Atelier CAO Electronique

Ce laboratoire permet de maîtriser les techniques de conception assistée par ordinateur (CAO) appliquées aux circuits électroniques analogiques et numériques. Il s’appuie principalement sur le logiciel de simulation NI MULTISIM pour modéliser, analyser et visualiser différents montages électroniques. Pour réaliser ce TP, il est nécessaire de disposer d’un ordinateur équipé de MULTISIM, ainsi que des composants électroniques virtuels proposés dans le logiciel.

Objectifs

• Se familiariser avec l’interface et les fonctionnalités du logiciel NI MULTISIM.
• Simuler des circuits électroniques analogiques et numériques.
• Analyser les réponses fréquentielles de circuits à l’aide d’un analyseur de Bode virtuel.
• Mesurer et comparer les grandeurs électriques simulées (tensions, courants, gains).
• Concevoir et simuler des applications pratiques telles que filtres, oscillateurs, diviseurs de tension et compteurs numériques.

Prérequis et installation

• Ordinateur avec le logiciel NI MULTISIM installé.
• Connaissances de base en électronique analogique et numérique (résistances, condensateurs, amplificateurs opérationnels, circuits intégrés).
• Notions élémentaires sur l’analyse fréquentielle et les signaux sinusoïdaux.
• Familiarité avec les concepts de simulation et d’utilisation d’instruments virtuels (générateur de fonctions, oscilloscope, analyseur de Bode).

Présentation de NI MULTISIM

NI MULTISIM est un logiciel graphique dédié à la simulation et à la conception de circuits électroniques analogiques et numériques. Il permet de schématiser les montages, de simuler leur comportement, et d’utiliser des instruments virtuels pour mesurer différentes grandeurs électriques.

L’interface comprend :

• Design Toolbox : boîte à outils pour gérer les composants, les fichiers et la hiérarchie du projet.
• Spreadsheet View : vue tabulaire pour éditer les paramètres des composants et consulter leurs propriétés.
• Bibliothèque de composants : large gamme de composants électroniques et d’instruments de mesure intégrés.

Les instruments virtuels disponibles permettent de visualiser des courbes, mesurer des tensions, des courants, et analyser des signaux en fréquence.

Simulation d’un filtre passe-bas actif

Cette étape consiste à simuler un filtre passe-bas actif utilisant un amplificateur opérationnel TL081, deux résistances de 10 kΩ et un condensateur de 10 nF.

1. Créer un nouveau projet NI ELVIS II Design via File » New » NI ELVIS II Design. Ce périphérique virtuel simule le matériel NI ELVIS II+.
2. Placer l’amplificateur opérationnel TL081 en cliquant droit sur « Placer le composant ».
3. Ajouter les condensateurs de 10 nF et les résistances de 10 kΩ (Database: Master Database, Group: Basic, Family: RESISTOR, Component: 10k).
4. Utiliser des connecteurs sur la page pour alimenter l’amplificateur en +15 V et -15 V via Place » Connectors » On-page connector.
5. Placer les connecteurs près des bornes d’alimentation virtuelles NI ELVIS II et les configurer respectivement en +15 V et -15 V.
6. Relier les connecteurs aux bornes d’alimentation Vcc de l’amplificateur.
7. Compléter le câblage du circuit en reliant tous les composants entre eux conformément au schéma.
8. Connecter le générateur de fonctions NI ELVIS II Function Generator en entrée du filtre.
9. Brancher l’analyseur NI ELVIS II Bode pour observer la tension d’entrée et la tension de sortie filtrée.

Pour effectuer l’analyse de fréquence :

1. Double-cliquer sur le générateur de fonctions NI ELVIS II pour activer le Soft Front Panel et lancer le générateur (FGEN).
2. Fermer la fenêtre Soft Front Panel, le générateur reste actif.
3. Activer l’analyseur NI ELVIS II Bode en double-cliquant dessus.
4. Lancer la simulation en cliquant sur le bouton Simuler dans la barre d’outils de MULTISIM.
5. Observer la courbe de réponse en fréquence (gain et phase) du filtre passe-bas actif.

Applications pratiques

1. Simulation d’un oscillateur

Simuler un oscillateur avec les paramètres suivants :

• Diode : 1N4007
• Résistance : 1 kΩ
• Tension d’entrée : 5 Vpp
• Fréquence : 50 Hz

1. Mesurer le courant iE et la valeur de la résistance Ru.
2. Visualiser les signaux d’entrée et de sortie à l’aide des instruments virtuels.
3. Commenter les formes d’onde observées.

2. Simulation d’un diviseur de tension

Réaliser le circuit diviseur de tension suivant :

• Tension d’entrée : +5 V
• Résistances : R1 = 5 kΩ, R2 = 10 kΩ
• Connexion du commun à la prise [GND]

1. Lancer la simulation et mesurer la tension d’entrée U avec l’instrument adapté.
2. Calculer la tension de sortie U2 à partir des valeurs mesurées de R1, R2 et U.
3. Comparer U2 calculé avec U2 simulé.
4. Calculer et mesurer le courant i circulant dans le circuit.
5. Générer une fonction sinusoïdale de fréquence 1 kHz et amplitude 5 Vpp.
6. Mesurer la tension de sortie avec un oscilloscope virtuel.

3. Simulation d’un circuit RC

Construire et simuler un circuit RC avec :

• Tension maximale : 2 V
• Fréquence : 100 Hz
• Capacité : 47 nF
• Résistance : 10 kΩ

1. Visualiser les tensions d’entrée et de sortie.
2. Utiliser l’analyseur virtuel pour mesurer le gain et la phase en fonction de la fréquence.
3. Activer les curseurs (boîte [] Cursors On) pour parcourir les points de données.
4. Noter la fréquence où l’amplitude chute à -3 dB et vérifier que la phase est proche de 45° à cette fréquence.

4. Conception d’un compteur numérique 4 bits

1. Concevoir un compteur décimal 4 bits avec un afficheur 7 segments en utilisant un circuit intégré NE555.
2. Exécuter la simulation pour vérifier le fonctionnement du compteur.

Résultats attendus

• Réponse en fréquence du filtre passe-bas actif montrant une atténuation progressive au-delà de la fréquence de coupure.
• Oscillogrammes de l’oscillateur avec formes d’onde stables et valeurs de courant conformes aux calculs.
• Tensions mesurées dans le diviseur de tension proches des valeurs calculées, avec un courant cohérent.
• Courbes de gain et de phase du circuit RC présentant la fréquence de coupure à -3 dB et une phase d’environ 45°.
• Simulation fonctionnelle du compteur 4 bits avec affichage correct sur le 7 segments.

Erreurs courantes

• Mauvais placement ou connexion des composants, notamment les alimentations +15 V et -15 V, empêchant le fonctionnement correct du filtre.
• Oublier d’activer les instruments virtuels (générateur de fonctions, analyseur de Bode) avant la simulation.
• Confusion entre les valeurs des résistances et condensateurs, ce qui fausse les résultats de simulation.
• Ne pas utiliser les connecteurs on-page pour l’alimentation, rendant le câblage désordonné et difficile à suivre.
• Ignorer la vérification des paramètres du générateur de fonctions (fréquence, amplitude) avant la simulation.
• Dans la simulation du diviseur, ne pas connecter correctement la masse (GND) provoque des mesures erronées.
• Ne pas activer les curseurs dans l’analyseur Bode, ce qui empêche d’obtenir les valeurs précises de gain et phase à chaque fréquence.
• Pour le compteur numérique, une mauvaise configuration du NE555 ou des connexions peut empêcher la simulation de fonctionner.