Outils et ressources pour la conception analogique

Dans ce troisième article de notre série dédiée à l’importance des compétences en ingénierie analogique, nous verrons de quel équipement de laboratoire tout ingénieur en électronique a besoin pour exercer son métier.

Figure 1 : bloc d’alimentation de laboratoire

Nous examinerons aussi comment fonctionnent quelques outils matériels comme une alimentation, un générateur de signaux et un oscilloscope et quelles sont leurs fonctions. Nous verrons ce faisant comment leurs fonctionnalités, autrefois discrètes, sont aujourd’hui combinées en un outil tout-en-un pratique alimenté par USB. Enfin, nous ferons le tour des fonctionnalités d’un outil logiciel qui a grandement simplifié la conception de circuits de filtrage analogiques.

Équipement de laboratoire indispensable lorsque l’on travaille avec des circuits analogiques
Le but d’un circuit électronique est de contrôler et de diriger un courant électrique dans diverses applications. Une alimentation électrique (figure 1) est un outil indispensable pour tester les performances d’un circuit analogique. L’alimentation redresse une tension alternative afin de générer un courant continu pulsé, lequel est filtré en produisant une tension régulière. Cette tension est ensuite régulée afin d’obtenir un niveau de sortie constant qui n’est pas affecté par les changements de tension d’entrée CA ou de charge du circuit.

En laboratoire, les ingénieurs en électronique utilisent un bloc d’alimentation CC de paillasse pour recréer la source d’alimentation qu’un circuit utilisera dans une application sur le terrain. Des commandes rotatives permettent de régler plus précisément la tension continue régulée et la sortie de courant. Les modèles plus sophistiqués offrent des fonctionnalités supplémentaires. Certaines alimentations autonomes sont programmables, c’est-à-dire qu’elles peuvent être commandées à l’aide d’un ordinateur portable auquel elles sont directement branchées.

Un générateur de signaux sert à créer des formes d’onde répétitives ou non répétitives et permet ainsi aux ingénieurs de sélectionner la taille, la forme et la fréquence du signal de test requis. Cet appareil offre généralement la possibilité de créer des ondes sinusoïdales, triangulaires et carrées et dispose de boutons-poussoirs pour sélectionner le contrôle de fréquence ainsi que de boutons rotatifs pour régler l’amplitude. Certains modèles plus sophistiqués sont programmables et peuvent même être dotés d’un écran LCD.



Figure 2 : un générateur de signaux

Visualisation des signaux analogiques
L’instrument traditionnel utilisé par les ingénieurs pour visualiser les signaux analogiques est l’oscilloscope, un grand instrument de paillasse doté d’un écran LED. Cependant, de nouveaux types d’appareils ultraportables, comme le Digilent Analog Discovery 2, combinent les fonctionnalités d’un oscilloscope, d’un générateur de signaux, d’une alimentation CC et d’un voltmètre, le tout dans un format compact. Grâce à leur connexion USB, ces appareils peuvent facilement être configurés à l’aide d’un ordinateur portable, lequel peut également servir d’écran de contrôle pour l’affichage du signal. Par leur format et leurs fonctionnalités, ces kits sont la solution idéale pour les ingénieurs qui souhaitent réaliser des tests et des analyses de signaux virtuellement et quel que soit l’environnement.



Figure 3 : le Digilent Analog Discovery 2

Conception de circuits de filtrage
Après avoir défini les spécifications de son circuit de filtrage, l’ingénieur doit déterminer la configuration appropriée du circuit. Cette étape obligeait auparavant les ingénieurs à réaliser des calculs mathématiques en vue de déterminer la fonction de transfert du filtre (équation), puis à sélectionner les composants (condensateurs, résistances et amplificateurs opérationnels) du filtre. Cette tâche s’avérait parfois longue et difficile, mais elle est désormais sensiblement simplifiée grâce à des outils logiciels tels qu’Analog Filter Wizard d’Analog Devices. Ce logiciel permet en effet aux ingénieurs en électronique de concevoir un circuit de filtrage en cinq étapes simples :

Étape 1 : sélectionner le type de filtre.
Choisissez le type de filtre requis (passe-bas, passe-haut ou passe-bande).

Étape 2 : spécifications
Dans l’onglet « Spécifications », il est possible de préciser le gain, la bande passante, la bande d’affaiblissement et l’atténuation du filtre et d’observer l’équilibre entre vitesse et nombre d’étages à l’aide d’un curseur. L’outil affiche également un graphique de la réponse en fréquence du filtre. Le graphique est mis à jour dès que les spécifications d’entrée sont modifiées.

Étape 3 : composants
L’onglet « Composants » affiche la configuration du circuit et les valeurs des composants physiques (R, C et Op-Amp) requis pour répondre aux spécifications du filtre.

Étape 4 : tolérances
Les ingénieurs peuvent ici spécifier les tolérances des composants qu’ils ont choisis pour le circuit. Si les composants à plus faible tolérance sont généralement moins chers et plus facilement accessibles, ils peuvent augmenter la variabilité entre les instances de filtre individuelles. Il s’agit dès lors de trouver le bon compromis entre coût, performances et disponibilité en appliquant les règles de la DFM (conception en vue de la fabrication). La DFM est une méthode de conception destinée à atténuer le risque de spécification incorrecte des composants au début du processus de conception.

Étape 5 : étapes suivantes
Dans cette dernière étape, l’ingénieur peut télécharger des fichiers SPICE pour le circuit de filtrage. Cette fonction lui permet de simuler les performances « réelles » du circuit de filtrage.

Simulation de circuit
Les outils logiciels SPICE permettent de simuler le comportement des circuits dans des applications pratiques. En modifiant des variables telles que la tension d’alimentation et la température, les ingénieurs peuvent déterminer les tolérances acceptables pour chaque circuit bien avant de procéder à la construction d’un prototype physique, qui est une opération aussi coûteuse que chronophage. Les ingénieurs en électronique peuvent également définir toute une série de signaux d’entrée, de variations de tension/température et de types de simulation afin d’analyser le comportement des circuits en ce qui concerne le temps et la fréquence.

Conclusion
La dernière génération d’outils matériels et logiciels simplifie considérablement les tâches courantes des ingénieurs en électronique lors de la conception de circuits analogiques. Les fonctions d’alimentation, de générateur de signaux et d’oscilloscope sont désormais combinées dans des instruments autonomes et ultraportables comme l’Analog Discovery 2 de Digilent. De même, l’arrivée sur le marché d’outils logiciels tels qu’Analog Filter Wizard d’Analog Devices rend la conception d’un circuit de filtre analogique beaucoup plus simple à réaliser. Dans notre prochain article, nous montrerons comment les fichiers de simulation du logiciel SPICE ont eux aussi grandement facilité la simulation de circuits analogiques.

Ne manquez pas le prochain article de la série où nous dévoilerons comment se lancer dans la conception analogique.

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