Soutenance mémoire
généralité sur la boucle à verrouillage de phase
Les boucles à verrouillage de phase (PLL en anglais pour Phase Locked Loop) sont des circuits intégrés très utilisés en électronique. Il s’agit donc comme leur nom l’indique d’un asservissement de phase dont le rôle est d’asservir la phase d’un oscillateur local à celle d’un signal extérieur. Les boucles à verrouillage de phase sont au coeur de nombreux matériels électroniques : synthétiseurs de fréquence, récepteurs de télévision, téléphones cellulaires, on peut les utiliser dans le domaine analogique en démodulateur de fréquence, également en synthétiseur de fréquences par asservissement sur un oscillateur à quartz, une boucle à asservissement de phase permet aussi de récupérer une information de phase, donc de fréquence dans le cas de certaines démodulations lorsque la porteuse originelle est très réduite ou transmise seulement par salves. En numérique les PLL peuvent servir à la restitution de la porteuse et à la reconstitution d’horloge à partir d’un train numérique de données, l’horloge étant nécessaire à la reconnaissance des bits portant l’information. L’oscillateur à asservir peut être un soit VCO (voltage controlled oscillator) sinusoïdal ou un oscillateur LC en Haute Fréquence.
Principe de fonctionnement d’une boucle à verrouillage de phase : plage de capture et plage de verrouillage
La boucle à verrouillage de phase vue par l’électronicien
Le schéma de principe d’une boucle à verrouillage de phase est donné ci-dessous en Figure 1.01a , il s’agit ici d’une boucle analogique avec un circuit multiplieur comme comparateur de phase. Le VCO (Voltage Controled Oscillator) délivre une fréquence fs proportionnelle à la tension de commande Vc, ceci sur une certaine plage de fréquence délimitée par Fmin et Fmax comme le montre la figure 1.01b fréquence F0 obtenue à Vc=0 est appelée la fréquence libre.
les différents domaines de fréquence
– Domaine de : fe<F0-Fc=9kHz
Supposons par exemple fe=1.5kHz, quelle est alors la fréquence possible pour le VCO ? Comme le VCO ne peut pas descendre en dessous de 2kHz, on pourrait être tenté de dire qu’il va osciller à cette fréquence. Pour qu’il en soit ainsi il faut démontrer que la tension de commande du VCO est continue et égale à -2V, est-ce possible ? Si le VCO oscille à 2kHz, en sortie du multiplieur on récupère deux composantes alternatives, l’une à 0.5kHz l’autre à 3.5kHz. Rappelons qu’en sortie d’un multiplieur on obtient la somme et la différence des fréquences. La composante à 3.5kHz est éliminée par le filtre passe-bas, seule la composante à 0.5kHz est transmise. Cette hypothèse ne tient pas, en effet la tension de commande du VCO n’est pas continue et par conséquent aucun état stable n’est obtenu. La seule fréquence possible pour le VCO est en fait F0. En effet pour cette fréquence le multiplieur donne deux composantes, l’une à 11.5kHz et l’autre à 8.5kHz. Ces deux composantes sont éliminées par le filtre, la tension de commande du VCO est donc nulle et stable. C’est précisément les conditions requises pour que le VCO oscille à F0.
– Domaine de : Fmax=18kHz>fe>F0-Fc=9kHz
La situation précédente demeure si fe reste inférieure à 9kHz, c’est à dire F0-Fc. En effet dès que fe passe par 9kHz, il apparaît en sortie du filtre passe-bas une composante de fréquence inférieure à 1kHz qui vient modifier la fréquence du VCO. La fréquence du VCO se déplace vers la fréquence fe. L’allure du transitoire est compliqué, par contre il est facile de comprendre pourquoi le VCO vient se caler à fs=fe. Prenons par exemple fe=9.5kHz, quand fs=fe=9.5kHz, en sortie du multiplieur on obtient une composante continue égale à (KAB/2)cos(ϕ) et une composante alternative égale à (KAB/2)cos(2ωet-ϕ), seule la composante continue passe à travers le filtre et stabilise la fréquence du VCO, en effet la fréquence 2fe=19kHz est supérieure à Fc=1kHz.
– Domaine de fe>Fmax=18kHz
La fréquence fs du VCO reste égale à fe si le filtre passe-bas peut générer une tension continue qui assure la stabilité du VCO. La limite est atteinte pour fe=Fmax=18kHz. En effet au-delà de cette fréquence il n’y a plus de composante continue stable disponible en sortie du filtre passe-bas. Prenons par exemple le cas où fe=18.5kHz, comme le VCO ne peut pas dépasser la fréquence de 18kHz, on peut être tenté de dire que le VCO oscille à 18kHz. Si tel est le cas, en sortie du multiplieur on obtient deux composantes alternatives, l’une à 0.5kHz, l’autre à 36.5kHz. La composante à 0.5kHz est transmise par le filtre passe-bas, mais comme il s’agit d’une tension alternative la fréquence du VCO ne peut rester à 18kHz. La seule solution qui donne une tension continue stable en sortie du filtre passe-bas correspond à fe=F0. En effet pour cette situation, la sortie du filtre passe-bas est nulle et c’est précisément la condition requise pour que le VCO continue à osciller à F0. La fréquence Fmax est appelée fréquence haute de la plage de verrouillage. On pourrait reprendre le même raisonnement pour le cas des fréquences décroissantes de quelques dizaines de kHz vers quelques Hz. On arriverait aux résultats suivants.
– Domaine de fe>F0+Fc=11kHz
Le VCO n’est pas verrouillé, il oscille à la fréquence libre F0 et la tension Vc est nulle.
– Domaine de F min=2kHz<fe<F0+Fc=11kHz
Le verrouillage commence à la fréquence F0+Fc. La fréquence F0+Fc est appelée la fréquence haute de la plage de capture. Le verrouillage du VCO est assuré jusqu’à Fmin. Cette dernière fréquence est appelée la fréquence basse de la plage de verrouillage.
– Domaine de fe<Fmin=2kHz
Le VCO est déverrouillé, il oscille à la fréquence libre F0 et la tension Vc est nulle. L’ensemble des résultats précédents est résumé sur le graphe de la.figure 1.02 La plage de capture correspond à l’écart de fréquence entre la fréquence libre et la fréquence à partir de laquelle la PLL se verrouille. La plage de capture dépend de la fréquence de coupure du filtre passe-bas. A priori on a intérêt à choisir une plage de capture élevée. En pratique, ceci peut s’avérer dangereux, en effet il y a dans ce cas risque de verrouillage sur des fréquences parasites non désirées.
FILTRE PASSE BANDE ET AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL
Généralité sur les filtres
Filtre idéal
Un filtre passe-bande idéal a un gain constant dans sa bande passante et un gain nul dans la bande coupée. La transition entre les deux états est instantanée. Dans la réalité, un filtre possède à sa fréquence de coupure un gain Gmax -3 dB et ensuite ce gain décroît de -20 dB par décade (soit -6 dB par octave) (filtre de 1er ordre).
Filtre passe-bande analogique
Un filtre passe-bande peut être implémenté de façon analogique avec des composantes électroniques. Par conséquent, ce genre de filtre s’applique sur des signaux continus en temps réel. Les composantes et la configuration du circuit fixeront les différentes caractéristiques du filtre, telles que l’ordre, les fréquences de coupure et son diagramme de Bode. Les filtres analogiques classiques sont du premier ou du second ordre. Il existe plusieurs familles de filtres analogiques : Butterworth, Tchebychev, Bessel, elliptique, etc. L’implémentation des filtres de même famille se fait généralement en utilisant la même configuration de circuit, et ceux-ci possèdent la même forme de fonction de transfert, mais ce sont les paramètres de celle-ci qui changent, donc la valeur des composantes du circuit électrique.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : BOUCLE A VERROUILLAGE DE PHASE
1.1 Généralité sur la boucle à verrouillage de phase
1.2 Principe de fonctionnement d’une boucle à verrouillage de phase : plage de capture et plage de verrouillage
1.2.1 La boucle à verrouillage de phase vue par l’électronicien
1.2.1.1 les différents domaines de fréquence
1.2.1.2 Synthèse
1.2.1.3 Remarques
1.2.2 Boucle à verrouillage de phase logique
1.2.3 Détermination expérimentale des plages de capture et de verrouillage
1.2.4 Point de fonctionnement stable pour fe= F0
1.3 Applications de boucle à verrouillage de phase
1.3.1 Retrouver la fréquence porteuse d’un signal
1.3.2 Synthèse De Fréquence
1.3.3 Synthèse De Haute Fréquence
1.3.4 Conclusion
CHAPITRE 2 : FILTRE PASSE BANDE ET AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL
2.1 Généralité sur les filtres
2.1.1 Filtre idéal
2.1.2 Filtre passe-bande analogique
2.1.3 Filtre passe-bande du second ordre
2.1.4 Bande passante
2.1.5 Utilisation en électronique
2.1.6 Schéma d’un filtre passe-bande RLC
2.1.7 Utilisation avec des ondes mécaniques
2.2 Généralités sur les amplificateurs opérationnels
2.2.1 Définition
2.2.2 Historique
2.2.3 Symbole et brochage
2.2.4 Amplificateur opérationnel parfait
2.2.5 Amplificateur opérationnel réel
2.2.5.1 Introduction
2.2.5.2 Caractéristiques
2.2.5.3 Classification
2.2.6 L’AOP et la fonction de filtrage
CHAPITRE 3 : ETUDE DES CIRCUITS INTEGRES LOGIQUE
3.1 Généralités
3.2 Principe de fonctionnement des circuits logiques
3.3 Principales caractéristiques des circuits logiques
3.4 Réalisation d’une bascule monostable à l’aide de portes logiques
3.5 Réalisation d’une bascule astable à l’aide des portes logiques
3.6 Réalisation d’une bistable (flip-flop) à l’aide des portes logiques
3.7 les portes logiques de la famille 4000
3.8 Quelques autres CI de la famille 4000
PARTIE PRATIQUE
CHAPITRE 4 : REALISATION PRATIQUE DU CIRCUIT SELECTIF DE RECONNAISSANCE VOCALE
4.1 Introduction
4.2. Schéma synoptique du montage
4.2.1 Le bloc alimentation symétrique
4.2.2 Le bloc du décodage de tonalité avec NE567
4.2.3 Le bloc du logique de commande actionnant un relais 6 volts
4.3 Principe du fonctionnement de la maquette
4.3.1 Principe de montage
4.3.2 Analyse du schéma électronique
4.4 Réalisation pratique
4.5 Nomenclature
4.6 Devis
4.7 Estimation économique
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1 : LES AUTRES APPLICATIONS DE LA BOUCLE A VERROULLAGE DE PHASE
A.1.1 Emetteur à modulation de phase
A.1.2. Démodulation d’une onde modulée en amplitude sans porteuse et démodulation de phase à deux états
A.1.2.1 Cas de la démodulation d’une onde modulée en amplitude sans porteuse
A.1.2.2 Cas de la démodulation de phase à deux états
1.3.5 Décodeur stéréophonique
A.1.4 Contrôle de la vitesse de rotation d’un moteur
BIBLIOGRAPHIE
