Un commutateur audio/vidéo à 4 entrées avec balayage manuel ou automatique

Ce commutateur permet d’envoyer sur un téléviseur, ou sur un enregistreur vidéo quelconque, le signal vidéo et les signaux audio stéréo provenant d’un des quatre appareils reliés aux quatre entrées.
Grâce à la possibilité de fonctionner en mode automatique, il sera utile, même dans le domaine de la Sécurité en effectuant un balayage cyclique largement configurable.


La production et la disponibilité croissantes des appareils audiovisuels, des enregistreurs/graveurs de supports magnétiques/optiques (VCR, DVD, etc.), ainsi que cet engouement pour la TV par satellite et les jeux vidéo ont permis aux revendeurs de proposer au public des produits à des prix plus abordables. Désormais, pratiquement tout le monde possède un magnétoscope. Sur le toit d’un appartement sur trois, on trouve une parabole et dans l’appartement, bien sûr, le récepteur, analogique ou numérique, allant avec. Des usagers, de plus en plus nombreux, se passionnent pour le DVD, ce récent système de diffusion audiovisuel sur disque optique à quatre voies. Que dire encore des jeux vidéo qui, aujourd’hui, ne sauraient être absents d’une maison où vivent des enfants… mais les enfants sont-ils les seuls accros ?
Beaucoup d’appareils mais souvent un seul et même moniteur : le téléviseur ! En effet, tous les magnétoscopes, jeux vidéo, décodeurs en tous genres et lecteurs de DVD, aboutissent tous au téléviseur auquel ils sont reliés par la prise auxiliaire (AUX) en version SCART (PERITEL) ou RCA (cinch). Les tout derniers téléviseurs disposent de deux ou trois prises SCART distinctes mais, parfois, elles ne sont même pas suffisantes pour connecter en permanence tous les appareils que l’on possède.
Si vous vous reconnaissez dans ce portrait familial et domestique, vous trouverez extrêmement utile de disposer d’un commutateur vidéo capable de connecter à une seule prise SCART plusieurs appareils et d’en sélectionner un à la fois pour en visualiser les images sur le téléviseur unique.

Notre montage
Le montage que nous vous proposons est un commutateur vidéo à quatre entrées et une sortie. Bien sûr, comme il est destiné à commuter des signaux audiovisuels, la commutation a lieu simultanément sur le canal vidéo et sur les canaux audio stéréo. Il est important de préciser qu’il s’agit d’un commutateur monolithique : à part le poussoir de sélection, il ne comporte aucun élément électromagnétique et les signaux passent par des interrupteurs statiques CMOS contenus dans quatre circuits intégrés CD4066 (un pour chaque entrée). Chaque “chip” (puce) contient quatre interrupteurs CMOS (seuls trois sont utilisés), chacun étant caractérisé par une broche de contrôle à laquelle il faut fournir un niveau logique haut (1) pour que l’interrupteur conduise. Outre cette broche de contrôle, chaque élément comporte deux autres broches, l’entrée et la sortie.
Le seul défaut de ces interrupteurs CMOS est leur résistance série, de l’ordre de 100 ohms : cela implique une atténuation significative des signaux vidéo provenant typiquement de sources à 75 ohms et aboutissant à des charges de la même impédance. Pour éviter les pertes, au lieu d’envoyer les sorties des interrupteurs dédiés aux signaux vidéo directement à la prise RCA, nous avons interposé un buffer vidéo : c’est un circuit présentant une impédance d’entrée relativement haute et dont la sortie est à 75 ohms d’impédance exactement.



Le schéma électrique
A la sortie des interrupteurs CMOS, on trouve l’amplificateur opérationnel* OPA353 fabriqué par BURR-BROWN (figure 1). Sa puce est encapsulée dans un boîtier plastique de 2 x 4 broches (attention, c’est un CMS et, en plus, il est sensible à l’électricité statique !). Il est monté dans la configuration classique non inverseuse.
Le réseau de contre-réaction, de type série/parallèle, placée entre la sortie et l’entrée inverseuse (broche 2) assure un gain en tension de 2. Voilà pourquoi, à la sortie de l’amplificateur opérationnel, on a placé une résistance de 75 ohms, formant, avec l’entrée SCART (du téléviseur ou du magnétoscope) qu’il doit piloter, un diviseur de tension divisant exactement en deux l’amplitude du signal amplifié. Donc, nous prélevons sur la broche 6, une composante vidéocomposite reflétant celle de l’entrée sélectionnée.
La totalité du circuit est alimentée par une tension de 9 à 15 V passant par le fusible de protection FUS1 et atteignant le pont de diodes PT1. Ce dernier sert à donner la bonne polarité à l’entrée du régulateur U7, indépendamment du sens de la tension appliquée sur la prise d’alimentation, et permet d’alimenter tout le circuit, même en courant alternatif. Le régulateur intégré 7805 donne le 5 volts bien stabilisé, faisant fonctionner toute l’électronique.
On l’a dit déjà, de chaque CD4066 on ne se sert que de trois sections sur quatre, la quatrième restant non connectée.
Chaque canal complet (signal vidéo et signal audio stéréo) est contrôlé par un seul circuit intégré lequel doit pouvoir commuter les trois signaux simultanément.
Pour assurer un synchronisme parfait de la commutation, les broches de contrôle de chaque circuit intégré sont connectées entre elles et gérées directement par le microcontrôleur. L’entrée devant être acheminée vers la sortie est, en effet, sélectionnée par un PIC16F84-MF411, déjà programmé en usine. L’activation séquentielle des lignes de contrôle des CD4066, peut s’effectuer soit en mode manuel, soit en mode automatique.
Si l’interrupteur vidéo fonctionne parfaitement en mode manuel (modalité dans laquelle c’est vous qui décidez quel appareil audiovisuel vous voulez connecter au téléviseur ou au magnétoscope), notre montage ne se limite pas à cela.
En effet, grâce à la présence du microcontrôleur et d’un potentiomètre, il est également capable de balayer automatiquement, avec “timing” paramétrable ou en mode cyclique, n’importe laquelle des quatre entrées (au choix, il est possible de balayer, par exemple, seulement les entrées 1 et 3).

* Voir la leçon sur les amplificateurs opérationnels dans ce même numéro.


Le balayage manuel
Pour le balayage manuel il suffit de tourner le potentiomètre (R15) vers la gauche en fin de course et de presser le poussoir SELECT autant de fois qu’il faut pour que la LED correspondant à l’appareil désiré s’allume.
L’activation des entrées ne peut se faire que séquentiellement. Donc, si vous êtes en train de visionner la troisième entrée et que vous voulez visualiser la deuxième, vous devez presser le poussoir SELECT trois fois de suite : à la première vous insérez le quatrième canal, à la seconde le premier et à la troisième le second.

Le balayage automatique
Pour passer en mode automatique, il suffit de tourner le potentiomètre vers la droite.
Dès que vous aurez atteint le seuil de “changement de mode”, le microcontrôleur fera clignoter les LED correspondant aux entrées à balayer (par défaut, toutes les quatre). La phase de signalisation terminée, le balayage commence en partant de la première entrée présente dans la liste des entrées à balayer. Dans la phase de balayage, il est possible de changer, instantanément, la durée de visualisation des entrées (réglable de 1 à 40 secondes). Il suffit de tourner vers la droite le potentiomètre pour augmenter le temps de rémanence sur chaque canal et vers la gauche pour le diminuer.
Attention ! Si vous tournez le potentiomètre complètement vers la gauche, le dispositif quitte le mode cyclique et reprend le mode manuel.
Dans la phase de balayage automatique, il est toujours possible de programmer quelle entrée le microcontrôleur doit inclure dans le cycle de balayage. Pour entrer en mode programmation, il suffit de maintenir pressé le poussoir SELECT plus de 3 secondes. Après être entrée dans ce mode, la routine du microcontrôleur vous signalera, par le clignotement de la LED correspondante, les entrées actuellement balayées. Ensuite, la première LED clignote, en attente d’une confirmation éventuelle. Si vous désirez l’inclure dans la liste des entrées à balayer, il suffit de presser le poussoir SELECT. Si vous ne le désirez pas, il suffit d’attendre que le microcontrôleur passe à la LED suivante. En cas de confirmation, la LED demeure allumée alors que, si l’entrée n’est pas sélectionnée, la LED s’éteint.
Une fois effectué le choix correspondant à la quatrième entrée, on verra clignoter les canaux sélectionnés et le microcontrôleur reprendra le mode automatique et effectuera le balayage des entrées sélectionnées en partant de la première de la liste.

Figure 1 : Schéma électrique du commutateur vidéo à 4 voies.

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants de la platine des Entrées/Sorties.

Figure 2b : Vue d’un des prototypes de la platine des Entrées/Sorties, une fois le montage terminé.
Les raccordements avec la platine principale sont assurés par l’intermédiaire de coupes de supports mâles/femelles en bande sécable. Du connecteur économique !


Figure 2c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine des Entrées/Sorties.

Figure 3a : Schéma d’implantation des composants de la platine principale du commutateur vidéo.
Le circuit imprimé est un double face.


Figure 3b : Photo d’un des prototypes du commutateur vidéo.
La platine principale est déjà reliée à la platine des Entrées/Sorties, au panneau arrière (à gauche) et à la face avant (à droite).


Figure 3c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du commutateur vidéo : platine principale (double face) côté soudures.

Figure 3d : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du commutateur vidéo : platine principale (double face) côté composants.

Liste des composants
R1 = 470 Ω
R2 = 470 Ω
R3 = 470 Ω
R4 = 470 Ω
R5 = 10 kΩ
R6 = 4,7 kΩ
R7 = 68 Ω
R8 = 4,7 kΩ
R9 = 4,7 kΩ
R10 = 4,7 kΩ
R11 = 1 kΩ
R12 = 1 kΩ
R13 = 10 Ω
R14 = 47 Ω
R15 = 4,7 kΩ pot. châssis
C1 = 470 μF 25 V électro.
C2 = 220 μF 25 V électro.
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 100 nF multicouche
C5 = 22 pF cérmaique
C6 = 22 pF cérmaique
C7 = 100 nF multicouche
C8 = 100 nF multicouche
C9 = 100 nF multicouche
C10 = 100 nF multicouche
C11 = 100 nF multicouche
C12 = 100 nF multicouche
C13 = 100 nF 63 V polyester
C14 = 10 μF 63 V électro.
C15 = 10 μF 63 V électro.
C16 = 47 μF 25 V électro.
C17 = 220 μF 25 V électro.
C18 = 1000 μF 16 V électro.
C19 = 100 nF 63 V polyester
PT1 = Pont de diodes
LD1 = LED rouge 3 mm
LD2 = LED rouge 3 mm
LD3 = LED rouge 3 mm
LD4 = LED rouge 3 mm
P1 = Poussoir châssis N.O.
Q1 = Quartz 4 MHz
U1 = Intégré 4066
U2 = Intégré 4066
U3 = Intégré 4066
U4 = Intégré 4066
U5 = μcontrôleur MF411
U6 = Intégré OPA353
U7 = Régulateur 7805

Divers :
4 Support 2 x 7 broches
1 Support 2 x 9 broches
6 Bornier 2 pôles
1 Bornier 3 pôles
5 10 cm câble plat 2 fils
1 10 cm câble plat 3 fils
4 Cabochons LED 3 mm
1 Bouton potentiomètre
2 Vis 8 mm 3MA
2 Ecrous 3MA
5 4 broches femelles en bande sécable à 90°
5 Coupes de 4 picots en bande sécable
1 Porte-fusible pour ci
1 Fusible 200 mA
15 Prises RCA vert. pour ci
1 Prise alim. pour ci
4 Entretoises 8 mm
4 Vis 5 mm 3MA
4 Ecrous 3 MA


Le boîtier utilisé et le perçage de la face arrière

Figure 4a : Le boîtier utilisé pour réaliser le commutateur vidéo est le modèle Teko CAB233.
Bien entendu, un boîtier de chez Technibox équivalent, conviendra parfaitement.
Les platines ont été conçues pour être installées dans ce type boîtier de façon optimale. Pour réaliser le percement du panneau postérieur, avec ses 16 trous, on pourra utiliser le gabarit donné en figure 5b.


Figure 4b : Gabarit de perçage du panneau postérieur.
Il est, bien sûr, à l’échelle 1 : aussi, il suffit de le photocopier puis de coller la photocopie sur le panneau arrière en aluminium et le «traçage» est fait (pointez avant de percer).


Détails d’assemblage


Figure 5a : Pour réaliser les liaisons entre les deux platines on a utilisé des éléments de barrettes SIL (5 éléments de 4 pôles femelles à 90° pour la platine des I/O et autant, mais mâles droites, pour la platine principale).

Figure 5b : Pendant l’opération de soudure, il faut prêter la plus grande attention au circuit intégré CMS OPA353 : utiliser peu de tinol et un fer à pointe fine.

Le microcontrôleur MF411
Le microcontrôleur gère automatiquement la fonctionnalité de commutateur automatique, le paramétrage de celui-ci et la pression du poussoir en mode manuel. En outre, l’état du paramétrage du temps de balayage par le potentiomètre est constamment affiché.
Le programme comporte une routine pour le fonctionnement manuel et une autre pour le fonctionnement automatique (activée par la variation de la valeur lue aux bornes du potentiomètre).
Une troisième routine gère la programmation des canaux à balayer (activée en tenant pressé, pendant plus de 3 secondes, le poussoir SELECT en mode automatique).

La réalisation pratique
Passons maintenant à la construction du montage qui, une fois terminé, vous permettra d’obtenir un produit n’ayant rien à envier aux appareils les plus coûteux du commerce.
Pour construire ce montage, il faut disposer des 2 circuits imprimés dont l’un est un double face. Les figures 2c, 3c et 3d en donnent les dessins, à l’échelle 1.
La réalisation d’un circuit double face demande une certaine expérience. Si vous décidez de le réaliser vous-même, n’oubliez pas toutes les liaisons entre les deux faces. Pour graver le cuivre, vous pouvez mettre en oeuvre la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?". Les circuits professionnels sont à trous métallisés et sont sérigraphiés.
Quand les deux cartes sont gravées et percées, prenez le circuit imprimé principal (le double face, figures 3c et 3d) et placez, en premier, l’amplificateur opérationnel en CMS. Pour cela appuyez-vous sur le plan de travail puis disposez le circuit intégré comme indiqué figure 3a en haut et à droite, de manière à bien centrer ses broches (cela fait un peu court pour des broches, vous ne trouvez pas ?) pour les faire correspondre aux pistes de destination.
Inspirez-vous également de la photo de la figure 5b.
Soudez alors l’une des broches externes (1, 4, 5 ou 8) pour fixer le CMS puis soudez les autres. Pour ne pas surchauffer et endommager l’amplificateur opérationnel, utilisez un fer à souder à panne fine, pour circuit intégré, d’une puissance maximum de 25 à 30 W. Pour ne pas court-circuiter des pistes proches, utiliser du tinol très fin (pas plus de 0,75 mm de diamètre) et ne faites fondre que la petite goutte nécessaire.
Placez ensuite les supports pour le circuit intégré CD4066 et pour le microcontrôleur U5 puis les composants passifs en respectant bien la polarité des condensateurs électrolytiques. Attention aussi à la position du pont de diodes, au sens d’insertion du régulateur de tension 7805 et à celui des LED.
Pour les connexions d’alimentation, prévoyez un bornier à deux pôles pour circuit imprimé au pas de 5 mm, à insérer dans les trous “VAL”. Quant aux connexions avec la platine des entrées et sorties (avec ses 15 prises RCA), soudez, dans les trous ménagés à cet effet, des barrettes femelles SIL (“single in line”) au pas de 2,54 mm : il en faut cinq de 4 voies chacune (voir figure 5a).
Prenez ensuite le second circuit imprimé (simple face, figure 3c). Soudez les cinq sections de barrettes SIL à 4 contacts en vous reportant à la figure 5a. Soudez ensuite les 15 prises femelles RCA et la prise d’alimentation pour circuit imprimé du bon côté de la carte : là encore, regardez bien la figure 2a ainsi que la figure 5a.

Le montage dans le boîtier
Quand les deux circuits imprimés sont terminés, placez-les dans le boîtier (Teko CAB233 ou équivalent Technibox) dont vous aurez percé le panneau arrière en vous aidant du gabarit, à l’échelle 1, de la figure 4b. Une fois fait, utilisez des entretoises pour fixer la platine des I/O au panneau postérieur.
En face avant, vous devez prévoir les trous pour les cabochons de LED, le poussoir et le potentiomètre. Fixez la platine principale de manière à pouvoir y insérer, à 90°, au moyen des éléments de barrettes SIL mâles et femelles, la platine des I/O.
Si vous vous procurez ou réalisez le film auto-adhésif de face avant, il vous servira, non seulement à orner le boîtier et à repérer les commandes, mais aussi de gabarit de perçage pour cette même face avant.

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