Notions sur les oscillateurs

Un oscillateur peut être défini comme un dispositif qui permet de générer une tension de sortie alternative périodique. La forme de l’onde fournie peut être sinusoïdale ; rectangulaire ; les oscillateurs sont capables de délivrer des tensions sur des gammes de fréquences très étendues qui peuvent aller de quelque dizaine de hertz jusqu’à quelques méga hertz. Un oscillateur est un appareil susceptible de génère un signal sans qu’il y ait une source extermine. On peut classée les oscillateurs suivant les signaux délivrée, à cet effet on distingue :

• Les oscillateurs quasi harmoniques : Ces oscillateurs délivrent des signaux plus ou moins pure c’est-à-dire le fondamental plus les harmonique. Si le signal n’est pas parfait alors on parle de distorsion dans ce cas il faut étudier le taux de distorsion. Ce type d’oscillateur sont les oscillateurs généraux comme les oscillateurs a relaxation (carré ; rectangulaire …).

• Les oscillateurs harmoniques :

Il existe deux classes :

– Oscillateurs à réaction constitués d’une chaîne directe et d’une chaîne de réaction.

– Oscillateurs à résistance négative comportant les montages à composant actifs (diode tunnel, transistor uni jonction etc.)

Définition de l’oscillation : L’oscillation est un phénomène du signal électrique qui varie périodiquement avec une période T. Son unité est soit en micro seconde ou milliseconde ou seconde. F=1𝑇 (Hz) Les caractéristiques d’un oscillateur sont : En électronique linéaire : la condition d’oscillation et la fréquence des oscillations. En électronique non linéaire : la forme d’oscillation (carré ; rectangulaire ;…). Principe : L’oscillateur c’est un dispositif donne une tension alternative sans lui appliquer un signal à l’entrée. Le schéma pour tous les oscillateurs se constitue de deux chaines une pour amplificateur «A » et autre pour contre réaction « B » sous forme d’une boucle fermé Sa fonction de transfert est :H(p)= 𝐴(𝑝)1−𝐴(𝑝)𝐵(𝑝) Où : Le bloc « A » est un amplificateur : chaine directe qui amplifie le signal d’entrée ve pour obtenir le signal vs, c’est à dire vs=A ve Et pour réaliser un oscillateur il faut vérifier la condition de BERKHAUSEN avec : { A(p)xB(p) = 1 {Arg(A(p))+Arg(B(p))= 2n𝜋 Si │A│. │B│>=1 on obtient une sinusoïde pure Si │A│.│B│< 1 il pas une oscillation

Oscillateurs LC à réaction :

Ce type d’oscillateur contient des éléments actifs avec un réseau de contre réaction formé uniquement de condensateurs et d’inductances. Oscillateur de Colpitts On étudie d’abord le circuit de résonateur LC parfait hors équilibre donc : Le condensateur se décharge et introduit un courant (i) ; l’énergie électrostatique du condensateur est convertie en énergie magnétique dans l’inductance. Le courant s’inverse une fois l’inductance et chargée magnétiquement et le condensateur se décharge. La pulsation d’oscillation est de : ω₀ =􀶧1𝐿𝐶 Si Z₁ et Z₂ sont des capacités et Z₃ est une inductance on obtient un oscillateur nommée oscillateur Colpitts Figure I. 4: Schéma de principe d’un oscillateur Colpitts. Oscillateur Hartley : Si Z₁ et Z₂ sont des inductances et Z₃ une capacité donc on obtient un oscillateur nommé Hartley. Figure I. 5: Schéma de principe d’un oscillateur Hartley. Oscillateur clapp : Une légère modification de l’oscillateur Colpitts nous conduit à un oscillateur nommée oscillateur Clapp d’où Z₁ et Z₂ sont des capacités et Z ₃ est un circuit accordé LC en série. La fréquence d’oscillation de l’oscillateur de Clapp est : f₀=𝟏𝟐𝝅√𝑳𝑪₁ Oscillateur à quartz Le quartz est un matériel piézoélectrique. La fréquence de résonance ou d’oscillation du quartz varie entre quelques centaines de kilohertz et plusieurs dizaines de mégahertz. Elle dépend des dimensions, mais par rapport à un cristal donné elle est fixe et très stable dans le temps. Il existe plusieurs facteurs qui jouent sur la stabilitè d’un quartz les plus importants sont : la temperature, le taux d’excitation, les contraintes mecaniques et le viéllissement.

Le VCO : Oscillateur contrôlé en tension L’oscillateur commandé par tension est un type d’oscillateur dans lequel la fréquence des oscillations de sortie peut être modifiée en faisant varier l’amplitude d’un signal de tension d’entrée. Les oscillateurs commandés par tension sont couramment utilisés dans les modulateurs de fréquence (FM, PLL). Une autre application de l’oscillateur commandé en tension est le générateur de signaux à fréquence variable lui-même. Le VCO est un traducteur Tension/Fréquence, produit un signal alternatif de sortie ou la fréquence est proportionnelle à la tension continue du signal d’entrée. II.1 Boucle de verrouillage de phase (PLL) [1] : Une boucle de verrouillage de phase (Phase Locked Loop : PLL) est un dispositif constitué : – d’un oscillateur VCO ; – d’un filtre passe bas qui reçoit la tension délivrée par le comparateur de phase. – et d’un comparateur de phase (CP) qui fournit un signal proportionnel à la différence de phase entre le signal fournit par le VCO et celle du signal de référence. L’objectif de cette boucle est d’asservir la phase du VCO. Figure II. 1: Schéma synoptique de la boucle à verrouillage de phase. La fréquence d’oscillation F0 est déterminée par une capacité et une résistance alors la variation de la fréquence est assurée par un ajustable. Les VCO jouent un rôle essentiel à cause de la variation et la largeur de fréquence des signaux différent (carré, sinusoïde, rectangulaire), et leur utilisation se situe dans les téléphones portables (smart phones), radios, système de navigation GPS, …etc. Les FM se trouve dans diffèrent outils comme les télécommunications analogiques (bande FM) et numériques (GSM) et aussi dans les signaux de capteur inductif, capacitif,…etc.

Conclusion générale

L’étude que nous avons faite dans ce projet de fin d’études montre nos instruments électroniques destinés au laboratoire de maquettes que nous avons réalisés pratiquement. Il s’agit de :

• Deux mini-GBF basés respectivement sur le circuit intégré TL084 et sur le circuit intégré XR2206 (VCO). Le premier mini-générateur basses fréquences à base d’oscillateur à pont de Wien utilisant l’amplificateur opérationnel le TL084 à quatre calibres permet de générer des signaux sinusoïdaux et carrés de fréquences allant de 8Hz à 500 KHz environ ayant des amplitudes crêtes à crêtes allant de 0 (quelques mV) à 10V environ. Notre mini GBF a seulement (8cm par 7,5cm par 2,5cm) de dimensions géométriques et pèse 71 grammes. Le deuxième mini-GBF à circuit intégré XR2206 a à peu près les mêmes caractéristiques électriques et physiques que le premier mais son cout est plus élevé à cause du prix de son circuit intégré.

• Un mini-voltmètre à affichage sur téléviseur LCD, conçu, simulé sous ISIS, réalisé et testé. Il permet (par exemple) de mesurer des tensions continues allant de 0 à 55V en utilisant un diviseur de tension par 11 et des tensions efficaces en alternatif de type sinusoïdales variant de 0 à 5,6V en utilisant un détecteur d’enveloppe. Notre mini-voltmètre est piloté par la carte Arduino Uno R3 et fonctionne en utilisant notre code que nous avons réalisé sous l’environnement IDE. Enfin, il est clair que de telles réalisations constituent une contribution de notre part qui peut aller vers de nombreuses améliorations à cause de l’évolution technologique rapide et croissante des circuits intégrés.