Les générateurs de formes d’onde sont des circuits électroniques pouvant produire des formes d’onde sinusoïdales, carrées, triangulaires et en dents de scie grâce à des oscillateurs et circuits pulsés.
Dans les tutoriels précédents, nous avons examiné en détail différents types de générateurs de formes d’onde, y compris les circuits multivibrateurs à transistors, qui peuvent être utilisés comme oscillateurs de relaxation pour produire une onde carrée ou rectangulaire à leurs sorties, servant ainsi de signaux d’horloge et de temporisation.
Mais il est également possible de construire des circuits de générateur de formes d’onde basiques à partir de circuits intégrés simples ou d’amplificateurs opérationnels, connectés à un circuit résonant résistor-capaciteur (RC) ou à un cristal de quartz pour produire la forme d’onde binaire ou carrée souhaitée à la fréquence désirée.
Ce tutoriel sur la génération de formes d’onde serait incomplet sans quelques exemples de circuits de commutation régénérative numériques, car il illustre à la fois l’action de commutation et le fonctionnement des générateurs de formes d’onde utilisés pour générer des ondes carrées comme signaux de temporisation ou de séquence.
Nous savons que les circuits de commutation régénérative, tels que les multivibrateurs astables, sont le type d’oscillateur de relaxation le plus couramment utilisé à mesure qu’ils produisent une sortie d’onde carrée constante, les rendant idéaux comme générateur de formes d’onde numérique.
Les multivibrateurs astables sont d’excellents oscillateurs car ils commutent continuellement entre leurs deux états instables à un taux de répétition constant, produisant ainsi une sortie d’onde carrée continue avec un rapport cyclique de 1:1 (« ON » et « OFF » étant égaux) à partir de sa sortie.
Dans ce tutoriel, nous examinerons certaines des différentes manières dont nous pouvons construire des générateurs de formes d’onde en utilisant uniquement des circuits logiques TTL et CMOS standards, ainsi que quelques composants de temporisation discrets supplémentaires.
Générateurs de formes d’onde Schmitt
Des générateurs de formes d’onde simples peuvent être construits à l’aide d’inverseurs de base à déclenchement Schmitt, comme le TTL 74LS14. Cette méthode est de loin la plus simple pour réaliser un générateur de formes d’onde astable de base.
Lorsqu’ils sont utilisés pour produire des signaux d’horloge ou de temporisation, le multivibrateur astable doit produire une forme d’onde stable qui commute rapidement entre ses états « HAUT » et « BAS » sans aucune distorsion ni bruit, et les inverseurs Schmitt font exactement cela.
Nous savons que l’état de sortie d’un inverseur Schmitt est opposé ou inverse à celui de son état d’entrée (principes de la porte NON), et qu’il peut changer d’état à différents niveaux de tension lui conférant « hystérésis ».
Les inverseurs Schmitt utilisent une action de déclenchement Schmitt qui change d’état entre un niveau de seuil supérieur et un niveau de seuil inférieur lorsque le signal de tension d’entrée augmente et diminue autour de la borne d’entrée. Ce niveau de seuil supérieur « définie » la sortie et le niveau de seuil inférieur « réinitialise » la sortie qui équivaut à un « 0 » logique et un « 1 » logique respectivement pour un inverseur. Considérer le circuit ci-dessous.
Générateur de formes d’onde à inverseur Schmitt
Ce circuit simple de générateur de formes d’onde consiste en une seule porte logique inverseur Schmitt TTL 74LS14 avec un condensateur, C connectée entre sa borne d’entrée et la terre (0v), et le retour positif nécessaire pour faire osciller le circuit est fourni par la résistance de retour, R.
Alors, comment cela fonctionne-t-il ? Supposons que la charge à travers les plaques du condensateur soit inférieure au niveau de seuil inférieur de Schmitt de 0.8 volt (valeur de la fiche technique). Cela rend donc l’entrée de l’inverseur à un niveau logique « 0 », entraînant une sortie à un niveau logique « 1 » (principes d’inverseurs).
Un côté de la résistance R est maintenant connecté au niveau logique « 1 » (+5V) de sortie, tandis que l’autre côté de la résistance est connecté au condensateur, C qui est à un niveau logique « 0 » (0.8v ou moins). Le condensateur commence alors à se charger dans une direction positive à travers la résistance à un taux déterminé par la constante de temps RC de la combinaison.
Lorsque la charge à travers le condensateur atteint le niveau de seuil supérieur de 1.6 volts du déclencheur Schmitt (valeur de la fiche technique), la sortie de l’inverseur Schmitt change rapidement d’un niveau logique « 1 » à un état de niveau logique « 0 » et le courant circulant à travers la résistance change de direction.
Ce changement amène maintenant le condensateur, qui se chargeait initialement à travers la résistance, R, à commencer à se décharger à nouveau à travers la même résistance jusqu’à ce que la charge sur les plaques du condensateur atteigne le niveau de seuil inférieur de 0.8 volts et la sortie de l’inverseur change d’état à nouveau, le cycle se répétant encore et encore tant que la tension d’alimentation est présente.
Ainsi, le condensateur, C, se charge et se décharge constamment durant chaque cycle entre les niveaux de seuil supérieur et inférieur de l’inverseur Schmitt, produisant un niveau logique « 1 » ou un niveau logique « 0 » à la sortie de l’inverseur. Cependant, la forme d’onde de sortie n’est pas symétrique, produisant un rapport cyclique d’environ 33 % ou 1/3, car le rapport « HAUT » à « BAS » est de 1:2 respectivement en raison des caractéristiques de la porte d’entrée de l’inverseur TTL.
La valeur de la résistance de retour, (R), doit également être maintenue faible, en dessous de 1kΩ, pour que le circuit oscille correctement, 220R à 470R est bon, et en variant la valeur du condensateur, C, nous pouvons faire varier la fréquence.
De plus, à des niveaux de haute fréquence, la forme d’onde de sortie change de forme d’une onde carrée à une onde trapézoïdale, les caractéristiques d’entrée de la porte TTL étant affectées par la charge et la décharge rapides du condensateur. La fréquence d’oscillation pour les générateurs de formes d’onde Schmitt est donc donnée par :
Fréquence de forme d’onde Schmitt
Avec une valeur de résistance comprise entre : 100R à 1kΩ, et une valeur de condensateur comprise entre : 1nF à 1000uF. Cela donnerait une plage de fréquence de 1Hz à 1MHz (les hautes fréquences produisent une distorsion de la forme d’onde).
En général, les portes logiques TTL standards ne fonctionnent pas très bien en tant que générateurs de formes d’onde, en raison de leurs caractéristiques d’entrée et de sortie moyennes, de la distorsion de la forme d’onde de sortie et de la faible valeur de la résistance de retour requise, entraînant un grand condensateur de valeur élevée pour un fonctionnement à basse fréquence.
De plus, les oscillateurs TTL peuvent ne pas osciller si la valeur du condensateur de retour est trop petite. Cependant, nous pouvons également créer des multivibrateurs astables en utilisant une technologie logique CMOS de meilleure qualité, fonctionnant d’une alimentation de 3V à 15V, comme l’inverseur Schmitt CMOS 40106B.
Le CMOS 40106 est un inverseur à entrée unique avec la même action de déclenchement Schmitt que le TTL 74LS14, mais avec une très bonne immunité au bruit, une large bande passante, un gain élevé et d’excellentes caractéristiques d’entrée/sortie pour produire une forme d’onde de sortie plus « carrée » comme montré ci-dessous.
Générateur de formes d’onde CMOS Schmitt
Le circuit des générateurs de formes d’onde Schmitt pour le CMOS 40106 est fondamentalement le même que celui de l’inverseur TTL 74LS14 précédent, sauf pour l’ajout de la résistance 10kΩ qui est utilisée pour protéger le condensateur des transistors d’entrée MOSFET sensibles lors de sa décharge rapide à des fréquences plus élevées.
Le rapport « HAUT » à « BAS » est plus uniformément égal à environ 1:1, avec une valeur de résistance de retour augmentée à moins de 100kΩ, ce qui permet d’utiliser un condensateur de temporisation plus petit et moins cher, C.
La fréquence d’oscillation peut ne pas être la même que : ( 1/1.2RC ) car les caractéristiques d’entrée CMOS sont différentes de celles des TTL. Avec une résistance comprise entre : 1kΩ et 100kΩ, et une valeur de condensateur entre : 1pF à 100uF. Cela donnerait une plage de fréquence de 0.1Hz à 100kHz.
Les générateurs de formes d’onde à inverseur Schmitt peuvent également être réalisés à partir d’une variété de portes logiques différentes connectées pour former un circuit inverseur. Le circuit astable multivibrateur Schmitt de base peut être facilement modifié avec quelques composants supplémentaires pour produire différentes sorties ou fréquences. Par exemple, deux formes d’onde inverses ou plusieurs fréquences, et en changeant la résistance de retour fixe par un potentiomètre, la fréquence de sortie peut être variée comme montré ci-dessous.
Générateurs de formes d’onde d’horloge
Dans le premier circuit ci-dessus, un inverseur Schmitt supplémentaire a été ajouté à la sortie du générateur de formes d’onde Schmitt pour produire une seconde forme d’onde qui est l’inverse ou l’image miroir de la première, produisant ainsi deux formes de sortie complémentaires, de sorte que lorsque l’une des sorties est « HAUTE », l’autre est « BASSE ». Cet inverseur Schmitt supplémentaire améliore également la forme de la forme d’onde de sortie inversée, mais lui ajoute un léger « retard de porte » afin qu’elle ne soit pas exactement synchronisée avec la première.
De plus, la fréquence de sortie du circuit oscillateur peut être modifiée en remplaçant la résistance fixe, R, par un potentiomètre, mais une résistance de retour plus petite est toujours nécessaire pour empêcher le potentiomètre de court-circuiter l’inverseur lorsqu’il est à sa valeur minimale, 0Ω.
Nous pouvons également utiliser les deux sorties complémentaires, Q et Q du premier circuit pour faire clignoter alternativement deux ensembles de lumières ou de LED en connectant leurs sorties directement aux bases de deux transistors de commutation comme montré.
De plus, lors de l’utilisation de ce type de circuit, n’oubliez pas de calculer une résistance série appropriée, R, afin de limiter le courant des LED à moins de 20mA (LED rouges) pour la tension que vous utilisez.
Pour générer une sortie de très basses fréquences de quelques Hertz pour faire clignoter les LED, les générateurs de formes d’onde Schmitt utilisent des condensateurs de temporisation de grande valeur qui peuvent eux-mêmes être physiquement grands et coûteux.
Une solution alternative consiste à utiliser un condensateur de plus petite valeur pour générer une fréquence beaucoup plus élevée, disons 1kHz ou 10kHz, puis de diviser cette fréquence d’horloge principale en fréquences individuelles plus petites jusqu’à obtenir la valeur de basse fréquence requise, et le circuit second ci-dessus fait exactement cela.
Le circuit inférieur ci-dessus montre l’oscillateur utilisé pour entraîner l’entrée d’horloge d’un compteur à décalage. Les compteurs à décalage sont essentiellement un certain nombre de bascule de type D divisant par 2, en cascade pour former un compteur unique à divisor par N, où N est égal à la comptabilité de l’élément de compteur comme le compteur à décalage 7 bits CMOS 4024 ou le compteur à décalage 12 bits CMOS 4040.
La fréquence d’horloge fixe produite par le circuit de pulsation astable Schmitt est divisée en un certain nombre de différentes sous-frequences telles que, ƒ÷2, ƒ÷4, ƒ÷8, ƒ÷256, etc., jusqu’à la valeur maximale « Diviser par n » du compteur à décalage utilisé.
Le processus d’utilisation de « Flip-flops », de « compteurs binaires » ou de « compteurs à décalage » pour diviser une fréquence d’horloge fixe principale en différentes sous-frequences est connu sous le nom de division de fréquence et nous pouvons l’utiliser pour obtenir plusieurs valeurs de fréquence à partir d’un seul générateur de formes d’onde.
Générateurs de formes d’onde à porte NAND
Les générateurs de formes d’onde Schmitt peuvent également être réalisés à l’aide de portes NAND logiques CMOS standard connectées pour produire un circuit inverseur. Ici, deux portes NAND sont connectées ensemble pour produire un autre type de circuit oscillateur de relaxation RC qui générera une forme d’onde en onde carrée comme montré ci-dessous.
Générateur de formes d’onde à porte NAND
Dans ce type de circuit de générateur de formes d’onde, le réseau RC est formé par la résistance, R1, et le condensateur, C, ce réseau RC étant contrôlé par la sortie de la première porte NAND.
La sortie de ce réseau R1C est renvoyée à l’entrée de la première porte NAND via la résistance, R2, et lorsque la tension de charge à travers le condensateur atteint le niveau de seuil supérieur de la première porte NAND, cette dernière change d’état, provoquant alors le changement d’état de la seconde porte NAND en enregistrant une variation dans le niveau de sortie.
La tension à travers le réseau R1C est maintenant inversée et le condensateur commence à se décharger à travers la résistance jusqu’à atteindre le niveau de seuil inférieur de la première porte NAND, ce qui oblige les deux portes à changer d’état à nouveau.
Comme le circuit précédent des générateurs de formes d’onde Schmitt, la fréquence d’oscillation est déterminée par la constante de temps R1C, qui est donnée par : 1/2.2R1C. En général, R2 est donné une valeur qui est 10 fois la valeur de la résistance R1.
Lorsque la stabilité élevée ou le démarrage autonome garanti sont nécessaires, des générateurs de formes d’onde CMOS peuvent être réalisés en utilisant trois portes NAND inversantes ou tout autre trois inverseurs logiques pour former un circuit qui est parfois appelé générateur de formes d’onde « anneau de trois ».
La fréquence d’oscillation est déterminée encore une fois par la constante de temps R1C, la même que pour l’oscillateur à deux portes ci-dessus, et qui est donnée par : 1/2.2R1C, lorsque R2 a une valeur qui est 10 fois celle de la résistance, R1.
Générateur de formes d’onde stable à porte NAND
L’ajout de la porte NAND supplémentaire garantit que l’oscillateur démarrera même avec des valeurs de condensateur très faibles. De plus, la stabilité du générateur de formes d’onde est considérablement améliorée alors qu’il est moins susceptible aux variations d’alimentation, car son niveau de déclenchement est presque la moitié de la tension d’alimentation.
La quantité de stabilité est principalement déterminée par la fréquence d’oscillation et, en général, plus la fréquence est basse, plus l’oscillateur devient stable.
Comme ce type de générateur de formes d’onde fonctionne à près de la moitié ou 50 % de la tension d’alimentation, la forme d’onde de sortie résultante a presque un rapport cyclique de 50 %, un rapport de marquage à espace de 1:1. Le générateur à trois portes a de nombreux avantages par rapport aux précédents oscillateurs à deux portes, mais son principal inconvénient est qu’il utilise une porte logique supplémentaire.
Générateur de formes d’onde de type anneau
Nous avons vu ci-dessus que des générateurs de formes d’onde peuvent être réalisés en utilisant à la fois la technologie logicielle TTL et la meilleure technologie logicielle CMOS avec un réseau RC produisant un retard temporel dans le circuit lorsqu’il est connecté à une, deux ou même trois portes logiques pour former un oscillateur de relaxation RC simple.
Mais nous pouvons également créer des générateurs de formes d’onde en utilisant uniquement des portes NOT logiques, ou en d’autres termes, des inverseurs, sans aucun composant passif supplémentaire connecté à eux.
En connectant ensemble un nombre impair (3, 5, 7, 9, etc.) de portes NOT pour former un circuit de « bande », de sorte que la sortie de l’anneau soit directement reliée à l’entrée de l’anneau, le circuit continuera à osciller car un niveau logique « 1 » tourne constamment autour du réseau produisant une fréquence de sortie qui est déterminée par les temps de propagation des inverseurs utilisés.
Générateur de formes d’onde en anneau
La fréquence d’oscillation est déterminée par le temps de propagation total des inverseurs utilisés dans l’anneau, ce qui est également déterminé par le type de technologie de porte, TTL, CMOS, BiCMOS, dont l’inverseur est fabriqué.
Le temps de propagation ou le temps de propagation est le temps total requis (généralement en nanosecondes) pour qu’un signal passe directement à travers l’inverseur, d’un « 0 » logique arrivant à l’entrée, à produire un « 1 » logique à sa sortie.
De plus, pour ce type de circuit de générateur de formes d’onde en anneau, les variations de la tension d’alimentation, de la température et de la capacité de charge affectent tous le temps de propagation des portes logiques. En général, un temps de propagation moyen sera donné dans les fiches techniques des fabricants pour le type de portes logiques numériques utilisées, avec la fréquence d’oscillation donnée par :
Où : ƒ est la fréquence d’oscillation, n est le nombre de portes utilisées et Tp est le temps de propagation pour chaque porte.
Par exemple. Supposons qu’un circuit simple de générateur de formes d’onde ait cinq inverseurs individuels connectés ensemble en chaîne pour former un oscillateur en anneau. Si le temps de propagation de chaque inverseur est donné comme étant de 8 nanosecondes (8ns), alors la fréquence d’oscillation du circuit serait donnée par :
Bien sûr, ce n’est pas vraiment un oscillateur pratique, principalement en raison de son instabilité et de sa fréquence d’oscillation très élevée, des dizaines de mégahertz selon le type de technologie de porte utilisée, et dans notre exemple simple, il a été calculé comme étant de 12.5MHz !!
La fréquence de sortie de l’oscillateur en anneau peut être « ajustée » un peu en variant le nombre d’inverseurs utilisés dans l’anneau, mais il est bien mieux d’utiliser un générateur de formes d’onde RC plus stable, comme ceux que nous avons discutés ci-dessus.
Cependant, cela montre que les portes logiques peuvent être connectées ensemble pour produire des générateurs de formes d’onde basés sur la logique, et des circuits numériques mal conçus avec beaucoup de portes, de chemins de signal et de boucles de rétroaction ont été connus pour osciller de manière non intentionnelle.
En utilisant un réseau RC à travers le circuit inverseur, la fréquence d’oscillation peut être contrôlée avec précision, produisant un oscillateur de relaxation astable plus pratique pour une utilisation dans de nombreuses applications électroniques générales.
Dans le prochain tutoriel sur les formes d’onde et la génération de formes d’onde, nous examinerons le Timer 555, qui est l’un des circuits intégrés les plus populaires et polyvalents jamais produits, capable de générer une large gamme de formes d’onde et signaux de temporisation allant des multivibrateurs monostables aux multivibrateurs astables.