Dans les tutoriels sur les Oscillateurs, nous avons vu qu’un oscillateur est un circuit électronique utilisé pour générer une sortie de formes d’ondes électriques continues. En général, ce signal de sortie prend la forme d’une sinusoïde à une fréquence ou longueur d’onde prédéterminée fixée par les composants résonnants du circuit.

Nous avons également vu qu’il existe de nombreux types de circuits oscillateurs disponibles, mais tous se composent généralement d’un amplificateur et d’un circuit réservoir en Inducteur-Capaciteur (LC) ou en Résistance-Capaciteur (RC) utilisé pour produire un signal de sortie de type sinusoïdal.

Forme d’Onde Électrique Typique

Cependant, parfois, dans les circuits électroniques, nous devons produire de nombreux types, fréquences et formes de formes d’ondes de signal tels que des ondes carrées, des ondes rectangulaires, des ondes triangulaires, des formes d’ondes en dents de scie et une variété de pulsations et de pics.

Ces types de formes d’ondes peuvent ensuite être utilisés pour des signaux de synchronisation, des signaux d’horloge ou comme impulsions de déclenchement. Cependant, avant de pouvoir examiner comment les différents types de formes d’ondes sont produites, nous devons d’abord comprendre les caractéristiques de base qui composent les formes d’ondes électriques.

Techniquement, les formes d’ondes électriques sont essentiellement des représentations visuelles de la variation d’une tension ou d’un courant dans le temps. En d’autres termes, si nous traçons ces variations de tension ou de courant sur une feuille de papier millimétré par rapport à une base (axe des x) de temps, ( t ), le graphique résultant représenterait la forme d’une onde comme montré. Il existe de nombreux types de formes d’ondes électriques disponibles, mais elles peuvent généralement être regroupées en deux catégories distinctes.

• 1. Formes d’Ondes Unidirectionnelles – ces formes d’ondes électriques sont toujours positives ou négatives par nature, se déplaçant dans une seule direction, car elles ne croisent pas le point zéro. Les formes d’ondes unidirectionnelles courantes incluent les signaux de synchronisation à onde carrée, les impulsions d’horloge et les impulsions de déclenchement.
• 2. Formes d’Ondes Bidirectionnelles – ces formes d’ondes électriques sont également appelées formes d’ondes alternées car elles alternent d’une direction positive à une direction négative, traversant constamment le point zéro. Les formes d’ondes bidirectionnelles traversent des changements périodiques d’amplitude, le plus courant étant de loin l’onde sinusoïdale.

Que la forme d’onde soit unidirectionnelle, bidirectionnelle, périodique, non-périodique, symétrique, non-symétrique, simple ou complexe, toutes les formes d’ondes électriques comprennent les trois caractéristiques communes suivantes :

• Période : – C’est la durée en secondes que prend la forme d’onde pour se répéter du début à la fin. Cette valeur peut également être appelée le Temps Périodique, ( T ) de la forme d’onde pour les ondes sinusoïdales, ou la Largeur d’impulsion pour les ondes carrées.
• Fréquence : – C’est le nombre de fois que la forme d’onde se répète dans une période d’une seconde. La fréquence est le réciproque de la période, ( ƒ = 1/T ) avec l’unité standard de fréquence étant le Hertz, (Hz).
• Amplitude : – C’est l’intensité ou la magnitude du signal de forme d’onde mesurée en volts ou en ampères.

Formes d’Ondes Périodiques

Les formes d’ondes périodiques sont les plus courantes de toutes les formes d’ondes électriques car elles incluent les Ondes Sinusoïdales. La forme d’onde du réseau AC (Courant Alternatif) dans votre maison est une onde sinusoïdale qui alterne constamment entre une valeur maximale et une valeur minimale dans le temps.

Le temps qu’il faut entre chaque répétition ou cycle individuel d’une forme d’onde sinusoïdale est connu sous le nom de “temps périodique” ou simplement de Période de la forme d’onde. En d’autres termes, le temps qu’il faut à la forme d’onde pour se répéter.

Ensuite, cette période peut varier avec chaque forme d’onde, allant de fractions de seconde à des milliers de secondes, car elle dépend de la fréquence de la forme d’onde. Par exemple, une forme d’onde sinusoïdale prenant une seconde pour compléter son cycle aura un temps périodique d’une seconde. De même, une onde sinusoïdale prenant cinq secondes pour compléter aura un temps périodique de cinq secondes, et ainsi de suite.

Donc, si la durée qu’il faut à la forme d’onde pour compléter un motif ou un cycle complet avant de se répéter est connue sous le nom de “période de l’onde” et est mesurée en secondes, nous pouvons alors exprimer la forme d’onde comme un nombre de périodes par seconde, noté par la lettre T comme indiqué ci-dessous.

Une Forme d’Onde Sinusoïdale

Les unités de temps périodique, ( T ) incluent : Secondes ( s ), Millisecondes ( ms ) et Microsecondes ( μs ).

Pour les formes d’ondes sinusoïdales uniquement, nous pouvons également exprimer le temps périodique de la forme d’onde en degrés ou en radians, car un cycle complet est égal à 360^o ( T = 360^o ) ou en radians comme 2pi, 2π ( T = 2π ), nous pouvons dire que  2π radians = 360^o – ( Rappelez-vous ceci ! ).

Nous savons maintenant que le temps qu’il faut aux formes d’ondes électriques pour se répéter est connu sous le nom de temps périodique ou période qui représente une quantité de temps fixe. Si nous prenons le réciproque de la période, ( 1/T ) nous avons alors une valeur qui dénote le nombre de fois qu’une période ou un cycle se répète en une seconde ou en cycles par seconde, et cela est couramment connu sous le nom de Fréquence avec des unités de Hertz, (Hz). Ensuite, le Hertz peut également être défini comme “cycles par seconde” (cps) et 1Hz est exactement égal à 1 cycle par seconde.

La période et la fréquence sont des réciproques mathématiques et, à mesure que le temps périodique de la forme d’onde diminue, sa fréquence augmente, et vice versa, la relation entre le Temps Périodique et la Fréquence est donnée comme suit.

Relation entre Fréquence et Temps Périodique

Où :  ƒ est en Hertz et T est en secondes.

Un Hertz est exactement égal à un cycle par seconde, mais un hertz est une unité très petite, donc des préfixes sont utilisés pour dénoter l’ordre de grandeur de la forme d’onde tels que kHz, MHz et même GHz.

Formes d’Ondes Carrées Électriques

Les Formes d’Ondes Carrées sont largement utilisées dans les circuits électroniques et microélectroniques pour des signaux de contrôle d’horloge et de minuterie car elles sont des formes d’ondes symétriques de durée égale et carrée représentant chaque moitié d’un cycle, et presque tous les circuits logiques numériques utilisent des formes d’ondes carrées sur leurs portes d’entrée et de sortie.

Contrairement aux ondes sinusoïdales qui ont une montée et une descente lisses avec des coins arrondis à leurs pics positifs et négatifs, les ondes carrées, en revanche, ont des côtés presque verticaux avec un sommet et un bas plats, produisant une forme d’onde qui correspond à sa description, – “Carré” comme montré ci-dessous.

Une Forme d’Onde Carrée

Nous savons que les formes d’ondes électriques de forme carrée sont symétriques car chaque moitié du cycle est identique, donc le temps que la largeur d’impulsion est positive doit être égal au temps que la largeur d’impulsion est négative ou nulle. Lorsque les formes d’ondes carrées sont utilisées comme signaux d’horloge dans les circuits numériques, le temps de la largeur d’impulsion positive est connu sous le nom de “Cycle de Service” de la période.

Nous pouvons donc dire que pour une forme d’onde carrée, le temps positif ou “ON” est égal au temps négatif ou “OFF”, donc le cycle de service doit être de 50 % (la moitié de sa période). Comme la fréquence est égale au réciproque de la période, ( 1/T ), nous pouvons définir la fréquence d’une forme d’onde carrée comme :

Exemple de Formes d’Ondes Électriques No1

Une forme d’onde électrique à onde carrée a une largeur d’impulsion de 10 ms, calculez sa fréquence, ( ƒ ).

Pour une forme d’onde carrée, le cycle de service est donné comme 50 %, donc la période de la forme d’onde doit être égale à : 10ms + 10ms ou 20ms

Pour résumer un peu sur les ondes carrées. Une Forme d’Onde Carrée est symétrique et a une largeur d’impulsion positive égale à sa largeur d’impulsion négative, résultant en un cycle de service de 50 %. Les formes d’ondes carrées sont utilisées dans les systèmes numériques pour représenter un niveau logique “1”, haute amplitude et un niveau logique “0”, basse amplitude. Si le cycle de service de la forme d’onde est de toute autre valeur que 50 % (moitié ON, moitié OFF), la forme d’onde résultante serait alors appelée une Forme d’Onde Rectangulaire ou si le temps “ON” est vraiment court, une Pulse.

Formes d’Ondes Rectangulaires

Les Formes d’Ondes Rectangulaires sont similaires à la forme d’onde carrée ci-dessus, la différence étant que les deux largeurs d’impulsion de la forme d’onde sont de durées inégales. Les formes d’ondes rectangulaires sont donc classées comme des formes d’ondes “non-symétriques” comme montré ci-dessous.

Une Forme d’Onde Rectangulaire

L’exemple ci-dessus montre que la largeur d’impulsion positive est plus courte en temps que la largeur d’impulsion négative. De même, la largeur d’impulsion négative pourrait être plus courte que la largeur d’impulsion positive, dans tous les cas, la forme d’onde résultante aurait encore celui d’une forme d’onde rectangulaire.

Ces largeurs d’impulsion positives et négatives sont parfois appelées “Marque” et “Espace” respectivement, avec le rapport du temps de Marque au temps d’Espace étant connu comme le rapport “Marque à Espace” de la période et pour une forme d’onde carrée, cela serait égal à un.

Exemple de Formes d’Ondes Électriques No2

Une forme d’onde rectangulaire a une largeur d’impulsion positive (temps de Marque) de 10 ms et un cycle de service de 25 %, calculez sa fréquence.

Le cycle de service est donné comme 25 % ou 1/4 de la forme d’onde totale qui est égale à une largeur d’impulsion positive de 10 ms. Si 25 % est égal à 10 ms, alors 100 % doit être égal à 40 ms, donc la période de la forme d’onde doit être égale à : 10ms (25 %) + 30ms (75 %) ce qui équivaut à 40ms (100 %) au total.

Les Formes d’Ondes Rectangulaires peuvent être utilisées pour réguler la quantité de puissance appliquée à une charge telle qu’une lampe ou un moteur en variant le cycle de service de la forme d’onde. Plus le cycle de service est élevé, plus la quantité moyenne de puissance appliquée à la charge est grande et plus le cycle de service est bas, moins la quantité moyenne de puissance appliquée à la charge est élevée et un excellent exemple de ceci est l’utilisation de “Modulation de Largeur d’Impulsion” pour les régulateurs de vitesse.

Formes d’Ondes Triangulaires

Les Formes d’Ondes Triangulaires sont généralement des formes d’ondes non sinusoïdales et bidirectionnelles qui oscillent entre un pic positif et un pic négatif. Bien que l’on appelle cette forme d’onde triangulaire, elle est en réalité plus une forme d’onde rampante linéaire symétrique car il s’agit simplement d’un signal de tension montant et descendant lentement à une fréquence ou un taux constant. Le taux auquel la tension change entre chaque direction de montée est égal pendant les deux moitiés du cycle comme montré ci-dessous.

Une Forme d’Onde Triangulaire

Généralement, pour les Formes d’Ondes Triangulaires, la montée ou la pente positive (augmentation) est de la même durée que la pente négative (décroissance) donnant ainsi à la forme d’onde triangulaire un cycle de service de 50 %. Ensuite, pour une amplitude de tension donnée, la fréquence de la forme d’onde déterminera le niveau de tension moyen de l’onde dans le temps.

Ainsi, une montée et un temps de retard lents de la pente donneront un niveau de tension moyen plus bas qu’une montée et un temps de décroissance plus rapides. Cependant, nous pouvons produire des formes d’ondes triangulaires non symétriques en variant soit les valeurs de montée, soit les valeurs de décroissance pour nous donner un autre type de forme d’onde communément appelé Forme d’Onde en Dent de Scie.

Formes d’Ondes en Dent de Scie

Les Formes d’Ondes en Dent de Scie sont un autre type de forme d’onde périodique. Comme son nom l’indique, la forme de l’onde ressemble à des dents d’une lame de scie. Les formes d’ondes en dents de scie peuvent avoir une image miroir d’elles-mêmes, en ayant soit une montée lente mais une décroissance extrêmement abrupte, soit une montée extrêmement abrupte presque verticale et une décroissance lente comme montré ci-dessous.

Formes d’Ondes en Dent de Scie

La montée positive Forme d’Onde en Dent de Scie est la plus courante des deux types de forme d’onde avec la partie montante de l’onde étant presque parfaitement linéaire. La forme d’onde en dent de scie est couramment disponible à partir de la plupart des générateurs de fonctions et se compose d’une fréquence fondamentale ( ƒ ) et de tous ses ratios entiers d’harmoniques, tels que : 1/2, 1/4, 1/6, 1/8 … 1/n, etc. Ce que cela signifie en termes pratiques, c’est que la Forme d’Onde en Dent de Scie est riche en harmoniques et pour les synthétiseurs de musique et les musiciens, elle donne la qualité du son ou la couleur tonale à leur musique sans aucune distorsion.

Formes d’Ondes de Déclenchement et d’Impulsion

Bien que techniquement les Déclencheurs et les Pulses soient deux formes d’ondes distinctes, nous pouvons les combiner ici, car un “Déclencheur” est essentiellement juste une “Impulsion” très étroite. La différence étant qu’un déclencheur peut être positif ou négatif en direction alors qu’une impulsion est uniquement positive en direction.

Une Forme d’Onde d’Impulsion ou “Train d’Impulsions” comme on les appelle plus couramment, est un type de forme d’onde non sinusoïdale similaire à la forme d’onde rectangulaire que nous avons examinée plus tôt. La différence étant que la forme exacte de l’impulsion est déterminée par le rapport “Marque à Espace” de la période et pour une forme d’onde d’impulsion ou de déclenchement, la partie Marque de l’onde est très courte avec une forme de montée et de décroissance rapide comme montré ci-dessous.

Formes d’Ondes d’Impulsion

Une Impulsion est une forme d’onde ou un signal en soi. Elle a un rapport Marque à Espace très différent par rapport à un signal d’horloge de forme carrée à haute fréquence ou même une forme d’onde rectangulaire.

Le but d’une “Impulsion” et d’un déclencheur est de produire un signal très court pour contrôler le moment où quelque chose se produit, par exemple, pour démarrer un Chronomètre, un Compteur, un Monostable ou un Flip-flop, etc., ou comme déclencheur pour allumer des Thyristors, Triacs et d’autres dispositifs semi-conducteurs de puissance.

Générateur de Fonctions

Un Générateur de Fonctions ou parfois appelé un Générateur de Formes d’Ondes est un dispositif ou un circuit qui produit une variété de formes d’ondes différentes à une fréquence souhaitée. Il peut générer des ondes sinusoïdales, des ondes carrées, des ondes triangulaires et en dents de scie ainsi que d’autres types de formes d’ondes de sortie.

Il existe de nombreux circuits intégrés générateurs de formes d’ondes “tout-en-un” et tous peuvent être incorporés dans un circuit pour produire les différentes formes d’ondes périodiques requises.

Un tel dispositif est le 8038, un circuit intégré générateur de formes d’ondes de précision capable de produire des formes d’ondes sinusoïdales, carrées et triangulaires, avec un nombre minimum de composants ou d’ajustements externes. Sa plage de fréquence d’exploitation peut être sélectionnée sur huit décennies de fréquence, de 0,001Hz à 300kHz, par le choix correct des composants R-C externes.

Circuit Intégré Générateur de Formes d’Ondes Électriques

La fréquence d’oscillation est très stable sur une large plage de variations de température et de tension d’alimentation et des fréquences aussi élevées que 1MHz sont possibles. Chacune des trois sorties de base, sinusoidale, triangulaire et carrée est disponible simultanément à partir de bornes de sortie indépendantes. La gamme de fréquence du 8038 est contrôlable en tension mais n’est pas une fonction linéaire. La symétrie de la triangle et donc la distorsion de l’onde sinusoïdale sont ajustables.

Dans le prochain tutoriel sur les Formes d’Ondes, nous examinerons les Multivibrateurs qui sont utilisés pour produire des formes d’ondes de sortie continues ou des impulsions individuelles. Un tel circuit multivibrateur utilisé comme générateur d’impulsions est appelé un Multivibrateur Monostable.