Electronique > Réalisations > Commutateurs audio > Grille audio 001

Dernière mise à jour : 24/03/2013

Présentation

Le montage décrit ici est une grille audio 4 entrées / 4 sorties pour liaisons symétriques mono ou asymétriques stéréo.

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Si tous les points d'entrées / sorties ne sont pas requis, on peut n'exploiter qu'une partie de la grille (par exemple en mode 3 entrées / 2 sorties). Le système est conçu de telle sorte que plusieurs entrées puissent aboutir vers une même sortie (fonction mixage) ou qu'une même entrée puisse aboutir sur plusieurs sorties (fonction distributeur). Un mode "exclusif" est cependant prévu pour le cas où de multiples connexions sur des entrées ou sorties n'est pas souhaité (dans ce cas, deux entrées différentes ne peuvent pas se retrouver sur une même sortie). La logique de commande est simplifiée par l'usage d'un PIC 16F628A. Cette grille comporte 8 boutons poussoirs, 4 pour les entrées et 4 pour les sorties. La partie commutation audio est assurée par des relais electromécaniques, mais des commutateurs analogiques de bonne qualité (genre MAX335) peuvent également être utilisés (mais avec des signaux de commande différents). Pour cette raison, la grille est conçue avec un circuit de commande distinct du circuit de commutation audio. Une grille plus complète de type 8 x 8 est décrite à la page Grille audio 002... qui comme par hasard est basée sur des MAX335 (projet grille audio 002 non terminé).

Schéma

Afin de simplifier l'étude du circuit, j'ai décidé de scinder le schéma complet en trois parties :
- le circuit de commande basé sur le PIC, avec ses boutons poussoirs;
- le circuit d'interface assurant le décodage des ordres de commutation issus du circuit de commande, et le pilotage du circuit de commutation audio;
- le circuit de commutation audio constitué des relais.

Circuit de commande
Une vue d'ensemble du système est permise par ce premier bout de schéma. La partie commande est réduite à sa plus simple expression, puisque tout est fait avec huit boutons poussoirs et un circuit intégré programmable (PIC 16F628A). Les ordres envoyés par cette section vers la platine commutation, qui intègre l'interface de commande et les relais, sont véhiculés sur trois fils Data, Clock et Strobe.

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Les entrées et sorties audio se font sur des XLR (liaisons mono symétrique) mais il est bien sûr possible d'utiliser des jacks stéréo (liaisons stéréo asymétrique ou mono symétrique) voire des jack mono (forcément asymétrique). Avec des connecteurs de bonne qualité et un câblage général soigné, on peut sans problème commuter des signaux de niveau micro, bien qu'à l'origine ce système ait été prévu pour commuter des signaux de niveau ligne.

Les boutons poussoirs SW1 à SW8 permettent de définir les points de connexion entre les entrées et les sorties. Pour effectuer le routage d'une entrée vers une sortie, il suffit d'appuyer en même temps sur les boutons poussoir correspondants. Par exemple, pour router l'entrée audio N° 2 sur la sortie audio N° 3, il suffit d'appuyer en même temps sur les boutons poussoir In2 et Out3. Cette façon de faire est simple à retenir et ne requiert que peu d'élements de commande. L'effet est de type bascule : si le routage entre deux points était déjà assuré, une deuxième commande identique coupe le pont de routage.

L'interrupteur SW9/Mode permet de définir si le routage des signaux est ou non exclusif, c'est à dire si on peut avoir plusieurs entrées sur une même sortie.
Dans tous les cas il est possible de router une même entrée sur plusieurs sorties (mode distributeur audio).
La partie commutation en elle-même est un peu plus volumineuse, ce qui est normal puisqu'on y trouve la partie décodant les ordres de commandes (venant des lignes Data, Clock et Strobe), les interfaces de puissance et les relais. Afin de simplifier la lecture de l'ensemble, j'ai scindé le schéma de la platine commutation en deux schémas. Le schéma qui suit représente la partie décodage et interface de puissance des relais.

Circuit d'interface
Le circuit d'interface assure deux rôles :
- décodage des ordres de commutation;
- commande de relais électromécaniques.
Décodage des ordres de commutation
Les ordres envoyés par le circuit de commande (c'est à dire envoyés par le PIC) sont véhiculés de façon sérielle et on souhaite piloter 16 relais de façon parallèle (individuelle). Il faut donc dans un premier temps assurer une conversion série parallèle, ce dont se chargent ici deux registres à décalage de type CD4094 montés en cascade, chacun ayant à charge huit sorties. Il n'est pas impossible que les CD4094 puissent être remplacés par des 74164, j'y réfléchirai peut-être un jour.
Commande des relais électromécaniques
Une amplification en courant est nécessaire pour piloter les relais car les registres à décalage utilisés ici, de type CMOS, ne peuvent se permettre cela tout seul (des circuits TTL auraient aussi été un peu juste avec des relais classiques). Cette amplification en courant est obtenue par des transistors darlington intégrés dans des boîtiers de type ULN2803, chaque boîtier ULN2803 contient 8 transistors avec les diodes de protection associées (le point commun de ces diodes, à relier au +12 V, est en broche 10).

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Pas grand chose à dire de ce circuit : les signaux de commandes travaillent en logique TTL +5 V, imposé par le PIC (on pourrait tourner un peu autour de cette valeur, mais ce n'est pas le cas ici), et les relais sont alimentés en +12 V. Le +5 V est issu du +12 V, comme cela sera vu un peu plus loin au paragraphe Alimentation.

Circuit de commutation audio
Le dernier bout de schéma représente la partie électromécanique, composée des 16 relais qui assurent le routage des entrées vers les sorties.

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Important ! Ce schéma n'est valable que pour des équipement audio dont les sorties peuvent être reliés ensemble, si de multiples points de commutation sont autorisés pour les sorties. Si les sources audio ne supportent pas de se retrouver branchées en parallèle (ce que je comprend très bien, les pauvres), deux solutions possibles :
- soit imposer le mode exclusif (un seul point de commutation possible pour chaque sortie);
- soit ajouter des résistances de valeur comprise entre 1 kO et 10 kO en série avec chaque entrée. Dans ce cas on aboutit à une sommation passive des sources qui se retrouvent connectées sur une même sortie de la grille. Une petite atténuation de quelques dB est dans ce cas à prévoir (pas très critique dans la majorité des cas, en tout cas tant qu'on bosse avec des signaux audio de niveau ligne).

Concernant le choix des relais on se trouve face à une question récurente : un premier prix convient-il ? La réponse est comme d'habitude celle du Normand, ça dépend de l'usage. Je conseille toujours l'usage de relais de marque connue (Omron, Finder, Panasonic, SCS, etc) mais votre choix est libre. Comme on ne commute pas de la puissance mais des tensions faibles (et normalement alternatives), un pouvoir de coupure de 100 mA à 1A est amplement suffisant. Des contacts dorés garantissent à priori de bons contacts dans le temps, mais rien d'obligatoire. Vous pouvez, comme moi pour ce genre d'usage, utiliser des relais de type DIL qui tiennent sur un support de circuit intégré.

Relais 002a relais_reed_001a 

L'avantage de ce type de relais est le peu de place occupé et l'aisance à les changer en cas de panne. Cela limite déjà vos recherches, sachant qu'il vous faut une tension de commande (tension bobine) de 12 V et un modèle DPDT (double inverseur). Une référence en exemple ? Hum... le Panasonic DS2E-S-DC12V me plaît pour l'ensemble de ses caractéristiques et en particulier pour son courant de bobine de 17 mA. Mais il en existe bien d'autres qui font l'affaire ! Et si vous êtes courageux, pourquoi ne pas envisager des relais miniatures CMS ? Certes, pour un éventuel remplacement ça se complique un peu, mais quand on est courageux, c'est pour la vie. Et puis nous, on est des gens bien élevés : on ne jette pas une carte de 16 relais dès qu'il y en a un qui fait des siennes.

Visualisation des points de connexion

Le plus simple à mon sens est d'utiliser des LED sous la forme d'une matrice qui représente les connexions physiques effectuées.

grille_audio_001_visu_a

Sur ce schéma ne sont pas représentées les indispensables résistances de limitation de courant dans les LED, disons qu'il s'agit de modèles avec résistance intégrée...

Des questions qu'on pourrait se poser...

Car tout n'est pas toujours dit haut et fort.

Gestion des masses
Le schéma de câblage des relais montre que les commutations ne concernent que les fils de modulation (points chaud et froid). Les masses des connecteurs d'entrée BF et de sortie BF sont toutes reliées ensemble sur les connecteurs eux-même, et cette connexion "unique" n'a pas besoin d'être reliée au chassis ni à la masse du circuit électronique de commande (pour les XLR, facile - pour des jack 6,35 mm, il faut des modèles isolés). Cela ne posera aucun problème avec des équipements professionnels bien conçus. En effet, les signaux audio qui entrent dans la grille ne sont nullement traités : pas d'amplification, pas d'atténuation, rien du tout. Il n'y a donc pas besoin de définir un potentiel de référence commun entre les signaux commutés et le circuit de commande de la grille. Si toutefois la liaison de masse doit être coupée en même temps que les fils de modulation, ce n'est pas compliqué puisqu'il suffit d'utiliser un relais à quatre points de coupure (par exemple Panasonic DS4E-S-DC12V).

Usage pour microphones et préamplis ?
S'il ne s'agit que de microphones dynamiques, pas de question particulière à se poser. Par contre pour des microphones électrostatiques qui réclament une alimentation phantom, les précautions d'usage s'appliquent. La commutation assurée par les relais équivaut à une déconnexion ou à une reconnexion physique d'un point à un autre, et comme vous le savez sans doute, il vaut toujours mieux couper l'alim phantom du préampli ou de la console avant de brancher ou débrancher le microphone. De même, mieux vaut éviter d'envoyer une alim phantom à un microphone dynamique, même si par construction ce dernier est censé resister (si le câblage de sa liaison symétrique est correct).

Usage pour petits amplis BF et haut-parleurs ?
Possible mais uniquement pour les petites puissances (quelques Watts). Bien sûr le pouvoir de coupure ne dépend que des relais utilisés, vous pouvez donc en choisir des plus gros que ceux préconisés. Attention toutefois à ne pas confondre "puissance commutation relais" (tension max / courant max contacts relais) avec la puissance de votre ampli. Ce dernier est surement capable de délivrer des crêtes qui vont bien au-dela de ce que vous pouvez imaginer. Considérez qu'une marge de rapport 10 n'est pas du luxe (puissance max contacts relais 60 W pour ampli 6 W). Autre point et pas des moindres : il va de soi que les sorties de plusieurs amplis ne doivent pas se retrouver sur les mêmes HP, donc mode exclusif uniquement. Et que si plusieurs HP (sorties grille) sont reliés en même temps sur un même ampli (entrée grille), attention à l'impédance équivalente des HP reliés en parallèle, qui ne devra pas descendre en-dessous de la valeur supportée par l'ampli. Si vous avez le moindre doute, n'utilisez pas cette grille pour cet usage.

Alimentation

Deux tensions d'alimentation sont requises ici, une de +12 V pour les relais et une de +5 V pour la logique (PIC et autres circuits intégrés).

grille_audio_001_alim

La tension de 12 V n'a pas spécialement besoin d'être régulée car les relais électromécaniques ne se plaignent en général pas d'un petit écart en plus ou en moins. La marge réellement admissible dépend du type de relais utilisé, il faut respecter les données constructeur en ce qui concerne la tension minimale pour le collage du relais (par exemple 10,5 V ou 11 V) et la tension maximale pour ne pas dépasser la puissance que peut dissiper la bobine (par exemple 13 V ou 14 V). Ici, je fais usage d'un transfo d'alim dont le secondaire délivre une tension de 9 Vac, ce qui nous donne environ 11,5 V après redressement et filtrage. Dans le doute, prenez un transfo qui délivre une tension de 12 Vac et mettez un régulateur de tension 12 V, en tenant compte du fait que l'activation simultanée de plusieurs relais peut conduire à un échauffement assez rapide dudit régulateur. Si quatre relais qui consomment 50 mA chacun sont commandés en même temps, ça fait tout de suite 200 mA - et avec 16 relais ça monte à 800 mA (dissipation de 2,4 W pour 3 V de différentiel sortie / entrée sur régulateur). Régulateur ou pas, l'alimentation doit suivre, et pour cet exemple elle doit pouvoir débiter un courant de 1 A. Dans la mesure du possible, préférez des relais basse consommation pour limiter l'échauffement. Comme on commute des tensions faibles et quasiment aucun courant, pas besoin de relais puissants. La tension de +5 V quant à elle doit être impérativement régulée et disposer d'un bon filtrage pour empêcher que la commutation des relais ne vienne perturber le fonctionnement des circuits logiques. C'est le pourquoi de la diode D5 et du condensateur C2 qui font office d'un filtrage additionnel.

Prototype

Réalisé sans les relais, uniquement avec les LED (les fameuses avec résistance intégrée). J'ai bien l'impression que ça fonctionne comme je le souhaitais.

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On reconnait la platine de développement EasyPic7 et une petite plaque sans soudure qui fait l'interface de liaison entre la grosse et jolie carte, et mon afficheur à LED 005 doté de ses six couples CD4094 / ULN2803.

Logiciel du PIC

Fichier binaire compilé (*.hex) prêt à flasher dans le PIC, dans l'archive zip suivante :
Grille audio 001 - 16F628A - (version du 24/03/2013)
Si vous souhaitez recevoir par la poste un PIC préprogrammé et prêt à utiliser, merci de consulter la page PIC - Sources.

Historique

24/03/2013
- Première mise à disposition. Parce qu'il faut un début à tout.