Schémas et circuits imprimés.

Définir avec anticipation la version définitive.

Choisir à l’avance l’apparence de l’appareil en cours d’études est un incontournable qui conditionne considérablement le développement des circuits imprimés. En fonction des dimensions adoptées pour le coffret, la répartition des divers boutons, des prises électriques, tout conditionne à sa façon la disposition des éléments internes et de l’agencement du total. Les circuits imprimés seront directement impactés par les choix esthétiques ou fonctionnels effectués. Cette phase est cruciale, il ne faut pas hésiter à explorer plusieurs pistes, tracer des dessins à l’échelle, réaliser des cartonnages pour s’assurer du bienfondé de certaines options.
Deux pistes diamétralement opposées ont été envisagées pour la mise en coffret :
• Un PICOSYNTHÉ avec un adaptateur extérieur pour l’amplificateur,
• Un appareil plus volumineux mais complet, intégrant toutes les fonctions.

Un PICOSYNTHÉ minuscule avec modules de complément extérieur.

L’idée consiste à copier sans vergogne l’apparence de PICOLAB et d’alimenter Boarduino avec une petite alimentation du type USB. L’appareil dans son ensemble est à peine plus volumineux que PICOLAB pour arriver à caser le synthétiseur de fréquences AD9850. Cette option conviendra parfaitement à ceux que qui ne sont pas particulièrement  concernée par le Wobulateur et qui peuvent se contenter d’un signal sinusoïdal entièrement positif d’amplitude 1V crête à crête. Fut-il limité à ces signaux, et délivrant de surcroit des ondes TTL, un tel appareil peut séduire bon nombre d’entre vous. Déjà avec ses caractéristiques, ses fonctions d’enregistreur, PICOSYNTHÉ peut satisfaire une grande majorité de nos applications d’électroniciens amateurs. Supprimant la fonction Wobulateur, on récupère de surcroit une place considérable pour éventuellement programmer d’autres fonctions particulières, comme le traitement spécifiques de certains capteurs spécialisés branchés sur l’enregistreur dont on pourrait augmenter le nombre de voies …
Cette solution simplifiée élude le problème des alimentations, fait économiser des composants onéreux tel que le galvanomètre ou l’amplificateur opérationnel à large bande.
Ce n’est pas la solution qui est décrite dans ces pages, car « qui peut le plus autorise le moins ». Si vous adoptez la solution minimale, il vous suffira de « simplifier » les circuits imprimés décrits, opération bien plus facile que de concevoir à partir de zéro. Il serait alors possible par la suite d’investir dans un module complémentaire incluant toute la partie amplification et ajustement de la tension d’OFFSET. Personnellement, j’ai voté pour l’appareil unique plus volumineux, mais qui dans l’hypothèse de l’ajout d’un complément extérieur reste plus compact et n’implique qu’une seule prise secteur utilisée. À vous de choisir … ce qui ne sera jamais facile, car choisir c’est forcément renoncer à l’une des options et aux avantages qu’elle présente.

Un PICOSYNTHÉ plus volumineux mais entièrement autonome.

Initialement plus coûteux puisqu’il faut investir dès le départ dans l’intégralité des composants, il présente l’avantage d’avoir imposé des vérifications de promiscuité très poussés. Quelle que soit l’option qui emportera votre suffrage, la fiabilité sera assurée. Nous allons dans ce chapitre passer en revue les divers schémas électroniques retenus ainsi que les circuits imprimés qui donneront de la consistance à notre projet. Commençons par les deux petites alimentations.

Alimentations avec régulateurs intégrés tripolaires.

Appartenant au passé et supplantées par les technologies à découpages, elles peuvent parfois remplacer avantageusement ces dernières. Dans cette description, les deux alimentations sont strictement identiques et étaient prévues pour faire fonctionner sous +5Vcc de la logique TTL. Vous pouvez choisir d’utiliser deux petits blocs à découpage de type USB, mais il faudra « bricoler » les fils de liaison pour inverser la polarité de l’un des deux ce qui n’est pas forcément facile. De plus, deux prises secteur seront mobilisées. Brancher l’un sans l’autre ou en décalage dans le temps ne sera pas forcément apprécié par

l’amplificateur opérationnel à large bande. Bref, cette solution « moderne » n’a rien de spécialement avantageux et son coût ne sera pas obligatoirement inférieur. C’est donc une solution à analyser sérieusement avant d’engager des frais. Pour obtenir la tension symétrique de -5Vcc on se contente de relier à GND la sortie + de l’une des deux alimentations. (Cette inversion serait du reste analogue avec des alimentations à découpage.) La technique un peu ancienne des régulateurs intégrés tripolaires a déjà été abordée dans le chapitre Laboratoire complet et autonome. Inutile d’y revenir. Par rapport au schéma de la Fig.17 il faut ajouter le redressement et le filtrage puisque l’énergie n’est plus fournie par un bloc secteur mais par un transformateur abaisseur de tension. La Fig.8 présente le schéma de chaque petit circuit imprimé dont le pont de diodes D se charge du redressement en double

alternances. Le branchement sur le secondaire du transformateur se fait pour chaque « fil » sur deux broches d’un connecteur de type HE14 en répartissant mieux l’intensité fournie. Dans la réalité, le condensateur C est doublé par un 47µF. Le bon fonctionnement du circuit est attesté par l’éclairement d’une LED. Sur le circuit assurant la tension négative, cette dernière est de couleur verte, la résistance passe à 100Ω pour obtenir une clarté équivalente à celle de la LED rouge. ATTENTION : Les deux circuits sont strictement identiques et initialement prévus pour fournir une tension positive. Pour obtenir l’équivalent en négatif, il suffit, comme montré sur la Fig.9, de brancher sur GND la sortie +5Vcc du module. Dans ce cas il faut une isolation totale entre les deux circuits. Cette isolation est obtenue grâce au transformateur dont LES DEUX ENROULEMENTS SECONDAIRES doivent être totalement indépendants. De ce fait un modèle de deux fois 6V~ réunis par un point « milieu » ne conviendra pas. Il faudra impérativement en tenir compte lors de la commande d’approvisionnement.

Le circuit imprimé principal.

Réalisé à partir d’une plaque prépercée munie de bandes de cuivre longues, il utilise une méthode éprouvée avec PICOLAB et supporte la plus grande partie des composants « principaux ». On y trouve le circuit de remise à zéro électrique du galvanomètre, son éclairage, l’amplificateur à large bande ainsi que l’étage de Redressement/Filtrage pour le Wobulateur. Il supporte également les connecteurs qui reçoivent la carte Boarduino ainsi que l’afficheur OLED. Sont également présents les connecteurs vers le capteur rotatif, vers le synthétiseur de fréquences AD9850 et vers le clavier ainsi que la logique de protection des entrées. Ajoutez quelques résistances comme celles pour les LED de signalisation jaunes, et vous comprendrez que la place est bien occupée, sachant qu’il soutient également le SN7400 et les deux modules d’alimentation. L’implantation des composants est montrée sur la Fig.11 qui en donne un dessin très agrandi. Le petit connecteur HE14 en G est prévu pour choisir entre deux utilisations possibles du galvanomètre. S’il est ponté avec un « strap à languette » comme mis en évidence en rose, on est en configuration normale. Le galvanomètre est alors en liaison avec la sortie de l’amplificateur et indique la présence d’une composante continue d’OFFSET. Si on enlève le pont, entre la broche centrale et celle coloriée en bleu car reliée à GND, on dispose d’un voltmètre indépendant. Compte tenu de la valeur du shunt de 33kΩ la déviation totale est obtenue pour 4,65V en négatif et 3,8V en positif. (C’est du reste la troisième fois que je constate cette différence de sensibilité entre positif et négatif sur ces modèles de galvanomètres.) Toujours avec les valeurs adoptées, la pleine déviation de l’ajustable A provoque un décalage du centrage entre -0,5 et + 0,6 soit une sensibilité importante puisqu’elle reste inférieure aux deux graduations.

Sans présumer de l’utilisation qui sera éventuellement faite des deux entrées analogiques disponibles en Future Expansion A4 et A5, ces dernières sont respectivement reliées à GND et au +5Vcc par une résistance de 22kΩ pour en définir l’état « logique » permanent. Ces polarisations forcées les protègent contre toute charge électrique statique et les conditionnent par défaut en « logique positive » et « logique négative ». La broche binaire D12 également disponible pour d’éventuelles modifications logicielles est encadrée par GND et +5Vcc pour alimenter un hypothétique dispositif extérieur. Vous noterez que la broche fournissant le -5Vcc est disposée volontairement en retrait pour en rendre l’utilisation « malcommode » et parer ainsi une erreur de branchement toujours envisageable. Pour vous permettre d’établir un lien direct entre le dessin de la Fig.11 et toutes les études qui précèdent, vous trouverez ci-dessous une synthèse des divers schémas et circuits assemblés sur le circuit imprimé principal. À bien y regarder, vous constaterez quelques petites différences

apportées aux schémas explicités dans le didacticiel. Par exemple l’entrée de l’amplificateur est à GND par la résistance R de 22kΩ pour forcer une tension nulle si ce dernier n’est pas branché sur un quelconque dispositif extérieur. Ainsi en « non utilisation » il restera « au repos ». La tension de remise à zéro du galvanomètre est filtrée par le condensateur C de 100nF pour éviter que le signal B.F. ou H.F. ne puisse se propager vers les lignes d’alimentation. Enfin, considérons le petit connecteur de la Fig.13 qui en standard est ponté à gauche. Dans ce cas la LED jaune visualisera diverses informations relatives aux manipulations en cours. Il sera toutefois possible de ponter à droite avec le stap à languette pour diriger vers la LED jaune le signal issu de la SYNChronisation. Cette possibilité pourra s’avérer utile lors de modifications logicielle téléversées directement sur site. Vous pouvez remarquer sur la Fig.11 donnée ci-avant que les broches des connecteurs HE14 sont coloriées pour en faciliter l’interprétation. Il en est également ainsi pour le dessin du circuit vu coté pistes cuivrées. La Fig.14 est également très agrandie et permet avec facilité de repérer les pistes qui doivent être coupées au cutter, ainsi que les divers ponts de câblage réalisés avec du fil isolé. Vous pouvez comparer ce dessin avec la photographie Fig.3. Remarquez, comme observable sur la Fig.15 que deux liaisons sont soudées sur le dessus du connecteur HE14 situé en G pour la configuration d’usage du galvanomètre.

Modifications apportées au galvanomètre.

Profiter des « bienfaits » de l’époque à laquelle on vit relève de l’évidence. C’est exactement ce qui va bénéficier au galvanomètre qui sur trois points sera modifié pour en améliorer ses caractéristiques. La première amélioration visible en 1 sur la Fig.16 concerne son branchement. Initialement prévu sur cosses avec des fils trop rigides à mon

sens il sera désormais relié au reste de l’appareil par un petit connecteur de type HE14 soudé sur les causses d’origine. Cette modification est d’autant plus pertinente que ce type de connectique est peu onéreux et se justifie par le fait que le galvanomètre est immobilisé sur le couvercle du coffret. On peut ainsi débrancher tout ce qui y sera solidaire et le déposer libérant ainsi le boitier électronique d’un « fil à la patte ». Parfaitement visible en 2 de la Fig.17 on constate que l’élément d’éclairage bénéficie également de sa propre prise qui permet de le débrancher pour éventuellement en changer. Ce tout petit connecteur femelle de type HE14 est en outre isolé avec de la gaine thermo rétractable. Également d’actualité, ces matériaux existent dorénavant en diverses couleurs, ce qui permet un repérage très efficace des fils de liaison. Initialement équipé avec une petite ampoule d’éclairage à incandescence, cette dernière a été remplacée par une diode électroluminescente éclairant dans le spectre blanc. L’ancienne ampoule imposait du 12V, et consommait considérablement plus. On y gagne en compatibilité avec le 5Vcc disponible, et la chaleur dégagée sera bien inférieure. La consommation est tellement faible, qu’il est totalement inutile de prévoir un interrupteur. L’intensité consommée est de 3,5mA alors que l’intensité nominale est prévue pour 30mA, autant dire que cette LED ne va pas « transpirer ». Comme montré en 3 de la Fig.18 la LED continue de traverser avec ses deux broches le petit bloc de caoutchouc transparent qui lui sert de support. Initialement cette LED est fournie avec un corps totalement limpide. Pour qu’elle génère une clarté qui diffusera sur toute la largeur des graduations, ce composant a subit deux modifications. La première a consisté à limer le dôme sphérique qui initialement occupait la zone coloriée en jaune. La deuxième adaptation à consisté à poncer très finement le reste du corps cylindrique, ces deux opérations étant pratiquées à l’aide de papier abrasif très fin. Ainsi, la faible lumière produite se diffuse correctement sur l’intégralité du cadran aboutissant à un éclairage très suffisant en ambiance sombre ou nocturne.

Le support du circuit synthétiseur de fréquence

Bien que muni d’origine de quatre trous pour son immobilisation, ces derniers n’ont pas été utilisés, et ce pour deux raisons. La première vient du fait qu’ils sont placés bien trop proches des composants pour pouvoir réellement y passer des vis de 3mm avec leurs écrous. (En particuliers presque contre les connecteurs HE14.) Et puis de toute façon il fallait complémenter avec quelque composants électriques et réorganiser les branchements. Il devenait finalement plus simple de concevoir un petit circuit imprimé qui sera solidaire du coffret, sur lequel vient s’enficher le module AD9850. L’assemblage complet de l’appareil en est facilité sans compter la maintenance éventuelle. La Fig.19 présente le support, avec sur ce dernier le circuit AD9850 enfiché en « gigogne ». On comprend que les connecteurs de réception sont verticaux, alors que la sortie vers l’utilisateur se fait horizontalement vers la face avant. Les trous de fixation entre le circuit support et le coffret sont bien dégagés et laissent un espace suffisant pour les écrous et les rondelles. Le fil jaune « récupère » le signal sinusoïdal sur le dessus de la petite carte électronique pour le ramener sur le connecteur frontal. Sur la Fig.19 le « strap » S est provisoirement en place pour imposer en sortie l’amplitude maximale de 1V crête à crête, mais sur la version définitive il sera relié à un potentiomètre de 1kΩ pour pouvoir ajuster à convenance la grandeur de l’onde sinusoïdale.

Comme vous pouvez le vérifier sur le schéma de la Fig.22  une résistance de 220Ω est mise en série avec le petit haut parleur. Elle atténue considérablement l’amplitude du signal qu’il reçoit, diminuant de façon assez déraisonnable son rendement sonore. Elle est toutefois indispensable pour protéger l’amplificateur MAX457 d’un courant de sortie exagéré. Elle protège également ce petit transducteur acoustique d’une excitation dépassant l’énergie acceptable. Rien n’interdit si vous désirez une plus grande efficacité sonore, de brancher en externe un autre transducteur de type piézoélectrique quelconque. Sur la Fig.20 cette résistance de 220Ω n’est pas visible car masquée par le petit connecteur X. Les deux petites tâches roses visibles juste plus bas sont dues à du vernis à ongles « tartiné » sur le dessous pour isoler le fil orange des soudures effectuées coté pistes cuivrées de cette petite carte électronique.

Manifestement le connecteur HE14 situé en Y reçoit celui mâle situé sur le dessous du module AD9850. Vous avez obligatoirement remarqué que sur le petit circuit, ce connecteur est à deux rangées, alors que sur notre support prépercé le composant de branchement ne présente qu’une seule ligne de contacts électriques. C’est pour simplifier l’ensemble, car la rangée « intérieure » de picots est relative à la commande parallèle du synthétiseur de fréquences qui dans notre application est ignorée. De ce fait les picots « intérieurs » du module AD9850 resteront « en l’air » ce qui ne présente strictement aucun inconvénient comme l’ont prouvé les innombrables heures de fonctionnement consommées durant le développement du programme.
La Fig.21 va faciliter l’interprétation des divers branchements à effectuer. Quand on ferme l’inverseur INV on interdit la génération des signaux TTL minimisant la pollution radioélectrique rayonnée dans le laboratoire. Le plus logique consisterait dans ce but à enfermer complètement le synthétiseur dans une cage métallique de Faraday, mais la paresse m’a fait glisser pour cet aspect matériel vers la facilité. La liaison orange L va du petit connecteur HE14 vers celui qui sera disponible en façade. Ce que ne montre pas la Fig.20, c’est qu’en parallèle sur ce connecteur est soudée une petite liaison blindée allant à une prise H.F. qui sera utilisée pour établir des connections dignes de ce nom entre le générateur et l’appareil impliqué dans l’activité de l’opérateur. Le petit haut parleur est disponible sur le connecteur utilisateur. Il doit être relié soit aux sorties sinusoïdales et TTL, soit à la sortie de l’amplificateur MAX457 pour pouvoir écouter les divers signaux

audibles générés par le synthétiseur. N’oublions pas que le potentiomètre réputé ajuster le niveau de sortie sinusoïdale du synthétiseur agit également sur le rapport cyclique des signaux TTL si ces derniers sont autorisés. Vous avez manifestement compris que les deux broches longues du connecteur femelle de façade qui sont coloriées en bleu sont reliées à la masse commune GND. La Fig.23 propose le dessin du circuit imprimé, toujours à une échelle agrandie pour en faciliter la lecture. En particulier observez bien que la broche qui sert à fournir le signal sinusoïdal inversé et sur laquelle se soude le petit fil de raccordement orange est raccourcie pour ne pas risquer de toucher la piste cuivrée du connecteur HE14 supportant le module synthétiseur. C’est cette zone qui a été isolée

Divers circuits regroupés sur la carte électronique de support de l’AD9850.

avec du vernis à ongles. Comme déjà rencontré au cours de cette saga sur le mesurage, la Fig.24 complète la vue de dessus en y ajoutant par transparence les piste cuivrées facilitant la comparaison entre les schémas théoriques et leur concrétisation matérielle. On y remarque surtout représenté en traits rouges le module du synthétiseur, la ligne de contacts intérieure n’étant pas en contact avec ce qui se trouve sous cette dernière. Les rondelles isolantes des boulons de fixation ØM3 restant suffisamment éloignées des deux connecteurs HE14 pour ne risquer aucune interférence et surtout faciliter la mise en place des écrous lors de l’assemblage final. (Ce module étant placé dans un coin peu accessible du coffret.)

Le support du circuit clavier et description de ce module.

Directement influencé par les dimensions du circuit imprimé principal, la petite carte électrique intermédiaire qui supporte également en gigogne le petit circuit du clavier en adopte la grandeur transversale. Elle est « taillée » dans la même plaque prépercée et adopte son orientation pour les bandes de cuivre. Plusieurs facteurs ont influencé sa présence, le premier étant la façon dont sera immobilisé le clavier dans l’appareil. Cette plaquette intermédiaire permet facilement de disposer correctement les boutons poussoir en hauteur ainsi que les LED, et facilite considérablement l’assemblage ou la dépose des divers éléments de l’électronique. La structure étagée adoptée pour le générateur de signaux est reprise intégralement, le petit circuit imprimé du clavier sera simplement enfiché sur ses connecteurs HE14 de liaison électrique, inutile d’ajouter des boulons de liaison.

Arrivant du circuit imprimé principal, le bilan du nombre de liaisons à réaliser reste faible, car les circuits de protection des entrés A2 et A3 ainsi que le connecteur utilisateur sont sur le circuit imprimé intermédiaire. La liste se résume à sept fils qui seront reliés dans le toron repéré 1 sur la Fig.4 de la Présentation du bébé ! . Ce toron est terminé par un petit connecteur femelle HE14 colorié en rose pastel sur la Fig.26 avec ses contours tracés en rouge. Arrivant de dessous, pour faciliter le passage de ce toron de fils, l’angle du circuit imprimé a été dégagé à 45° en 2 dans l’angle qui n’a pas de boulon de liaison ØM3 car trois sont bien suffisants pour assurer une liaison mécanique rigide. En X on retrouve le trou qui permet le libre passage vers le potentiomètre ajustable du zéro galvanométrique et en Y l’échancrure de passage d’un stylet pour pouvoirs effectuer des RESETs à convenance quand le boitier sera entièrement terminé et fermé. En Z on observe un dégagement qui a été estimé préférable, car une étude préliminaire montre que le petit haut parleur sera proche dans cette zone, il vaut mieux quand c’est possible prévoir de la place pour éviter tout à la fin les mauvaises surprises. En Fig.27 on peut analyser le revers de la médaille avec les divers ponts de câblage tous réalisés avec du petit fil électrique rigide et isolé. En 3 et 4 se trouvent les deux connecteurs HE14 femelle qui servent à établir les liaisons électriques et à supporter le petit circuit du clavier. En 5 se situe le connecteur HE14 qui en face avant permet de se brancher sur les deux entrées A et B ou Y et X, désignation qui est liée à la fonction en cours d’utilisation. On trouve dans cette zone pour chaque entrée les deux résistances de protection de 1kΩ et 10kΩ contre les surtensions ou les inversions de polarité. Cette technique a déjà été abordée. La Fig.25 précise les valeurs adoptées. Des quatre LED sont sur le petit circuit du clavier, elles assurent à la fois la protection contre les surcharges, tout en informant l’opérateur quand elles s’illuminent, l’invitant ainsi à corriger rapidement son erreur. Les signaux d’entrées et ceux du connecteur 1 sont « remontés » à l’étage supérieur par les connecteurs 3 et 4. La photographie de la Fig.28 présente une vue latérale des deux circuits du clavier.  En 1 arrive le toron des fils qui vont vers le microcontrôleur. Bien visible, se trouve juste à gauche le connecteur dont les fils sont isolés par de la gaine thermo rétractable de couleur repérant ainsi la nature des divers fils. Prise en « macro » cette image peut laisser croire que les boutons poussoir en 2 sont assez volumineux, mais si l’on sait que les LED signalant en 3 les surcharges électriques sur les entrés sont de Ø3mm, on relativise facilement cette disproportion et l’on réalise la compacité de l’ensemble. En 4 se

trouve le connecteur HE14 femelle qui reçoit le clavier,et en 5 est observable le connecteur des deux entrées utilisateur. En 6 c’est celui de l’amplificateur à large bande. En 7 est bien visible le strap à languette qui conditionne sur le connecteur G le comportement du galvanomètre. En 8 se trouve le connecteur

xxxxxx vers le potentiomètre d’ajustement de la composante d’OFFSET et en 9 le connecteur des alimentations pour faciliter les manipulations de mise au point de l’ensemble. En 10 se trouve encore une entretoise qui protégeait les composants lors des « retournements de situation » pendant des interventions de câblage durant l’assemblage initial. Une mention particulière s’impose en observant la Fig.29 qui présente l’empilage regardé

depuis la face avant. En P nous avons la petite plaque intermédiaire avec le connecteur femelle HE14 en F sur lequel s’enfiche le petit circuit imprimé du clavier colorié en vert. On se doute que ce dernier doit être muni d’un connecteur HE14 mâle. Ce dernier est soudé en S. Pour faciliter la soudure et ne pas « polluer » les broches, il faut opter pour un connecteur HE14 mâle à broches longues. Ce connecteur permet en outre de positionner à la bonne hauteur les boutons poussoir et les petites LED. Notez que ce connecteur C voit toutes les broches coupées sur le dessus quand elles ont été soudées. La Fig.30 propose un petit rappel relatif au schéma électrique des deux boutons du clavier et précise la valeur de la résistance de limitation du courant dans la petite LED jaune. La Fig.31 présente l’implantation des divers composants, montrant que ce petit circuit est bien « occupé ». Le coté cuivre donné en 32 ne comporte que deux ponts de câblage, tous les deux pour GND. Enfin, pour clore ce long chapitre sur les schémas électriques et les circuits imprimés, la Fig33 permet en vue de dessus de mieux comprendre les diverses interconnections entre composants et pistes cuivrées.

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