable !

Phase 4 : programmation

C’est l’essentiel du développement. Il faut concevoir le circuit interne au PSoC et écrire le code C. Cette phase se déroule normalement à la rentrée de deuxième année.

L’architecture interne est la suivante :

Architecture interne circuit multimètre PSoC

L’architecture interne est articulée autour d’un CAN 12 bits (ADC_SAR).

Un multiplexeur analogique permet de commuter entre les voies Ohmmètre et Voltmètre sur l’entrée du CAN .

Sur l’entrée Ohmmètre, un CNA (DAC) 8 bits à sortie en courant injecte un courant dans la résistance de mesure. En jouant sur plusieurs valeurs du courant, on obtient plusieurs calibres de mesure de résistance. La résistance est calculée en appliquant la loi d’ohm R = Umesuré/Iinjecté.

Sur l’entrée Voltmètre, un amplificateur programmable PGA (programmable Gain Amplifier) permet d’amplifier le signal avant de le mesurer. En jouant sur plusieurs gains, on obtient plusieurs calibres. Ainsi, le CAN travaille toujours à niveau important, on obtient alors une meilleure précision.

L’afficheur LCD permet d’afficher les mesures.

Un PWM permet de piloter le buzzer (il doit sonner si la résistance mesurée est faible).

Le code C permet de gérer l’IHM (comme la gestion du switch) et les algorithmes de calibres automatiques. Pour chaque calibre, un étalonnage et réalisé ce qui permet d’obtenir une précision <5%.

Phase 5 : recette

A la fin du projet, les étudiants effectuent la recette de leur produit et rédigent un rapport où ils expliquent les solutions retenues et les résultats obtenus.

Ca ressemble à quoi ce multimètre ?

Voici la photo d’une carte multimètre réalisée par un binôme d’étudiants.

Maquette Multimètre PSoC
Multimètre PSoC

Pas mal, non ? Et qui on est, hein ?

Divers : systèmes et projets

Retrouvez ici des TP sur des systèmes mais aussi des choses inclassables, amusantes ou curieuses.


L’analyseur de lunettes de soleil  SGA (Sun Glass Analyser)

C’est un appareil de mesure permettant de déterminer le pouvoir filtrant des verres des lunettes de soleil. Ce système est intéressant par ses aspects optoélectroniques. Les structures électroniques analogiques et numériques mises en jeu sont assez classiques mais pas inintéressantes. 5 TP sont présentés ici. Ces TP sont destinés à des étudiants de seconde année de BTS des systèmes électroniques, il sont destinés à les préparer à l’épreuve E5 : Installation et intervention sur un système technique.


Le TP d’installation du système (TP sur 2 séances, TP 1 et 2)


Le TP sur les structures d’émission (TP 3)



Le TP sur les structures de réception (TP 4)



Le TP sur l’alimentation (TP 5)



Le thérémine

mini-projet de BTS Systèmes électroniques. Le thérémine est un instrument de musique étonnant qui fonctionne sans contact entre le musicien et l’instrument. Le thérémine est présenté, suivi d’une étude fonctionnelle et d’un découpage en mini-projets pour plusieurs étudiants.

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