Le projet "FUGU", décrit dans cet article est un analyseur analogique de spectre en temps réel, simple, modulable et se voulant le plus petit possible.
Au moment de la parution de cet article, seulement deux versions de ce projet ont été développées (Ce qui n'exclue pas l'hypothèse de voir, par la suite, des versions améliorées ou détournés de ce projet).
La V1 (qui a été abandonnée par manque d'organisation) et la V2 qui a pu aboutir en tenant compte des erreurs commises lors de la tentative de réalisation de cette première version.
Le finalité de l'appareil construit est purement artistique, amusant et décoratif. Il ne permettra pas de visualiser avec précision la présence de certaines fréquences (et encore moins leurs gains) tel que le ferait un appareil de mesure comme un analyseur de spectre.
Je tenais à ce que cet appareil soit entièrement analogique.
Bien qu'il aurait été plus avantageux (gain de temps à l'assemblage et réduction des coûts de fabrication) d'utiliser une solution numérique tel qu'un DSP (Digital Signal Processor, traitement numérique de signal en temps réel), le challenge était à mes yeux plus intéressant (mais maintenant que l'appareil est construit, je n'ai qu'une hâte, essayer la programmation d'un DSP !).
L'on trouve quelques projets similaires sur le web, mon objectif était de créer une variante dont les cartes électroniques prendraient le moins de place possible. J'ai donc pu utiliser des composants CMS en boîtier TSSOP ou 0603 (dimensions : 1.6mm*0.8mm*0.5mm) par exemple. Avec ses 2 x 4.5cm par module, l'objectif a été atteint.
En parlant de projets similaires, j'ai repris quelques morceaux de schémas ou m'en suis inspiré pour ce projet. Vous trouverez les sources à la fin de cet article.
Tous les travaux de ce projet m'appartenant sont disponibles sous licence CC-BY NC (pour toute usage commercial éventuel, me contacter).
Ce projet m'a demandé à lui tout seul 7 mois de travail. Il demande de passer de longues (très longues) heures d'assemblage, brasage, test et mise au point.
Si vous souhaitez vous lancer dans la réalisation de celui-ci, vous serez prévenu ;) .
MISE EN GARDE :
Cet article traite de sujets "dangereux" (Utilisation du secteur pour l'alimentation, élévation de tension, etc ..), une mauvaise manipulation peut engendrer des dégâts matériels et physiques irréversibles (dans le pire des cas, on fait brûler la maison ou on se tue). Je ne saurais être tenu responsable de quelconque dommage physique ou matériel à la suite de la lecture de cet article. Si vous avez le moindre doute, abstenez-vous de réaliser les montages décrits ici.
On ne rigole pas avec la sécurité en électricité !
Afin de simplifier l'étude du circuit, voici un schéma bloque décrivant les différentes fonctions du système :
Pour l'alimentation principale en 12v, j'ai dû choisir entre intégrer l'alimentation secteur dans le boîtier ou utiliser une alimentation externe toute faite de type bloque chargeur de pc.
-> L'une des solutions était plus dangereuse, demandait des connaissances sur les directives, exigences et certifications (histoire de jouer le jeu, normes 2004/108/EC, Marquage CE (Tiens tiens, marquage CE, le machin qui ne veut plus dire grand chose aujourd'hui ..)),du travail à mettre en œuvre.
-> L'autre solution était rapide, sécurisante et la plus simple. Devinez laquelle de ces deux solutions j'ai choisi ? :-D
Si vous vous pensez que j'ai choisi la solution la plus pénible, c'est que vous commencez à me connaitre ! Partisan du "Pourquoi faire simple, quand on peut faire compliqué ?" (seulement si j'en tire un quelconque apprentissage derrière, pas fou ! je ne le ferais pas pour le plaisir quand même ... quoique ...).
Bon, j'ai quand même un peu triché, car j'ai pris un module convertisseur AC/DC tout fait, le IRM-15-12 de chez MEAN WELL. Ils ont d'ailleurs toute une gamme de modules d'alimentation intéressante et très pratique (il n'y a pas de partenariat, mais je recommande !). On n'oublie pas de mettre un petit fusible avant l'arrivée du module.
En électronique, on n'aime pas vraiment la "pifométrie". C'est donc bien évidemment pour ça que j'ai usé de pifométrie pour dimensionner mon alimentation :-D
Bon, de la pifométrie certes, mais utilisée intelligemment. Il s'agit plus d'une estimation de la consommation de courant par système et pour un tube (en prenant une marge), multiplié par le nombre de tube. Je trouve environ 850mA de consommation global pour 15 tubes.
En général, lors du choix de l'alimentation, on prend une bonne marge supplémentaire (souvent le double de la puissance nécessaire, pour de petits montages comme celui-ci). J'ai donc choisi une alimentation capable de donner 1.25A sous 12v pour une consommation de 0.85A. Ce n'est pas le double, mais ça devrait être largement suffisant.
Pour alimenter certaine AOP, j'ai besoin de tensions symétriques. C'est-à-dire, un +6v, un 0v et un -6v.
J'aurais pu prendre des régulateurs ou des convertisseurs tout fait, mais pour la quantité ridicule de courant consommée par les AOP (~quelque dizaine de mA), cela aurait été démesuré et dommage (bien que cela aurait quand même fonctionné). C'est donc ici que je mets en œuvre une alimentation flottante à base de TL3472 (pouvant sortir un courant maximal de 80mA).
J'utilise ici un diviseur de tension simple (R9 et R10) pour obtenir 6v et le fameux TL3472 en configuration suiveur (gain unitaire) pour pouvoir consommer du courant sans perturber le diviseur et faire chuter ma tension 6v.
Je joue avec les potentiels en fonction de l'endroit où je fixe mes références de tension, si je fixe ma référence sur les 6v, mon 12v devient 6v et le GND devient -6. Au final, on a toujours un potentiel de 12v si on regarde entre -6v et +6v ! Attention tout de même, avec ce type de montage, il est plus facile de faire des erreurs et de voir partir en fumée ses AOP ... ;)
Les tubes demandent une tension de polarisation de 125v DC. J'ai donc utilisé plusieurs convertisseurs boost "B07H4L5NHG".
Ces convertisseurs permettent de convertir 12v en 125v. Le problème, c'est que ces convertisseurs ne sont pas capables de fournir beaucoup de courant. Il faudrait donc utiliser un convertisseur pour 4 tubes, pas plus, sinon la tension de 125v s'écroule à cause d'une bien trop grande consommation de courant (L'idée, de vouloir construire mes propres convertisseurs boost, mature).
Prudence pour ces modules, pour la plupart sont des copies chinoises de l'original qui ne fonctionnent pas ...
La raison, le transistor commandé par un état logique sur la proche "SHDN" (Fonction "SHut DowN" ou équivalent broche "Enable") est dopé (sans doute une contre façon) et ne fonctionne pas. Il suffit de l'enlever et de mettre une résistance de 10KR entre la masse et à la place de la broche "Emetteur" du transistor pour faire fonctionner le module. J'ai du en dépanner 4 comme ça :-)
Pour cette partie, il ne s'agit pas vraiment d'un pré-ampli, mais plutôt d'un buffer qui vient prélever le signal de la source sans perturber l'impédance de la ligne signal vers l'ampli hauts parleurs. Il permet de "mélanger" le signal du canal droit avec celui du canal gauche (via R15 t R16) sans risque pour la source. Le switch P5 permet de sélectionner le canal droit, le canal gauche ou l'addition des deux.
J'ai aussi remarqué que sans ce montage, l'appareil fonctionnait très mal (voir pas du tout) avec les convertisseurs CAN (câble de "fibre audio" vers RCA).
L'alimentation de l'AOP se fait avec l'alimentation flottante, référence faite avec 0v_0 !
Pour la partie ampli, rien de bien compliqué, un potentiomètre de 250K sur P7 qui vient jouer sur le gain de l'AOP.
L'alimentation de l'AOP se fait avec l'alimentation flottante, référence faite avec 0v_0 !
Ici, c'est la partie qui ne serait pas utile si l'on avait à utiliser qu'un ou deux filtres. Mais comme il y aura 15 filtres à piloter, l'impédance de la source risque d'avoir du mal à rester faible (évite des perturbations dans les réponses des filtres).
C6 Supprime la composante continue.
R6 fixe le potentiel.
R9 et R10 définissent le gain (gain unitaire pour notre cas).
U1B et mis en parallèle d'U1A, ce qui permet une augmentation du courant de sortie (buffer de courant).
R5 et R12 sont les résistances qui permettent la mise en parallèle des deux sorties des AOP.
Ah, la partie filtrage ! Celle qui m'a posée le plus de problèmes ! Et pour cause, je n'avais encore jamais réalisé filtre passe bande avant :-) Je tiens à préciser que les schémas ont été pompés (et il n'y a pas de honte ^^) sur le site sound-au.com (liens du projet dans les sources à la fin de cet article).
Pour réaliser ce montage, j'ai ressorti les cours et suis allé glaner des informations à droite et à gauche (d'ailleurs, des intervenants du forum DocTSF m'ont bien aidés ! et encore grand merci à eux ! :-D ). J'ai réalisé et caractérisé des filtres (passe bas et passe haut) passifs du premier et du second ordre, puis je les ai mis en cascade par curiosité. Une fois que j'avais bien compris le concept, j'ai réalisé des filtres actifs, passe bas et passe haut, puis des passe-bandes simple pour enfin avoir réussi à mettre en œuvre le type de filtre passe bande décrit ici.
Pour ce filtre passe bande, le gain doit être unitaire (L'auteur du schéma précise qu'en réalité, pour la théorie, le gain serait de "-1", le signal étant déphasé de 180°).
Concernant le facteur de qualité Q (le rapport de la fréquence de résonance sur la largeur de la bande passante. Plus le facteur de qualité est faible (plus l'amortissement est élevé) et plus la bande passante est large), je voulais partir sur un Q = 5. Mais l'auteur de ce schéma de filtrage a calculé les Q idéaux en fonction du nombre de bandes de l'échelle des fréquences, les voici :
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[250Hz] [315Hz] [400Hz] [500Hz] [630Hz] [800Hz] [1KHz] [1K2Hz] [1K6Hz] [2KHz] [2K5Hz] [3K2Hz] [4KHz] [5KHz] [6K3Hz] [8KHz] [10KHz] [12KHz] [16KHz] [20KHz] |
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[1KHz [1K4Hz] [2KHz] [2K8Hz] [4KHz] [5K6Hz] [8KHz] [11KHz] [16KHz] [20KHz] |
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bandes de tiers d'octave |
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[2K5Hz] [4KHz] [6K3Hz] [10KHz] [16KHz] |
Ici, nous convertissons notre signal en un signal continue grâce à un redresseur pleine onde.
Pour ce faire, un AOP (U3B+R22+R26) inverse la sortie du filtre et les sorties sont redressées par les diodes D1 et D2.
(Une autre solution aurait été de mettre une place un redresseur demi-onde, avec résistance et condensateur de lissage adaptés).
Cette partie devrait normalement s'occuper de faire disparaitre la polarisation de 6v en sortie de filtre, cela devrait s'effectuer en placent un condensateur polarisé d'au moins 100µF avant chaque diodes.
J'ai omis d'intégrer ces composants au schéma (et n'ai pas réalisé de test avec ceux-ci). Heureusement, l'erreur se rattrape en corrigent les niveaux de tensions (à l'aide des potentiomètres de réglage) de la partie "Convertisseur Log/Lin".
R24 Limite le courant de sortie des AOP
R30 règle le temps de décharge du condensateur C11.
R4, R2 et Q1 permettent de mettre en parallèle R21 à R30. Ce qui influe sur le temps de décharge du condensateur et donc, sur le temps de réponse au signal. Plus l'équivalent de R21 et R30 en parallèle sera faible (plus le temps de décharge de C3 sera court) et plus rapide sera le temps de réponse.
L'intérêt du montage "R4, R2 et Q1" permet de modifier le temps de réponse (lent ou rapide) en appliquant une tension de 12v sur la grille de Q1.
Dans cette partie, nous allons convertir le signal (qui évolue de façon logarithmique) en signal linéaire. Sans ce convertisseur, la pluspart du temps, les tubes ne bougeraient pas beaucoup et l'affichage resterait bas, puis monterait en flèche lorsque le son serait fort.
Le but de ce système est de comparer des seuils atteints (tout les 3dB) avec des tensions de références pour générer une tension comprise entre 0 à +12V.
Pour ce faire, nous générons nos tensions de référence avec une chaine de résistances, schémas 9 (il n'y a pas de suiveurs car aucun courant (ou un courant très faible et négligeable) ne sera fournit et viendrait modifier les valeurs de référence ! on se rappelle, U=RI).
Puis, nous effectuons la comparaison avec ... des comparateurs ! au schéma 10.
Les résistances en sortie des comparateurs permettent d'"additionner" les tensions sans imposer de courant sur les entrées des autres comparateurs (ce qui pourrait être destructeur le cas contraire).
La résolution dépend du nombre de comparateurs utilisés. Ici, il en est utilisé 8 (Donc le tube sera "découpé" en 8 portions correspondants chacune un certain seuil atteint), mais si l'on en prend 16, l'affichage sera plus précis et nous aurons une meilleure qualité d'image.
En réalité, les tensions de références devront être comprissent entre +6v et +12V à cause de l'oubli d'enlever la tension de polarisation 6v (comme je l'avais expliqué dans la partie "Convertisseur AC/DC").
Heureusement, le décalage et la "compression" peut être réalisée en ajustant les potentiomètres P3 et P4.
Le tube IN-13 et un tube type "décharge à cathode froide". C'est un tube afficheur barre-graphe, construit en Russie, du temps de l'URSS (CCCP). Cela fait maintenant plus de 30 ans qu'il n'est plus fabriqué.
Pour mon cas, j'avais le choix entre un tube IN-13 et un tube IN-9. Je n'ai pas choisi l'IN-9 car celui-ci est plus petit, n'a pas de cathode auxiliaire (affichage lumineux moins fiable car la cathode aux permet de forcer le tube à s'allumer à partir du bas) et consomme beaucoup plus pour l'affichage et le pré-polarisation (12mA et 50mA).
Rares sont les documentations d'époque, j'ai néanmoins pu trouver quelques articles et documentations traduites, notamment l'article très complet de SALTechips (Disponibles dans la section "Documentation").
Le gaz utilisé pour ces tubes est essentiellement du Néon. Mais ceux que j'utilise contiennent également un peu d'Argon (Mélange de Penning), ce qui limite le "noircissement" du tube (au bout d'un certain temps d'utilisation), et prolonge donc la durée de vie ! D'après SALTechips, la durée de vie moyenne d'un tube, utilisé dans des conditions normales, serait de 14,7 ans d'utilisation non-stop).
La documentation indique que la tension d'alimentation du tube est de 140V. Certains l'alimente à 150v (Meilleur éclairement, durée de vie réduite), moi je préfère utiliser 130v pour l'alimentation, je trouve que l'impact sur l'éclairement est faible et permet de préserver les tubes plus longtemps.
Pour que l'affichage du tube soit au maximum, le courant qui traverse "Indicating cathode" doit être de 4,6mA. Pour que l'affichage soit au minimum, le courant doit être de 0.
Un pont diviseur (R23 et R25) vient réduire la plage de tension de 0 à +6v (au lieu de 0 à +12v).
Un filtre passe bas (C12) limite les changements rapides du signal (Si l'alimentation des tubes HT n'est pas assez bien dimensionnée, il y aura, sans le passe bas, un "saut" de l'affichage, comme s'il n'y avait pas de cathode auxiliaire pour venir fixer l'affichage en bas du tube). C'est un paramètre intéressant qui peut aussi être utilisé pour modifier la réactivité de l'affichage.
Le transistor utilisé est un BJT NPN "haute tension" (Vce_max = 300V)
L'AOP permet d'ajuster le signal en prenant en compte la tension de polarisation (Vbe) du transistor et VR1 (2K) permet le réglage (Pratique d'avoir ce réglage, quand on oublie de traiter la composante continue et que notre signal de commande est compris entre 3 à 6v).
Le prototype étant gravé avec la méthode de gravure à l'anglaise, il n'est pas possible de réaliser des via métallisées. La méthode consiste à braser un morceau de fil de cuivre. Ce n'est pas pratique pour les vias se trouvant sous les composants (la hauteur de la "goutte" d'étain ne permettant pas de placer un composant dessus). Pour palier à ce problème, la "goutte" est coupée à ras à l'aide d'une lame de rasoir (manipuler la lame de rasoir avec précautions /!\).
Une fois que les prototypes des cartes ont été validés sans erreurs, j'ai pu faire sous traiter la réalisation de mes cartes.
La prestation a été réalisée chez PCBWay, les PCBs y sont très bien réalisées, les délais sont très rapides et les tarifs sont très avantageux pour de petites séries (<100 cartes).
Si vous en avez les moyens, en revanche, je ne peux que vous inciter à "consommer local" et faire réaliser vos cartes chez les prestataires les plus proches de chez vous. La planète vous en remerciera grandement !
J'ai réalisé 28 fichiers de modélisation à l'aide de l'outil de modélisation paramétrique : OpenSCAD.
Ce qui donne un total de 58 pièces à imprimer en 3D et 6 de plus à faire découper.
Les différents fichiers de modélisation et fabrication sont disponibles au téléchargement dans un seul fichier (licence CC-BY NC) : Doss_tech
Les pièces ont pu être découpés grâce au FabMSTIC (https://fabmstic.imag.fr/) qui m'a permis d'utiliser leur Trotec Speedy 400 flexx (laser CO2 et fibré) et m'on fourmis les matériaux de découpe. Grand MERCI à eux :-)
Les pièces ont êtes fabriquées avec mon imprimante 3D bi couleurs, une Dagoma, équivalente à la Ultimate.
Après quelques semaines de fonctionnement, l'un des tubes s'est mis à avoir un fonctionnement erratique. Un autre fonctionnait par intermittence.
- Pour le fonctionnement erratique, le tube avait "pris l'air". Une micro-fuite est apparu au niveau des broches lors de l'assemblage. La cause ? Celle-ci avait
été trop chauffée au moment de braser les broches des tubes aux cartes. Les tubes sont très fragiles, j'ai dû le remplacer.
-Pour le fonctionnement par intermittence, la panne était une "brasure sèche". En effets, sur les quelques milliers de brasures qui ont été réalisées sur ce projet et malgré un contrôle visuel rigoureux, il était évident d'en retrouver au moins une de ratée :-) La mauvaise brasure a été identifiée et reprise.
https://sound-au.com/project136.htm
https://www.instructables.com/Nixie-Tube-Music-Visualizer/
http://www.sengpielaudio.com/calculator-bandwidth.htm
http://m.bareille.free.fr/vu-in13/vumeter_in13.htm
http://learn-electroacoustics.fr/cours/Grain2.4/co/grain_08.html#:~:text=On%20d%C3%A9finit%20le%20facteur%20de,la%20bande%20passante%20est%20large.
https://sound-au.com/download.htm
http://eequalspi.com/index.php/category/in-13-vumeter/
http://www.tube-tester.com/sites/nixie/dat_arch/IN-13.pdf
https://www.saltechips.com/lab/theory-of-operation-and-construction-of-the-in-13-nixie-gas-discharge-tube/
https://threeneurons.wordpress.com/nixie-power-supply/nixie-thermometer/
https://fabmstic.imag.fr/