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  Avant propos :

    Cette page "Fonctionnement" n'a pas la prétention, ni la vocation d'être le recueil exhaustif des choix technologiques employés tout au long de la mise au point du présent dispositif. Une page seule n'y suffirait pas...
       En revanche, elle offre une vision globale du fonctionnement en faisant référence au schéma structurel, si le besoin s'en fait sentir...

  Synoptique général du générateur de fonctions d'ondes de formes arbitraires :

     Le générateur de fonction est composé de plusieurs ensembles tels que :

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  Description des différents étages de l'analyseur logique :

      Section synthèse numérique directe (DDS)  et mémoire RAM :

     Coeur du système, le générateur de synthèse numérique directe (DDS) est implanté au sein du circuit logique programmable de type CPLD référencé U1. Il est cadencé par un oscillateur à quartz XC1 de 64MHz sur sa broche 54. Ceci permet d'obtenir une excellente stabilité en fréquence sur le signal de sortie.
      La sélection de la fréquence délivrée par le générateur DDS est envoyée par le microcontrôleur U2 de gestion sur les broches 16 référencée SDA et 6 référencée SCL de U1. N'oubliez pas que notre registre à saut de phase est composé de 16 bits comme nous l'avons vu à la page [ La théorie du générateur ]. Cette communication sérielle permet de réduire le nombre de liaisons électriques à 2 au lieu de 16 si nous avions fait le choix d'un transfert parallèle entre U2 et U1.
      L'ensemble des autres signaux de commande présents sur les broches 3, 4, 65, 66 et 67 de U1 permettent de gérer le fonctionnement en mode maître - le PC programme les octets dans la RAM - et en mode esclave - le CPLD travaille tout seul en relisant en boucle le contenu des octets programmés en RAM à une fréquence déterminée. Ainsi selon le mode de fonctionnement, U1 passe du mode maitre à celui d'esclave.
      La broche 64 de U1 permet de piloter le mode haute impédance du bus de donnée qui transite dans le CPLD U1. En effet, ce bus provenant du microcontrôleur U2 traverse un octuple tampon non inverseur disposant de sorties à 3 états au sein de U1. Cette précaution s'avère nécessaire en mode esclave afin d'isoler le microcontrôleur du reste de la RAM et du CNA (convertisseur numérique - analogique).

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     Le bus d'adresses quant à lui est directement délivré par le générateur DDS implanté dans le CPLD sur 15 bits comme nous l'avons évoqué également à la page [ La théorie du générateur ]. Le 16ème bit présent sur la broche 30 de U1 permet de générer l'horloge nécessaire au fonctionnement du CNA avec une fréquence maximale de 32MHz, moitié de la fréquence de l'oscillateur d'après la théorie du générateur DDS.
     Enfin, les modes d'écriture ou lecture et validation des sorties de la RAM sont gérés par le microcontrôleur U2.

 

     Le microcontrôleur de gestion :

         Le microcontrôleur U2  est le chef d'orchestre du générateur. Il permet d'une part de réaliser le dialogue entre le PC et l'instrument via la liaison USB, mais d'autre part, il assure le transfert des octets à programmer dans la RAM ainsi que la gestion des différentes commandes. Ces dernières sont au nombre de 3, le réglage de l'offset du signal, la sélection du filtre passe-bas en sortie du CNA et le réglage de l'amplitude du signal de sortie.

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           La led D1 est illuminée en feu fixe à la mise sous tension de l'instrument mais durant le transfert des octets entre le PC et la RAM, la led clignote rapidement au rythme du flux de données transmis par liaison USB.

     Le convertisseur numérique - analogique (CNA) et l'amplificateur différentiel :

         Elément essentiel de tout générateur numérique de fonctions, le CNA référencé U9 se doit d'être le plus précis, le plus rapide et le plus linéaire possible. Nous avons eu recours au TDA8702 conçu par la firme Philips dédié au domaine de la vidéo-composite. Toutefois, il est également un excellent candidat pour ce projet de part sa simplicité de mise en oeuvre, son approvisionnement aisé et ses caractéristiques électriques excellentes.
         Seule ombre au tableau, sa fréquence de fonctionnement limitée à 30MHz, alors que notre application doit fonctionner avec une horloge maximale de 32MHz. Toutefois, les tests et mesures successifs ont montré que cette limite théorique pouvait être largement dépassée de plus de 2MHz permettant d'atteindre la fréquence de fonctionnement requise de 32MHz. Plusieurs tests ont été effectués sur plusieurs versions du circuit (6 au total) et le fonctionnement correct du CNA à cette fréquence est garanti à 100%.

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         Le TDA8702 dispose de sorties complémentaires référencées Vout en broche 14 et -Vout en broche 15. Il intègre également une référence de tension en broche 1 filtrée par le condensateur C26.

        Son fonctionnement est très simple :
            lorsque CLK en broche 5 est au niveau bas, tout changement de données en entrée est converti en sorties analogiques.
           lorsque CLK est au niveau haut, le signal analogique reste stable indépendamment de tout changement sur le bus de données D0 à D7.

        Les tensions analogiques en sortie Vout et  -Vout sont référencées par rapport à +5V-A (tension 5V dédiée à la section analogique du générateur). Avec une impédance de 75 ohms vue par ses sorties, le code 0 en entrée correspond en sortie à Vout = +5V-A = 5V. En revanche, le code 255 correspond en sortie à Vout = +5V-A - 0.8V = 4.2V (voir datasheet du circuit).

         Les sorties complémentaires Vout et -Vout sont regroupées sur les entrées d'un amplificateur différentiel référencé U10. Le choix de l'ampli-opérationnel est important car au cas où celui-ci aurait un slew-rate faible, il pourrait introduire une dégénérescence importante du signal analogique.         N'oublions pas que nous qualifions ce générateur d'arbitraire, donc tout signal à générer ce doit d'être disponible en sortie avec le moins de distorsion possible. Ainsi, au cas où l'on choisit de générer un signal rectangulaire d'amplitude et de fréquence maximale, les transitions au niveau de l'ampli-opérationnel seront aussi raides que possible. On a donc prévu pour minimiser l'effet du slew-rate de choisir un ampli-opérationnel performant tel que l'AD811 d'Analog Device.

         Comme évoqué précédemment, l'ampli-opérationnel U10 est monté en amplificateur différentiel. Si R6 = R7 on peut les assimiler à une seule résistance nommée R67 et R8 = R9 peut également être assimilée à une seule résistance nommée R89. Dans ce cas la tension Vs de sortie répond à la relation suivante bien connue :

        Afin d'être au plus proche de la relation précédente, nous avons eu recours à des résistances ayant une tolérance de 1% pour une amplification globale de 1,5.

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Oscillogrammes des signaux Vout,  -Vout et Vs de U9 et U10
pour une onde sinusoïdale de 1kHz.

     Conversion du signal analogique vers des niveaux TTL :

        Le transistor monté en collecteur-commun constitué par Q1 et R37 suivi du transistor monté en base commune constitué par Q2 et R38 permettent d'obtenir en sortie Vout un signal toujours positif compris entre 0V et 5V. Les inverseurs de type 74HC14 montés en parallèle permettent d'obtenir sur la sortie Trig Out TTL des fronts bien raides avec des niveaux logiques TTL parfaits et un courant suffisant pour la charge utilisée.

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Oscillogrammes des signaux Vin sur la base de Q1,  Vout sur le collecteur de Q2
et Trig Out TTL en sortie du générateur pour un signal incident sinusoïdal de 1kHz.

     Réglage de l'amplitude du signal :

         Le réglage de l'amplitude du signal a été confié à un potentiomètre numérique U14 du constructeur Intersil. Existant en 4 versions proposant pour chacune une résistance différente, nous avons retenu le modèle X9C103 de 10kohms comportant l'équivalent de 100 éléments résistifs en série. Ainsi à la manière d'un pont diviseur, il est possible de faire varier l'amplitude du signal sur une centaine de pas déterminés à partir des broches 2 référencée U/D et 1 référencée INC du circuit pilotées par le microcontrôleur U2.

          La gestion du circuit U14 est très simple et il est facile de l'utiliser sans avoir recours à un microcontrôleur. De plus, il mémorise en l'absence d'alimentation électrique la dernière position occupée par le potentiomètre numérique qu'il reprend dès sa remise sous tension. Sa bande passante dans le domaine des fréquences qui nous intéressent est acceptable vis à vis d'autres modèles dont la bande passante dans l'audio (20Hz - 20kHz) en font de mauvais candidats pour ce projet.

         Afin de ne pas charger la sortie du potentiomètre numérique, un ampli-opérationnel haut de gamme AD847 référencé U15 monté en suiveur de tension adapte l'impédance pour l'étage suivant. Ne remplacez pas l'AD847 par un AD811 car la consommation en courant de ce dernier est trop importante et la partie alimentation (U7) serait trop sollicitée.

     Filtres de lissage du signal :

         Le rôle de filtre passe-bas est d'une part de lisser le signal c'est à dire supprimer les marches d'escaliers dues à l'échantillonnage mais d'autre part, de supprimer les harmoniques supérieurs indésirables produits par l'échantillonnage du signal.   

      Pour ce faire nous utilisons plusieurs filtres passe-bas sélectionnables via un multiplexeur analogique de type 8 vers 1. Pour chaque gamme de fréquence (7 gammes dans notre cas) est associée un filtre passe-bas. Toutefois, l'utilisateur du logiciel sous Windows peut choisir le filtre qui satisfait au mieux la reproduction la plus fidèle du signal en sortie.
      La position X0 du multiplexeur U11 permet l'acheminement direct du signal In vers la sortie Out sans passer par l'un des 7 filtres.
 

     Les étages de la sortie analogique :

         L'amplificateur opérationnel U12 monté en non-inverseur permet de ne pas charger le filtre passe-bas qui le précède grâce à son impédance d'entrée élevée en broche 3. Il assure également une amplification de 1,56 au signal présent sur cette même entrée.
         Sur la broche 2 de U12  est appliquée une tension continue modifiable par l'utilisateur depuis le logiciel permettant d'introduire un décalage horizontal au signal de sortie par l'introduction d'un offset. Nous y reviendrons en détail un peu plus loin...

           Le signal résultant de l'amplificateur U12 présent sur la broche 6 est acheminé vers la broche 2 d'un dernier amplificateur U13 monté en inverseur. Il introduit une amplification réglable de 1 à 2  via l'ajustable P2 de manière à obtenir en sortie broche 6, une amplitude de +/-10V crête à crête maximale pour les formes d'onde délivrées par le générateur.
           Un relais reed référencé REL1 piloté par le microcontrôleur U2 permet de déconnecter la sortie analogique du générateur lors de chaque phase de programmation des échantillons en RAM représentatifs de la forme d'onde souhaitée. On évite ainsi l'apparition de transitoires en sortie durant cette phase.

     Générateur d'offset : 

         Le générateur d'offset peut paraitre compliqué mais en fait il est basé sur une structure très classique. Elle est composée d'un ampli-opérationnel U17 monté en additionneur - inverseur. C'est lui qui se charge de produire une tension variable évoluant entre +8V et -8V (environ) en sortie broche 6 nommée offset.
         Pour ce faire, le port B d'un microcontrôleur PIC18F628A référencé U18 est directement relié aux différentes entrées de l'additionneur sur les broches RB0 à RB7 positionnées par programmation en sorties. En faisant varier l'état logique des ces 8 sorties entre 0 et 5V on obtient en sortie de U17 une variation de tension par paliers dont les extrêmes sont compris entre -8V et +8V.
         Une 9ème entrée de l'additionneur reliée au potentiel -5V permet quant à elle de positionner le signal de sortie sur zéro lors de la phase d'étalonnage...

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        Si l'on affecte aux différentes entrées du sommateur les références U1 à U8, nous obtenons les relations suivantes liant Vs aux entrées :

        soit :

        Le plus petit pas de tension est obtenu pour U1=+5V et U2 à U8 = 0V, soit Vs= -78mV si l'on ne tient pas compte de la branche composée de P1 et R27.
        Si U1=0V et U2=+5V alors Vs= -155mV en faisant toujours abstraction de la branche P1 et R27.         La tension de Vs a donc doublée par rapport au précédent cas et ainsi de suite. De la sorte, avec une évolution binaire sur les entrées U1 à U8, la progression de tension Vs s'effectue par pas de 78mV.

          En conséquence, l'utilisateur du générateur de fonction peut positionner sa forme d'onde tel qu'il le souhaite sur le plan horizontal en jouant sur l'offset délivré par l'étage composé d'un amplificateur - sommateur inverseur.
         Enfin une trame de données séries émise par le microcontrôleur principal U2 vers la broche 3 du microcontrôleur U18 permet de contrôler la valeur du mot binaire à appliquer sur les sorties RB0 à RB7 de ce dernier et de ce fait, de choisir la valeur de l'offset.

     L'alimentation : 

         La partie alimentation est conventionnelle puisque la partie transformation et redressement est confiée à un adaptateur secteur du commerce. Nous nous contentons de la sorte de filtrer puis de produire les 3 tensions en +5V nécessaires au montage.
         Le régulateur U4 est dédié à alimenter toute la partie numérique du montage, microcontrôleurs, CPLD, etc....
         Le régulateur U5 est dédié à alimenter toute la partie analogique tels que les ampli-opérationnels, le potentiomètre digital, etc...
         Le régulateur U6 est exclusivement dédié à alimenter le convertisseur continu - continu élévateur de tension référencé U7. Sa mise en oeuvre est extrêmement simple et il produit en sortie deux tensions +15V et -15V pour un courant maxi de 33mA. Ces tensions sont ensuite abaissées au moyen de deux diodes en série (2 x 0.6V pour le seuil des diodes en série entraine une chute de tension de 1,2V au total) pour retrouver sur les sorties du +13,8V et du -13,8V  (un peu moins dans la pratique).         Ces deux tensions peu communes ont été choisies d'une part afin de respecter le cahier des charges initial avec une amplitude maximale du signal de sortie de +/-10V et d'autre part, pour limiter la dissipation thermique des amplificateurs opérationnels U12 et U13 loin d'être négligeable.
        Enfin, la tension -13,8V est utilisée pour générer une dernière tension de -5V régulée destinée au multiplexeur U11 et aux autres amplificateurs opérationnels U10 et U15.

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