Electronique - Realisations - Decodeur tonalite 001

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Dernière mise à jour : 16/12/2012

Présentation

Le décodeur de tonalité décrit ici permet de commander un appareil lors de la réception d'un signal BF de fréquence bien déterminée. Il est basé sur l'emploi d'un circuit de type PLL qui a fait ses preuves, et dont la référence est 567 (LM567, NE567 ou XR567 par exemple). Avec plusieurs circuits montés en parallèle, il est possible de constituer un système de télécommande multi-voies avec un seul support de transmission pour les signaux de commande. Plusieurs schémas sont proposés ici, certains pour la détection d'une tonalité unique, d'autre pour la détection isolée de plusieurs tonalités. La détection d'une tonalité dans un son capté par microphone est également abordée. Un autre montage de même type, qui ne fait appel qu'à un simple AOP double, est présenté à la page décodeur tonalité 002.

Schéma 001 - Circuit de base

Le voici.

Fonctionnement général

Le circuit 567 est un décodeur de tonalité intégré qui ne requiert que peu de composants externes pour sa mise en oeuvre. Il est possible d'ajuster précisement sa fréquence centrale de détection (F0) et sa largeur de bande, et son fonctionnement reste fiable même quand le signal à détecter est entaché d'un assez fort niveau de bruit. Il dispose d'une sortie qui passe à 0 V (sortie collecteur ouvert, broche 8) quand le signal BF appliqué sur son entrée In (broche 3) possède une fréquence égale à ou proche de la fréquence centrale F0 qui elle-même est spécifiée par deux composants simples (un condensateur et une résistance). Notez bien que le circuit réagit sur une plage de fréquence et non sur une fréquence fixe unique, on parle de plage de capture ou bande passante.

Sensibilité d'entrée

Le niveau du signal d'entrée à une grande importance dans la détection. Une valeur trop élevée rend le circuit moins sélectif et peut occasionner des déclenchements intempestifs. L'idéal est d'attaquer l'entrée du 567 avec une amplitude de quelques dizaines de millivolts, entre 20 mV (minimum requis) et 200 mV (maximum conseillé). Dans la pratique, on applique un signal d'amplitude voisin de 30 mV à 50 mV quand un seul circuit 567 est mis en oeuvre (comme pour le schéma ci-avant), et on monte à une valeur comprise entre 100 mV et 200 mV quand plusieurs 567 sont montés en parallèle (comme pour le schéma décrit plus loin).

Programmation de la fréquence centrale de détection

La fréquence centrale F0 qui correspond au maximum de sensibilité et sur laquelle le circuit "s'accroche" est déterminée par la valeur des composants R1 et C1, et répond à la formule suivante :
F0 = 1 / (R1 * C1).
R1 et C1 constituent ce qu'on appelle un filtre de boucle, qui permet d'obtenir une tension continue d'erreur dont la valeur est proportionnelle au rapport cyclique du signal qu'on lui applique (fournit ici sur la borne 5 du circuit intégré). La plage de capture (la fenêtre de détection encadrant la fréquence centrale F0) est de quelques dizaines de Hz (entre 50 Hz et 70 Hz) et dépend d'une part de la valeur donnée au condensateur C2, et d'autre part de l'amplitude du signal d'entrée Vin, qui doit être comprise entre 25 mV et 200 mV pour un fonctionnement correct du circuit. La formule qui permet d'en déterminer précisement la valeur est donnée ci-après :
B = 1070 * RacineCarrée(Ve / (F0 * C2))
où B est exprimé en Hz, Ve est la tension d'entrée en Veff et C2 le condensateur relié en broche 2. Le fait que la largeur de bande est liée à l'amplitude du signal d'entrée doit toujours être prise en compte, surtout quand on utilise plusieurs détecteurs en parallèle avec des fréquences très rapprochées. Si le signal à détecter est de trop forte amplitude, placez un pont diviseur résistif en entrée du montage, ou mieux encore un potentiomètre qui permettra d'ajuster le niveau d'entrée à une valeur idéale. C3 n'est pas indispensable dans tous les cas, mais contribue très fortement à une absence de réaction du circuit quand arrivent des parasites ou du souffle important à l'entrée. Pour cette raison, il est fortement conseillé de le mettre, sachant que sa valeur sera toujours un peu plus élevée que celle du condensateur C2. Pour résumer, on peut dire que la réponse (temps de réaction) du circuit est d'autant plus rallongée que C2 et C3 sont élevés (avec C3 au moins deux fois plus élevé que C2), mais qu'en contrepartie la fiabilité du système en est accrue. Si le temps de réaction vous semble trop long (il peut atteindre 0,5 seconde ou même 1 seconde), vous devrez baisser leur valeur, en faisant quelques tests sous différentes fréquences et bruits divers (bruit blanc par exemple) pour voir si le comportement général convient toujours. Le tableau qui suit donne quelques valeurs d'exemple pour permettre la détection de quelques fréquences fixes.

F0	C1	R1	C2	C3
400 Hz	0,1 uF	22 kO	2,2 uF	10 uF
600 Hz	0,1 uF	15 kO	1,5 uF	10 uF
800 Hz	0,1 uF	12 kO	1 uF	4,7 uF
1000 Hz	0,1 uF	10 kO	1 uF	4,7 uF
1700 Hz	0,47 uF	15 kO	680 nF	4,7 uF
2000 Hz	0,047 uF	10 kO	470 nF	2,2 uF
2500 Hz	0,022 uf	18 kO	330 nF	1,5 uF

D'autres valeurs peuvent être adoptées pour la détection de fréquences données, puisque c'est la constante de temps du couple R1 / C1 qui détermine la fréquence centrale du VCO qui oscille en interne quand aucun signal BF n'est appliqué sur l'entrée. Bien que non obligatoire mais pour des raisons de commodité, on peut utiliser une résistance fixe associée à une résistance variable pour R1. Le tableau suivant donne quelques autres valeurs de composants calculés pour que le circuit réagisse à des notes de musique.

F0	Note	C1	R1	C2	C3
370 Hz	Fa# 3	0,1 uF	22 KO + 10 kO Ajust	4,7 uF	10 uF
440 Hz	La 3	0,1 uF	18 KO + 10 kO Ajust	4,7 uF	10 uF
554 Hz	Do# 4	0,1 uF	15 KO + 10 kO Ajust	4,7 uF	10 uF
698 Hz	Fa 4	0,1 uF	10 KO + 10 kO Ajust	4,7 uF	10 uF

La présence d'une résistance ajustable (potentiomètre ajustable montée en résistance variable) permet de se caler exactement sur la valeur de note désirée. Vous pouvez par curiosité essayer de réaliser plusieurs détecteurs dont les fréquences centrales correspondent à des notes adjacentes (par exemple Do3, Do#3, Ré3, etc). Vous verrez à quel point il devient facile d'en faire réagir un sans que son voisin ne réagisse en même temps... Mieux vaut donc garder quelques notes d'intervalle ! Si vous disposez d'un fréquencemètre, il vous suffit de mesurer la fréquence d'oscillation du VCO interne sur la broche 5 du circuit et de l'ajuster au besoin, aucun signal BF n'arrivant à cet instant sur l'entrée broche 3.

Un logiciel de calcul pour simplifier ?

J'aurais pu le faire mais je ne l'ai pas fait. En revanche, Jean-Malo l'a fait et m'a donné l'autorisation de le publier ici. Ce que je fais donc avec grand plaisir, merci à lui !

Logiciel calcul Décodeur tonalité à 567 - (15/12/2012)
Attention, ce logiciel a été développé en Visual Basic et requiert le runtime VB6 (si le runtime VB6 n'est pas installé sur votre machine, il faudra l'installer pour pouvoir exécuter ce logiciel).

Commande d'un équipement de puissance

La sortie du 567 se fait en collecteur ouvert et ne peut fournir un courant supérieur à 100 mA. Cela est suffisant pour alimenter la bobine d'un relais ou la gachette d'un triac, mais insuffisant pour allumer une ampoule à incandescence de puissance moyenne ou grande. En cas de besoin d'un courant commuté supérieur à 100 mA, vous devez donc ajouter un amplificateur de courant, qui peut se résumer à un simple transistor choisi selon votre besoin. Le schéma simplifié qui suit montre un exemple mettant en oeuvre un transistor additionnel de type 2N2907 pour commutation d'un courant pouvant aller jusqu'à 500 mA, ou un transistor de type TIP127 pour un courant de quelques ampères.

Avec ce montage, le comportement de la sortie Util (Utilisation) est identique à la sortie directe, à savoir que l'élement branché sur J1 sera mis en route sur détection tonalité. Si vous souhaitez une commande inverse, c'est à dire activation de l'élement commandé en absence de détection tonalité (et donc au repos), vous pouvez adopter le schéma suivant.

Transistor additionnel de type 2N2222 pour commutation d'un courant pouvant aller jusqu'à 500 mA, ou transistor de type TIP122 pour un courant de quelques ampères (max 4A). Pour une commande sur secteur 230 V, vous devez impérativement utiliser une interface permettant une isolation totale avec le secteur, comme le montre l'exemple suivant.

Pour plus de détails concernant ce genre d'interface, merci de sauter à la page Interface 230 V 001.

Schéma 001b - Plusieurs détecteurs en parallèle

Il est tout à fait possible de disposer plusieurs circuits identiques en parallèle, afin de disposer d'un système de détection doté de plusieurs sorties s'activant chacune pour une fréquence d'entrée donnée. Notez que comme la plage de capture est de quelques dizaines de Hz, il vaut mieux utiliser des fréquences assez éloignées quand on travaille dans le bas du spectre sonore. Au delà de trois circuits mis en parallèle, il est conseillé de placer en entrée du montage un étage suiveur de tension à transistor ou AOP afin d'attaquer chaque étage dans de bonnes conditions. L'impédance d'entrée du 567 est en effet de l'ordre de 20 KO, et en mettre quatre en parallèle équivaut à disposer d'une impédance d'entrée de 5 KO. Cela ne posera aucun problème si l'ipédance de sortie de la source est très faible, mais pensez-y si ce n'est pas le cas. Un exemple de schéma mettant en oeuvre deux décodeurs en parallèle est présenté ci-après.

Dans ce montage, un transistor monté en suiveur de tension a été ajouté à l'entrée, et il est ainsi possible de monter jusqu'à 4 ou 5 décodeurs NE567 en parallèle.

Forme du signal d'entrée

Dans ce genre d'application, il est fortement conseillé d'injecter des signaux de forme sinusoïdale, car le 567 est sensible aux harmoniques. Vouloir détecter des fréquences de signaux rectangulaires à 1 KHz, 2 KHz et 4 KHz serait fort risqué, car un signal rectangulaire de 1 KHz contient des harmoniques à 2 KHz et à 4 KHz. Ce qui signifie qu'un décodeur calé sur 4 KHz serait tout à fait en mesure de réagir fasse à un signal carré de 1 KHz ou de 2 KHz. En contrepartie, le décodeur calé sur 1 KHz ne serait pas sensible aux signaux de 2 KHz ou de 4 KHz. Deux solutions donc :
- soit on ne travaille qu'avec des signaux de forme sinus, et dans ce cas pas de problème pour le choix des fréquences centrales de détection;
- soit on travaille avec des signaux carrés, mais dans une plage de fréquence qui se limite à une octave (par exemple entre 1 KHz et 2 KHz).

Schéma 001d - Détecteur 4 tonalités

Le schéma qui suit montre comment détecter quatre tonalités distinctes de 200 Hz, 400 Hz, 600 Hz et 800 Hz, pouvant être émise séparement ou simultanément.

Les potentiomètres ajustables RV1 à RV4 doivent être ajustés pour que chaque section réagisse à la fréquence qui lui est propre :
- RV1 pour la détection du signal 200 Hz
- RV2 pour la détection du signal 400 Hz
- RV3 pour la détection du signal 600 Hz
- RV4 pour la détection du signal 800 Hz
Vous noterez que les valeurs données aux composants déterminant la fréquence centrale des circuits ne correspondent pas tout à fait aux valeurs proposées dans le tableau en début d'article. Cette façon de faire permet ici de modifier la fréquence centrale de chacun des circuits sur une plage un peu plus grande. Le circuit prévu pour détecter le 800 Hz peut aussi être utilisé pour détecter du 200 Hz, sans rien modifier au circuit (si ce n'est bien sûr l'ajustage du potentiomètre correspondant).
Comme dans le montage précédent, le transistor d'entrée Q1 est monté en émetteur suiveur (collecteur commun), on retrouve sur le potentiomètre RV5 le signal d'entrée centrée sur la moitié de la tension d'alim. RV5 doit être ajusté pour un déclenchement fiable, sa position dépend de l'amplitude du signal d'entrée Vin appliqué sur l'entrée In. Pour ce qui est des condensateurs 1 uF et 2,2 uF, vous pouvez prendre des tantales, qui tiennent moins de place. Mais dans ces valeurs faibles, on trouve aussi des condensateurs électrochimique radiaux (montage vertical) qui peuvent être aussi vraiment très petits (modèles miniatures de Panasonic par exemple).

Rappel : la sortie des 567 se faisant en collecteur ouvert, les sorties Out1 à Out4 sont actives à l'état bas, c'est à dire qu'elles sont à l'état logique haut au repos, en absence de signal sur les entrées.

Schéma 001e - Détection via microphone

La détection d'un son capté par microphone est possible mais requiert une petite amplification du signal délivré par le microphone. On peut pour cela fort bien se contenter d'un micro électret qui par nature est généralement assez sensible, et le faire suivre par un étage préampli constitué d'un transistor monté en amplificateur de tension. Le schéma suivant montre une façon de faire parmi plusieurs.

Le microphone electret M1 doit être alimenté, ce qui explique la présence de la résistance R2 (détails). La tension d'alimentation du microphone est stoppée par le condensateur de liaison C6, qui ne laisse passer que le signal alternatif et donc la modulation sonore captée. L'amplification en tension est assurée par le transistor Q1, son taux dépend de la valeur donnée à la résistance R3. Le potentiomètre RV2 constitue la résistance de charge du transistor, et permet en même temps de doser la quantité de signal électrique envoyé vers le décodeur de tonalité 567. Si vous accordez ce circuit pour qu'il réagisse à la fréquence de 440 Hz, vous pourrez en faire un indicateur de bonne tonalité "LA" en chantant devant le microphone. L'étalonnage peut se faire en plaçant le micro sur l'écouteur d'un combiné téléphonique juste après prise de ligne (la tonalité d'attente étant précisement de 440 Hz). Evidement ce circuit ne pourra prétendre indiquer une valeur pile de 440 Hz puisqu'il réagit aussi aux fréquences très voisines. Mais je trouve tout de même amusant de s'essayer à ce petit jeu. La sortie se fait toujours en collecteur ouvert, vous pouvez remplacer la résistance R1 par une LED et sa résistance série (par exemple LED rouge et résistance série de 180 ohms).

Alimentation

L'alimentation du circuit doit être très stable car elle a une influence sur la fréquence centrale F0. C'est la raison pour laquelle un régulateur de tension de +5 V a été ajouté ici (U2, LM7805 en boitier TO220 ou LM78L05 en boitier TO92). Ce régulateur demande une tension d'entrée comprise entre +8 V et +15 V pour permettre un fonctionnement nominal du circuit. Si vous cablez plusieurs détecteurs de tonalité en parallèle, un seul régulateur de tension de type 7805 suffit pour tous.

Historique

16/12/2012
- Mise à jour du logiciel de calcul de Jean-Malo.
02/12/2012
- Correction schéma 001e, les condensateurs sur la partie "gauche" du circuit intégré n'étaient pas reliés à la masse.
- Ajout logiciel de calcul des composants, proposé par Jean-Malo que je remercie grandement !
31/10/2010
- Ajout schéma 001e (avec microphone).
07/12/2008
- Première mise à disposition.