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 Interface oscilloscope numérique

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تاريخ التسجيل : 25/10/2010

مُساهمةموضوع: Interface oscilloscope numérique   الأحد 24 يونيو 2012 - 15:38

Interface oscilloscope numérique – voltmètre pour PC



I. Le cahier des charges





Le but du montage est le remplacement des oscilloscopes classiques dont le prix est rédhibitoire pour le budget alloué à la physique en collège par un moyen abordable et suffisant en regard du programme. L’essentiel, vu le programme du collège étant la visualisation du courant alternatif à la fréquence du secteur, ainsi que son redressement et filtrage. Or avec le renouvellement du parc informatique, des ordinateurs de type pentium première génération, voire des 486 à 100 MHz sont facilement disponibles et de puissance suffisante pour l’expérimentation. Il nous faudra donc une interface de mesure répondant aux conditions suivantes ;

- Faible coût ( < 20 € )

- Bande passante du continu à quelques kilohertz

- Connexion facile à l’ordinateur sur une prise existante

- Si possible, pas d’alimentation externe

- Résistante aux erreurs de manipulation

- Réalisation facile

- Utilisation simple





II. Le choix



1) La connectique



- La prise USB

Cela permettrait effectivement une connexion simple, mais d’une part elle n’existe pas sur des ordinateurs anciens, d’autre part il faudrait un module d’adaptation ou un microprocesseur qu’il faudrait programmer.

- La prise série

La solution est intéressante et on peut en tirer la tension d’alimentation du montage. Mais les signaux ne sont pas aux normes TTL et il faudrait les convertir.

- La prise parallèle pour imprimante

On dispose de 17 lignes en entrée ou sortie aux normes TTL, ce qui est plus que suffisant et on peut facilement tirer quelques milliampères d’une sortie, de quoi alimenter le montage.

- L’entrée ligne de la carte son serait idéale, un CAN à deux voies avec une fréquence d’échantillonnage de 44 kHz ou plus se trouve sur cette carte son et les logiciels sous Windows se trouvent facilement sur le net. Malheureusement la liaison en entrée se fait par condensateurs et la bande passante dans les graves est limitée, donc pas moyen de visualiser l’effet du redressement et du filtrage sur une tension alternative.



2) Le convertisseur



Pour transformer une tension analogique en un signal numérique compréhensible par l’ordinateur, il faut un convertisseur analogique-numérique ( CAN ) qui se présente sous la forme d’un circuit intégré. Le prix des CAN est très variable et dépend de la vitesse de conversion, de la précision de la mesure et du type de sortie. Notre choix s’est porté sur le MAX1243 de chez Maxim qui est un circuit peu onéreux, à 8 pattes, conversion sur 10 bits ( mesure sur 1024 points ), de faible consommation et largement assez rapide ( Conversion en moins de 7,5 µs ). La plage de tension d’entrée va de 0 à 2,5 V et la sortie se fait sous forme série synchrone, qui ne nécessite donc que deux fils, un pour les données et l’autre pour l’horloge. Il faudra en plus un fil de masse, un fil d’alimentation et un fil pour déclencher la mesure.



III. Le montage





Figure 1 : Schéma






Le montage est alimenté par la sortie D0 de la prise imprimante à travers une diode Schottky de protection et est filtrée par un condensateur de 47 µF en parallèle avec un condensateur céramique de 0,1 µF. La sortie D1 commande l’horloge pour la lecture de la mesure et la sortie D2 déclenche la conversion. Le signal de sortie est récupéré sur l’entrée « error » de la prise imprimante.



Une référence de tension précise est fournie par une zener programmable TL431 associée à un condensateur de 10 µF.



La tension à mesurer passe par un pont diviseur. Une tension continue est additionnée à la tension d’entrée, ce qui permet la mesure de tensions négatives. Les valeurs sont calculées pour une tension d’entrée évoluant entre + 20 et – 20 V, afin d’afficher sans réglages une tension alternative de 12 V efficaces. Les tolérances sur les composants seront corrigées par deux réglages : zéro et calibre.



Deux diodes Schottky protègent le circuit contre d’éventuelles surtensions en entrée.



IV. La réalisation



- Le circuit imprimé :



L’ensemble du montage prend place sur un petit circuit imprimé simple face étudié pour éviter les pistes fines et les passages de pistes entre les pattes du circuit intégré, afin de faciliter la soudure aux personnes peu expérimentées.



Figure 2 : le circuit imprimé à l’échelle 2





Pour la gravure et le perçage du circuit, le matériel et les compétences se trouvent habituellement du côté de l’atelier de technologie. Le typon s’obtient en imprimant l’image du circuit sur un transparent (Fichier « MAX1243 circuit imprimé.BMP »). Attention au sens ! Utiliser le transparent adapté au type d’imprimante, il est différent pour une imprimante laser que pour une jet d’encre. Sur une jet d’encre, sélectionner le bon type de papier, et pas forcément « transparent », il faudra faire des essais pour avoir un résultat net et le plus noir possible. Pour ma part, j’utilise « haute définition ».



Tous les trous se percent à 0,8 mm sauf ceux de connexion du câble vers le PC à 1 mm et les pastilles d’entrée à 1,2 mm.

- L’implantation des composants



Figure 3 : l’implantation des composants et connexions à l’échelle 2









On commencera par implanter les composants bas – résistances et diodes -, puis les condensateurs, les ajustables et la zener, et en dernier le circuit intégré, qui pourra éventuellement bénéficier d’un support. Attention à l’orientation du circuit intégré, du condensateur chimique et des diodes.



Ensuite on câblera le fil de liaison au PC, en n’oubliant pas de le passer au préalable dans le trou du boîtier. La masse de ce câble se soude plus facilement directement côté cuivre qu’en le passant dans un trou du CI, à moins de le percer à 1,5 ou 1,8 mm.



Figure 4 : le brochage de la prise imprimante et son câblage

Fiche mâle vue de derrière ou prise femelle vue de devant







1 14











18





















13 25









Le boîtier sera percé à un bout de deux trous pour les bornes de mesure, choisies conformes aux normes de sécurité, de l’autre d’un trou pour le câble vers la prise imprimante.



A ce stade, on vérifiera soigneusement à la loupe les soudures et les pistes pour détecter les courts-circuits, coupures et autres défauts.



La liaison entre les douilles d’entrée et le circuit sera réalisée avec du fil de cuivre rigide de 1,2 mm de diamètre assurant en même temps la fixation du circuit, et un petit collier rilsan évitera l’arrachement du câble côté PC.



V. Les essais et réglages



Raccorder l’interface au PC, le démarrer sous DOS ou un Windows 95 ou 98, et lancer Qbasic et le programme « Voltmetr.bas ». Vérifier la présence d’une tension de 3 à 4 V sur la broche 1 du CI ( Vdd ) et de 2,5 V sur sa broche 4 ( Ref ). L’affichage doit être proche de zéro. Court-circuiter l’entrée et régler le zéro (Potentio de 4,7 kW). Ensuite appliquer une tension connue proche de 20 V et régler le calibre (Potentio de 47 kW). . Recommencer plusieurs fois ces opérations, les deux réglages interagissent légèrement. Il est normal de ne pas trouver exactement zéro en circuit ouvert.



VI. L’utilisation



L’impédance d’entrée de l’interface est de l’ordre de 150 kW, pour que l’interface n’influence pas trop le circuit à tester, l’impédance du montage au point de mesure ne devrait pas dépasser 1 kW.



Par sa liaison à l’ordinateur, la masse de l’interface est reliée à la terre, l’alimentation du montage d’essai devra donc être impérativement en double isolation, la sortie étant flottante par rapport à la terre. Il en est de même si d’autres appareils de mesures sont connectées au montage, afin d’éviter tout court-circuit ou boucle de masse par la prise de terre.



Le programme « osciomax.bas » affiche dans une fenêtre de 256 points sur 400 points la courbe relevée, en pointillés, avec une résolution de 0.15 V et une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz. Un test de vitesse en vue de l’ajustement de cette fréquence est lancé au démarrage, mais le programme peut éventuellement nécessiter des ajustements des boucles de temporisation en fonction de la vitesse de l’ordinateur. Si l’ordinateur est trop lent ( 486 ou pentium à moins de 200 MHz ), il faudra utiliser Quickbasic et compiler le programme ou se contenter d’une fréquence d’échantillonnage plus faible. Le programme comporte aussi une synchro réglée au passage à zéro en front montant. Ce programme ne fonctionne correctement que sous DOS (DOS 6.22 ou DOS de Windows 95 ou 98), la temporisation se faisant par boucles de programme, celles-ci sont faussées par les interruptions de Windows lorsqu’il vaque à ses propres affaires, d’où une courbe instable et cassée.



Le Qbasic utilisé est celui livré avec le DOS de Microsoft version 6.22 Qbasic.zip



Le circuit imprimé, les programmes et la fiche technique du MAX1243 sont regroupés dans le fichier interface.zip



Pour me joindre pour toutes questions, suggestions, problèmes ou erreurs à corriger :

bernard.schaffner@ac-strasbourg.fr

en précisant bien pour objet « MAX1243 », sinon le message passera à la trappe du spam.

I. Liste des composants



Quantité


Référence






1


MAX 1243

1


TL 431

3


Diode Schottky BAT 85

1


Condensateur radial 10 µF 16 V

1


Condensateur radial 47 µF 16 V

1


Condensateur 0,1 µF 63V

1


Résistance 150 kohms 1/4 W

2


Résistance 18 kohms 1/4 W

1


Résistance 1,5 kohms 1/4 W

1


Ajustable horizontal multitours 47 kohms

1


Ajustable horizontal multitours 4,7 kohms

1


Coffret MMP 01

2


Borne 4 mm isolée

1


Fiche DB25 mâle avec capot

1 m


Câble 4 cond. blindé

1


Circuit imprimé 4,5 cm x 5 cm



II. Variantes



On pourra facilement modifier le diviseur en entrée pour obtenir d’autres gammes de tension, en alternatif ou en continu. Pour une mesure de tension toujours positive par rapport à la masse, il faudra supprimer la résistance de 18 kW entre l’entrée et la tension de référence. La sensibilité maximum est atteinte en ne laissant que 100 kW en série avec l’entrée comme protection et en supprimant les résistances vers la masse. La plage de tension s’étale alors de 0 V à 2,5 V.



En jouant sur les variables de temporisation, ou en utilisant le timer de l’ordinateur, la fréquence d’échantillonnage pourra diminuer pour relever des phénomènes lents qui ne laisseraient qu’un point mobile sur un oscillo conventionnel, comme le relevé de la courbe d’amplitude décroissante d’un pendule dont l’axe est un potentiomètre, ou la courbe de charge ou de décharge d’une batterie ou d’un condensateur, voire un relevé de température tout au long de la journée avec un capteur et un ampli





Le circuit imprimé terminé, il ne manque plus que le boîtier





Gros plan sur le CAN





Le circuit monté dans son boîtier, sans le couvercle







Les douilles isolées en entrée, pour fiches banane protégées



الرابط للمزيد من الإطلاع على الموضوع

http://bschaffner.free.fr/interface.htm
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مُساهمةموضوع: رد: Interface oscilloscope numérique   الإثنين 25 يونيو 2012 - 4:29

تشكر على هذا الدعم اخوى ادمين
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