T.P TECHNIQUES AUDIO

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BUT DE LA MANIPULATION

De la prise de son jusqu'à la restitution, cette manipulation donne un panorama complet des techniques audio. Nous étudierons en particulier le microphone, la conversion analogique numérique, les effets sonores classiques (réverbération, écho, etc), l’égalisation et le mixage, et enfin  l’amplification de puissance classe D.

Certaines cartes ont été réalisées dans le cadre de projet 2^ème année  en 1998.

 

 A) Schéma  synoptique du système

Figure 1

B) amplificateur de puissance classe D

L’intérêt principal de l’amplification classe D est son excellent rendement (jusqu'à 95%).

 

B.1) Rappel des différentes classes d'amplificateurs

 

 

B.2) Principes de l'amplificateur classe D

 

            1) Schéma

            Le schéma de principe du système est donné en figure 1. Le schéma électronique complet est donné à la fin  du texte du TP.

 

Figure 1

 

            Le signal audio est comparé à un signal triangulaire de haute fréquence. On obtient ainsi un signal intermédiaire, rectangulaire, modulé en largeur d'impulsion (PWM), au rythme du signal audio. Ce train attaque, au travers de drivers, des transistor MOS de puissance( complémentaires ou non) travaillant en "ON/OFF" et alimentés par une tension d'alimentation élevée (> à 30V) permettant d'obtenir un gain en courant important. Cet étage peut être constitué d'un demi-pont ou d'un pont en H complet. Un filtre de sortie, placé entre l'étage MOS et la charge (Haut parleur), permet de restituer la composante BF (audio).Le réseau de contre réaction fixe le gain en tension du montage et sera plus complexe dans le cas d'un pont en H complet.

 

L'anlyse détailllée de cet amplificateur se trouve sur ma page : ampli audio classe D

B.3) Manipulation

 

            1) Calculs préliminaires et applications numériques

            1) Calculer la fonction de transfert de la chaine de contre réaction. Retrouver les étapes du calcul du § VI) aboutissant à la fonction de transfert en boucle fermée.

            2) Calculer numériquement le gain K. En déduire le gain et la bande passante de l'amplificateur. Influence de la capacité d'intégration. Rôle éventuel de R1

            3) Calculer la fonction de transfert du filtre de sortie BF (cf§ VII) en supposant un HP purement résistif de 4W et sans le réseau RC série. Que devient cette réponse dans le cas d'un HP inductif ? Comment est elle modifiée si l'on ajoute le réseau RC ?

            4) Quelles sont les différentes phases de fonctionnement du pont MOS, les séquences et sens de passage des courants ? Rôle des diodes anti parallèles ?

            5) Evaluer la puissance fournie à la charge pour une tension d'entrée audio crête de 1V, une tension Va de 30V et en négligeant les pertes dans le filtre de sortie.

            2) Mesures

            Le schéma électrique complet est donné ci après.

            Appuyer si besoin sur le bouton poussoir pour libérer la protection en courant (LED éteinte)

            Placer les limitations en courant des alimentations le plus bas possible.

 

Analyse en boucle ouverte :

 

 

Analyse en boucle fermée :

 

 

Alimentation  et rendement :

 Pour le plaisir :

 

 

B.4) CONCLUSION

 

Vos conclusions sur le montage, ses performances, ses limites par comparaison à un amplificateur classe A ou AB ?

C) Microphone

Le microphone « cravate » omnidirectionnel inclus un préamplificateur, alimenté sous 1,5V et délivrant un niveau de sortie de +/-40mV. Le signal est amplifié par un SSM2017 (ou 2019 aujourd'hui)   dont les entrées sont munies de diodes zener, montées tête-bêche, qui évitent les surtensions lorsqu’on débranche le microphone.

 

D) Effets sonores de base

 

D.1) Carte écho et réverbération

L'effet écho est obtenu simplement en mixant le signal d'entrée avec ce même signal d'entrée retardé de quelques dixièmes de secondes. La durée entre le signal d'entrée et le signal retardé s'appelle le délai. En faisant varier ce délai, on obtiendra un effet différent. Lors du mixage des deux signaux, on peut ou non atténuer le signal retardé. La relation mathématique exprimant cette opération est :

 où 1/l  est l’atténuation du signal retardé.

L'effet de réverbération est quand à lui obtenu en mixant non plus le signal d'entrée retardé, mais en additionnant le signal de sortie retardé. Cette fois, il est indispensable d'atténuer le signal retardé. En effet, le système étant bouclé, le signal de retour doit être atténué afin de garantir la stabilité de notre système (risque d’effet Larsen). L’expression traduisant cette opération est :

Ces deux effets se traduisent par le schéma de principe donné en  figure 2.

Figure 3a

Il existe une solution "tout analogique" et une autre "numérique" pour réaliser cette fonction. La figure 3 montre la solution numérique proposée et le synoptique complet de la carte.

Figure 3b

Le signal issu du microphone est pré amplifié puis filtré. Puis il est aiguillé d’une part, directement vers le mélangeur de sortie et d’autre part, vers le bloc réalisant le retard. Afin que celui-ci soit significatif (de 1 à 3s), seul un traitement numérique est possible.

 

D.1.1) Conversion analogique numérique du son

Le signal audio est d’abord échantillonné puis converti sur 8 bits (256 niveaux) afin de pouvoir le stocker dans une mémoire RAM. Pour disposer de la dynamique totale du convertisseur, le signal audio est centré autour de Vd/2  par l’ajout d’une composante continue. La fréquence d’échantillonnage Fe du système est de 40 kHz (environ 10 fois la fréquence maximum vocale). Par conséquent, le convertisseur analogique numérique doit être capable d’effectuer une conversion en moins de 12.5ms.  Le temps de conversion du  AD7820 est de 1,3us. Avec ce timing, il reste donc largement le temps de réaliser les opérations annexes nécessaires à la phase d’écriture.

 

            D.1.2) Mémorisation

L’algorithme de gestion de la mémoire est le suivant : chaque échantillon est alternativement écrit dans l’ordre croissant des adresses puis relu un instant plus tard td.

Figure 4

Le signal de sortie est donc retardé de td par rapport au signal d’entrée. La durée maximale de td (ici 3 secondes) et la fréquence d’échantillonnage Fe (ici 40 kHz) fixe la taille de la mémoire : taille > td.Fe  (ici  128k octets RAM NEC uPD431000A). La figure 4 montre un exemple d’organisation avec un retard  td égal à deux périodes d’échantillonnage.   Le retard est programmable par micro interrupteurs de 12us à 3s.

            Le séquencement des différentes phases est effectué par un circuit logique programmable FPGA XILINX qui pilote les convertisseurs et la mémoire. Il a été programmé en VHDL.

( Réservé ENSEIRB)

Figure 5

           

D.1.3) Restitution du signal retardé

Le signal que l’on vient lire dans la mémoire est sous forme numérique. Afin de pouvoir le réintroduire dans le système, il est reconverti en analogique. Le temps de conversion requis pour le convertisseur numérique analogique est déterminé par le temps d’exécution d’une phase de lecture. Ce temps est le même que celui d’une phase d’écriture, chaque cycle durant le même temps :. Le convertisseur utilisé est le  AD558 de chez Analog Devices.

 

D.2) Manipulation

 

E) Carte égalisation/mixage  deux voies

 

            E.1) Principe de l’égalisation

            La bande audio est  « découpée » en 5 sous bandes F1 à F5 (ou plus si nécessaire). Le circuit d’égalisation comporte un circuit sélectif  à gain réglable pour chacune des sous bandes. On peut ainsi régler le dosage  de chaque gamme de fréquence.

La cellule élémentaire se compose donc d’un filtre de type R, L, C associé à un étage à gain ajustable. Or, à ces basses fréquences, une inductance classique aurait une valeur telle que sa dimension serait impressionnante et peu compatible avec les impératifs de miniaturisation...

 

On utilise alors  un convertisseur d’impédance négative de rapport 1 (INIC) qui permet de synthétiser artificiellement une inductance à partir d’un condensateur.

Figure 5

 

On montre que : Zeq = Rs+jLw                     avec L=Rs(R1-Rs)C1

 tant que la fréquence de travail est suffisamment basse pour considérer l’AOP idéal et que Rs²R1C1²w² reste très inférieur à Rs.

 

A la résonance série, l’impédance vue en A vaut Rs. Intégrée dans le circuit en figure 6, on peut alors faire varier le gain  comme indiqué ci après.

Figure 6

 

Le gain Vs/Ve de la cellule varie suivant la position du potentiomètre de Rs/(R1+Rs) à 1+R1/Rs, soit avec les valeurs du montage, de -12 à +12 dB.

En plaçant 5 cellules de ce type en parallèle, on réalise l’égaliseur complet (cf schéma)

 

E.2) Principe du mixage

            Le mixage consiste simplement à additionner 2 ou plusieurs signaux avec un simple montage sommateur muni d’un gain réglable pour chaque voie.

 

            E.3) Manipulation

 

F) Effet Wah Wah

 

F.1) Principe

L'effet Wah wah  est obtenu par le déplacement de la fréquence centrale d'un filtre passe bande dans la bande audio. La commande (ici manuelle mais normalement au pied) est réalisée par le potentiomètre P1.

Le schéma électrique à 2 transistor et filtre L,C,du circuit est donné ci-dessous :

 

 

( Réservé ENSEIRB)

Figure 1

Le montage fait appel à une contre réaction sur un amplificateur à 2 transistors, à l'aide d'un filtre LC passe haut. Le circuit étant difficile à calculer, on peut, en première approximation, expliquer son fonctionnement par le schéma  Figure 2 suivant :

Figure 2                                                                                 Figure 3

Avec  0< a<1 : atténuation du potentiomètre P1;

et  fonction de transfert du filtre passe haut C4,L1,R6 

Dans ce cas la fonction de transfert en boucle fermée s'exprime par

Soit : Tbf(p) =  . L'allure de çTbf(p)ç est donnée en figure 3.

F.2) Préparation

 

F.3) Manipulation

 

Figure 4

 

ANNEXES

Schéma électrique complet / Implantation de la platine

Data sheet  AD7820 / AD 558 / AD 589 / SSM2017 / uPD 431000A

Data sheet HIP4080 / MOS IRF 530 / MAX038 / SFC2318 / TL074