Oscillateur rectangulaire


Qu'est donc qu'un oscillateur rectangulaire ? Et bien c'est un montage ou un composant électronique qui génère un signal périodique (c'est à dire qui se répète) et ce signal passe d'un niveau bas (par exemple 0 V) à un niveau haut (par exemple 12 V), puis au bout d'un certain temps repasse vers le niveau bas. Le signal reste un certain temps à l'état bas puis passe de nouveau à l'état haut, et le cycle se poursuit ainsi sans s'arrêter, tant que les conditions requises pour que l'oscillation ait lieu sont respectées. Quand on regarde ce genre de signal à l'oscilloscope, il a la forme de créneaux (comme ceux d'un château fort), c'est pourquoi on lui a donné le nom de rectangulaire. Mais à quoi donc peut servir un tel oscillateur ?  Oh, et bien à plein de choses. Si la fréquence du signal est basse, c'est à dire si les changements d'état ne se font pas trop vite, on peut réaliser un métronome électronique, un chenillard ou tout autre sorte de gadget, comme un coeur lumineux clignotant. Ou encore s'en servir pour générer des impulsions sur une clôture électrique entourant un pré de vaches. Si la fréquence est plus élevée mais qu'elle reste dans le domaine de l'audible (20 Hz à 20 kHz) on peut envisager la construction d'un petit orgue électronique ou d'un simple générateur de signal audio servant pour des tests d'équipements audio. Et si on monte plus haut, on peut s'en servir pour cadencer les instructions d'un microprocesseur ou encore contribuer à la construction d'un modulateur pour émetteur FM. Vous trouverez sur cette page quelques exemples de réalisation d'oscillateurs délivrant des signaux rectangulaires. Il en existe de toute sortes, n'hésitez pas à chercher ailleurs pour enrichir vos connaissances. 

Oscillateur à CD4011

Le schéma ci-dessous fait appel à deux portes logiques de type NON-ET (NAND), il y en a quatre de ce type dans un CD4011.



L'entrée de validation VALID doit être portée au niveau haut (+V) pour que le circuit oscille. Si cette entrée est au niveau bas, la sortie restera au niveau haut en continu. Si vous n'avez pas besoin d'une entrée de commande, vous pouvez relier les entrées 1 et 2 entre elles, ainsi que les entrées 5 et 6 entre elles, et couper la liaison entre 1 et 5. Ceci peut permettre de simplifier le câblage. Attention ! le point commun des deux résistances et du condensateur n'est pas relié à la masse et ne doit pas l'être !

Oscillateurs à portes NAND générique

Voici un autre schéma d'oscillateur à portes NAND, utilisable avec un CD4011, un SN7400 ou un SN74LS00. La valeur des composants doit respecter les conditions données sur le schéma.

Oscillateur à NAND

Oscillateur à CD4093

Le CD4093 contient 4 portes logiques de type NON-ET (NAND), mais les entrées sont dotées de triggers de Schmitt. Il est possible avec une seule porte logique de ce type, de réaliser un oscillateur, alors qu'il fallait au moins deux portes logiques avec le CD4011.



Un peu plus de détails sur le fonctionnement de ce type d'oscillateur...

Oscillateur à CD4069

Dans le schéma qui suit, il est fait usage de toutes les portes inverseuses (portes logiques de type NON) contenues dans un circuit intégré CD4069. Le nombre des composants n'est donc pas plus élevé qu'avec le montage à base de CD4011 précédent. La mise en parallèle des trois portes en sortie permet d'augmenter la capacité en courant de sortie. Ce montage sera donc capable d'attaquer des charges élevées.



La fréquence du signal de sortie est déterminée par la valeur de la résistance R2 et du condensateur C1. Avec les valeurs du schéma (33K et 220pF), la fréquence est supérieure à 20KHz et est donc inaudible. Si vous souhaitez ramener cette fréquence dans le domaine audible, vous devrez augmenter la valeur du condensateur C1 (quelques dizaines à quelques centaines de nF).

Un peu plus de détails sur le fonctionnement de ce type d'oscillateur...

Hors sujet : saviez-vous qu'il est possible d'utiliser certaines portes logiques pour des applications analogiques ? Et oui, avec des inverseurs du type CD4049 ou des portes NAND de type CD4011, il est tout à fait possible de faire des préamplis BF, des générateurs de signal sinusoïdal...

Oscillateur à quartz 1 MHz

L'oscillateur suivant présente une grande stabilité, puisque stabilisé par un quartz. Il utilise quelques portes NAND TTL de type SN7400. La fréquence d'oscillation dépend de la valeur du quartz, et est ici de 1 MHz. L'alimentation du montage sera obligatoirement de +5V, à moins d'opter pour des portes NAND qui acceptent une plage d'alimentation plus étendue.

Oscillateur quartz 1 MHz

La présence d'une porte NAND à trigger de schmitt à la sortie (SN74132) permet de garantir un signal très propre.

Oscillateur à transistors bipolaires

Le montage suivant est un grand classique, et il est assez rare qu'il ne fonctionne pas (ce qui arrive parfois avec les montages oscillateur qui refusent de démarrer pour un oui ou pour un non).



Remarque : la différence de valeur des deux condensateurs C1 et C2 est voulue, ce n'est pas une erreur. Vous voulez une application pratique de ce genre de montage ? En voici une : un double clignotant à LED. 



Notez que les LED sont placées entre l'émetteur de chaque transistor et la masse, mais il est aussi possible de les placer entre le collecteur et la résistance de charge (R2 et R4 dans le montage présent, voir page clignotant 4). La vitesse de clignotement (la fréquence d'oscillation diront les scientifiques) dépend de la valeur de R1, R3, C1 et C2. Pour accélérer le clignotement, diminuer la valeur de ces composants. Pour ralentir le clignotement, augmenter leur valeur. Par exemple, en utilisant des condensateurs de 22 uF au lieu des 47 uF, les LED clignoteront globalement deux fois plus vite. En utilisant des résistances de base (R1 et R3) de 100 kO, les LED clignoteront deux fois moins vite. Pour ce qui est des transistors, vous avez de la chance : beaucoup de transistors NPN faible puissance (BCxxx, BFxxx, 2Nxxx) peuvent convenir. N'hésitez donc surtout pas à essayer avec des composants de récupération, assurez-vous simplement qu'ils sont bien de type NPN.

Usage de ce type de circuit en HF

En adaptant des condensateurs de faible valeur et une ou plusieurs selfs à la place de résistance (circuits LC au lieu de circuits RC), il est possible de faire osciller ce genre de montage à des fréquences élevées, par exemple 100 MHz (exemple avec l'émetteur FM 3). Ce n'est pas forcement une façon de faire "professionnelle", mais qui peut donner des résultats parfois convaincants, même en l'absence de stabilisation par quartz / PLL.

Oscillateur à NE555

Le NE555 est très connu des électroniciens. Il permet de réaliser des oscillateurs (astables) mais aussi des monostables, et des modulateurs de largeur d'impulsion (pour variateur de vitesse pour perceuse par exemple). La capacité en courant de sa sortie (plus de 100 mA) permet d'alimenter directement des charges élevées, une LED et même un petit relais ne lui feront donc pas peur.

Fréquence d'oscillation

La fréquence du signal de sortie répond à la formule suivante :

F = 1,44 / (((R1 + (2 ; R2)) ; C)

Exemple avec R1 = 6,8 kO, R2 = 10 kO et C1 = 10 nF :
F = 1,44 / (((6800 + (2 ; 10000)) ; 0,00000001) = 5,37 KHz (période 186 us)

Exemple avec R1 = 330 kO, R2 = 680 kO et C1 = 1 uF :
F = 1,44 / (((330000 + (2 ; 680000)) ; 0,000001) = 0,85 Hz (période 1,17 sec)


Rapport cyclique

Le rapport cyclique répond à la formule suivante :
D = R2 / ((R1 + (2 ; R2))

Exemple avec R1 = 6,8 kO, R2 = 10 kO et C1 = 10 nF :
D = 10000 / ((6800 + (2 ; 10000)) = 0,37, soit 37 %

Exemple avec R1 = 68 kO, R2 = 10 kO et C1 = 10 nF :
D = 10000 / ((68000 + (2 ; 10000)) = 0,08, soit 8 %

Exemple avec R1 = 1 kO, R2 = 10 kO et C1 = 10 nF :
D = 10000 / ((1000 + (2 ; 10000)) = 0,47, soit 47 %

Remarque : le pourcentage donné ici correspond au temps pendant lequel la sortie est à l'état logique bas sur la durée d'une période entière.

Variation de fréquence

La fréquence de sortie est déterminée par la valeur donnée aux trois composants R1, R2 et C1. Mais il existe une autre façon de la modifier avec ce circuit. La broche 5 du NE555 (entrée CV, Control Voltage) permet en effet de faire varier la fréquence du signal rectangulaire sortant sur la broche 3, à partir d'une tension continue. Cette broche 5, quand elle est inutilisée, peut être reliée à la masse au travers d'un petit condensateur de 10 nF, afin de bénéficier d'un signal de sortie bien stable. Ce condensateur (C2 sur le schéma précédent) est facultatif pour un usage où la stabilité de la fréquence n'est pas du tout critique (clignotant ou oscillateur de base pour jeux de lumière, par exemple).

Datasheet du NE555 (ou LM555)

Oscillateur à CD4538 (ou CD4528)

Mais... le CD4538 est un monostable ! Oui, et alors. Pourquoi ne pas chercher à l'utiliser pour faire clignoter une LED ? Il n'est pas impossible qu'un jour on dispose de la moitié d'un CD4528 ou CD4538 laissé libre dans un montage existant, et que l'on n'ait pas envie d'ajouter un autre pavé, ne serait-ce que parce qu'on n'aime pas gâcher... Le schéma suivant peut bien entendu paraître compliqué pour celui qui est habitué à utiliser (et à recommander à toutes sauces) le NE555. Mais avouez-le : vous avez bien envie, tout comme moi, de vous torturer un peu les méninges de temps en temps, histoire de ne pas trop rouiller, non ?



Lors de la mise sous tension, le premier déclanchement du monostable est assuré par le passage de l'état bas à l'état haut de la broche de déclanchement positive (borne 4 du CD4538), obtenu au bout d'un laps de temps déterminé par la valeur des composants R2 et C2. La sortie Q passe alors à l'état haut, ce qui a pour effet de saturer le transistor Q1, qui allume la LED D1 d'une part, et décharge le condensateur C2 d'autre part, au travers de la diode D2. Une fois l'impulsion de sortie terminée, la sortie Q repasse à l'état bas, le transistor Q1 se bloque. Le condensateur C2 peut alors se recharger au travers de R2, et le cycle recommence. Avec les valeurs de composants données ici, la fréquence de clignotement de la LED est de l'ordre de 3 Hz.

 

 

 

 

 

 

 

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