Retour Thème 3 Ressources S5 Modalités S5 Objectifs pédagogiques S5

Dans ce troisième thème, vous allez développer les derniers éléments d’un système capable d’afficher le spectre d’un signal audio en temps réel sur une matrice de LED.

Cahier des charges

Le système devra pouvoir :

  1. Capter un son et le mettre en forme pour s’adapter aux contraintes du traitement numérique
  2. Convertir le signal analogique en une série de données numériques (déjà réalisé dans le thème 2)
  3. Calculer sa transformée de Fourier
  4. Afficher l’information sur une matrice de LEDs et interagir avec l’utilisateur

Le traitement numérique devra être réalisé à l’aide d’une carte Nucléo L476RG.

Le système devra permettre d’afficher le spectre d’un signal audio, en utilisant une échelle “logarithmique”.

Les performances, en particulier en terme de fréquence maximale détectable, devront être mesurées.

Mise en forme du signal et affichage

Les éléments permettant le calcul numérique, ici un microcontroleur de type STM32 – carte Nucléo, imposent des contraintes sur les signaux qu’ils peuvent traiter, en particulier les signaux analogiques.

Une première séance permettra de réaliser un étage de mise en forme du signal audio afin qu’il soit compatible avec les restrictions des cartes Nucléo et suffisamment amplifié.

La seconde séance sera réservée à la gestion de l’affichage et à l’interaction avec l’utilisateur.

Vous pouvez vous référer au document de conception suivant : Conception d’un système d’affichage de spectre audio en temps réel

Matériels et logiciels utiles

Carte Nucléo et programme de base

Pour pouvoir réaliser les prochaines missions, vous devrez vous munir d’une carte Nucléo L476RG ainsi que d’un câble mini-USB.

Vous aurez également besoin d’un programme de base, conçu à partir de la version 2 du système d’exploitation embarqué MBED. Vous pouvez importer une version de ce programme à partir du lien suivant : https://os.mbed.com/teams/IOGS_France/code/Blink_Program/
Il faut ensuite l’importer dans votre espace de compilation (bouton jaune en haut à droite dans la fenêtre précédente).

TeraTerm

Le logiciel TeraTerm se trouve dans le répertoire S:/CeTI/

Il suffit de double-cliquer sur le lien TeraTerm.

Etapes

Mission 5 / Mettre en forme le signal sonore

Votre mission est de réaliser un système permettant d’adapter les niveaux de tension de la sortie sonore d’un ordinateur à l’entrée analogique pour l’acquisition, à fréquence constante, par une carte Nucléo.

Pour cela, vous devrez réaliser :

  • un étage d’amplification permettant de passer d’un signal d’amplitude maximale de 200mV à un signal d’amplitude de 3.3V ;
  • un étage de limitation de tension à 3.3V d’amplitude maximale ;
  • un étage d’adaptation de la valeur moyenne du signal à 1.65V (ou 3.3V/2).

Le signal sonore sera dans un premier temps “simulé” par un signal sinusoïdal de fréquence comprise entre 100Hz et 10kHz et d’amplitude maximale de 200mV. Par la suite, on pourra utiliser une prise Jack et connecter la sortie casque des ordinateurs.

On pourra utiliser des amplificateurs linéaires intégrés de type TL082 (qui intègrent 2 ALI). Attention, leur câblage diffère du TL081 !!

On utilisera des diodes Zener (D2 et D4 dans le schéma suivant) de type 1N4728 (doc technique) ou des diodes Zener de 3.3V de tension Zener.

Ressources

On vous propose le schéma suivant :

Certaines valeurs de composants sont volontairement retirées (R1, R3 et R4). Vous pouvez télécharger le fichier de simulation (archive ZIP). Ce dossier compressé contient notamment un fichier *.sch à ouvrir avec le logiciel QUCS, pour la simulation.

Une première version de ce montage a été réalisée et testée par des étudiant.e.s de la promo 2022 (Ambre Visive, Hamid Filali, Louis FOLLET et Romain GOUDET). Un schéma est disponible ici. Le montage proposé intègre d’autres éléments que vous pouvez analyser.

Documents à produire

  • Une fiche de manipulation en ligne (partagée) contenant :
    • le schéma bloc du système proposé ainsi que la fonctionnalité réalisée par chacun des blocs (travail préparatoire)
    • la simulation du montage (travail préparatoire) en se basant sur le fichier QUCS fourni ici.
    • les tests réalisés pour valider le fonctionnement
  • Un texte de quelques phrases expliquant :
    • le rôle de chacun des blocs de ce montage
    • l’intérêt des diodes Zener dans le cadre de cette application

Mission 6 / Afficher la FFT d’un signal en temps réel

Votre mission est d’afficher la FFT (transformée de Fourier discrète) d’un signal analogique à l’aide de la carte Nucléo.

Ressources

Documents à produire

  • Une fiche de manipulation en ligne (partagée) contenant :
    • l’algorigramme du code proposé pour le calcul du spectre avec un descriptif/commentaire des différentes étapes
    • les tests réalisés pour valider le fonctionnement
  • Un texte de quelques phrases expliquant :
    • les limites de votre application

Mission 7 / Intégrer tous les étages

Afin de tester votre application embarquée, vous devez relier l’ensemble des blocs que vous avez réalisés au cours des deux dernières missions et vérifier que le spectre du signal audio s’affiche bien sur l’oscilloscope.

Documents à produire

  • Une fiche de manipulation en ligne (partagée) contenant :
    • le schéma bloc du système complet avec un descriptif des différents blocs
    • les tests réalisés pour valider le fonctionnement
Thème 3 / Sonolux