Oui ... enfin non, ce n'est pas un modèle de compacité...

Construction sur cartes format "euro" avec connecteur, et installées dans un rack 19 pouces. Ce système est réalisé avec des composants traditionnels et ce type de montage permet une maintenance (ou même modification) aisée.

Voici le schéma synoptique ce ce système.

Les différents blocs représentés sont chacun une carte dans le rack, voici la description ci-dessous.

Le bloc à gauche est le module d'entrées. Les connexions des signaux d'entrées se font sur une prise DB9 et sont directement raccordés aux opto-coupleurs. Derrière les opto coupleurs, 8 portes NAND à trigger de Schmitt assurent un signal sans "rebonds" vers la logique de commande. Ces signaux "propres" vont sur le connecteur de fond. L'alimentation provient du module sonore. 8 LED montrent l'état des entrées. Un commutateur permet une fonction de test local, sans devoir utiliser les entrées externes. En position "auto", ce commutateur ne pilote aucune des entrées.

Le bloc nommé "module sonore" est le coeur du système. Il contient le circuit sonore "SOMO" qui va lire les pistes musicales en fonction de l'entrée choisie. Ce module contient aussi un décodeur binaire vers BCD qui pilote le reste des IC, en fonction de l'entrée choisie. Un afficheur 7 segments indique la piste sonore choisie, et si elle est en lecture ou non (point décimal allumé en lecture). Les sorties audio du SOMO sont tamponnées et passent pas un filtre passe-bas, puis sont envoyées au module multiplexeur analogique. Un interrupteur permet d'envoyer aussi le son (en mono) vers un ampli de contrôle, mais aussi d'injecter un signal de 1kHz, mélangé au signal audio : ceci permet de localiser / tester les sorties audio en fonction de l'entrée choisie.

Le bloc nommé "multiplexeur analogique" va envoyer le signal provenant du lecteur SOMO vers 8 sorties stéréo distinctes. La sortie en cours est dépendante de la piste sonore choisie par une des entrées ou par le commutateur de test. Ce bloc contient des interrupteurs C-MOS et un étage tampon analogique par sortie. Une sortie audio permanente (toujours avec signal audio quel que soit la piste musicale choisie) est prévue aussi, pour tests.

Le bloc nommé "ampli de contrôle" contient un petit ampli mono et un haut-parleur local : ceci permet de tester la fonctionnalité sans devoir connecter un ou des amplis extérieurs au système. Ce bloc contient aussi le générateur de test 1kHz.

Enfin, l'alimentation fournit les tensions positives et négatives pour le module sonore et le multiplexeur, ainsi que les tensions pour l'ampli de contrôle.

Le premier circuit assemblé fut le module sonore, car il fallait faire pas mal d'essais...

Carte d'essais à pastilles et connecteur de fond (pour aller dans le rack).

Une autre vue...

Le lecteur SOMO est visible à l'avant plan.

Côté soudures...

Pas mal de fils volants pour les essais, et alimentation par une source externe : plus facile pour faire les essais que si la carte est déjà dans le rack...

Voici le schéma définitif de la partie logique du module sonore.

Explication ci-dessous...

Le coeur du système est bien sur le lecteur SOMO (lien vers page d'explications sur ces modules). Ces lecteurs audio autonomes, construits par 4D Systems, sont épatants. Celui-ci est piloté par ses entrées ADKEY1 et ADKEY2.

Placer une résistance de 100k entre la masse et ADKEY1 arrête la lecture en cours.

Placer différentes valeurs de résistances entre la masse et ADKEY2,  permet de choisir la piste sonore (contenue sur la carte mémoire) qui va être lue. Par cette fonctionnalité, il est possible de choisir entre 8 pistes sonores, ce qui est bien suffisant pour cette application-ci. Pour pouvoir choisir plus de pistes sonores, il faut passer par l'entrée "série" et y envoyer des ordres, ce qui nécessite un micropocesseur. La choix est fait ici de rester avec une électronique "simple", du moins "sans programmation"...

Ces deux entrées ADKEY se commandent par des impulsions, donc il faudra des monostables pilotés par les entrées digitales du système. Pour commuter les résistances de choix de piste, il est possible de le faire par des interrupteurs CMOS et ici c'est un 4051 qui est utilisé : il a une sortie commune (reliée à l'entrée ADKEY2 du SOMO) et 8 entrées (reliées aux résistances dont le point commun va à la masse). La résistance de 100k (stoppant la lecture par action sur ADKEY1) peut être communtée par un transitor NPN. Par contre, pour des commandes avec résistances faibles (comme celles de choix des pistes), cela ne fonctionne pas correctement avec des transistors, il faut utiliser des commutateurs CMOS.

Précision importante : le point commun des résistances de choix de piste doit être relié à la masse, selon la note d'application du SOMO et comme représenté sur le schéma. Mais il est apparu lors des essais que pour un fonctionnement très fiable, il est nécessaire de connecter cela au point de masse le plus proche du SOMO, idéalement près du condensateur de découplage et des broches de masse du SOMO. Dans le même ordre d'idées, il est indispensable de découpler correctement les alimentations de tous les circuits intégrés avec des condensateurs céramique de qualité (dessiné sur le schéma).

C'est donc IC 4 (4051) qui effectue le choix des pistes à lire. Le choix de l'entrée commutée sur la sortie commune est dépendant de la valeur binaire sur les 3 entrées de commande A, B et C. Mais pour que les interrupteurs commutent il faut aussi que l'entrée INH soit au niveau logique bas. Pratique : par cette entrée INH il va être possible de commuter un bref instant la résistance de choix de piste... Cette fonction monostable est assurée par la porte NAND IC7B.

La porte NAND IC7D fait une fonction de temporisation à l'allumage du système. Pendant un certain temps (dépendant de R20 et C11), la sortie de cette porte est active et via l'inverseur IC7A "paralyse" IC7B, forçant la sortie de celle-ci à l'état haut et donc inhibant IC4. Egalement pendant cette temporisation, T2 conduit, forçant l'entrée VOL+ du SOMO à la masse : ceci augmente le niveau de sortie de celui-ci, afin d'avoir un bon rapport signal-bruit (voir partie analogique ci-dessous).

Une fois la sortie de IC7D passée à zéro, l'initialisation est terminée et le module est prêt à fonctionner.

IC6 est une encodeur de priorité CMOS type 4532 : il possède 8 entrées digitales (D0 à D7) et trois sorties BCD (Q2, Q1 et Q0). Ces trois sorties correspondent à l'entrée digitale active (entrée D0 active, sorties = 000 ; entrée D1 active, sorties = 001 etc...). Si deux entrées sont actives en même temps, les sorties BCD vaudront la valeur de l'entrée digitale de rang le plus haut. Ces trois sorties BCD sont connectées aux entrées de sélection du 4051 (IC4). Ainsi la résistance correspondant à la piste à lire sera commutée en fonction d'une des entrées digitales.

Pour générer l'impulsion de démarrage (par l'entrée INH du 4051), la sortie GS de IC6 est utilisée. Cette sortie est à 1 quand une des entrées est active. Cette sortie va piloter le monostable sur la porte IC7B (largeur d'impulsion dépendant de C25 et R21). La sortie de IC7B va passer un bref instant à zéro lors du choix d'une entrée, et va lancer la lecture de la piste correspondante.

Lorsque le SOMO est en lecture, sa sortie BUSY passe à l'état  zéro. Ce signal est inversé par  IC7C et commande le transistor T1 : celui-ci allume une LED indiquant que le SOMO est en lecture. Ici c'est le point décimal de l'afficheur 7 segments qui est utilisé.

Pour stopper la lecture quand l'entrée de sélection passe à zéro, il faut générer une autre impulsion qui activera T3 pour arrêter le SOMO. Cette impulsion est générée par le monostable construit autour de de IC8C. Quand aucune entrée de IC6 (4532) n'est active, sa sortie EOUT est active. Cette sortie s'active quand l'entrée repasse à zéro, et va commander IC8C via C14 : la sortie de cette porte va passer un bref instant à zéro (largeur d'impulsion dépendant de C14 et R13). Ce signal est inversé par IC8D qui pilote le transistor T3 un bref instant, et stoppe ainsi la lecture.

Les trois sorties Q0, Q1 et Q2 ainsi que EOUT sont rapportées également sur le connecteur de fond, pour piloter le multiplexeur analogique (voir ci-dessous).

Un affichage digital 7 segments montre la piste en cours de lecture : le décodeur BCD / 7 segments est IC5, un 4543. Seulement, si on connecte directement les entrées BCD de IC5 sur les sorties de IC6, l'affichage vaudrait 0 pour la piste 1, 1 pour la piste 2 ect... C'est la raison d'être de IC9 (4008). Il s'agit d'un additionneur binaire 4 bits (demi octet). Les 3 entrées A1, A2 et A3 du premier demi octet sont reliées aux sorties de IC6. La 4e entrée (A4) est à mise à zéro. La première entrée B1 du second demi octet est connectée à la sortie GS de IC6 (qui passe à un quand une des entrées est active), les trois autres entrées de ce demi-mot étant mises à zéro. De ce fait, lorsqu'aucune entrée n'est active, le second demi octet vaut zéro et donc l'affichage indique zéro. Maintenant, si la première entrée de IC6 passe à 1, les sorties Q0, Q1 et Q2 valent toujours zéro mais GS vaut 1. Ainsi, l'additionneur IC9 additionne la valeur 1 du second demi-octet au premier demi-octet : l'affichage indique bien 1, correspondant à l'entrée en cours. Et pareil pour n'importe quelle entrée : l'afficheur affiche 0 si aucune entrée active, et de 1 à 8 pour les 8 entrées digitales.

L'afficheur, son décodeur et l'additionneur sont bien sur tout à fait facultatifs dans le montage, qui fonctionne parfaitement sans !

L'alimentation du module est symétrique pour la partie analogique. le +5V sert aussi bien pour l'analogique que pour les IC CMOS et le 7805 est monté sur un petit dissipateur. Le -5V est destiné aux amplis opérationnels du filtre et de la préamplification (voir ci-dessous). Le LM317 génère du +4.3V pour alimenter le SOMO. Dans tous mes montages avec ce lecteur, je lui met toujours un régulateur de tension indépendant : l'ensemble du montage est plus stable et nettement moins "bruyant" sur les sorties audio.

Cela se remplit au fur et à mesure du montage des composants... Circuit déjà fort chargé et pas mal modifié, qui sera totalement reconstruit (pour être plus fiable) après essais et validation.

Le SOMO donne un très bon signal de sortie mais hélas il y reste un "résidu" (sans doute signal d'horloge interne) aux alentours de 200kHz. Il faut donc filtrer le signal avant usage vers installations audio. Même si théoriquement pas audible, ce signal provoque "quelque chose" à l'audition. Détection dans les circuits BF ? Je n'ai pas l'explication mais comme c'est audible, autant le filtrer.

Trace du haut : signal avant filtre passe-bas, signal du bas : après le filtre (qui déphase aussi le signal c'est pourquoi les deux sinusoïdes sont inversées).

Voici le schéma définitif de la partie analogique du module sonore.

Explication ci-dessous...

Les sorties audio du module SOMO sont connectées sur R9 et R10. Celles-ci sont amplifiées (ou plutôt tamponnées puisque le gain vaut 1) par IC11B et IC12B.

Les amplis opérationnels IC11A et IC12A sont montés en filtres passe-bas destinés à éliminer la composante HF présente en sortie du SOMO. Les sorties de ces deux filtres sont rapportées au connecteur de fond via des condensateurs. Les signaux passant par les 10µF vont directement vers les prises Cinch de sorties audio permanentes. Les signaux passant par les condensateurs de 33µF vont vers les sélecteurs analogiques (zoneur). Voir ci-dessous la description du multiplexeur analogique.

Par les résistances R6 et R8 et via les amplis-op IC13A et IC13D, il est possible d'injecteur un signal de test 1kHz si l'interrupteur S2 est bien positionné. Ce signal provient du module amplificateur et peut servir à tester une sortie audio même en l'absence de signal provenant du SOMO.

Les sorties du SOMO, après préamplification, peuvent être envoyées vers l'ampli de contrôle via IC13B et IC13C qui forment un sommateur, avant envoi vers l'ampli de contrôle, qui est mono. L'interrupteur S2 permet de couper ce signal vers l'ampli.

Cet interrupteur S2 est donc à double fonction : soit pour injecter le 1kHz, soit pour envoyer le signal vers l'ampli de contrôle. Il a un point milieu, position dans laquelle aucune de ces deux fonctions n'est réalisée.

La platines est encore un peu plus remplie, toujours en version prototype... et sera encore modifiée, avantage des platines d'essais.

Une face avant en plastique fumé est mise en place, permettant de voir l'afficheur.

Une autre vue...

Par la suite une autre découpe sera faite dans la face avant pour donner accès à la carte mémoire du module SOMO.

Au moment de cette photo, il restait encore quelques adaptations à faire sur ce circuit, notamment pour l'affichage 7 segments (montage de l'additionneur 4008).

Le module est placé dans le rack, à côté du module d'entrées. Cela prend forme !

Voici le schéma du module d'entrées. 8 opto coupleurs assurent l'isolation galvanique, et le commutateur S1 permet de faire un test sans devoir connecter les entrées. A la suite des opto-coupleurs, les portes NAND à trigger de Schmitt empêchent les "rebonds" éventuels des entrées ou du commutateur de test. 8 LED commandées par 8 transistors permettent de voir l'état des entrées. Les signaux des entrées, ainsi isolés et mis en forme, sont rapportés au connecteur de fond, pour aller piloter les entrées du module sonore (voir ci-dessus).

Voici une vue du dessus des modules sonore (pas encore totalement fini lors de la photo) et d'entrées.

A ce stade, les entrées pilotent le module sonore, qui lit les fichiers choisis via ces entrées.
Reste à monter le multiplexeur analogique (zoneur), l'ampli de contrôle et l'alimentation.

Pour ne plus avoir des fils allant vers une alimentation de labo, l'étape suivante fut de monter l'alimentation définitive dans le rack.

Voici l'alimentation câblée dans le rack (à droite), et le module de multiplexage analogique était en cours de construction au moment de la photo.

Une autre vue du rack, avec des marquages provisoires sur le module d'entrées.

Vue du dessus de l'alimentation. Le transfo torique multi-sorties (de récupération) est fixé sur le côté du rack. Le câblage 230V ne passe pas par un circuit imprimé et est câblé à côté du transfo. Prise secteur, interrupteur et fusible sont rapportés en face avant sur une tôle. Les connexions AC des secondaires du transfo vont au connecteur de fond de la carte alimentation.

Cette carte n'a rien de "terrible" techniquement : fusibles côté AC (protection des secondaires), redresseurs, condensateurs de filtrage, LED témoins...

Vue de l'arrière du rack avec les connexions entre les différentes cartes (modules). Certains fils n'étaient pas encore connectés au moment de la photo... Une double prise cinch est placée provisoirement, pour pouvoir envoyer le signal de sortie du module sonore vers un ampli externe, le multiplexeur n'étant pas encore câblé à ce moment-là...

Et voila le multiplexeur (zoneur) en cours de montage !

Le circuit imprimé est fini, il faut placer les IC et câbler vers les prises de la face avant...

Une autre vue du montage en cours...

Les deux IC de décodage 4028 et commande LED ULN2804 sont déjà en place.

Voici le schéma du multiplexeur.

Il possède ses propres régulateurs de tension, + et -5V.

Un décodeur BCD vers binaire type 4028 est utilisé pour le choix de la sortie à commuter. La 4e entrée (de poids le plus fort) de ce décodeur est connectée vers le signal EOUT venant du module sonore (voir ci dessus) : si aucune entrée n'est active, ici aucune des 8 premières sorties ne le sera non plus, isolant ainsi toutes les sorties audio si aucune entrée n'est sélectionnée.

8 LED sont pilotées par les sorties du 4028 (via un octuple tampon ULN2804) pour indiquer quelle sortie est active.

Les sorties analogiques sont identiques, c'est 8X le même montage. Un triple inverseur CMOS type 4053 est utilisé (deux inverseurs). Lorsque la sortie correspondante du 4028 est active, les commutateurs du 4053 sont actifs aussi et laissent passer les signaux gauche et droit venant du module sonore. Les sorties du 4053 sont tamponnées par un NE5532, dont les sorties vont vers les prises Cinch de la face avant.

Si la sortie du 4028 est inactive, les inverseurs du 4053 sont inactifs aussi et mettent à la masse les entrées des amplis-op NE5532, rendant ceux-ci totalement silencieux et coupant ainsi le son vers ces sorties.

Un câblage direct est réalisé vers deux prises Cinch de la face avant pour une sortie audio permanente (toujours avec signal quel que soit la piste musicale lue).

Les prises de la face avant sont montées sur une plaque de matériau isolant pour éviter des boucles de masse.

Et le voila fini !

Les LED sont placées près des prises Cinch, indiquant ainsi la sortie en cours de fonction.

Le multiplexeur analogique est en place dans le rack, cela fonctionne très bien...

Sur la photo ci-contre, l'ampli de contrôle est également assemblé. Il a un schéma identique à celui de cette réalisation-ci. Il est muni d'une petite poignée pour pouvoir l'extraire facilement.

Autre vue du montage...

Ici la sortie audio permanente est utilisée lors d'un test de longue durée du système.

Version d'essai du module sonore.

Beaucoup de monde sur ce circuit, fort rempli... Ce circuit (qui a été le prototype) va être rebâti en deux circuits montés l'un au dessus de l'autre : un avec la partie digitale et le SOMO, le second avec la partie analogique. Voir ci-dessous la mise à jour de juillet 2020 !

Encore une autre vue du rack complet, avec des poignées et les marquages "Dymo" à fond transparent.

Maintenant, le temps est venu de reconstruire le circuit du module sonore correctement : après tous ces essais, il est au point...

C'est parti, reconstruction de la platine du module sonore...

D'abord montage mécanique, avec les composants devant avoir une place particulière sur le circuit imprimé : le support pour le SOMO, l'afficheur 7 segments et la LED témoin. Le montage sera donc sur deux platines : une avec la logique de commande et le SOMO, ainsi que le connecteur de fond. La platine plus petite, montée au-dessus, contiendra la partie analogique.

Ci-contre, avancement de la partie analogique. Le signal venant du SOMO passe par le petit câble blindé jaune : cela évitera de "promener" les signaux audio sur la platine de base. Les connexions de cette platine vers le connecteur de fond se font par des barettes mâle / femelle au pas de 2.54mm, placées entre les deux platines (non visibles sur la photo).

La partie analogique est terminée, et les connecteurs (barrettes mâle / femelle) entre cette platine et la platine principale sont visibles. Il y passe les alimentations ainsi que les signaux analogiques de sortie, allant au connecteur de fond.

Sur la platine inférieure, les deux régulateurs de tension : un pour le SOMO et un pour la logique, ce dernier sur dissipateur. Début du montage des circuits logiques.

Une bonne partie des circuits logiques sont installés, reste à câbler autour du 4093 (non placé sur son support). Les autres circuits sont en place et toute cette partie a déjà été testée lors de la photo. Cela avance bien ! Quelques petites modifications (simplification) du schéma ont été faites à ce stade.

Et voila ! Les deux platines sont finies, photo avant de placer la carte analogique pour de bon au-dessus de l'autre...

Au-dessus du 4093, placement de deux LED indiquant les impulsions de commande du SOMO. Cela "ne mange pas de pain" et est bien pratique pour diagnostic.

Les deux platines assemblées... Tout fonctionne parfaitement, et au premier coup !

Les schémas définitifs sont ci-dessous.

Y'a pas photo, entre la platine qui a servi au développement (à droite) et la définitive (à gauche), c'est ... différent ! Il y eu tant d'essais et de modifications sur celle d'essais : trop de soudures et de connexions modifiés, le matériau de la carte s'est dégradé. De plus c'est une matière "économique", contrairement à la platine définitive, faite sur époxy.

Plus une implantation des composants bien plus logique sur la platine définitive, moins de longueurs dans les connexions...

Le rack est équipé de la nouvelle carte du module sonore. Cela fonctionne très bien même après les tests habituels de fiabilité (mécaniques comme secouer le rack ou le laisser tomber sur la table) et électriques (coupure sauvage de courant, retirer les cartes en cours de fonctionnement, variation de tension d'alimentation,...)

Le schéma définitif du module sonore, partie commande du SOMO. Peu de grandes modifications par rapport au premier, supression d'un 4093 et remplacement par deux transistors, plus placement de deux LED de contrôle des impulsions de commande du SOMO...

Le schéma définitif de la partie analogique, avec le filtre et le préampli. Ici aussi peu de modifications par rapport au premier schéma. Essentiellement la suppression de l'interrupteur de test (non nécessaire ici puisqu'il n'y a qu'un seul module sonore dans ce rack)...
Autre adaptation, les circuits analogiques ont maintenant leur propre régulateur de tension positif, différent de celui de la partie digitale + filtrage en amont. Cela ne saurait nuire au rapport signal/bruit....

Et voila encore une belle animation supplémentaire pour le projet d'expo !

Plus qu'à mettre ce rack dans un flight-case...