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Générateur audio 010
Dernière mise à jour : 13/06/2009Présentation
Ce générateur BF délivre un signal sinusoïdal de fréquence fixe dont la pureté est relativement bonne (taux de distorsion de l'ordre de 0,1 %).
Sa fréquence est voisine de 1,5 kHz mais il est possible de la rendre ajustable, comme indiqué un peu plus loin. Voir aussi Générateur audio 012.
Principe de base
Ce générateur est construit sur la base d'un amplificateur en tension classique dans lequel un filtre passe-bande est inséré dans une boucle de contre réaction positive, le but étant de faire entrer le montage en oscillation (ce qu'on ne cherche pas à faire avec un amplificateur classique dont la boucle de contre-réaction est de type négative).
Ce synoptique fort simplifié montre ce qu'il en est : le filtre passe-bande constitué des quatres composants R1, R2, C1 et C2, réinjecte sur l'entrée de l'amplificateur AMP1, ce qui en sort. Mais il est une fréquence qui est favorisée par rapport à toute autre, c'est celle qui correspond à la fréquence centrale Fc du filtre passe-bande, et qui est définie par la formule suivante :
Fc = 1 / (2 * PI * R * C)
où Fc est la fréquence centrale du filtre, R = R1 = R2 et C = C1 = C2.
Remarque : dans ce type de montage, il est aisé de se rappeler que C1 = C2 et que R1 = R2, mais ceci n'a rien d'obligatoire. Il est tout à fait possible d'adopter pour R1 une valeur dix fois supérieure à la valeur de R2, et d'adopter pour C2 une valeur dix fois plus grande que celle de C1. Le principale étant d'avoir l'égalité R1 * C1 = R2 * C2.- LM741 : 5 mV / 50 ohms
Si on prend par exemple les valeurs de 10 KO pour les deux résistances et 10 nF pour les deux condensateurs, on obtient une fréquence centrale voisine de 1,5 KHz et une bande passante qui a la forme suivante.
Remarque : la courbe s'applique au point In du synoptique et non au point Out, du fait que l'on regarde ce que le filtre laisse passer en partant de la droite et en allant vers la gauche (de la sortie de l'ampli vers son entrée).
Il se trouve que la fréquence centrale du filtre correspond à la fréquence d'oscillation de l'oscillateur, ce qui est finalement assez logique : cette fréquence est celle qui passe le mieux de la sortie vers l'entrée, il est donc normal que l'amplificateur se "focalise" plus dessus. A ce point précis de la bande passante, le déphasage entre entrée et sortie du filtre est nul, et l'atténuation est assez importante, de l'ordre de 66 % : on ne retrouve au max que le tiers environ de l'amplitude du signal d'entrée. Cette perte de niveau nécessite une compensation et donc une amplification, car si on ne rattrape pas la perte de signal, cette dernière devient de plus en plus importante au fil des rebouclages de la sortie vers l'entrée, et le signal de sortie s'amenuise rapidement et fini par disparaitre totalement : le montage n'oscille pas. En même temps, une amplification excessive va provoquer une bonne oscillation, mais avec un signal de sortie fortement distordu à cause de la saturation occasionnée par les limites haute et basse permises par le circuit d'amplification (limites liées à la tension d'alimentation et à la tension de déchet de la sortie de l'amplificateur). Il est donc nécessaire de stabiliser le facteur d'amplification et donc l'amplitude de sortie pour disposer d'un signal le plus propre possible, ce point sera abordé un peu plus loin (paragraphe Stabilisation de l'amplitude).
Schéma
Le schéma ne fait appel à aucun composant exotique et est très simple à réaliser. Il reproduit le synoptique vu avant, avec il est vrai quelques composants supplémentaires. Mais le but d'un synoptique n'est-il pas de montrer les choses en simplifié ?
Principe général
C'est ce qui a été expliqué avant. L'amplificateur est construit autour d'un AOP de type TL081, et une cellule de filtrage, composée de R1, R2, C1 et C2 permet un rebouclage positif de l'entrée vers la sortie (bouclage positif - ou réaction positive - du fait que la sortie du filtre est reliée à l'entrée non-inverseuse de l'AOP). En même temps, le gain de l'ampli est défini par les composants reliés sur son entrée inverseuse, soit R3 et R4 quand les deux diodes sont passantes ou R3 et R4 + R5 quand les diodes D1 et D2 sont bloquées.Modification de la fréquence
Avec le schéma présenté ci-avant, la fréquence du signal de sortie est fixe. Mais il suffit de modifier la valeurs de R1 et R2 ou de C1 et C2 pour s'adapter à toute valeur désirée. On peut donc envisager de remplacer R1 et R2 par un potentiomètre double de type log ou lin (mais de très bonne qualité car il est important que les valeurs R1 et R2 restent identiques en toutes circonstances), et de commuter les condensateurs C1 et C2 au moyen d'un commutateur rotatif 2 x 6 positions, ou moins si la plage de fréquences à couvrir n'est pas très importante. Le schéma qui suit montre un exemple de ce que l'on peut faire.
Les trois condensateurs et le potentiomètre double de 2 x 100 KO (lin ou log) permettent de couvrir la plage audio de 20 Hz à 20 KHz en trois gammes.
Stabilisation de l'amplitude
Il existe plusieurs méthodes permettant de disposer d'un signal stable en amplitude, en sortie du circuit. Parmi celles-ci, on peut citer la régulation par diodes, la régulation par ampoule, la régulation par thermistance et la régulation par transistor FET (transistor à effet de champs utilisé en résistance variable). La stabilisation de l'amplitude est assurée ici par les diodes D1 et D2, qui entrent en conduction quand le signal de sortie atteind une amplitude suffisante, et qui de fait diminue le gain de l'amplificateur. Ces diodes jouent en quelque sorte le rôle de "limiteur" d'amplitude. Il existe une autre solution pour stabiliser efficacement l'amplitude du signal de sortie, qui consiste à utiliser une petite lampe à incandescence à la place de R3.
L'ampoule présente en effet une résistance interne qui augmente quand la tension augmente à ses bornes et que le filament chauffe. Cette ampoule peut être un modèle dont la tension de service est comprise entre 6 V et 110 V, et dont la consommation nominale est de quelques dizaines ou centaines de mA, par exemple une ampoule de 12 V / 20 mA ou 60 mA. Le potentiomètre RV1 doit être ajusté pour que le signal de sortie soit sinusoïdal et avec le minimum de distorsion. Notons qu'avec cette méthode, le taux de distorsion peut remonter un peu dans les basses fréquences.
Remarque : la régulation avec ampoule est la plus ancienne et est encore utilisée de nos jours, car elle permet d'obtenir de bonnes performances et bénéficie d'une simplicité de mise en oeuvre sans égal. Il faut cependant être conscient que cette méthode n'est pas sans défaut (sinon pourquoi en chercher d'autres). Il existe plusieurs types d'ampoules à filament, et chaque type d'ampoule présente des caractéristiques électriques qui lui sont propres. Les caractéristiques principales exploitées dans le cas présent sont le temps de réactivité et l'inertie. Un filament long et fin réagit rapidement et la variation de la résistance en fonction de l'échauffement est importante, et présente une faible inertie. En outre, un tel filament est très sensible aux vibrations mécaniques et un choc sur le circuit peut entraîner une modulation d'amplitude parasite. Un filament court et épais offre une meilleure stabilité mécanique mais la variation de la résistance en fonction de l'échauffement est plus faible, et le courant absorbé est plus important, ce qui impose que le circuit oscillateur soit en mesure de délivrer une puissance suffisante (un simple AOP peut ne plus suffire). Certains auteurs préconisent l'emploi de lampes dont la tension de service est comprise entre 30 V et 110 V, par exemple une ampoule 48 V / 3 W. Dans tous les cas, l'ampoule doit s'illuminer faiblement en fonctionnement nominal, pour une dynamique de variation optimale et une durée de vie maximale.
Modification de la forme d'onde
Tel quel, le montage est conçu pour délivrer un signal de forme sinusoïdale, mais il est possible de lui faire sortir un signal de forme rectangulaire. Pour ce faire, rien de plus simple, il suffit d'augmenter la valeur de R4 dans une grande proportion, et la porter par exemple à 1 MO (en pratique 100 KO suffisent déjà).Remarque : la fréquence d'oscillation varie légèrement en fonction de la valeur donnée à R4.
Circuit imprimé
Réalisé en simple face. Dans la version avec fréquence variable, il ne sera pas bien compliqué d'utiliser ce circuit imprimé et de relier les commutateurs et potentiomètre double à l'emplacement des composants R et C à remplacer.
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