Suite à une panne sur le relais VHF du Radio Club de l’Aube, je suis intervenu pour le remettre en état. Il s’est avéré que l’interface PC, utilisée pour gérer le relais avec les logiciels « Coucou » et « Simplex », posait problème au niveau de la gestion du squelch, avec un dysfonctionnement du circuit intégré buffer inverseur CD4069.
Le relais DR1X du Radio Club de l’Aube est piloté en externe en mode de base par le logiciel Simplex (F6DQM), avec une interface pour PC dont les rôles sont :
- Conversion de la sortie Squelch Open Collecteur du DR1X (protégée par une Zener 5.1V et une résistance de 1 kOhms) vers un niveau compatible avec un port série RS232 (entrée DSR).
- Inhibition de la sortie audio du relais par le signal Squelch. La sortie audio du DR1X disponible sur le connecteur DB15 en broche 9 est brute, après déemphasis mais avant le squelch. Il faut donc couper l’audio lorsque le squelch est fermé, sous peine de se retrouver avec du bruit blanc dans les annonces, lorsque qu’il n’y a pas de signal coté réception.
- Commande PTT du relais par une broche du port série (DTR).
Voici la version initiale de cette interface :
Lors des tests au labo j’ai remarqué une consommation anormale de l’interface, environ 7 mA, bien trop pour les deux circuits CMOS utilisés. Le problème est simple, les entrées non utilisés du CD4069 n’étaient pas à la masse, donc elles flottaient en HF en générant une consommation excessive et probablement une réduction de la durée de vie du CD4069.
Voici la version corrigée, avec toutes les entrées non utilisées à la masse (ou VCC) :
Au passage j’en ai profité pour remplacer la résistance R2 par une diode Zener de 5.6V, pour fiabiliser le basculement du buffer 4069. En effet la sortie squelch du DR1X est open collecteur, selon le manuel, on pourrait penser qu’avec un tirage à la tension délivrée par le DR1X (13.8V) elle bascule entre 0V et 13.8V. Mais lorsqu’on regarde le schéma, on s’aperçoit que c’est un open collecteur modifié par une protection. C’est visible ici, avec R6032 et D6009 (une petite erreur sur ce schéma, la sortie Squelch Detection est en broche 4 et non pas 3).
Une diode Zener de 5V1 empêche la sortie de monter à plus de 5V1. Donc cette sortie squelch varie entre la masse et environ 5.1V même si elle est tirée en pull up à 13.8V. Tel quel, sans R2 ou D1 le 4069 ne bascule pas. D1 permet d’avoir un basculement avec une petite marge de sécurité. L’idéal aurait été de remplacer le CD4069 par un transistor ou un comparateur.
J’ai également remplacé R4 par une 2K2, ce qui est plus logique.
C’est loin d’être parfait, mais cela devrait fiabiliser et éviter une diminution de la durée de vie du CD4069 à cause des entrées flottantes.
Améliorations possibles :
Isolation optique, filtrage HF, protections, et peut être mise en place d’un découplage en entrée et en sortie de l’interrupteur analogique CD4066, pour permettre une polarisation du signal audio à la moitié de la tension d’alimentation.
En effet le signal audio à -10dBV (environ 300 mV) tel qu’il est utilisé ici oscille entre -0.3V et +0.3V. Cela fait fonctionner le CD4066 en dehors des spécifications constructeur. Normalement comme tout circuit CMOS, le signal devrait se situer entre la masse et la tension d’alimentation. Ici il descend en dessous de la masse à -0.3V environ. J’ai réalisé une mesure de distorsion au labo, et j’ai été surpris de constater qu’elle restait en dessous de 0.06 % malgré le fonctionnement anormal du 4066. Par contre, si on pousse le niveau audio à 350 mV RMS, le niveau de distorsion monte en flèche, et à la longue des niveaux trop bas par rapport à la masse peuvent aussi détruire le circuit intégré. Idéalement, le signal audio devrait être polarisé à la moitié de la tension d’alimentation, pour que l’interrupteur analogique travaille dans sa zone linéaire et offre le maximum de plage dynamique.
En situation réelle, la sortie du CD4066 est reliée à l’entrée audio Micro du PC, qui délivre une tension légèrement positive de l’ordre de 1 volt, ce qui polarise légèrement le signal audio qui passe à travers le CD4066. En pratique, la distorsion audio reste donc faible.
Voici une version avec découplage, polarisation et filtrage HF du signal audio autour du CD4066. A noter, dès qu’on souhaite obtenir une interface entièrement filtrée et protégée, de type industrielle, le nombre de composants augmente fortement.
Enfin, ce type d’interface ne tient pas compte des spécifications du port série RS232, en effet, le niveau bas est ici 0V, ce qui pour la plupart des PC récents fonctionne, mais n’est pas idéal et pourrait ne pas fonctionner avec un port série industriel respectant la norme qui veut que le niveau bas doit être une tension négative comprise entre -3V et -15V et le niveau haut une tension de 3V à 15V. 0V se trouve donc dans la zone morte, avec un état indéfini (ou absence de basculement d’état) pour un port série qui respecte la norme.
Quelques infos sur le problème des entrées flottantes :
- Oscillations internes : Une entrée flottante peut capter des parasites électromagnétiques (EMI) et faire osciller l’étage logique en entrée.
- Transitions rapides répétées : Cela peut conduire à des transitions haute fréquence. Chaque transition consomme de l’énergie.
- Consommation excessive : Contrairement à l’idée que « rien ne se passe », une entrée flottante sur un circuit CMOS peut entraîner une consommation de courant significative, car les deux transistors internes (PMOS et NMOS) peuvent brièvement conduire en même temps.
- Échauffement localisé : Une consommation anormale dans certains transistors peut engendrer un échauffement local, ce qui accélère l’usure du silicium ou peut mener à une défaillance prématurée.
- Comportement imprévisible : Les oscillations parasites peuvent aussi se propager dans le reste du circuit, créant des bugs difficiles à diagnostiquer.
Livres de référence sur le sujet :
Généralistes – Interfaces, compatibilité, niveaux logiques, protections
- « The Art of Electronics » – Paul Horowitz & Winfield Hill
- Référence incontournable, très pratique malgré sa densité. Couvre un large éventail de circuits, y compris les interfaces entre logiques TTL/CMOS, drivers, buffers, protections, conversions de niveau, etc.
- Exemples : interfacer un microcontrôleur avec un capteur analogique ou un bus série.
- « Practical Electronics for Inventors » – Paul Scherz & Simon Monk
- Très accessible, avec des sections sur les interfaces numériques, analogiques, isolations optiques, protection ESD, filtrage, etc.
- Beaucoup de schémas et d’applications concrètes.
- « Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers: Principles and Applications » – Tim Wilmshurst
- Même si centré sur les PICs, il traite largement de la communication entre appareils (RS232, I²C, SPI, USB) et des problèmes d’interfaçage.
📡 Communication entre appareils – Séries, USB, I²C, SPI, CAN, etc.
- « Serial Port Complete » – Jan Axelson
- Une excellente ressource pour les interfaces RS-232, RS-485, USB, etc. Très utile pour travailler avec des appareils industriels ou anciens.
- « Embedded Systems Interfacing for Engineers using the Freescale HCS08 Microcontroller » – Douglas Hall
- Approche pédagogique très claire, avec des chapitres sur les convertisseurs de niveau, buffers, drivers de bus, etc.
🔧 Interface analogique-numérique, compatibilité d’impédances, filtrage
- « Analog Interfacing to Embedded Microprocessors » – Stuart Ball
- Couvre les interfaces analogiques : entrées/sorties analogiques, conditionnement de signal, conversions A/N et N/A, etc.
- Bon équilibre entre théorie et pratique.
- « Signal Conditioning and PC-Based Data Acquisition Handbook » – National Instruments
- Moins un livre classique qu’un guide technique, mais très utile pour interfacer capteurs, transducteurs, etc., avec un PC ou un microcontrôleur.
Prototypage / interfaces industrielles :
Pour comprendre pourquoi certaines interfaces posent des problèmes (parasites, diaphonie, etc.) et comment les résoudre ou les prévenir :
« Designing Embedded Hardware » – John Catsoulis
Très utile pour comprendre les défis d’interfaçage avec du matériel externe (cartes, capteurs, protocoles), avec un bon chapitre sur les buses et interfaces matérielles :
« EMC for Product Designers » – Tim Williams
Laisser un commentaire