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Mini laboratoire intégré

Un laboratoire d'électronique ressemble généralement à l'antre du Dr Frankenstein. Si on ne pratique qu'occasionnellement, que les exigences sont modestes, et qu'on ne veut pas envahir la maison ou l'appartement, un appareil multifonctions basé sur des "modules chinois" est une solution intéressante et très abordable financièrement.

Sommaire

Généralités

Le projet a débuté suite à la découverte d'un oscilloscope dans la benne d'une déchetterie ; j'en cherchais un mollement depuis quelques années. Pas besoin d'un truc ultra moderne hyper sophistiqué. Le vieux Hewlett Packard en rack 19" tombait bien : en parfait état, double trace avec deux entrées différentielles (une par canal), 500 kHz seulement, ce qui me suffit. Il fallait donc le compléter par une alimentation de laboratoire et un générateur BF. Or, on trouve sur eBay des modules faciles à utiliser, peu onéreux, peu encombrants et offrant de nombreuses fonctions très utiles. Un rack 19" 2U trainait au grenier depuis 25 ans, vestige d'un projet abandonné. Rack neuf, vierge.

C'était donc l'occasion rêvée de le remplir. La réalisation ne présente aucune originalité du point de vue électronique puisqu'il s'agit d'un simple assemblage de modules prêts à l'emploi ou presque. La partie mécanique en revanche est sans doute plus intéressante pour le lecteur, à condition qu'il soit équipé de machines-outils.


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Caracteristiques

Ce sont bien sûr celles des modules utilisés !

Alimentations :

Ce sont des alimentations buck step down type ZXY6005. Voir Alimentation ZXY6005.

En fait, en raison des transformateurs utilisés, dont la puissance et la tension sont limitées par la place disponible, les performances en tension et courant sont inférieures aux caractéristiques ci-dessus. Les 5A ne sont atteints qu'en dessous de 30V, et la tension maximum n'est que de 40V. Ce qui est très largement suffisant.

Générateur BF : Voir Générateurs UDB1xxx.

Le modèle de générateur retenu ici est le UDB1210S, après essai des modèles UDB102Z, UDB1005S et UDB1210S. C'est un modèle très complet, doté de nombreuses fonctions intéressantes dans le cadre d'un mini laboratoire intégré.

Générateur de fonctions :

Sortie TTL :

Compteur :

Fréquencemètre :

Convertisseur analogique numérique :

Fonction sweep (balayage de fréquence) :

Mémoires :

Les caractéristiques du générateur sont à considérer avec une certaine circonspection, en particulier en ce qui concerne la DHT, la bande passante, et la régularité cyclique. Les avis vont de excellent à pitoyable, selon le niveau technique des essayeurs, le matériel de mesure dont ils disposent, et surtout leurs ambitions. En particulier, il semble difficile d'atteindre les performances annoncées en matière de linéarité des triangles et de DHT des sinus avec une échelle R2R 8 bits composée de résistances ordinaires (5%)... Un essayeur s'est penché sur la régularité du signal TTL, et en conclut qu'on ne peut pas réellement compter sur lui comme un bon générateur d'horloge. De plus, la qualité des signaux laisse sévèrement à désirer au delà de 1 MHz. Cependant, en ce qui me concerne, compte tenu de ce que je recherchais (un générateur BF plus ou moins basique), mon appréciation est simplement : super.

Voir ici pour une revue complète et circonstanciée d'une variante de celui utilisé ici, en vidéo, avec oscillogrammes et mesures précises des performances : Review of Cheap DDS Function Generator UDB Series

 

Conception

Au delà de la réalisation d'un appareil multifonctions, le but est de s'approcher d'une réalisation "industrielle". Une sorte d'exercice avant de s'attaquer à un appareil destiné à reposer dans le salon... En particulier, il n'y a aucune vis apparente, ce qui a conduit à fixer toutes les commandes sur une contre face assez complexe, à utiliser des boutons poussoirs de forme carrée, et à tester leur utilisation comme voyant lumineux alors qu'ils ne sont pas prévus pour cet usage.

Chaque alimentation est assurée par un module buck, avec son propre transformateur. La place limitée offerte par les 2 unités du rack 19" n'a pas permis de monter des transfos de plus de 250VA. Ce sont donc des transformateurs 250VA / 36V qui ont été utilisés. Ceci permet de sortir 40V environ des modules buck. L'avantage des alimentations de ce type est qu'elles sont en fait des convertisseurs de puissance. Autrement dit, lorsqu'elles travaillent à faible tension, elles sont capables de fournir leur courant nominal, courant qui peut être supérieur à celui fourni par l'enroulement secondaire du transformateur. Dans le cas présent, on obtient bien 5A en dessous de 30V environ en sortie, le courant maxi diminuant progressivement lorsque la tension évolue de 30V à 40V.

Entre transfo et module buck, redressement et filtrage sont assurés par un pont de puissance refroidi par le fond du coffret ; le filtre est un condensateur de 10 000µF, épaulé par un deuxième de 1 µF.

A l'arrière du rack, une embase secteur Europe, et des porte fusibles sur les primaires des transformateurs. L'embase Europe a été récupérée sur une alim de PC de puissance équivalente, avec son filtre CEM.

Ces modules sont équipés d'un petit interrupteur marche / arrêt. Il a été supprimé et remplacé par un contact de relais dont la bobine est alimentée par le secteur, en aval de l'interrupteur général. En effet, après coupure, le temps de décharge du condensateur est tel qu'une tension restait présente en sortie pendant une à deux minutes. Il n'y avait que 4 solutions à ce problème :

JP1 et JP2 sont raccordés aux pin headers qui ont remplacé les petits interrupteurs à glissière (voir plus bas les modules modifiés)

Carte de commande de mise en marche des alimentations.

Ces modules se prêtent bien à la bidouille :

Le relais de commande des modules régulateurs est visible sur la photo du rack ouvert, sur le flanc gauche, en arrière de l'interrupteur général.

L'intégration du module générateur DDS a demandé un peu plus de travail. En effet, il s'agit d'un module tout en un. Le potentiomètre de niveau de sortie et le codeur ne sont pas des modèles de type trimmer, les dessouder est un peu plus difficile. Les boutons poussoirs ne sont pas doublés par un connecteur. Il a fallu contourner ce problème...

Le module tel qu'il est livré : L'afficheur est séparable, pas de problème à ce niveau. Juste les pin headers à remplacer pour une liaison par nappe femelle femelle. L'interrupteur a été remplacé par un pin header et un cavalier. Les deux potentiomètres ont été desoudés, de même que le codeur, et des pin headers ont été mis en place. il a fallu réaliser des câbles de liaison blindés pour les deux potentiomètres. Les boutons poussoirs ont été supprimés.


Le générateur DDS tel qu'il se présente à la livraison

L'afficheur déposé, on peut voir les deux réseaux R2R, le PIC, le PLC MAXII, et l'AOP de sortie. A noter : deux pads libres permettant de placer un bornier pour l'alimentation.

Le module avec les pin headers placés là où ça va bien (potards et codeur), l'interrupteur remplacé par un pin header et un cavalier, les boutons supprimés.

Pour pallier l'absence de connecteur pour déporter les boutons, fabrication d'un petit PCB qui recevra un pin hader pour y relier une nappe ; le lecteur attentif remarquera qu'il y a un pin de trop par rapport à ce que nécessite le nombre de boutons. En effet, en façade, il y a un bouton de plus. Le rack a été conçu pour accueilir au choix 3 modules DDS différents, l'un d'entre eux disposant d'un bouton supplémentaire. Avec le modèle finalement retenu, l'un d'entre eux est inutilisé. Ceci permet en outre une certaine marge d'évolutivité de l'appareil si le générateur était un jour remplacé par un modèle présentant une fonction supplémentaire intéressante.

Le générateur de fonctions doit être alimenté par une tension continue de 5V. A cet effet, un petit régulateur a été ajouté (7805). mais il était exclu d'inclure un transformateur supplémentaire, et il est impossible de faire avaler à un 7805 la tension fournie par un des redresseurs des alimentations stabilisées de puissance. Un des transformateurs s'est donc vu adjoindre un enroulement supplémentaire...

Petit tutoriel à l'intention des débutants (ceux qui ont connu l'époque à laquelle les transfos étaient chers, et qui ont récupéré et rebobiné des transfos de téléviseur pour leurs amplis hi-fi, peuvent sauter ce qui suit !).

Tout d'abord, il faut récupérer du fil de cuivre fin. Quelques dizaines de mA ne nécessitent pas du gros fil. Un bloc secteur est désossé. Autrefois, les circuits magnétiques des transfos EI étaient généralement constitués de tôles isolées par oxydation. Actuellement, ils sont souvent imprégnés. Ceci rend le démontage des tôles assez pénible. Il faut s'armer de patience, ou trouver une autre source de fil de cuivre...

Quelques spires sont enroulées sur le tore. On mesure la tension fournie. En divisant cette tension lue au voltmètre par le nombre de spires, on obtient le nombre de volts par spire. Ici,10 spires donnent 3.6V.

Ensuite commence la partie vraiment pénible. Bien sûr, on peut faire l'enroulement supplémentaire par dessus le reste, et le protéger par du ruban adhésif. C'est moche, ça fait bricolo. mais ça marche aussi.

Pas de ça ici ! L'isolant de protection est débobiné tout en l'enroulant sur un morceau de carton qui servira de navette. L'étiquette est marquée pour indiquer la tension fournie par l'enroulement supplémentaire. 9V, car il faut tenir compte de la tension dont a besoin de régulateur 7805. Donc de l'ordre d'une trentaine de spires. Ce qui dépasse est passé dans du souplisso. En fait de souplisso, il s'agit simplement d'isolant de fil souple de 0.5 mm².

30 spires fourniront ici les 9 V, l'isolant de protection est remis par dessus le tout à l'aide de la navette. Vérification de la tension : 9.3V, c'est ce qu'il faut. Oui, il y a un peu de ruban d'électricien ! Ce n'est pas très joli, mais l'adhésif cristal d'origine n'était plus utilisable.

Alimentation du générateur ; ce PCB embarque également un atténuateur fixe -32dB commuté par relais.

Mécanique : la partie intéressante !

Choix techniques et esthétiques :

Contre face complète. Les groupes de boutons, ainsi que les potentiomètres et le codeur, sont montés chacun sur un petit circuit imprimé. La liaison avec la face avant se fait par l'intermédiaire de 4 grosses entretoises usinées dans de l'aluminium. Ces entretoises sont simplement collées à l'arrière de la face avant, et positionnées avec précision par des pions de centrage. Ceci afin de respecter parfaitement la position de leurs taraudages et évidements par rapport à la contre face : ainsi, tout s'alignera parfaitement une fois les vis serrées. Les rallonges d'axes des potentiomètres ont été faite sur mesure également.

Usinage de la contre face, dans de l'aluminium e 2mm. La tôle brute a été collée au double face sur un morceau de MDF qui sert de martyre. Les usinages ne génèrent pas de fortes contraintes. La surface collée est importante. Ca évite les reprises de bridage, toujours casse-pieds, particulièrement sur une telle pièce qui présente de nombreux perçages et découpes.

Revers de la médaille : le décollage et le nettoyage ne sont pas faciles.

Pour la face avant proprement dite, pas de droit à l'erreur. C'est de l'aluminium de 4 mm d'épaisseur, il y a des efforts de coupe bien plus grands. Donc, là, bridage classique. L'usinage se fait par la partie cachée, non visible de l'extérieur. La face apparente est protégée avec de l'adhésif de marquage, au cas où.

Petite astuce pour l'alignement par rapport à l'axe X. Une barre rectifiée est bridée contre le chant, sur la table tournante. La touche du comparateur est posée sur ce barreau rectifié (un barreau d'HSS de 16). L'alignement devient un jeu d'enfant. C'est là qu'on est content de disposer d'une table de 400mm de diamètre ! Poourquoi ne pas poser la touche du comparateur directement contre le chant ? Simplement parce que la face avant a été découpée à la guillotine, et par conséquent le chant n'a pas une surface parfaite : lecture sautillante.

On pourra critiquer le bridage, il s'agit ici simplement d'aligner. Le bridage est repris ensuite de façon sérieuse.

Pour les ouvertures, réalisation de poches dans lesquelles passeront les afficheurs et les vitres, puis découpes finales.

Les marquages au crayon que l'on peut apercevoir correspondent à un ancien projet, abandonné il y a longtemps. La précision nécessaire ici doit être meilleure que le 1/10 mm (juste le jeu permettant l'assemblage). Travailler avec un simple traçage et un alignement visuel serait voué à l'échec.

Face avant terminée, du côté visible. Enfin... presque : il retse à faire les coins des passages de boutons.

Les entretoises. Les pions sont coupés dans du rail d'imprimante, puis collés dans leurs logements.

Montage à blanc de la contre face équipée (sauf potards). Ca doit tomber pile poil, ou alors c'est mort. Ca tombe pile poil. Juste un poil de jeu à donner à la lime douce pour améliorer le fonctionnement des boutons, un peu trop serrés au départ.

Il ne reste plus qu'à coller les entretoises. Les surfaces à encoller sont grattées avec un papier de verre à gros grain avant encollage à l'époxy. La surface qui sera visible est protégée avec du ruban de masquage afin d'éviter les rayures et autres marques.

Encollage, mise en place précise grâce aux pions de positionnement, puis serrage énergique pendant la polymérisation.

Réalisation des vitres de protection des afficheurs. Des poches ont été prévues à l'arrière de la face avant afin de les recevoir. Elles sont juste maintenues par les afficheurs. La précision de l'usinage autorise ce genre de chose : pas de collage, jeu très réduit, aucun effort sur les afficheurs. La face avant de 4 mm d'épaisseur est suffisamment rigide pour éviter tout risque.

Le plastique est récupéré sur des boîtes en plastique. Le fond rouge n'est pas très agréable sur les photos, mais donne un peu de contraste...

Le plastique est recouvert de ruban de masquege, ce qui permet le traçage et assure la protection jusqu'à la fin. Ensuite, profonds coups de cutter.

Les rayures faites au cutter permettent de casser le plastique de façon propre et nette.

Un coup de lime permet de peaufiner les bords.

Les vitres viennent se placer dans les poches usinées à leur intention.

Le résultat vu par l'avant. Entre temps, les "sérigraphies" ont été réalisées par la méthode du "toner transfer". Toner transfer particulièrement difficile : il y aura eu pas mal de ratés. Au moins deux tentatives par marquage avant d'arriver au résultat souhaité.

Vue plus large : les traces que l'on voit sont des restes de la pulpe du papier ayant servi au transfert, pas encore bien éliminée. Les marquages ne sont pas vernis, leur résistance est suffisante.

A propos des boutons carrés dont il est question depuis le début...

Le choix s'est porté sur des boutons carrés avec cabochons pour plusieurs raisons :

Ces boutons se trouvent facilement sur eBay auprès de vendeurs chinois. Malgré de longues recherches, il s'est avéré impossible d'en trouver en Europe auprès de vendeurs de composants électroniques. Leur prix est modique, mais d'une façon générale, pour ce genre de composant, il n'est pas intéressant financièrement d'acheter hors CEE. Ici, impossible de faire autrement.

Ces composants sont fragiles. Si les cabochons sont livrés montés sur les boutons - ce qui n'est pas forcément le cas - il faut être extrêmement précautionneux en les retirant. Il faut y aller tout doucement en les faisant venir avec la pointe d'un exacto. La moindre fissure aboutira plus ou moins vite à une fissure complète (de quelquss jours à quelques semaines). On peut en voir un qui est condamné : celui situé en haut à gauche de la photo. ce n'est pas grand chose, mais il est mort. J'ai eu à en remplacer deux ou trois après quelques semaines. Les "blessures" semblaient sans gravité, étaient invisibles une fois tout en place, mais ils se sont lentement fissurés comme du verre trempé qui a pris un choc ! Donc faire très attention. On risque d'en abîmer deux ou trois avant de prendre le coup. En ayant commandé d'autres lots depuis, j'ai constaté qu'ils étaient livrés non assemblés. Tant mieux !

Les fissures se propagent simplement parce que les cabochons sont montés en force, et donc le plastique est contraint.

La personnalisation est très simple ; il suffit d'imprimer le motif ou les caractères sur du papier, et de le glisser au fond du cabochon avant de l'enfiler sur le bouton. Le résultat obtenu est vraiement parfait, mais dépend naturellement de la résolution de l'imprimante employée.

Illustration du phénomène, à différents stades allant de la fissure à peine visible jusqu'à la destruction complète. C'est un phénomène assez lent. Ca ne signifie pas que ces boutons soient de mauvaise qualité, c'est juste une manipulation inadaptée : démontage trop agressif. Une fissure presque invisible apparait dans un ou deux angles, puis se progage lentement, mais inexorablement.

Le prix de ces composants étant dérisoire, il est prudent d'en commander une quantité suffisante pour disposer d'un stock de cabochons de rechange. Les poussoirs vampirisés restent parfaitement utilsables, et ne seront donc pas perdus. D'ailleurs, ils sont également vendus sans cabochon, juste avec le bouton carré. Il en existe de différentes couleurs.

Pour les rendre lumineux, c'est très simple : il suffit de placer des LED de façon judicieuse. Voir ci-dessous (sur un dessin, car les photos n'étaient pas très parlantes). Le plastique transparent se comporte comme un guide de lumière. Le résultat est très intéressant, fait très "pro" (mais ce n'est pas facile à mettre en évidence avec un APN à flash intégré).

Le flash perturbe le rendu ! En réalité, la luminosité obtenue est bien plus visible.

Jusqu'à présent, il n'a pas été quetion de ce bouton supplémentaire. Si on regarde la notice du générateur utilisé (le UDB1210), il n'existe pas de bouton -32dB. Il existe par contre sur le UDB102Z. Le UDB1210 comporte un atténuateur numérique, réglable par le codeur rotatif en plus du potentiomètre de niveau. Mais j'ai trouvé plusieurs bonnes raisons d'ajouter un atténuateur supplémentaire :

Je ne sais pas si l'atténuation numérique se fait au niveau du PLC, en amont de l'échelle R-2R du DAC. Si c'est le cas, on perd des bits. Or, il n'y en a que 8...

Il y a bien une deuxième échelle R-2R 8 bits, commandée par des 74HC4053. Je n'ai pas suivi le tracé pour savoir si cela constitue l'atténuateur réglable sur 256 niveaux. Il y a de fortes chances. Et quand bien même, cet atténuateur, où est-il placé ? En amont ou en aval de l'AOP de sortie ? Je vois mal comment il pourrait se situer en aval de ce dernier alors que l'impédance de sortie reste constante (50 ohms). Le potentiomètre de niveau joue sur le gain de cet AOP, et celui d'offset sur l'une des entrées. Pour le savoir il faudra faire un essai simple : si cette deuxième échelle R-2R est en amont de l'AOP, alors l'offset ne dépend pas du réglage de niveau digital. Sinon, c'est en aval... Ce qui est certain, c'est que je n'ai pas constaté de dégradation visible à l'oscilloscope.

Bref, un atténuateur en PI 50 ohms, commandé par un "toggle switch" basé sur un 555 et un relais miniature, a été placé entre la sortie du générateur et la prise BNC "signal". Ainsi, pas de question à se poser. De plus, un atténuateur fixe, c'est pratique, et ça aura permis de valider l'idée du bouton poussoir lumineux à 20 centimes d'euro ! Enfin, l'appareil a été conçu pour être compatible avec 3 des 4 modèles de générateur disponible au moment de la conception : l'un d'entre eux est pourvu d'un bouton -32dB, il était donc nécessaire d'en placer un. C'est aussi la raison de la présence d'un bouton inutilisé : ce même modèle a un bouton de plus, dédié au choix de la forme de signal.

Le bouton poussoir "-32dB" est connecté aux pin headers X3

Alimentation des LED en série parallèle. Bien sûr, les deux séries de LEDs ne sont pas réellement en parallèle : chaque groupe a sa propre résistance.

La carte alim 5V / toggle switch / atténuateur en PI.

Critiques et défauts de cet appareil

En raison de la faible place disponible en façade, ce sont juste des potentiomètres 10 tours classiques qui ont été utilisés. D'ordinaire, une alimentation de laboratoire comporte deux potentiomètres pour chaque réglage : un pour le réglage grossier, l'autre pour le réglage fin. Ce n'était pas possible ici. Du coup, il est parfois difficile de régler au quart de poil tension et/ou courant. L'effet "affichage digital" n'y est pas pour rien : on n'a pas réellement besoin de régler au millivolt près (surtout si la mesure n'atteint pas une telle précision), mais on est toujours plus ou moins tenté de le faire.

Sous un encombrement aussi faible, la seule solution serait l'utilisation de potentiomètres coaxiaux doubles, ce qui est introuvable pour un particulier. Moyennant pas mal de travail d'usinage et quelques engrenages, il est possible d'en réaliser à partir de potentiomètres ordinaires.

Il y a un cas dans lequel un réglage très précis est nécessaire : c'est la charge d'accumulateurs Li ion LiPo et consors ; ils nécessitent un réglage de tension à 1% près. Avec les potentiomètres visibles ici, le réglage à 1% n'est pas facile du tout.

Les selfs des convertisseurs sont juste fixées par les extrémités du fil de cuivre. Il sera prudent de les immobiliser par un peu de colle ou de silicone. Il risque à la longue de se poser le même problème que sur les variateurs des luminaires halogènes : rupture de la self antiparasite, et panne.

Un défaut agaçant : les afficheurs 1602 des alimentations stabilisées pètent parfois les plombs ! Ceci arrive lorsque on branche une charge sur les prises banane. Ils n'affichent plus rien, ou au contraire absolument n'importe quoi. Ou encore quelques caractères improbables. Ce n'est pas le module buck qui est directement en cause : les régulations fonctionnent normalement, on peut changer de fonction, bref, boutons et potards continuent à jouer normalement leurs rôles : la carte et son microcontrôleur ne sont pas plantés. Je n'avais pas constaté ce problème lorsque l'afficheur était directement connecté sur la carte du régulateur. Le "parasitage" de ces afficheurs 1602 est semble-t-il un grand classique : Google permet de le constater. En particulier sur les forums consacrés aux Arduino ; et, souvent, les gens cherchant à résoudre ce problème restent sur leur faim. Dans cet appareil, les afficheurs sont déportés grâce à des nappes relativement longues. J'ai tenté de découpler l'alimentation au niveau des afficheurs avec différentes valeurs de capas, tenté de placer de petites capas à la sortie des modules buck. Essayé aussi de relier le négatif au châssis et donc à la terre (momentanément, puisqu'il ne faut surtout pas le faire si on veut s'en servir en alim symétrique !). Des heures d'essais sans résultat. Toujours ce petit souci plus ou moins aléatoire. Une seule voie n'a pas encore été explorée : le blindage des nappes. Dans les PC portables, les nappes sont doublées par une sorte de tissu métallique adhésif qui est collé par dessus. C'est peut-être une solution... Ceci ne se produit que sur les afficheurs des alimentations, pas sur celui du générateur. Suspectant un défaut des afficheurs des alims, j'en ai remplacé un par celui du générateur, sans résultat... Ce défaut n'est pas très gênant en pratique, encore moins rhédibitoire, mais laisse un sentiment d'inachevé.

Les boutons de réglage du générateur BF sont trop près des prises BNC : si des câbles avec connecteur moulé sont utilisés, les réglages deviennent malaisés.

Cet appareil est utilisé depuis 1 mois seulement, et donne pour l'instant satisfaction (à l'exception du problème d'affichage évoqué plus haut). Il est probable que la section "critiques et défauts" s'enrichisse un peu. Mais il faut garder à l'esprit qu'il s'agissait de faire simple, bon marché, compact, et de compléter un oscilloscope désuet dans le cadre d'un petit laboratoire basique consacré uniquement à la BF. Les performances sont certainement modestes, mais les ambitions l'étaient aussi. En revanche, la conception mécanique et la réalisation ont été un réel plaisir. Pas si simple de tout caser et de faire propre : machines outils indispensables. C'est d'ailleurs parce que je ne disposais pas des moyens techniques nécessaires pour usiner la façade de ce rack qu'il était resté si longtemps remisé.

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Validation W3C Unicorn le : 15 juillet 2013
page ajoutée le 4 mars 2013
dernière révision le 16 mars 2013