Les logarithmes
L'électronique facile et amusante










Les oscillateurs rectangulaires 

à portes logiques










Oscillateur astable à deux portes NAND

- Nicolas, j'aborde aujourd'hui les oscillateurs à portes logiques. Ces oscillateurs peuvent être faits en technologie CMOC ou TTL.
Il te faut savoir que les circuits logiques TTL s'alimentent à 5 Volts. Les CMOS, eux sont alimentés de 5 à 18 Volts. Pour ces derniers, l'alimentation peut descendre à 3 Volts, mais pour un fonctionnement sûr, cela est mieux à 5 Volts.
Tu sais maintenant que les portes logiques ne peuvent prendre que deux états logiques, soit Haut (H)ou Bas (L). H étant approximativement le plus de l'alimentation, L étant le moins. Plutôt que répéter, je t'invite à lire ceci. (PDF 230K) et cela.(A. Oumnad- PDF 1.5M)
- Ces oscillateurs sont donc à ondes rectangulaires.

- Un nombre impair de portes logiques inverseuses forment un oscillateur, il oscille spontanément.

Figure 1

- Fatigué le Jacky ce matin, les neurones carburent au ralenti...

Et pourquoi ?

  Et bien, figure-toi, que ce genre d'oscillateurs, j'en ai vu des tas, et je te signale qu'il faut des résistances et une capacité pour que cela fonctionne...

Bien vu Nicolas, je vois que tu suis...
- Mais tu sauras maintenant que cet agencement de portes logiques suffit pour osciller. C'est le cumule du temps de propagation entre l'entrée et la sortie de chaque porte logique qui entretient une oscillation. Vu que le temps de propagation est très court 10-15 Nanoseconde, cela oscille donc très vite, plusieurs mégahertz, (près de 5 Mhz avec un CD 40106 alimenté en 15 Volts).
- Cette tendance à osciller est quelque fois la conséquence d'un mauvais câblage ou d'une mauvaise disposition des circuits intégrés. Les circuits intégrés peuvent faire l'objet de perturbations, venant soit de l'alimentation , soit d'eux-mêmes. Cela devient gênant pour le bon fonctionnement d'un montage. Il est donc bon de découpler les circuits intégrés par une capacité de 10 à 100nF.

Cette capacité doit être au plus prés de circuit intégré. Figure 2:
Figure 2


Mais revenons à nos moutons...

- Bien entendu comme tu me la fais remarquer, pour qu'un tel oscillateur soit exploitable, il lui faut des composants connexes.

Voici donc un tel oscillateur avec 3 portes inverseuses:

Figure 3

Oscillateur CMOS
Figure 4

Cliquer pour agrandir

- Sur l'oscillogramme (figure 4) en jaune, la sortie rectangulaire de l'oscillateur, le niveau supérieur et inférieur de l'onde rectangulaire correspondent à peu près à la tension d'alimentation.
En bleu, la mesure est faite au point "graphe" (figure 3). Tu remarques Nicolas, que ces tensions sont supérieures à la tension des créneaux rectangulaires. Ce dépassement est positif et négatif par rapport à la masse. Ceci est dû à l'effet doubleur de tension au niveau du condensateur. Celles-ci sont écrêtées par les diodes de protection intégrées aux entrées des portes logiques. Il n'y donc aucun danger pour celles-ci.
- Si tu as bien suivi, tu sais qu'il faut un nombre impair de portes logique pour ce genre d'oscillateur. On peut donc faire un oscillateur avec une seule porte (nombre impair). Mais là, il faut prendre une porte logique dite "Trigger de Schmitt", tel le CMOS CD 40106 ou le CD 4096 par exemple. Une parenthèse sera faite sur le Trigger de Schmitt.

 - Remarque le symbole du Trigger de Schmitt (figure 5) par rapport aux portes logiques de la figure 3.

- Exemple d'un tel oscillateur : (à gauche, le symbole du Trigger de Schmitt, à droite les oscillateurs).

Figure 5 Figure 6


- Tu remarques qu'il ne faut qu'une résistance et une capacité pour faire un tel oscillateur.

Figure 7 Figure 8 Figure 9

- Voici ci-dessus les oscillogrammes de cet oscillateur. En rouge, la sortie de la porte logique, en bleu les tensions aux bornes du condensateur. Tu vois Nicolas que cette tension (bleue) au niveau de la capacité varie continuellement du plus au moins. Dès que les tensions de seuil (hystérésis) de la porte sont atteintes, la sortie celle-ci bascule également soit au plus ou au moins, provocant la charge ou la décharge du condensateur au travers de la résistance. Ce cycle recommence continuellement. Figure 7

- Figure 9.
Le rapport cyclique peut être modifié en ajoutant une résistance et une diode, oscillogramme Figure 8. Si on inverse le sens de la diode, la durée des paliers hauts et bas est inversée.

Ce genre d'oscillateur à un défaut, en effet, il est sensible à la variation de la tension d'alimentation. La fréquence varie d'environ 40% pour une tension allant de 5 à 15 Volts.
Alors, las de rechercher une formule qui soit correcte pour te la donner, il a fallu que j'expérimente cet oscillateur.
- Le circuit intégré employé est un CD 40106 sextuple Trigger de Schmitt, une résistance de 100K (99,7k), une capacité de 10nF (10,4nF). Figure 6.
Voici les résultats:
- Alimentation de 5 Volts, la fréquence de sortie F est de 930Hz.
- Alimentation de 10 volts F= 1,343 Khz.
- Alimentation de 15 Volts F= 1,572 Khz.
Tu vois donc Nicolas, l'importante variation de fréquence en fonction de la tension... J'ai recherché sur internet une formule donnant des résultats correspondant à mes
essais. Je ne rien trouvé, alors j'ai cherché moi-même...
- Curieux comme tu es Nicolas, tu vas me demander quelle est la formule pour calculer la fréquence en fonction de composants.
Hein !
Quelle est la formule pour calculer la fréquence d'oscillation me diras-tu ?
Hum.. Me diras-tu... Hum... Me diras-tu pas... Me le dira-t'il pas... Va t'il me le dire... Peut être ben'que oui, peut-être ben'que non, on sait pas trop.
 Hum... Être ou ne pas être, voila la vraie question...
Quelle question ? Ha oui... Moi je suis et toi ?
Et moi quoi !... Bon, je vois que tu as du mal à suivre. Donnes-moi tes résultats que je t'explique...


?
- Je commence, comme tu l'as dit, il y a de fortes dispersions en fréquence quand la tension varie. Pour tes essais, tu as pris R=99,7K et C= 10,4nF. (valeurs mesurées au multimètre)

Pour calculer la fréquence en Khz il faut mettre R est en Méga Ohms et C en µ Farad.

- Je compare les valeurs calculées et les valeurs réelles lues au fréquencemètre:

- Pour 5 Volts   F=1/ R*C = 0,964 Khz. (Valeur lue au fréquencemètre 930 Hz)
- Pour 10 Volts F=1/ 0,7 R*C = 1,377 Khz. (Valeur lue au fréquencemètre 1,343 Hz)
- Pour 15 Volts F= 1/ 0,62 R*C = 1,555 Khz. (Valeur lue au fréquencemètre 1,572 Hz)

- Si l'on veut connaitre C en fonction de la fréquence souhaitée : C = 1/R*F.

- Tu arrives à suivre, j'espère !
    Bof... Être ou ne pas être, voilà la question...
Ha, hum...Bien, je continue à t'expliquer avec le reste de tes feuilles, des vrais chiffons tes feuilles, tu devrais être plus soigneux...
   Être ou ne pas être... Peut-être que je suis...
Il va pas bien le Jacky... Je continue, mais fais un effort pour suivre...

Oscillateur à deux portes :


- On peut faire un oscillateur à deux portes logiques, pourvue quelles soient inverseuses. Cet oscillateur n'oscille pas spontanément comme celui à trois portes vu plus haut. Il est donc déconseillé de prendre une capacité trop petite (quelques Picot Farad). Il fonctionne avec des portes logiques ordinaires, tel le CD 4011(NAND) ou le CD 4001 (NOR) par exemple. C'est avec le CD 4001 que les essais seront effectués. Histoire de comparer les formules existantes sur le web.

Figure 10


- Toujours avec les mêmes composants (R=99,8 K et C=1 nF).Pour F en Hz  R est en Méga Ohms et C en µ Farad: F=1/2,2RC

- La fréquence varie beaucoup moins en fonction de la tension d'alimentation, 5% environ de 5V à 15 Volts, donc meilleure stabilité en fréquence.
- R1 sert à protéger l'entrée de la porte logique, bien qu'elle soit protégée de façon interne par des diodes. 100 k ohms est une bonne valeur. L'essai a été fait avec cette valeur.
- Pour 15 Volts, la fréquence d'oscillation lue à l'essai est de 4180 Hz. Avec la formule F=1/2,2RC, soit 1 / 2,2 (0,0998 * 0,001)= 4554 Hz. Soit une  erreur de 10 % environs.

  - Ce genre d'oscillateur oscille dès la mise sous tension, mais il peut être nécessaire qu'il soit commandé par une source de tension extérieure.
Voire un exemple ci-dessous: Figure 11.


Figure 11
Tables de vérité
Rappel, en logique binaire H est environ égal au plus de l'alimentation, L est le moins...


- Si l'on considère la table de vérité d'un opérateur NAND (encadré rouge), on s'aperçoit que la sortie C, ne change d'état que lorsque une des entrées (A) est à l'état H.

- Figure 11:

- L'entrée C est à l'état bas L via Rc, il n'y a pas d'oscillations et la sortie S1 est constamment à l'état H. Ceci est normal, étant donner la table de vérité d'une porte NAND, si une des entrées est à zéro, la sortie C est à l'état H quelle que soit l'état de l'autre entrée. Cet état H de N1 est inversé par N2.


- Figure 12:

- Avec les portes NOR c'est exactement l'inverse, l'oscillateur fonctionne quand son entrée C devient négative. En position A l'entrée C et H via Rc, l'oscillateur est bloqué.
- En position B, il y a oscillation sortie S2 quand la tension est L.  Sur le niveau H la sortie de l'oscillateur S2 est à l'état L.

Figure 12



- Pour mieux comprendre, voici les oscillogrammes de ces deux oscillateurs: Cliquer dessus pour agrandir.

Jacky, voici un montage très explicite avec des portes NAND:

Figure 13
Figure 14

- Figure 13 :

- Ici, deux oscillateurs, l'un formé par N1-N2 et l'autre par N3-N4. Le premier oscille plus lentement que le second (C1=100N R2= 100K), le deuxième oscillateur de fréquence plus rapide (R2= 100K C1=10N), oscille sur les paliers hauts de la sortie S1. Sur l'oscillogramme (figure 14), en jaune sortie S1, en bleu sortie S2.
 

- Avec les portes CMOS, le rapport cyclique en sortie sont d'environ 50% (figure 13), mais on peut faire varier ce rapport.

- Quelques exemples :
Figure 15
 Figure 16
Figure 16 bis
 

  - L'ajout de R2 et la diode D1 1N 4148, modifient le rapport cyclique. La diode D1 devient conductrice à la décharge du condensateur, mettant ainsi R2 en parallèle à R3. La décharge devient ainsi plus courte que la charge, créant des impulsions.

 - Figure 15:  - En jaune oscillogramme de la sortie S2,en bleu au niveau de la capacité, en rouge au niveau de la diode.
 - Figure 16 bis:  - Il va de soit qu'en inversant le sens la diode D1, c'est exactement l'inverse qui se produit.
 


- Figure 16:

- Un autre montage modifiant le rapport cyclique de 1 à 99%:

Figure 17 Figure 18  (P1 réglé à 50%) Figure 19 (P1 réglé vers D2) Figure 20 (P1 réglé vers D1)


- La trace du haut (jaune) est la sortie S1. La trace du bas (bleu) est la sortie S2. La valeur des composants est R1=100K P1= 0,470m ohms C= 1nF(0,001µF)

- Figure 18 : Le potentiomètre P1 est réglé au milieu. Sortie à 50%.
- Figure 19 : Le potentiomètre est réglé vers D2.
- Figure 20 : Le potentiomètre est réglé vers D1.
- Sur le prototype, alimenté en 15 Volts, le potentiomètre à 50%, la fréquence est égale à 1850 Hz. Ce qui correspond à la formule 1/ 2,2 ((0,235+10K)*0,001)= 1855 Hz. La variation maximale et minimale de P1 provoque une variation de 10% environ de cette fréquence.
La durée de l'impulsion sur le prototype est d'environ 1/ 1,2 R1C ou 1/1,2 R2C (selon la position du potentiomètre).

Les oscillateurs CMOS à quartz :


- Les oscillateurs abordés jusqu'ici ne sont pas très stables, surtout quand la tension varie. Si l'on veut une bonne stabilité et une fréquence précise, il faut recourir à un  oscillateur à quartz. Le quartz étant calibré à une fréquence très précise, la plupart du temps, il ne faut aucun réglage.

- Le quartz est une lamelle taillée de telle manière qu'elle va osciller à une fréquence très précise quand elle est traversée par un courant. Le tout étant enfermé dans un boitier métallique. Plusieures formes de boitiers existent.

- Quelques boitiers :

Quartz Boitier DIP Boitier HC-49-4H Boitier HC-49 Boitier TC38

 La fréquence du quartz peut aller de 1 à plus de 100 Mhz. La précision varie en fonction de la température. 
- Des oscillateurs en technologie HCMOS permet d'atteindre 30 Mhz.

Figure 21 :

Oscillateur a quartz a portes logiques

- Le condensateur ajustable, sert à affiner la fréquence du quartz.

- Voila Jacky, un résumé sur ce genre d'oscillateur.
- Être ou ne pas être...




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