Electronique > Bases > Oscillateur rectangulaire

Dernière mise à jour : 08/07/2012

Présentation

Qu'est donc qu'un oscillateur rectangulaire ? 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 crénaux (comme ceux d'un chateau 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 cloture 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.

Osc Rect 001

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 cablage. 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'oscilateur 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.

Osc CD4093

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.

Osc CD4069

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 sinusoidal...

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 accèptent 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.

Remarque de Fabrice - 01/07/2008
"J'ai pris ma plaque pastillée, un 74hc00, un quartz 32,768 kHz et surprise... Le quartz oscille parfaitement... à 20 MHz"
Mon 7400 était un "pur" 7400 et non une version HC ou HCT, et je n'ai pas testé ce montage avec un quartz de valeur aussi faible. Peut-être faudrait-il augmenter la valeur de C2 (47p .. 180p) pour éviter ce genre de désagrément ?

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).

Osc transistors 001

Remarque : la différence de valeur des deux condensateurs C1 et C2 est voulue, ce n'est pas une erreur. Dans la pratique vous pouvez utiliser deux condensateurs marqués de la même valeur, ils seront presque à coup sûr différents (de même pour les résistances). La période (T) et la fréquence (F) de fonctionnement de ce genre de montage sont régies par les formules suivantes :
T = 0,7 * R * C
F = 1 / (0,7 * R * C)
où R correspond à la résistance de base (R1 ou R3) et C... je vous laisse deviner.
Notez que vous pouvez obtenir avec ce type de montage, un rapport cyclique différent de 50% (ou 0,5 si vous préférez). Il suffit de déséquilibrer les valeurs entre les deux moitiés de l'oscillateur. Il est ainsi possible, par exemple, d'avoir sur la sortie collecteur d'un des deux transistors, des "impulsions" qui restent dix fois plus longtemps à l'état bas qu'à l'état haut, avec l'effet inverse sur l'autre transistor. Exemple pratique dans mon générateur THT 002. Vous voulez une autre application pratique de ce genre de montage ? En voici une : un double clignotant à LED. 

Osc Rect 003

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 004). La vitesse de clignotement (la fréquence d'oscillation diront les scientifiques) dépend de la valeur de R1, R3, C1 et C2. Pour accélerer le clignotement, diminuer la valeur de ces composants. Pour ralentir le clignotement, augmenter leur valeur. Par exemple, en utilisant des condensateur 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 adptant 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 003). Ce n'est pas forcement une façon de faire "professionnelle", mais qui peut donner des résultats parfois convaicants, même en l'absence de stabilisation par quartz / PLL.

Oscillateur à transistors FET

On retrouve ici une configuration for similaire à celle utilisant deux transistors bipolaires. Même nombre de composants, mais résistances câblées un peu différemment.

osc_rect_transistors_fet_001

Pourquoi utiliser des FET au lieu des bipolaires, sachant que les FET sont généralement moins utilisés dans le domaine amateur ? Pour une raison très simple : les FET se commandent en tension et non pas en courant (je parle du régime permanent, pas du moment de l'action brève de la commande où il y a une petite pointe de courant), et de ce fait on peut utiliser des condensateurs de plus faible valeur pour des durées similaires. Avec un oscillateur basé sur des transistors bipolaire, la fréquence de l'oscillation ne peut pas descendre très bas, ou alors ça devient très vite encombrant et d'un fonctionnement très aléatoire. Pour faire un clignotant à LED (comme vu précédement) la précision n'est pas importante. Mais il peut exister des applications où on souhaite une meilleur régularité et un fonctionnement plus sûr, avec des périodes d'oscillation longue (fréquence très basse). Avec ce montage, on peut sans difficulté atteindre des périodes de plusieurs minutes, tout en conservant des condensateurs de valeurs modestes. Sachant que la constante de temps est toujours régit par le fameux couple RC (Résistance et Condensateur), cela signifie que se sont les résistances qui vont avoir une valeur très élevée (ce qu'on ne pouvait pas se permettre avec des transistors bipolaires, qui réclament un courant de base minimum pour entrer en conduction). A titre d'exemple, une durée de 1 minute environ est obtenue avec un couple 1 MO / 10 uF ou 10 MO / 1 uF.

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.

Osc NE555

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 paraîre 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 ?

osc_rect_cd4538

Lors de la mise sous tension, le premier déclenchement du monostable est assuré par le passage de l'état bas à l'état haut de la broche de déclenchement 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.

Historique

08/07/2012
- Ajout oscillateur à deux transistors FET
18/04/2010
- Divers ajouts.