Carte Contrôleur Temps Réel

Partenaires : LAUM (Université du Mans), CNRS.

Le défi de la latence temps réel

Pour stabiliser une boucle de contrôle acoustique, chaque microseconde compte. À une fréquence d’échantillonnage de 96 kHz, le processeur dispose de moins de $10,4~\mu s$ pour acquérir le signal, résoudre les équations différentielles ordinaires (ODE) non-linéaires et mettre à jour la sortie.

Choix technologiques critiques

Processeur : Teensy 3.6 (ARM Cortex M4 @ 180 MHz) choisi pour son unité de calcul en virgule flottante (FPU) et sa robustesse.
Architecture ADC (SAR) : Utilisation de convertisseurs SAR pour minimiser la latence de conversion par rapport aux architectures Sigma-Delta.
DAC Haute Résolution : Extension via SPI pour passer de 12 bits à 16 bits (DAC8831) afin de préserver la plage dynamique.

Conception Électronique et Hardware

La carte a été conçue pour isoler les signaux numériques rapides des sections analogiques sensibles. Le prototype final est intégré dans un boîtier blindé avec une connectique BNC pour une utilisation en laboratoire.

Architecture Interne

Organisation du boîtier V3 : blindage, alimentation et intégration du Teensy.

Le PCB de Contrôle

Design double couche optimisé pour minimiser le plancher de bruit (ENOB 12.3).

Implantation du PCB (Layout Altium)

L’organisation des composants a été optimisée pour séparer les domaines de puissance, analogique et numérique sur un circuit double couche.

🔎 Plan d'implantation annoté

Visualisation des blocs fonctionnels du contrôleur V3.

ID	Bloc Fonctionnel	Rôle Technique
1	Régulation (Bas G.)	Alimentation linéaire régulée (LM317/337) pour les rails audio symétriques.
2	Entrée (Haut D.)	Filtres de conditionnement, anti-repliement et polarisation (bias) ADC.
3	Digital (Sous Teensy)	DAC 16 bits externe et adaptation de niveau pour le bus SPI haute vitesse.
4	Interface (Centre)	Étage de sortie bipolaire et bufferisation du signal de compensation.

Conditionnement d’Entrée : Étage à base d’OPA2325 assurant le décalage (bias) à $1,65~V$ et la protection des entrées ADC.
Filtrage Anti-repliement : Filtre du 2ème ordre calculé pour une coupure à $11~kHz$ .
Sortie Bipolaire : Le DAC8831 est couplé à un amplificateur de précision ADA4084 pour générer un signal audio symétrique ( $\pm~V$ ).

Caractérisation et Performance

Le contrôleur a été validé par une batterie de tests haute résolution. Ces trois analyses confirment que la carte offre une fidélité suffisante pour les algorithmes de compensation tout en maintenant une latence minimale.

Pureté Spectrale (1 kHz)

SINAD de 75.6 dB et ENOB de 12.3 bits sans moyennage de signal.

Analyse Multiton

Validation de la plage dynamique sur l’ensemble du spectre audio utile.

Réponse en Fréquence

Passe-bande stable de 7 mHz à 11 kHz (Filtres 4ème ordre).

Résumé des Spécifications (V3)

Paramètre	Valeur	Unité	Notes
Délai Total (Latence)	$72$	$\mu s$	Mesuré par corrélation croisée @ 100 Hz
SINAD	$75,6$	dB	Rapport signal/bruit + distorsion
ENOB	$12,27$	bits	Précision réelle de conversion
Bande passante	$8,5$	kHz	À -3 dB
Full Scale (Entrée)	$3,2$	V	Tension crête

Références et Publications

Type	Description
Thèse de Doctorat	Munroe, O. “Real time loudspeaker control”, Chapitre : Real Time Controller, Le Mans Université, 2022.