CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX CHAPITRE 4:: CIRCUITS DE GENERATION DES SIGNAUX 4-1 CIRCUIT A OSCILLATION Dans certaines applications électroniques, certains dispositifs sont utiles pour leur instabilité car ils permettent la génération des signaux périodiques à des fréquences bien définies: ils sont appelés les Oscillateurs Def:Un oscillateur est un circuit électronique livrant des signaux alternatifs à partir de tensions continue d'alimentation qui assure la polarisation des composants qui le constituent. le rôle de l'oscillateur: source de référence de tension, de fréquence ou de temps d'ou son application en tant que horloge d'un micro-ordinateur, base de temps d'oscilloscope oscilloscope etc... on distingue deux types : 1- les oscillateurs sinusoïdaux (harmoniques)fournissant des signaux quasi sinusoïdaux. sinusoïdaux 2- les oscillateurs à relaxation produisant des signaux carrées des dents de scie, etc.. 4-2 structure générale d'oscillateur à réaction la structure d'un oscillateur sinusoïdal peut se ramener à celle d'un système bouclé qui comporte : 1- une chaine directe fait d'un AOP ou transistor selon selon la fréquence de travail ou selon le besoin de fonction de transfert H(p) 2- un quadripôle de réaction injectant à l'entrée de L'AOP une fraction du signal de sortie: caractérisé par K(p; 3- une transmittance de boucle : T(p)= H(p).K(p) A- condition d'entretien des oscillations Lorsque le dispositif oscille, il fournit en conséquence un signal sinusoïdal s(t) de fréquence fo et d'amplitude Ao autrement dit le système bouclé oscille si pour une fréquence fo on a PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 1 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX cette condition se traduit pratiquement par: )| = | ( son module | ( )| | ( ou | ( )| = )| = ( ) ce qui signifie que à la fréquence fo , l'amplification de la chaine directe compense l'atténuation du quadripôle de réaction; la phase: ( ( )) = ( ( ))) + ( ( )) = ( ( )) = − ( ( )) comme regle:: à la fréquence fo , le déphasage introduit par la chaine directe compense le déphasage du quadripole de reaction. B- Démarrage de l'oscillateur si le système bouclé possédant la fréquence fo répondant à la condition de Barkhaussen: 1- à première vue , pas de démarrage de l'oscillateur ( absence d'oscillations) lors de la mise sous tension; 2- si le gain de la a chaine directe augmente légèrement: une sinusoïde d'amplitude croissante apparait à la sortie: phénomène transitoire; 3- après passage de ce régime,, l'amplitude se stabilise: stabilité d'amplitude règle:: pour qu'il ya démarrage de l'oscillateur, il faut que la transmittance de boucle à fo soit supérieur à 1 PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 2 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAUX lors d'application d'une perturbation à l'entrée du système linéaire: celui ci dépend des pôles dans le plan complexe un système linéaire est instable s'il ya un pole à partie réelle positive. si on veut construire un oscillateur, il faut se placer délibérément en instabilité et s'assurer de la présence d'aux moins 2 pôles complexes conjugués avec partie réelle positive l'instabilité est atteint facilement par emploi de système bouclé ou la fraction du signal de sortie est réinjectée à l'entrée du quadripôle de réaction. le surprenant est le gain de boucle supérieure et égal à la fois à UN: pour éliminer cet amalgame alors: 1- gain supérieur à est Un (amplification de la chaine direct est A>1) : c'est pour le démarrage de l'oscillateur lors de la mise sous tension par la présence des fluctuations (présence d'agitation thermique) ou pour une fréquence fo correspond un déphasage total nul: PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 3 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX 2- en augmentant son amplitude, l'amplificateur l' n'est plus en région linéaire: signal fortement écrêté conduisant ainsi à une diminution de l'amplification jusqu'à 1 Problématique: l'écrêtage est nécessaire pour ramener le gain à 1 mais le signal livré à la sortie sera déformé: mauvaise qualité résolution: déformation possible à éviter par emploi d'un ampli doté d'un contrôle de gain : diminution de celui ci aux fortes amplitudes. stabilisation d'amplitude : par emploi de réaction on ramène le gain de boucle a un :élimination de l'écrêtage et limite la déformation et l'amp l'amplitude des harmoniques. 4-3 OSCILLATTEUR DE PONT DE WIEN La réaction est de type tension serie.il s'agit d'un quadripôle de réaction appelé filtre de Wien. il en découle de ce filtre que les tensions de sortie et d'entrée sont en phase pour la fréquence fo= √ et que sa transmittance vaut: L'association de ce filtre à un AOP non inverseur constitue un oscillateur sinusoïdal à fréquence fo et dont l'amplification est Ho=1/Ko PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 4 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX Dans le plan complexe: chaine de retour: ( )= ( )/ ( ) = 2/( 1 + 2) avec 1 = ⟹ ( )= et 2 = ( ) le signal de sortie est presque sinusoïdale de fréquence fosc à condition R2 R2≥ 4-4 OSCILLATEUR A DEPHASAGE:PHASE-SHIFT DEPHASAGE Le circuit déphaseur est fait de 3 cellules RC. Il constitue la boucle de retour donnant un déphasage de 180° entre la sortie et l'entrée. La réaction est de type tension parallèle. PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 5 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX la sortie de l'oscillateur fournit un signal quasi sinujsoidal avec ette frequence d'oscillation a condtion que R2≥ 29 1;L'atténuation L'atténuation du filtre vaut: vaut ( )= 4-5Oscillateur de Colpitts C'est un montage très utilisé en pratique Ce type d'oscillateur est accordable LC: fréquence procurée est déterminée par la self et la capacité. Il est de type tension serie PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 6 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX en deduit de cette derniere expresssion que :la partie réelle est egale à 1 et la partie imaginaire est nulle ⟹ donc + = = + = + − = =1 > en Pratique les oscillat ions démarrent lorsque la ferequence d'oscillation est definie par la resonnance de L en // avec la capacité equivalent C1et C2 autre type d'oscillateur est celui de Clapp: oscillateur de type tension serie le gain de la réaction est: ( ) = ( )/ ( ) = = A partir de la condition d'oscillation A(p) x B(p)= 1⟹ Img=0 donc 1+ = = + − ( ) ( ) ( ) ( ) = ⟹ ⟹partie Re=1 et Partie = ce type d'oscillateur est valable pour des basses fréquences .Par contre pour des audiofréquences , ce modèle ne répond pas avantageusement: emploi d'un modele hybride en PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 7 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX π .L 'oscillateur de Hartley convient mieux 4-6L'oscillateur Hartley: Cet oscillateur derive de celui de Colpitts et du type tension serie. la difference reside dans le monatge de reaction qui se voit les capacités C1 et C2 substituées par L1 et L2 : l'oscillation est déterminée par C et L1+L2. La chaine directe: ( )= ( ) = ( ) chaine de retour: + + ( + ) ( )= = la condition d'oscillation illation est assurée alors V(p)=E(p) A(p) B(p)= 1⟹ ( ) ( ) ( ) ( ) = = ( ( ) =1 alors ) REM: Ces oscillateurs peuvent être réalisés à base de transistors à effet de champs ou bipolaires PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 8 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX 4-7/ les oscillateurs à quartz Ces oscillateurs sont aussi appelés des oscillateurs résonateurs dont la fréquence est produite avec une très forte précision.. Ces résonateurs sont à base de cristaux piézo piézo-électriques A-les resonateurs à quartz= lame de matériau piézoélectriques trouvant entre 2 électrodes sous tension AC ,U, :lame vibre à la même fréquence le quartz comme un transducteur transforme l'énergie l' électrique en énergie mécanique: vibrations à différentes fréquence variant de quelques KHz à quelques dizaine de MHz proche de la fréquence de résonnance, résonnance l'impédance subit des variations importante du module et la phase rem: la fréquences de résonance du quartz dépend de ses dimensions dont leur contrôle reduit les influence de température. pour un cristal donné , fo est fixe et stable: qualité fondamentale d'un oscillateur. En pratique , le quartz peut avoir comme modele le circuit equivalent ci contre: si on néglige R, l'mpedance Z sera: nce entr PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 9 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX d'ou l'impédance complexe peut se mettre aussi comme: avec: Ws2 = / Wp2= /( / + / ) = s= pulsation série C: deductions: p=pulsation parallèle 1-puisque puisque Co est >>à C , les valeurs de Ws et Wp sont tres proches avec Ws>Wp 2-selon le grapheX=f(w); a- le quartz est vu comme unecapacité une dans l'intervalle [0,Ws]et [Wp,+∞]] car X<0 b-dansla bande de frequence Δf =fp-fs, fs, le quartz est inductif X> cette reactance varie rapidement de 0à une valeur trés élevée:conditions tres sollicitéesdans les quartz pour la stabilisation en fréquence d'auto-oscillation d'auto c-si si w=Ws X estinfiment grande: le quartz est un circuit bouchon D: Circuit d'application: le circuit de reaction est fait de quartz de C1,C2,C3; la chaine direct: amplificateur à effet de champ en source commune. RG: tres élévée(infinie cas theorique) par simplification de certains parametres du transistor le quadripole de reaction est vue comme tel : PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 10 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX 1-C1 C1 et Cs capacité de liaison: court circuités en fo -ρest infinie On en deduit les expressions suivantes Partie 2/ GENERATEUR DE SIGNAUX 4-8 OSCILLATEUR DE RELAXATION C'est un dispositif le plus couramment utilisé pour la génération de signaux rectangulaires et connu sous le nom de Multivibrateur astable. astable Il est réalisé à partir de transistors ou amplificateur opérationnel comme l'indique la figure ci contre. *-employé employé pour la mesure de la dérive de la capacité *-il peut être associé au capteur de pression ou de de déformation en exploitant sa résistance ou sa capacité: ces dernières interviennent dans la fréquence du signal comme le prouve le calcul ci dessous = PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 11 CHAPITRE 4: OSCILLATEURS ET GENERATEURS DE SIGNAU SIGNAUX 4-9 Générateur de rampe c'est un dispositif base sur le principe des multivibrateurs . Seulement , il se distingue par rapport à ses derniers par le remplacement de la cellule RC par un intégrateur pour produire des signaux triangulaires 1- Si Vs1= +Vsat le condensateur se décharge jusqu'à Vs2 = R1/R2(Vsat) 2- Si Vs1= -Vsat le condensateur se charge jusqu'à Vs2= R1/R2(Vsat) calcul de la periode: T PROF. BOUROUBA NACERDINE M1 ELECTRONIQUE D'INSTRUMENTATION Page 12
