PCB : routage & fabrication
Du circuit imprimé sous KiCad (placement, routage, vérifications, fichiers de fabrication) jusqu'à la réception de la carte nue et au brasage des composants.
Rôle de la carte son
La carte son constitue l'organe matériel chargé de transformer le signal numérique émis par le microcontrôleur en un son audible. Le PIC16F18877 génère, par l'intermédiaire de son périphérique NCO1 (Numerically Controlled Oscillator) sur la patte RA6 (patte 14), un signal carré dont la fréquence correspond à la note jouée. Ce signal est de faible puissance : il ne peut pas attaquer directement un haut-parleur.
La carte son a donc pour rôle de l'amplifier au moyen d'un amplificateur audio basse tension de référence LM386, tout en ménageant un réglage de volume en entrée et un filtrage destiné à garantir la stabilité du montage. Ce chapitre décrit l'ensemble du flux de travail, depuis la saisie du schéma jusqu'à la carte brasée et validée, en suivant l'enchaînement classique d'un projet de conception électronique sous KiCad 9.
Le NCO1 du PIC produit un signal carré de faible puissance sur RA6. La carte son l'amplifie via le LM386, avec réglage de volume en entrée et filtrage de stabilité, pour rendre la note audible sur un haut-parleur.
Conception du PCB sous KiCad
La première étape consiste à saisir le schéma électrique dans l'éditeur de schématique de KiCad, en plaçant les symboles des composants et en traçant les liaisons (fils et bus). Chaque symbole reçoit une référence normalisée : U1 pour l'amplificateur LM386, RV1 pour le potentiomètre de volume, R1 et R2 pour les résistances, C1 à C6 pour les condensateurs, SW1 pour l'interrupteur à glissière, et J1, J2, J3 pour les trois connecteurs deux points (alimentation Power supply, entrée Audio_In et sortie Audio_out vers le haut-parleur).
Une fois le schéma cohérent, on procède à l'association schéma vers empreintes : à chaque symbole logique on attribue une empreinte physique (footprint) correspondant au boîtier réel. L'ensemble du circuit a été conçu en composants traversants (THT, Through-Hole Technology), c'est-à-dire des composants dont les pattes traversent le PCB et sont brasées sur la face opposée. Ce choix, plus volumineux que le montage en surface (CMS), facilite grandement le brasage manuel au fer, ce qui est appréciable dans un cadre pédagogique.
La carte a été dimensionnée en double face (deux couches de cuivre, F_Cu en dessus et B_Cu en dessous) au format compact de 45 mm par 45 mm. Le format carré et réduit impose une discipline de placement et de routage, mais reste largement suffisant pour le nombre modeste de composants du montage.
Placement des composants
Le placement constitue une étape déterminante pour la qualité finale du circuit. La règle directrice retenue a été de regrouper les composants par bloc fonctionnel, afin de garder ensemble les éléments qui travaillent de concert et de raccourcir les liaisons. On distingue quatre blocs.
Bloc 1 - Alimentation et découplage
Il rassemble le connecteur d'alimentation J1, l'interrupteur à glissière SW1 (marche/arrêt, de type SPST), le condensateur de découplage C2 de 100 nF qui filtre les parasites haute fréquence sur l'alimentation, et le condensateur réservoir C3 de 10 µF qui lisse les variations lentes de tension.
Bloc 2 - Entrée et réglage de volume
Le connecteur Audio_In J2 reçoit le signal venant de la patte RA6 du PIC ; le condensateur de couplage d'entrée C1 de 1 µF bloque toute composante continue tout en laissant passer le signal alternatif ; le potentiomètre RV1 de 10 k dose la fraction du signal transmise à l'amplificateur, formant ainsi le réglage de volume. La résistance R1 de 1 k assure une fonction d'entrée et de polarisation.
Bloc 3 - Amplification (LM386)
L'amplification proprement dite s'organise autour du LM386 (U1). Sur ce boîtier DIP-8, l'entrée non inverseuse (broche 3) reçoit le signal, l'entrée inverseuse (broche 2) est mise à la masse, l'alimentation positive V+ arrive sur la broche 6, la masse GND est sur la broche 4 et la broche BYPASS (broche 7) est découplée par le condensateur C4 de 10 µF. Le gain est laissé à sa valeur fixe de 20, car les broches 1 et 8 (qui permettraient de l'augmenter) ne sont pas pontées.
Bloc 4 - Sortie
Le réseau de Zobel (ou réseau de Boucherot) formé par R2 (100 Ohm) et C5 (47 nF), placé de la sortie (broche 5) vers la masse, stabilise l'amplificateur en présence d'une charge inductive et prévient les oscillations ; le condensateur de liaison de sortie C6 de 220 µF bloque la composante continue avant le haut-parleur tout en laissant passer l'audio vers le connecteur Audio_out J3.
L'entrée manipule un signal faible et donc sensible, tandis que la sortie véhicule un signal amplifié vingt fois plus grand. Si l'entrée et la sortie sont voisines, le signal de sortie risque de se recoupler sur l'entrée et de provoquer des oscillations parasites (effet Larsen interne). Le LM386 a donc été placé au centre de la carte, faisant office de pivot entre la chaîne d'entrée d'un côté et la chaîne de sortie de l'autre.
Routage
Le routage consiste à tracer les pistes de cuivre qui relient physiquement les pastilles selon les liaisons du schéma. Plusieurs principes ont été appliqués pour soigner le comportement audio du montage.
- D'abord, les pistes de puissance et de masse, qui transportent des courants plus importants, ont été tracées plus larges que les pistes de signal, afin de limiter leur résistance et la chute de tension associée.
- Ensuite, un plan de masse a été ménagé : une large surface de cuivre reliée à la masse offre un retour de courant à faible impédance et constitue un blindage naturel contre les perturbations.
- Enfin, et c'est essentiel pour la qualité du son, on s'est attaché à éloigner les pistes de signal des pistes de puissance et de sortie.
Une piste de sortie qui longerait de trop près la piste d'entrée induirait par couplage capacitif un bruit audible et, là encore, un risque d'oscillation. Le respect de ces règles de bon voisinage contribue à un signal de sortie propre, sans ronflement ni sifflement.
Vérifications électriques
Avant toute fabrication, deux contrôles automatiques offerts par KiCad ont été lancés.
L'ERC (Electrical Rules Check, contrôle des règles électriques) s'exécute sur le schéma : il détecte les incohérences logiques, telles qu'une broche non connectée, deux sorties reliées entre elles ou une alimentation laissée flottante.
Le DRC (Design Rules Check, contrôle des règles de dessin) s'exécute, lui, sur le circuit imprimé : il vérifie que les distances d'isolation entre pistes sont respectées, que les largeurs de pistes sont conformes aux règles fixées et qu'aucune piste ne chevauche une autre ou ne déborde du contour de la carte.
Le passage sans erreur de l'ERC puis du DRC constitue la garantie que le fichier est sain et prêt à être envoyé en fabrication.
Génération des fichiers de fabrication et visualisation 3D
Une fois les vérifications validées, KiCad permet de produire les fichiers Gerber, format standard accepté par tous les fabricants de circuits imprimés. Chaque fichier décrit une couche :
- le cuivre supérieur (
F_Cu) et le cuivre inférieur (B_Cu) ; - les masques de soudure (qui protègent le cuivre et n'ouvrent que les pastilles à braser) ;
- la sérigraphie (le marquage blanc des références et des contours) ;
- les fichiers de perçage distinguant les trous métallisés PTH (Plated Through Hole, qui assurent une liaison électrique entre les deux faces) des trous non métallisés NPTH (trous mécaniques, comme les fixations).
La visualisation 3D intégrée à KiCad, montrée aux figures précédentes, a permis de contrôler visuellement l'aspect final de la carte, la cohérence des empreintes et l'absence d'erreur grossière de placement avant d'engager toute dépense de fabrication.
Réception et brasage
À la réception du circuit imprimé nu, le travail d'assemblage a commencé par un inventaire des composants : on vérifie que chaque élément de la nomenclature (BOM) est présent et conforme, en contrôlant notamment les valeurs des résistances et des condensateurs ainsi que la référence et l'orientation du LM386.
Le brasage des composants traversants a ensuite été réalisé au fer à souder, en commençant par les composants les plus bas (résistances) puis en progressant vers les plus hauts (condensateurs électrolytiques, connecteurs, potentiomètre). Une attention particulière a été portée à la polarité des composants polarisés, en particulier les condensateurs électrolytiques C3, C4 et C6, ainsi qu'à l'orientation du repère du LM386.
Chaque étape de brasage a été suivie d'un contrôle visuel des soudures : une bonne soudure présente un aspect lisse et brillant, en forme de cône régulier reliant la pastille à la patte. On a ensuite procédé à une recherche systématique de courts-circuits, suivie d'une mesure de continuité au multimètre pour vérifier que les liaisons attendues étaient bien établies et qu'aucune liaison parasite ne s'était créée entre deux pastilles voisines.
Difficultés du brasage et validation fonctionnelle
Le format compact de 45 mm par 45 mm impose des composants relativement proches les uns des autres. Cette densité a constitué la principale difficulté du brasage : lorsque deux pastilles sont voisines, un excès d'étain peut créer un pont de brasure, c'est-à-dire un court-circuit involontaire entre deux pistes. Le risque est d'autant plus élevé autour du LM386, dont les huit broches du boîtier DIP-8 sont rapprochées.
Le brasage de ce composant a donc demandé un soin particulier : dosage de l'étain, panne propre et bien chauffée, et vérification systématique de l'absence de pont entre broches adjacentes après chaque point.
La validation finale a combiné l'inspection visuelle, la recherche de courts-circuits et les mesures de continuité décrites plus haut. La carte a ensuite été câblée à l'ensemble du montage, le connecteur Audio_In J2 recevant le signal issu de la patte RA6 du PIC et le connecteur Audio_out J3 alimentant le haut-parleur. La mise sous tension via l'interrupteur SW1, suivie de l'écoute du son produit par le jeu et du réglage du niveau à l'aide du potentiomètre RV1, a confirmé le bon fonctionnement de l'ensemble.
La carte son est ainsi passée avec succès du schéma au circuit fabriqué, puis validé en conditions réelles.
