Memoire Online - Conception et réalisation d'un déphasemètre numérique doublé d'un fréquencemètre numérique

Le déphasemètre numérique doublé du fréquencemètre numérique est un appareil qui permet de mesurer et d'afficher le déphasage entre deux signaux de même fréquence ainsi que leur fréquence. Dans notre cas il s'agit non seulement de mesurer et d'afficher le déphasage entre la tension et le courant mais aussi de mesurer et d'afficher leur fréquence. Notons que la tension et le courant ont la même fréquence. En effet, ce déphasage mesuré est dû à une charge (fer à repasser, plaque chauffante, ventilateur, frigo, etc.) alimentée au secteur.

2. Schéma synoptique

Ce synoptique met en relief les différents modules qui interviennent dans la conception du déphasemètre numérique doublé du fréquencemètre numérique( voir figure 2).

? Le bloc d'acquisition : il comprend le secteur (220V/50Hz), la charge, le capteur de courant, le capteur de tension, le détecteur de déphasage, le détecteur de fréquence et le commutateur.

? Le bloc d'affichage : il regroupe la carte d'affichage et les afficheurs. 3. Schéma de principes

Nous allons étudier chaque module du schéma synoptique en allant de la gauche vers la droite.

Elle peut être un réfrigérateur, un ventilateur, une plaque chauffante, un circuit RL formé d'une bobine et d'une résistance, etc. Cette charge entraine soit une phase, soit un déphase entre le courant et la tension du secteur (voir figure 2).

Il s'agit d'alimenter la charge au secteur (voir figure2) c'est-à-dire à 220V/50Hz (or les 220V du secteur représente sa tension efficace ainsi sa valeur maximale est 220v2V qui est égale à environ 311.13V).

Le capteur de la tension permet d'avoir une image de la tension (voir le schéma structurel figure 3). Il permet de passer du signal sinusoïdal de 311V à un signal rectangulaire allant de 0 à 5V en conservant sa fréquence, ce signal rectangulaire permettra de mieux déterminer le déphasage entre le courant et la tension lorsqu'il est pris pour référence.

? Les résistances R1 (22K?/3W) et R2 (22K?/3W) sont des résistances de protection ainsi elles permettent de limiter le courant qui traverse l'optocoupleur (voir annexe I).

? La diode D2 (1N4007) fait le redressement à l'alternance positive (voir annexe II).

? L'optocoupleur permet donc d'avoir l'image de la tension à l'alternance positive en conservant la fréquence. Ainsi il transforme le signal sinusoïdal après le redressement positif en signal rectangulaire d'amplitude allant de 0V à 5V. R3 (1K?/0.25W) est une résistance de rappel car l'optocoupleur est à collecteur ouvert (voir annexe V).

Il permet d'avoir l'image du courant c'est-à-dire de conserver sa fréquence et son déphasage par rapport à la tension (voir le schéma structurel a la figure 4). Il permet de transformer le courant de 3A qui traverse la charge en une tension rectangulaire allant de 0 à 5V pour en déduire le déphasage dû à la charge.

? La résistance R4 (0.01?/3W) de faible capacité permet de convertir le courant en tension grâce à la loi d'ohm tout en gardant la fréquence et le déphasage du courant (voir annexe I).

? Le circuit formé par la diode D1 (1N4007), la résistance R44 (22K?/10W), le condensateur C8 (330uF/25V) et la diode zener D3 (BZX84C12L) constitue le circuit de l'alimentation du comparateur LM339 (voir annexe I).

? Le LM339 permet de transformer le signal sinusoïdal en un signal rectangulaire allant de 0V à 12V.Il est un comparateur à collecteur d'où la nécessité d'utiliser la résistance de rappel R6 (1K?/0.5W).

? La résistance R7 (1.2K?/0.25W) limite le courant dans la branche et la diode D4 permet de protéger l'optocoupleur en écrêtant l'alternance négative de la tension de sortie du comparateur (voir annexe I).

? A la sortie de l'optocoupleur nous avons un signal rectangulaire allant de 0V à 5V. L'optocoupleur étant à collecteur ouvert, la résistance R8 (10K?/0.25W) est la résistance de rappel à la source (voir annexe I).

Il permet de mesurer la fréquence de la tension. En effet il permet de mesurer la fréquence de la tension obtenue à la sortie du capteur de tension (voir figure 5). Il permet d'avoir une tension proportionnelle à sa fréquence en sortie, dans notre cas en sortie nous avons une tension égale au centième de la fréquence du signal en entrée.

? La tension obtenue à la sortie du capteur de tension entre dans le circuit dérivateur. Ce circuit dérivateur est formé de R10 (100k?/0.25W), C3 (47nF/15V) et D5 (1N4007), il permet d'augmenter la largeur d'impulsion de la tension (voir annexe I).

? Le NE555, R12 (18k?/0.25W), R13 (0.22k?/0.25W) et C5 (0.1uF/15V) constituent le monostable. En effet le NE555 reçoit le signal dont la largeur d'impulsion a été augmentée par le circuit dérivateur (sa commande) il transforme à son tour la largeur d'impulsion de la commande grâce au R12,

R13 et C5 qui déterminent sa nouvelle largeur d'impulsion (voir annexe I). Notons que le monostable conserve la fréquence du signal de commande. Ainsi, grâce à la valeur moyenne du signal à la sortie du monostable nous pouvons déterminer la fréquence du signal de commande. Le signal à la sortie du monostable étant rectangulaire nous avons : Um=Fr*Tm*Ucc donc

? Le circuit de filtrage R11 (1.8k /0.25W) et C4 (220uF/15V) est un filtre passe bas dont la fréquence de coupure égale à 0.5Hz, son rôle est de donner la valeur moyenne du signal à la sortie du NE555 (voir annexe I).

Dans le but de vérifier le bon fonctionnement du détecteur de fréquence nous allons faire varier la fréquence du signal à l'entrée du détecteur de fréquence et recueillir la valeur moyenne à sa sortie. Le tableau ci- dessous montrera les fréquences et les valeurs moyennes obtenues à la sortie du détecteur :(voir le tableau 1)

Fréquence	Valeur moyenne
10Hz	0.1V
20Hz	0.2V
30Hz	0.3V
40Hz	0.4v
50Hz	0.5V
60Hz	0.6V
70Hz	0.7V

A l'aide de matlab nous tracerons la courbe fonction de la fréquence et la valeur moyenne (voir figure 6).

La courbe obtenue étant linéaire, nous pouvons affirmer que le détecteur est fiable.

La sortie du capteur de courant et du capteur de tension entre dans la porte XOR («porte ou exclusive») à deux entrées. En effet, cette porte est réalisée à l'aide de quatre portes «NAND» (voir figure 7). Il permet de déterminer le déphasage entre la tension et le courant. Ainsi en sortie nous obtenons une tension proportionnelle au déphasage (voir annexe VII).

S= Vcrt.Vten+ Vcrt. Vten ainsi S est égal à la sortie d'une Porte «ou exclusif».

Sa table de vérité se présente comme suit. Notons que «1» logique est 5V et «0» logique est 0V

Nous déduisons de la table de vérité que lorsque Vcrt et Vten sont à 5V ou à 0V nous avons en sortie 0V, mais lorsque l'un est 5V ou 0V nous avons 5V en sortie. Ainsi cette porte nous permet de mesurer le déphasage entre Vcrt et Vten.

? R9 (1.8k /0.25W) et (220uF/15V) forment un filtre passe bas de fréquence de coupure 0.5Hz qui est le dixième de 50Hz, son rôle est de donner la valeur moyenne du signal à la sortie de la porte «ou exclusif».

Dans le souci de vérifier la fiabilité de ce détecteur nous ferons varier le déphasage et nous recueillerons la valeur moyenne. En effet, la variation de la charge entrainera plusieurs valeurs du déphasage. Le tableau ci-dessous nous donnera quelques valeurs moyennes de tension suite à la variation du déphasage.

L: bobine	R=résistance	ö en radian	ö en degrés	Valeur moyenne
0,1	100	0,30425083	17,4322886	110,81
0,1	10	1,26248066	72,3348138	399,84
0,1	1000	0,03138969	1,79849655	25,283
1	10	1,53895995	88,1759102	491,16
0,1	47	0,58898396	33,746295	196,52
0,1	68	0,43259427	24,7858261	150,05
0,1	82	0,36570204	20,9531837	127,96
0,1	56	0,51103192	29,2799721	172,94
0,1	39	0,67786008	38,8385219	222,1
0,1	33	0,76055855	43,5767952	246,88
0,1	27	0,86059855	49,3086649	277,44
0,1	22	0,95964301	54,9834944	307,51
0,1	18	1,05027941	60,1765776	335,95
0,1	15	1,12514163	64,465867	358,84

A l'aide de matlab nous tracerons la courbe fonction du déphasage et la valeur moyenne obtenue à la sortie (voir figure 8).

La fiabilité du détecteur de phase est vérifiée par la linéarité de cette courbe fonction du déphasage et de la valeur moyenne obtenue à la sortie.

Les deux signaux issus respectivement du détecteur de déphasage et du détecteur de fréquence entrent dans le commutateur. Ainsi manuellement nous pouvons choisir le signal à avoir à la sortie du commutateur (voir figure 9).

Il s'agit du Convertisseur Analogique Numérique à rampe numérique (voir figure 10). Il permet de trouver la valeur de la tension à afficher, Ainsi lorsque nous avons une tension à son entrée de 0.1V il affiche 10.

(3.9k /0.25W), R30 (3.9k /0.25W), R29 (1 /0.25W), LM339 et C1
(100nF/15V), fournit des impulsions à une fréquence de 0.1kHz. En effet, l'astable constitue l'horloge du compteur CD4518.Notons que le LM339 est un comparateur à collecteur ouvert et R29 est sa résistance de rappel à la source.

> Le compteur CD4518 reçoit les impulsions de l'astable et commence à compter de 0 à 99. La broche _CPoA reçoit les impulsions délivrées par l'astable et la partie A(les broches QOA, Q1A, Q2A, Q3A) commence à compter de 0 à 9 et reprend. La broche MRB et la broche MRA sont reliées à la masse pour qu'il n'ait pas de remise à zéro. Ainsi les broches _CP1B^et_CP1A sont reliées à«1» logique (5V) pour éviter des perturbations. La broche _CPoB quant à elle reliée à une porte NAND. En effet, cette porte est connectée à l'entrée aux broches _OOA^et_O3A ainsi lorsqu'elles sont à «1» logique (5V) la broche CPoB est à «0» logique (0) donc la partie B (les broches QOB, Q1B, Q2B, Q3B) peut commencer à compter (voir annexe VIII).

> La partie A constitue la partie des unités et la partie B, celle des dizaines car lorsque _OOA^et_O3A sont à «1» logique la partie A est à 9 (QOB=1, Q1B=0, Q2B=0, Q3B=1) la partie B se met à compter.

> Les différentes parties sont reliées à deux décodeurs 7 segments (aux broches D0, D1, D2, D3). Les broches LT et BL sont mises à «1» logique pour le bon fonctionnement des décodeurs. La broche EL est reliée à la sortie du circuit dérivateur. En effet, lorsqu'elle est «1» logique le décodeur enregistre la valeur. Les résistances R36 (39K /0.25W), R35 (82K /0.25W), R34 (8.2K /0.25W), R38 (2.2K /0.25W), R37 (3.9K /0.25W), R39 (1K /0.25W), R41 (22K /0.25W), R40 (10K /0.25W) et le potentiomètre R43 permettent de transformer les«1» logique et les «0» logique en des tensions analogiques (voir annexe IX). En effet, cette transformation a lieu

> La sortie du commutateur est reliée à la broche plus (U+) du comparateur et le potentiomètre à sa broche moins (U-). Ainsi lorsque U+ sera plus grand que U- le comparateur délivrera une impulsion. Le comparateur est formé de du LM339 et de sa résistance de rappel R28 (1k /0.25W).

> Lorsque U+ est inférieur à U- le comparateur délivre un «0»logique or EL est une porte inverse c'est-à-dire elle transforme le «0»logique en «1» logique donc Le EL ne reçoit pas le «0» logique mais reçoit «1»logique.

> Ainsi, pour remédier à ce problème nous placerons un inverseur après le comparateur qui permettra de transformer «0»logique en «1» logique qui sera

reçu par le EL comme «0»logique. Cet inverseur est formé d'un transistor bipolaire 2N2222 (voir annexe VIII) qui fonctionne en commutation et des résistances R45 (0.1k /0.25W) et R46 (1k /0.25W).

? Le circuit dérivateur formé de R42 (100k?/0.25W), C7 (47nF/15V) permet d'augmenter la largeur d'impulsion de la tension à la sortie de l'inverseur donc de maintenir EL à «1» logique c'est-à-dire de permettre aux décodeurs d'enregistrer les valeurs à l'entrée (voir annexe I).

Nous utilisons deux afficheurs 7 segments pour afficher les valeurs transmises par la carte d'affichage (voir figure 13).

? Les résistances R20, R19, R18, R17, R16, R15, R14, R21, R22, R23, R24, R25, R26, R27, R21 (ils ont la même valeur 220 /0.25W) reçoivent les 5V du décodeur DC4511. Ainsi ces résistances permettent de limiter le courant pour les afficheurs (voir annexe XI).

? Apres avoir reçu le courant les afficheurs 7 segments se mettent à afficher la valeur correspondante (voir annexe XI).

Dans le souci de respecter le cahier des charges les composants seront alimentés à 5V, mais à l'aide d'un régulateur MC7805LACK et des condensateurs C10 (470uF/35V) et C9 (10uF/10V). En effet, le circuit reçoit les 15V à 9V qui sont fournis par l'alimentation externe et la ramène à 5V (voir figure12).

Figure 12 : le circuit d'alimentation des composants 4) Proposition de schéma

? Le schéma ci-dessous présente le schéma du bloc d'affichage (voir figure 14):

Conception et réalisation d'un déphasemètre numérique doublé d'un fréquencemètre numérique

I. ETUDE TECHNIQUE DU DEPHASEMETRE

NUMERIQUE DOUBLE' DU FREQUENCEMETRE NUMERIQUE

1. Définition et rôle

2. Schéma synoptique