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Potentiomètre numérique 002
Dernière mise à jour : 05/04/2021Présentation
Le potentiomètre décrit ici est constitué de résistances fixes qui permettent de disposer de valeurs parfaitement connues et reproductibles. La commande qui permet de positionner le "curseur" de ce potentiomètre est de type numérique, les résistances réellement mises en services sont commutées à l'aide de relais électromécaniques. L'avantage de cette démarche par rapport à un vrai potentiomètre numérique (inclus dans un boitier de circuit intégré et que l'on peut piloter via une liaison numérique) est une bien meilleure qualité en terme de distorsion, de bruit et de dynamique. En revanche, son coût de revient est plus élevé, il requiert des composants de qualité et occupe un espace plus grand.
La section commande à proprement parler peut se faire en décimal (20 fils) ou en binaire (8 fils), les quatre bits de poids fort permettent de déterminer le rapport d'atténuation par pas de 10 dB, alors que les quatre bits de poids faible permettent de déterminer le rapport d'atténuation par pas de 1 dB. Sur les seize possibilités offertes par une commande quatre fils (quatre bits) on en exploite 10, et ce autant pour la section "10 dB" que pour la section "1 dB". On dispose de la sorte d'une plage de réglage comprise entre 0 dB et 99 dB par pas de 1 dB. Deux schémas sont proposés :
- Schéma 002a : version avec 20 relais commandés en décimal, commande électronique ou commutateurs électromécaniques "1 parmi 10"- Schéma 002b : version avec 8 relais commandés en binaire, commande électronique ou commutateurs électromécaniques "BCD"
Contrairement au potentiomètres basés sur un réseau de résistances montées en diviseur résistif multiple, celui présenté ici ne laisse transister le signal audio que dans deux ou quatre résistances.
Avertissements
Le présent article ne répond pas à une demande de réalisation. Il décrit une façon de procéder qui met en évidence la difficulté de réalisation pratique d'un système théorique en apparence simple.
- La valeur des résistances indiquée sur les schémas résulte de calculs théoriques. Les valeurs pratiques (à piocher dans les séries de valeurs normalisées E12 à E96) ne sont pas communiquées, à vous de les chercher si le coeur vous en dit.
- Les AOP montrés sur les schéma sont des modèles théoriques et idéaux.
- Les relais doivent être dotés de contacts dorés.
Je ne conseille pas ces réalisations, principalement à cause de leur encombrement et de leur coût.
Schéma 002a - Version avec relais commandés en décimal
Comme vous pouvez le constater, le schéma est simple dans son principe, mais il demande de la place pour les relais.
L'atténuation se fait en deux étapes, une première pour le réglage grossier par pas de 10 dB, et une seconde pour le réglage fin par pas de 1 dB. Pour les deux atténuateurs qui se suivent, la position 0 dB correspond à "aucune atténuation".
L'atténuation par pas de 10 dB (dizaines) est confiée aux relais RL1 à RL10, tandis que l'atténuation par pas de 1 dB (unité) est confiée aux relais RL11 à RL20. Un seul relais doit être activé pour chacune des deux sections "dizaines" et "unité". Les deux blocs de 10 relais sont découplés par un AOP, afin d'éviter l'interaction des résistances de chacun d'eux.
Remarque :
il y a toujours une résistance de pied en circuit, qui forme
obligatoirement un pont diviseur avec l'impédance de sortie de la
source (qui est raccordée au point E1 du potentiomètre). En position 0
dB, la résistance de pied est de valeur très élevée (elle peut
même être supprimée) et le diviseur résistif qu'elle forme
avec l'impédance de sortie de la source apporte une
atténuation
négligeable.
Calcul des résistances
C'est très simple, puisqu'il suffit de déterminer un pont diviseur résistif pour chaque valeur de taux d'atténuation désiré. Si on se fixe comme résistance de pied la valeur de 100 ohms (R102 sur le schéma suivant), il nous reste à déterminer la valeur de la résistance de tête R101).
On sait déjà que le choix d'un facteur de division par deux (atténuation de 6 dB, tension Vs en sortie du pont diviseur moitié moindre que l'amplitude du signal d'entrée Ve) conduira à choisir des valeurs égales pour les deux résistances R101 et R102. Mais pour d'autres valeurs d'atténuation (et donc de résistances) il faut recourir aux calculs mathématiques en se basant sur la formule suivante :
Vs = Ve * (R102 / (R101 + R102))
La
formule précédente donne la valeur de la tension de sortie Vs en
fonction de la tension d'entrée Ve et de la valeur des deux résistances
R101 et R102, mais on peut bien sûr changer l'ordre
des variables de
la formule pour déterminer la valeur de R101 en fonction du taux de
division Tx désiré.
Comme la valeur de R102 est fixée à 100 ohms, la formule devient :
R101 = (100 - (Taux * 100)) / Taux
La valeur du taux doit être inférieure ou égale à 1. Si atténuation de moitié, taux = 1:2 et si atténuation de 10, taux = 1:10. Pour une atténuation en tension de 10 dB, le taux vaut un peu plus de 1:4 et pour une atténuation en tension de 20 dB, le taux vaut 1:10 (révision conversion taux / decibel en page Mesures - Decibel).
Afin de vous éviter de longs et fastidieux calculs, voici un tableau récapitulatif des valeurs théoriques dont nous avons besoin ici.
| Taux | Atténuation | R101 | R102 |
| 0 dB | 0R | 100 | |
| 1 dB | 12R17 | 100 | |
| 2 dB | 25R8 | 100 | |
| 3 dB | 41R2 | 100 | |
| 4 dB | 58R4 | 100 | |
| 5 dB | 77R7 | 100 | |
| 1:2 | 6 dB | 100R | 100 |
| 7 dB | 123R7 | 100 | |
| 8 dB | 151R | 100 | |
| 9 dB | 182R | 100 | |
| 10 dB | 216R | 100 | |
| 1:10 | 20 dB | 900R | 100 |
| 30 dB | 3k05 | 100 | |
| 1:100 | 40 dB | 9k9 | 100 |
| 50 dB | 31k5 | 100 | |
| 1:1000 | 60 dB | 99k9 | 100 |
| 70 dB | 315k | 100 | |
| 1:10000 | 80 dB | 999k9 | 100 |
| 90 dB | 3M15 | 100 |
Commande des relais
La commande des relais peut se faire au moyen de deux
commutateurs à 10
ou 12 positions, un pour les dizaines de dB et l'autre pour les unités.
Le rail positif de la tension d'alimentation des relais est relié en
dur à une des deux bornes de la bobine de chaque relais, ici c'est le
rail 0 V qu'on commute (ce qui permet une commande plus aisée
- le cas
échéant - par des transistors NPN).
La bobine des relais pouvant consommer plusieurs dizaines de mA, vous devez utiliser des transistors ou circuits intégrés "amplificateur de courant si les commandes proviennent de circuits logiques. Un triplet de ULN2803 (octuple darlington) fait l'affaire. Les modèles proposés ici ont une tension nominale de 12 V, mais des relais 5 V conviennent tout aussi bien.
Moins de fils de commande ?
Une conversion BCD/Décimal ou Binaire/Décimal peut être envisagée pour réduire le nombre de fils de commande de 20 à 8, en s'appuyant sur le schéma suivant :
Pour définir la position du curseur, on doit appliquer un code binaire sur les entrées numériques "Cde10_0" à "Cde10_3" pour atténuation de 0 dB à 90 dB et "Cde01_0" à "Cde01_3" pour atténuation supplémentaire de 0 dB à 9 dB.
| Cde10_0 | Cde10_1 | Cde10_2 | Cde10_3 | Cde01_0 | Cde01_1 | Cde01_2 | Cde01_3 | Att. en dB |
| 0 | 0 | 0 | 0 | x | x | x | x | 0 dB |
| 0 | 0 | 0 | 1 | x | x | x | x | 10 dB |
| 0 | 0 | 1 | 0 | x | x | x | x | 20 dB |
| 0 | 0 | 1 | 1 | x | x | x | x | 30 dB |
| 0 | 1 | 0 | 0 | x | x | x | x | 40 dB |
| 0 | 1 | 0 | 1 | x | x | x | x | 50 dB |
| 0 | 1 | 1 | 0 | x | x | x | x | 60 dB |
| 0 | 1 | 1 | 1 | x | x | x | x | 70 dB |
| 1 | 0 | 0 | 0 | x | x | x | x | 80 dB |
| 1 | 0 | 0 | 1 | x | x | x | x | 90 dB |
| x | x | x | x | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 dB |
| x | x | x | x | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 dB |
| x | x | x | x | 0 | 0 | 1 | 0 | 2 dB |
| x | x | x | x | 0 | 0 | 1 | 1 | 3 dB |
| x | x | x | x | 0 | 1 | 0 | 0 | 4 dB |
| x | x | x | x | 0 | 1 | 0 | 1 | 5 dB |
| x | x | x | x | 0 | 1 | 1 | 0 | 6 dB |
| x | x | x | x | 0 | 1 | 1 | 1 | 7 dB |
| x | x | x | x | 1 | 0 | 0 | 0 | 8 dB |
| x | x | x | x | 1 | 0 | 0 | 1 | 9 dB |
Les signaux de commande numériques peuvent provenir d'un système quelconque. Il peut s'agir d'un ensemble d'interrupteurs, de roues codeuses ou d'ordres logiques issus d'un circuit électronique basé ou non sur un microcontrôleur.
Schéma 002b - Version avec relais commandés en binaire
Le principe de fonctionnement est similaire au schéma précédent. La (grande) différence réside dans la réduction du nombre de relais, on passe de 20 relais à 8 relais. En contrepartie, le nombre de relais pouvant être activés en même temps passe de 2 à 8, ce qui augmente la consommation du système dans un rapport de 4 au maximum (pour la section relais seule). Autre avantage de la méthode 100% binaire : simplification du câblage et de la commande, sans ajouter le convertisseur Binaire/Décimal ou BCD/Décimal vu précédement.
Avec ce montage, l'atténuation est obtenue en combinant plusieurs relais. Par exemple pour atténuer de 37 dB, il convient d'activer les relais RL1 (-1 dB), RL2 (-2 dB), RL3 (-4 dB), RL5 (-10 dB) et RL6 (-20 dB).
Là encore, petit soucis avec le calcul des résistances des atténuateurs. Comme plusieurs atténuateurs peuvent être mis en service en même temps, les résistances constituant les différents ponts diviseur s'auto-influencent (pas de problème si un seul atténuateur est mis en service à un instant donné). Deux solutions possibles pour contourner ce problème :
- calcul des résistances en prenant en compte toutes les combinaisons possibles (pffff...)
- ajout d'un adaptateur d'impédance (suiveur de tension) entre chaque atténuateur pour les isoler les uns des autres
J'ai adopté la seconde solution, dans un soucis de simplicité... de calculs ! Le revers de la médaille bien sûr est une augmentation des composants, et l'insertion de composants actifs (AOP) dont les caractéristiques techniques ne doivent pas trop dégrader les performances de l'ensemble.
Conclusion
Les potentiomètres analogiques motorisés et les potentiomètres numériques proposé en boîtiers DIL ou CMS à quelques broches ne sont finalement pas si mal que ça...
Historique
05/04/2021
- Première mise à disposition