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Version "USB Embarqué".

Général.

Pour mesurer un tube électronique diode il faut lui appliquer une tension de chauffage et une tension d'anode puis mesurer le courant qui le traverse en fonction de cette tension.

Génération de la tension de chauffage

Un transformateur fournit de 1,5v à 6,5v jusqu'à 3 Ampères selon les prises utilisées et un générateur de courant permet d'alimenter sous 100, 150 ou 300mA les tubes prévus pour un chauffage en série jusqu'à 50V

Génération de la tension d'anode

La tension d'anode provient d'un transformateur à enroulements multiples sélectionnés par un commutateur et appliquée à un redresseur  double alternance en pont (D9) mais non filtrée.
Ainsi l'anode reçoit une tension variant de 0v à la valeur crête en passant par toutes les valeurs intermédiaires en 5 millisecondes puis revient à 0 dans le même temps.
Une résistance à la base du pont (R32,R33) permet de mesurer le courant consommé, il suffit de mesurer simultanément le courant et la tension aussi souvent que possible pour obtenir une série de couples représentant la caractéristique d'anode du tube en test.
Une simple carte son est capable de capturer 50 de ces couples en 5 millisecondes avec une (modeste) fréquence d'échantillonage de 10Khz.
Le logiciel les affiche alors sous forme d'une courbe IP fonction de VP.
C'est tout pour une diode.

Pour obtenir les caractéristiques complètes d'une triode il faut recommencer le processus pour diverses tensions de grille et, pour une tétrode ou une pentode, avec diverses tension d'écran.

Le circuit Burr Brown / Texas Instruments PCM2904 intègre une interface USB et les convertisseurs Numérique/Analogique et Analogique/Numérique qui forment la base d'une carte son.


Le PCM2904 est entièrement alimenté par la liaison USB et ne nécessite qu'un quartz 12Mhz et quelques composants passifs pour fonctionner et être vu par le système d'exploitation comme une carte son générique ne nécessitant pas de driver spécifique.
Il reçoit sur ses entrées gauche et droite respectivement une fraction (R19 + R20 / R21) de la tension d'anode, et celle résultant de la mesure du courant.
Les diodes zéners sont là pour limiter ces tensions en cas d'anomalie.
Elles doivent être centrées autour de +2 volts ce qui explique la présence des condensateurs C12 et C13. La composante continue est perdue mais reconstituée par le logiciel.
L'inverseur Ia/Ig2 permet de mesurer soit la courant d'anode, soit le courant de g2.

Les tensions (gauche et droite) fournies par le PCM2904 évoluent de +/- 1V autour d'une référence interne (disponnible) de +2V et sont ici utilsées respectivement pour générer les tensions de grille et d'écran du tube à mesurer.

Génération des tensions de grille et d'écran.

Le logiciel fait apparaitre deux tensions continues variables aux broches de sortie analogiques Gauche et Droite du PCM2904 qui vont simplement être amplifiées pour alimenter la grille et l'écran du tube en test.
Les plages de tension de grille et d'écran ciblées sont respectivement +10V à - 150V et 0 à +400V.



Générateur de Tension de grille.

Une tension continue variant de +10 à -150V doit donc être obtenue à partir de la tension de +1 à +3V délivrée par le PCM2904 sur sa broche 16.
La broche 17 est la tension de référence interne autour de laquelle évolue la tension de sortie.
Il faudra un circuit disposant d'un gain moyen de 80 et pouvant délivrer un courant d'une centaine de milliampères en régime de grille positive.

Une paire de MOSFETS canal P (Q1 et Q3) associée à une source de courant (Q2) dans les sources forme l'étage d'entrée différentiel alimenté à partir de deux tensions +15 et -150V régulées respectivement par U2 et Q7, Q8.
L'étage de gain est constitué par Q6 qui sert également de "pull down" pour la tension de sortie à travers D1.
Un émetteur suiveur (Q5) fournit le courant nécessaire à la grille du tube en test lorsque la tension de sortie devient positive.
Le tout n'est rien d'autre qu'un amplificateur opérationnel spécialisé pour fournir la tension et le courant ciblés.

Le gain est fixé par le rapport des résistances d'entrée (R12) et de contre réaction constituées par R15, R16 et le MOSFET Q4.
Son rôle est de modifier le gain en fonction de la tension de sortie afin d'améliorer la précision pour les faibles valeurs de tension de grille, une erreur de quelques volts autour de -150V étant sans conséquence alors que quelques dizaines de millivolts sont tout juste tolérables aux environs de 0V.
Un gain moins important tend à masquer les inévitables dérives du PCM2904 et de l'amplificateur opérationnel lui même.

Un dispositif non linéaire est donc introduit dans la boucle de contre réaction et fonctionne comme suit:
Q4 est un MOSFET canal P à enrichissement, il est donc normalement bloqué tant que sa tension gate/drain est infèrieure à un seuil de l'orde de 3 volts.
Sans courant le traversant, sa source est à +15V et sa gate reçoit via R16 et le diviseur R8/R7 une tension proportionelle à la tension de sortie.
Lorsqu'elle devient plus négative que -15V, il apparait 30V aux bornes du diviseur R8/R7 dont le rapport est 10 ce qui commence à rendre Q7 conducteur.
Le courant augmente alors dans R16 provoquant une chute de tension qui s'oppose à cette augmentation de courant sans toutefois l'annuler en raison de la présence d'une résistance de source (R9).
Ainsi, la tension vue par la résistance de contreréaction (R15) ne devient pas aussi négative qu'elle l'aurait été en l'absence de Q7 obligeant le gain de l'ensemble à augmenter.
Les valeurs sont choisies pour obtenir un gain de 20 jusqu'à une tension de grille supèrieure à -15 volts. Le gain augmente alors progressivement jusqu'à 150 en bout d'échelle soit vers -150V.

Le logiciel emploie une table de correction qui prend en compte cette non linéarité intentionnelle ainsi que celles résultantes des dispersions des composants actifs et passifs.
La création de cette table fait partie de la procédure d'étalonnage finale et permet d'éliminer tout autre accessoire de réglages.

Générateur de tension d'écran.

La tension d'écran doit évoluer entre 0 et + 400V proportionnellement aux +1 à +3 volts délivrés par le PCM2904 sur sa broche 15.
De plus, pour réduire la dissipation d'écran du tube en test, elle n'est appliquée que pendant la phase réelle de mesure, soit 5 millisecondes au lieu de 10, ceci créant du même coup la référence "zéro" pour reconstituer la composante continue lors de la mesure du courant d'écran.
La précision nécessaire étant moins drastique que pour la grille, il n'est pas nécessaire de construire un amplificateur opérationnel bouclé.
Par contre le courant d'écran est plus important et varie considérablement en fonction des tensions de grille et d'anode du tube en test.

L'étage de gain utilise un MOSFET à appauvrissement (Q9) polarisé à la limite de conduction par une tension positive sur sa source grace au pont de résistances R24 et R34.
Il devient conducteur lorsque la tension provenant du PCM2904 rend sa tension gate/source moins négative.
Son gain, typiquement 200, est fixé par le rapport entre sa charge de drain (R25) et la résultante de la mise en parallèle de R24 et R34.
La tension amplifée est appliquée à la gate de Q12 via R27.
Une tension à 50Hz redressée double alternance mais non filtrée disponible en sortie du pont utilisé pour le +15V est appliquée au condensateur C19 qui se charge à travers la jonction base/émetteur du découpeur Q11 pendant la phase de croissance de cette tension provoquant ainsi sa saturation et la mise à 0V de la gate de Q12.
Pendant la phase de décroissance C19 se décharge à travers D10, Q9 est alors bloqué laissant la tension amplifiée apparaitre sur la gate de Q8 et donc appliquée à l'écran du tube en test.
Le cycle recommence toutes les 10ms.

Comme pour le générateur de tension grille, le logiciel emploie une table de correction qui permet de compenser les dispersions des composants sans utiliser d'accessoires de réglages.