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
-
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
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
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 |
|
1 |
Fiche DB25 mâle avec capot |
|
|
Câble 4 cond. blindé |
|
1 |
Circuit imprimé |
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
