Cours:AmpliAudio

Présentation du projet

Objectif

On souhaite réaliser un amplificateur audio qui sera utilisé au choix pour un ordinateur, smartphone ...

Cet amplificateur devra être capable de délivrer une puissance de 1 watt avec un haut-parleur de 24 ohms.

De plus, on souhaite pouvoir régler le niveau sonore à l'aide de 2 boutons poussoirs. Le "niveau" d'amplification sera visualisé sur la carte à l'aide de leds qui formeront un bargraphe.

Contraintes de fabrication

Passé ces premières explications, un point important de ce module est la réalisation de la carte électronique associée.

Les contraintes suivantes devront être prises en compte :

• Utilisation d'un connecteur "jack 3.5mm"
• Accessibilité de ce connecteur
• coût contenu de la carte électronique
• Les pistes de puissance seront les plus courtes possibles
• pcb simple face

Travail attendu

Objectif

L'objectif sera bien évidemment de terminer le projet de sorte qu'il réponde au cahier des charges décrit précédemment.

Pour ce faire, il conviendra de :

• dimensionner les composants utilisés
• tester les différents blocs fonctionnels
• fabriquer la carte électronique
• programmer les composants
• valider le fonctionnement

Vous serez évalué sur la fabrication de la carte électronique, ainsi que sur un dossier qui devra :

• détailler les différentes fonctions
• expliquer les choix effectués (structure,composants ....)
• utilisera des courbes ou mesures pour appuyer les explications
• donnera une estimation (hors temps de conception) du coût de la carte électronique

Planning à respecter

Vous serez évalué tout au long du projet en début de séance. Ce qui vous permet de terminer en dehors des séances si vous n'avez pas achevé le travail demandé.

Une chose importante à noter : Il vous revient de saisir au fur et à mesure le schéma des différentes fonctions étudiées dès que possible.

Vous trouverez ci dessous l'avancement attendu des différentes séances. Notons également que vous devrez achever votre travail après les 7 séances si le projet n'est pas terminé.

De plus, le routage devra être fait en bonne partie en dehors des séances.

n° de séance	Fonction	Détail de l'attendu
1-2	Filtrage	Etude d'un filtrage passe-bande (100Hz-10kHz)
3	Amplificateur	Amplificateur non inversé
4	Bouton/leds	Dimensionnement/choix/validation des composants
5	Fabrication	Brasage des composants
6	Vérification	Mesure des performances de la carte réalisée
7-8	Programmation

Étude du projet

Schéma fonctionnel

Filtrage

Il convient dans un premier temps de filtrer le signal de la source audio, d'une part pour supprimer les bruits éventuels qui sont plutôt des hautes fréquences, et également supprimer les basses fréquences qui ne pourront pas être rendues correctement par votre haut-parleur.

Vous allez donc réaliser un filtre passe bande. Afin de simplifier l'étude, on cascadera simplement un passe haut puis un passe bas (le passe haut en premier).

Pour que les calculs réalisés sur chaque filtre pris individuellement restent valables lorsqu'on les associe, la résistance utilisée dans le filtre passe bas doit être grande devant la résistance utilisée dans le filtre passe haut.

Vous prendrez un rapport minimum de 10 entre les résistances, idéalement rapport de 100 ou plus.

Dimensionner et vérifier le fonctionnement du filtre RC passe haut de fréquence de coupure 100Hz

Dimensionner et vérifier le fonctionnement du filtre RC passe bas de fréquence de coupure 10kHz

Assembler les 2 filtres et valider le fonctionnement par un diagramme de gain

Amplificateur

Après avoir filtré le signal d'entrée, il convient maintenant de l'amplifier.

On réalisera un amplificateur non inverseur avec un MCP33201 (AOP rail to rail), avec une alimentation symétrique +5V/-5V.

L'amplification devra être réglable entre 0.5 et 20, on utilisera pour ce faire un potentiomètre de valeur 100 kΩ.

Dimensionner les valeurs des différentes résistances et valider le fonctionnement

Ajouter l'étage de filtrage en amont et vérifier le fonctionnement de l'ensemble

On ajoutera un condensateur pour supprimer l'amplification en basse fréquence : demandez des détails ....

Etage de sortie

L'amplificateur opérationnel ne permet pas de délivrer une puissance suffisante pour alimenter le haut-parleur. Nous allons donc utiliser un montage à transistor qui permettra d'augmenter la puissance de sortie.

Il existe différente classe d'amplificateur, dont vous trouverez une description sur la page suivante : classes d'amplificateur audio

Vous réaliserez au choix un amplificateur de classe B ou AB.

Remarque :

• la sortie de l'aop est connectée directement sur l'étage de sortie
• La contre réaction de l'aop sera prise au niveau de la charge (haut-parleur ici)

Numérique

On souhaite pouvoir régler la valeur de l'amplification à l'aide de 2 boutons poussoirs ( + et - ) et le potentiomètre utilisé précédemment sera remplacé par une résistance numérique MCP4017T-104.

Ces 2 boutons seront connectés sur un microcontrôleur attiny841 dont un lien vers la datasheet est donné à la fin de ce document.

La valeur de l'amplification devra être visualisée sur la carte à l'aide de leds qui formeront un bargraphe. Les leds ne seront pas nécessairement toutes de la même couleur.

Travail à réaliser :

• Regarder le nb d'e/s du µcontroleur
• Regarder la datasheet de la résistance numérique pour comprendre le branchement de ce composant
• Éventuellement sur carte arduino uno
  • valider le fonctionnement des boutons
  • valider le fonctionnement des leds

Fabrication de la carte électronique

Saisie du schéma

Comme précisé en introduction, le schéma devrait à ce point être déjà bien avancé.

Votre réflexion doit porter sur les points suivants :

• comment allez-vous programmer le µcontrôleur ?
• comment choisir les meilleurs pattes du µcontrôleur

Quelques éléments de réponse :

ISP	In System Programming : la plupart des µcontrôleurs modernes dont celui-ci sont programmable directement sur la carte (in situ). Il faut donc prévoir le connecteur de programmation et le relier au composant en respectant l'ordre de câblage. Vous utiliserez, comme Atmel le préconise, le connecteur ISP à 6 broches.
choix des pattes	L'avantage d'utiliser un composant programmable est de pouvoir placer (dans une certaine mesure) les entrées et sorties où bon nous semble.	La liaison i2c permettant de communiquer avec la résistance numérique utilise des broches bien particulières identifiées SDA et SCL. La programmation du chenillard sera également simplifiée si toutes les leds sont positionnées sur le même port.
Pins réservées	La patte RESET principalement, ne peut servir qu'à cet usage !!	Dans le cas contraire, vous ne pourrez plus reprogrammer le microcontrôleur.

Routage

Il est bien évident que vous devez essayer de respecter les conseils de bases pour réaliser une bonne carte électronique.

Rappelons également qu'une partie de ce dossier est dédiée aux contraintes de fabrication, qu'il convient sans doute à ce stade de relire !

Rappels pour préparation des calques

Via : 0.8 pour les trous et 1,25 pour le diamètre externe

Exports sous forme d'images :

1. fond en blanc : Options -> user interface -> layout
2. lancer ulp -> drill-aid vous propose Drill center diameter 0,3mm et c'est OK. Le remplissage se fait en couche 116 mais avec des hachures.
3. Choisir cette couche 116 puis change -> Fillstyle en plein
4. Choisir les couches Bottom (bleu) Pads vias et la 116
5. File -> export -> Image donner un nom et choisir 1200 DPI et monochrome
6. Idem pour Top (rouge) avec pads et vias (et éventuellement la 116)

Conception du programme

Compilation

Afin de pouvoir utiliser facilement la liaison I2C, vous utiliserez l'environnement arduino dans une version récente > 1.6.

On ajoutera la librairie permettant de programmer ce µcontroleur :

https://github.com/SpenceKonde/ATTinyCore

Chenillard

Vous commencerez par vérifier le fonctionnement de chacune des leds, ce qui vous permettra ensuite de les utiliser pour mettre au point votre programme.

En effet, comme il n'y a pas de liaison série disponible, il n'est pas toujours simple de déboguer un programme. En retour visuel vous permettra de simplifier cette mise au point.

Une fois les leds testées, réaliser un programme de bargraphe.

Boutons

Vous pouvez maintenant vérifier le fonctionnement des boutons.

Faire en sorte que l'appui sur un bouton allume une led

Réglage de l'amplification

Notre programme doit communiquer avec la résistance numérique "MCP4017T-104E/LT" en I2C.

L'adresse du composant est en binaire '0101111'

Composants utilisés

Nom	Type	Boîtier	Librairie Eagle	Référence eagle	Documentation	Fournisseur	Référence
ATTINY841	µcontrôleur		atmelIUT		attiny841.pdf	Farnell	2443189
MCP4017T	potentiomètre 100k	CMS
ISP	barrette mâle sécable	traversant	con-lstb	MA03-2