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Mesures > Vumètres / conception 001
Dernière mise à jour : 04/08/2008
Présentation
Le présent article décrit une méthode de conception d'un vumètre à leds, qui se base sur l'emploi d'AOP montés en comparateur de tension. Il vous aidera, je l'espère en tout cas, à réaliser le vumètre dont vous rêvez depuis si longtemps, avec le nombre de leds et la progression d'échelle tant désirés.Remarque : vous trouverez sur cette page plusieurs schémas électroniques, où sont notées plusieurs valeurs de tension. Toutes les tensions sont mesurées par rapport à la masse, qui sert de point de référence.
Nombre de leds
Pour faire un vumètre, vous pouvez employer 2 leds ou 60 leds. Vous trouverez toujours quelqu'un qui dira que 60 leds c'est trop, et que 2, ce n'est pas assez. C'est normal, chacun a ses préférences. Nous verrons plus loin que l'on peut choisir le nombre de leds que l'on veut, au prix bien sûr d'une augmentation de la complexité et du coût, directement proportionnelle au nombre de leds choisi. Les exemples qui apparaîtront sur cette page indiqueront comment faire avec 4 leds, avec 12 leds, ou avec tout autre quantité de leds.Echelle linéaire ou logarithmique ?
Quand on parle de vumètre, on fait allusion à l'affichage d'un signal audio, et il serait donc logique que l'on opte pour une échelle logarithmique. Cependant, certains d'entre vous préfereront adopter une échelle linéaire pour la partie affichage, et ajouteront un amplificateur logarithmique de qualité (et pourquoi pas ajustable) en amont. Nous verrons donc comment faire pour avoir une échelle linéaire ou une échelle logarithmique, au choix.Principe de base du comparateur de tension
Avant de commencer à parler vumètre, je pense qu'il n'est
pas inutile de faire un rappel sur le fonctionnement du comparateur de
tension, qui sera grandement utilisé par la suite. Un AOP (cablé
ici en
comparateur de tension) est un composant électronique
doté de deux entrées (une entrée - et une
entrée +), d'une sortie, et de deux pattes pour son alimentation
électrique. Selon la tension que l'on applique sur les deux
entrées - et +, la sortie passe à l'état haut
(valeur presque égale à la tension d'alimentation
positive) ou passe à l'état bas (valeur proche de
zéro volt). Les deux schémas qui suivent montre les deux
cas que l'on peut rencontrer en pratique, selon les tensions
ramenées sur les entrées - et +. Pour faciliter la
lecture, des voltmètres ont été ajoutés sur
les entrées, et une led a été ajouté sur la
sortie, elle s'allume quand la sortie est à l'état haut.
Pour les deux schémas, la tension d'alimentation est de +10V par
rapport à la masse, et un pont diviseur
constitué de deux
résistances identiques de 1 Kohms (R1 et R2) fournissent une
tension de référence de +5.0V. Cette tension de
référence, appelée Uref, est appliquée
sur l'entrée - du comparateur de tension. C'est à cette
tension de
référence Uref que l'on va comparer la tension à
mesurer appelée Umes,
qui elle est appliquée sur l'entrée + du comparateur. |
Ce qui se passe ici
est
très simple : la tension Umes qui arrive sur l'entrée +
vaut 4.90V, et est donc plus faible que la tension Uref de 5.00V qui
arrive sur l'entrée - du comparateur. La sortie du comparateur
reste à l'état bas, et la led
ne s'allume pas. |
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Cette fois, la
tension Umes qui
arrive sur
l'entrée + vaut 5.10V et est donc plus élevée que
la tension Uref de 5.00V qui arrive sur l'entrée
- du comparateur. La sortie du comparateur bascule à
l'état haut, et la led s'allume. Voilà, vous avez
là un crête-mètre, dont la led ne s'allume que si
le signal d'entrée Umes dépasse une certaine valeur... |
Et si les deux tensions Umes et Uref sont totalement identiques ? C'est ce qu'on appelle se retrouver dans un cas indéterminé. Mais je vous rassure, ce cas ne dure pas longtemps, et la led s'éteind ou s'allume, forcement. Il suffit en fait d'une fraction de volt (moins d'un millième de volt) pour passer d'un côté à l'autre de la barrière Uref.
Bien, nous allons maintenant ajouter un comparateur et une led supplémentaire. Et comme cela est plus rigolo, nous allons utiliser non plus une seule tension de référence, mais deux, et ceci grace à l'utilisation d'un pont diviseur multiple. Au lieu d'une unique tension Uref de 5.00V, nous allons utiliser deux tensions : une tension Uref1 de 3.33V et une tension Uref2 de 6.66V. La tension Uref1 est appliquée à l'entrée - du premier comparateur, tandis que la tension Uref2 est appliquée à l'entrée - du second comparateur. La tension à mesurer Umes est quant à elle appliquée simultanement sur l'entrée + des deux comparateurs. Je suis sûr que si je vous demandais de dessiner le schéma, vous en seriez capable. Mais allez, j'ai fini ma soupe et j'ai un peu de temps pour vous le faire.
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Même principe de
fonctionnement que lorsque l'on n'avait qu'un seul comparateur. Il faut
simplement penser comme si on avait deux circuits identiques à
celui présenté ci-avant, mais avec des tensions de
référence différentes. C'est la seule
différence, finalement. Ici, la tension Umes qui arrive sur
l'entrée + des deux comparateurs vaut 3.31V, et est
donc plus faible que la tension Uref1 de 3.33V qui arrive sur
l'entrée -
du comparateur du bas (U1:B). La sortie de ce comparateur reste
à l'état bas, et la led D2 ne s'allume pas. Si on regarde
le comparateur du haut (U1:A), il en est de même, la tension de
référence Uref2 de 6.66V n'est pas dépassée
par la tension Umes. La led D1 reste donc elle aussi éteinte. |
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Cette fois, la
tension Umes qui
arrive sur
l'entrée + des deux comparateurs, a augmentée et vaut
maintenant 5.20V. Elle est plus élevée que la tension
Uref1 de
3.33V qui arrive sur l'entrée
- du comparateur du bas, tout en restant toutefois inférieure
à la tension de référence Uref2 de 6.66V
appliquée à l'entrée - du comparateur du haut. La
led D2 cablée en sortie du comparateur du bas s'allume, mais la
led D1 cablée en sortie du comparateur du haut reste
éteinte. |
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Et puis les choses
vont de mal
en pis, la tension monte. Umes grimpe allègrement à
6.69V, et n'a pas encore montré toute ses ressources. Cette
fois, les carottes sont cuites. La tension d'entrée Umes
dépasse toutes les bornes et les deux leds D1 et D2 s'allument. Vous venez de voir se construire presque sous vos yeux, un vumètre à deux leds. Impressionnant, non ? |
Je pourrais ainsi faire la même chose avec trois comparateurs et trois leds, puis avec quatre comparateurs et quatre leds, etc. Jusqu'à 60 couples. Mais pour être franc avec vous, je n'en ai guère le courage, et je doute très fort que cela vous apporterait plus. Vous devez absolument avoir compris le principe de fonctionnement des montages qui précèdent. Si ce n'est pas le cas, je suis désolé de vous le dire, mais vous n'êtes pas prêt à attaquer la conception d'un vumètre à leds. Alors en cas de difficulté de compréhension, vous relisez ce qui précède encore une fois. Et si vous ne comprenez toujours pas comment tout cela fonctionne, c'est que je suis un gros nul et que je ne sais pas expliquer simplement les choses.
Allez, passons aux choses sérieuses. Nous allons maintenant travailler avec un circuit à quatre comparateurs et 4 leds, mais cette fois en attaquant e circuit sous un autre angle. Nous allons en effet garder une tension d'entrée Umes constante et faire varier les tensions de référence. Et pour nous rapprocher un peu plus du domaine audio, notre tension à mesurer Umes ne sera plus de plusieurs volts, mais de quelques centaines de mV. Pour limiter la taille des schémas qui vont suivre, je retire les voltmètres et indique juste la tension sous forme d'un petit libélé. De toute façon, je n'ai plus de voltmètre, ils sont tous utilisés sur les schémas qui précèdent.
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Je vous l'avez dit,
le
schéma prend de la place, et nous n'avons pourtant que 4 leds.
Ca vous fait peur ? Pourtant, une fois les composants sur le circuit
imprimé,
ça impressionne moins (pfff). Je vous laisse regarder le
schéma électronique pendant 5
minutes, puis vous me dites si tout vous semble normal, et si les leds
qui s'allument sont celles qui doivent s'allumer. Attention, il y a un
piège. |
Ca y est ? Alors, que pouvez-vous dire de ce schéma ? Que les leds vertes sont jolies quand elles sont allumées. Bien, ça avance. Mais encore ? Que les leds sont vertes sur le schéma, et rouges sur le circuit imprimé. Mais vous avez décidé de me faire tourner en bourrique ! Allons, un peu de sérieux, je vous prie. Avez-vous au moins localisé le piège ? Non ? C'est normal, il n'y en a pas. Pourquoi ai-je dit qu'il y en avait un ? Mais parce ce que des fois, ça secoue les neurones dans tous les sens, et on arrive plus vite à certains résultats ;-). Je suis vache, hein ?
En toute logique, si vous avez compris le fonctionnement des montages à un ou deux comparateurs, vous ne devriez pas rencontrer de difficulté majeure avec ce montage à quatre comparateurs. Plus il y a de comparateurs, et plus il y a de tensions de référence différentes. C'est tout, et le principe de fonctionnement est toujours le même. Vous voulez un vumètre à 10 leds ? Et bien ajoutez 6 comparateurs, 6 résistances pour les nouvelles tensions de référence, 6 leds avec leurs résistances de limitation de courant, et vous l'aurez. Vous voulez un vumètre à 90 leds ? Alors là c'est tout de même un peu différents, et je vous conseillerai tout de même d'allez voir ce qui se fait du côté des circuits intégrés spécialisés dans la commande de leds. Parce que 90 comparateurs, à raison de 4 dans un boitier de LM324, ça fait tout de même quelques pavés.
Et si on passait à la suite ? Car ayant tout compris de ce qui précède, vous êtes maintenant capable de déterminer la valeur des résistances à adopter en fonction des seuils désirés. Oui, mais voilà, vous voulez des seuils en dB et non pas en volts.
Petit rappel sur les décibels (Lin / Log)
Dans le montage précédent, nous avons travaillé
avec des seuils espacés d'une même valeur de tension
(écarts de 100 mV), l'échelle d'affichage était
donc linéaire. Ce type d'échelle convient bien pour
afficher une tension continue provenant d'une alimentation secteur
variable, ou pour afficher une température. Mais cela ne
convient guère pour l'affichage de niveaux audio, qui par nature
peuvent présenter des variations d'amplitude très
grandes. Je parle un peu des décibels quelque part sur mon site
(peut-être bien sur la page Le
décibel), mais on va faire un rapide rappel. Le
décibel est une unité qui a été choisie
pour représenter de très
grandes variations avec de touts petits nombres. Par exemple, en
terme de puissance, un écart de 120 décibels (120 est un
petit nombre) correspond à un rapport de 1000000000000 (qui est
un grand nombre). Et oui, -60 dBm équivaut à 0.000000001
W, et +60 dBm équivaut à 1000 W (0 dBm = 1 mW sous 50
ohms). En terme de tension, un même écart de 120 dB
correspond à un rapport moindre, car la compression des valeurs
est deux fois plus petite. Mais tout de même : -60 dBu
équivaut à 0.775 mV, et +60 dBu équivaut à
775 V, soit un rapport de 1000000 (0 dBu = 0.775 Veff). La formule qui
permet de passer du Volt efficace au dBu est la suivante. dBu = 20 log (Ueff / Uref)
où U est la tension en Volts efficaces à convertir en dBu, et où la référence Uref = 0 dBu, lui-même égal à 0.775 Veff (0.775 Veff = 1 Vcac).
Pour passer du dBu au Volt efficace, il faut utiliser cette formule :
Ueff = Uref * exp(dBu * ln(10) / 20)
où dBu est la valeur en dBu à convertir en volts efficaces, et où Uref est là aussi égal à 0.775 Veff..
Si ça ne vous dérange pas, j'utilise la formule simplifié suivante, la précédente me fait trop peur.
Ueff = Uref * exp(dBu * 0,115)
Et voilà, avec cette dernière formule, vous pouvez connaitre la tension de seuil nécessaire pour allumer une led correspondant à un niveau donné en dBu. Quelques exemples ?
Vous voulez faire un vumètre à 5 leds, chaque led devant s'allumer pour les valeurs progressives suivantes : -12 dBu, -6 dBu, -3 dBu, 0 dBu et +3 dBu. Grâce à la formule précédente, nous déduisons les tensions efficaces correspondantes, lesquelles seront ensuites multipliées par 1,41 (racine carrée de 2) pour obtenir les valeurs crête, qui correspondront à notre signal BF redressé :
- Pour -12 dBu,
U = 0.775
* exp(-12 * 0.115) = 0.19 Veff = 0.27
Vc
- Pour -6 dBu, U = 0.775 * exp(-6 * 0.115) = 0.39 Veff = 0.55 Vc
- Pour -3 dBu, U = 0.775 * exp(-3 * 0.115) = 0.55 Veff = 0.77 Vc
- Pour 0 dBu, U = 0.775 * exp(0 * 0.115) = 0.77 Veff = 1.10 Vc
- Pour +3 dBu, U = 0.775 * exp(3 * 0.115) = 1.09 Veff = 1.55 Vc
Ne reste plus qu'à savoir comment calculer les résistances qui permettront de produire ces diverses tensions de seuil. Pour cela, je vous invite à faire un saut sur la page diviseur de tension multiple, au paragraphe Calcul des résistances pour un diviseur de tension multiple. Après avoir consulté cette page, vous saurez comment on en est arrivé au montage final prêt à l'emploi que voici.
Remarque : le schéma précédent fait usage de 5 AOP, alors q'un LM324 en comporte 4. Il serait dommage d'en laisser 3 au repos, c'est pourquoi ce schéma a servi de base à la réalisation d'un vumètre à 8 leds (page Vumetre 005) qui exploite entièrement les deux LM324.