Les Circuits Multivibrateurs Astables avec le CI 555 :
3. - LES CIRCUITS MULTIVIBRATEURS OU
OSCILLATEURS ASTABLES
3. 1. - DÉFINITION ET FONCTION
Un oscillateur est un circuit électronique qui génère un
signal périodique. Ces signaux sont de deux types.
Tout d'abord, il existe des signaux
sinusoïdaux utilisés dans les techniques de radiocommunication.
C'est l'onde porteuse du signal radio et du signal T.V..
Ce type d'onde est généré également dans les synthétiseurs de notes
musicales, dans la technologie du radar...
Ensuite, le deuxième type de signal qui nous intéresse plus
particulièrement ici, est le signal rectangulaire,
propre à la technologie numérique.
En effet, ce signal se caractérise uniquement par des
transitions d'un niveau H à un niveau L et vice-versa à une fréquence déterminée par le circuit générateur. Ce
circuit est généralement appelé multivibrateur astable. Ce circuit possède deux états logiques
L et H instables. La sortie bascule périodiquement d'un état logique à l'autre état complémentaire. Ceci est indiqué à la
figure 43.
T est la période du signal rectangulaire déterminée par les caractéristiques propres du montage.
La fonction principale de ce signal dans les circuits logiques
est de fournir une horloge appelée généralement clock.
Cette horloge est nécessaire dans les circuits logiques synchrones où les
changements d'état logique en différents point du circuit se font soit au front montant, soit au front descendant de l'horloge.
Actuellement, les circuits d'horloge se rencontrent dans les ordinateurs, dans les appareils de mesure du temps, de la fréquence, pour la
transmission de données....
3. 2. - DIFFÉRENTS MONTAGES D'ASTABLES
Nous allons passer en revue un certain nombre de montages multivibrateurs.
3. 2. 1. - MONTAGE UTILISANT UN TRIGGER DE SCHMITT
La figure 44 vous présente un oscillateur utilisant un trigger
de la famille CMOS.
A la mise sous tension du montage, la tension Vc est nulle et la sortie est donc au niveau H.
Ainsi qu'il apparaît à la figure 45, le condensateur C se charge à travers la résistance R et à
l'instant t1, Vc atteint le seuil VT+ du trigger. La sortie
bascule passe au niveau L: le condensateur entreprend sa décharge à travers R
et à l'instant t2, Vc atteint le seul VT-
du trigger.
La sortie repasse ainsi au niveau H
et le phénomène se reproduit ainsi indéfiniment. La période d'oscillation T est définie par la relation :
Note:
ln est
le symbole de la fonction logarithme népérien. Une calculatrice permet le calcul.
Pour R = 100 K
W,
C = 0,1 µF, Vcc = 5 volts, VT+ = 3,05 volts, VT- = 1,95 volt,
on trouve :
T @
8,9 ms
et f oscillation @
112 Hz.
Ce montage est donc simple mais présente
un inconvénient. En effet, les seuils VT+
et VT-
sont fonction de la tension d'alimentation Vcc; ce montage ne présente
donc pas une stabilité absolue en fréquence, mais peut avoir des fluctuations liées aux variations de la tension Vcc.
Pour une variation de
Vcc de 5 volts
à
15 volts, la fréquence peut varier de
4
à 5 %.
Néanmoins, ce montage peut être employé pour des applications ne nécessitant pas une grande stabilité et une
grande précision.
D'ailleurs, l'emploi d'une alimentation régulée améliore sensiblement la stabilité du montage
oscillateur.
3. 2. 2. - MONTAGE UTILISANT TROIS INVERSEURS
Ce montage est indiqué à la figure 46.
Il utilise le fait qu'il existe un temps de propagation DT
pour chaque inverseur. Le chronogramme indiqué à la figure 47 permet d'en comprendre le fonctionnement.
Quand le signal au point VI (ou V3) passe du niveau L
au niveau H, il apparaît clairement que la
sortie correspondante bascule après un laps de temps égal à DT.
Il en est ainsi pour les trois inverseurs. La lettre "a"
sur la figure 47, montre l'évolution du point VI au point V3. L'entrée VI
re-bascule donc après 3 DT.
La période du signal vaut 6 DT
et sa fréquence
. DT est exprimé en secondes.
Ce circuit permet d'obtenir un oscillateur à fréquence élevée
car les temps de propagation DT
sont relativement courts. Si l'on veut réduire la fréquence
d'oscillation, il suffit d'ajouter d'autres inverseurs. Leur nombre doit rester impair.
Si n est le nombre
d'inverseurs, la fréquence d'oscillation vaut 1 / 2nDT.
Avec ce montage, la stabilité est toujours fonction de la
tension d'alimentation, de la température et de la charge située à sa sortie, donc du circuit logique qu'il doit piloter.
Il est possible d'améliorer ce montage en y intégrant trois composants passifs comme illustré à la figure 48.
Le chronogramme relatif au fonctionnement est situé à la figure 49.
A l'instant t0, la sortie S est au niveau
L et l'entrée de l'inverseur 1 est au niveau H. Le potentiel du point V1 va donc décroître
et dès que ce potentiel atteint le seuil de basculement de l'inverseur 1, soit pour Vcc / 2, les trois inverseurs vont
basculer en chaîne. La sortie de l'inverseur 2 passe du niveau H au niveau L
à l'instant t1 soit une chute de tension de -Vcc et le point V1
se retrouve au potentiel (Vcc / 2) -Vcc = -Vcc / 2.
Or, la sortie est passée au niveau H,
donc le potentiel de ce point V1 va croître
jusqu'à + Vcc / 2 (instant t2)
où les trois inverseurs vont commuter simultanément. Le point V1 se retrouve (Vcc / 2) + Vcc = 3 / 2 Vcc.
Finalement, on assiste à une série de charges et de décharges
du condensateur C et chaque fois que le point V1 franchit le seuil de basculement de
l'inverseur 1, l'état de la sortie change.
A titre indicatif, la fréquence d'oscillation est donnée par
la formule :
Cet oscillateur est insensible aux variations de la tension
d'alimentation Vcc et sa stabilité en fréquence est d'autant meilleure que sa fréquence est basse. En effet, la fréquence dépend
principalement des trois composants R1, R2 et C.
3. 2. 3. - MONTAGE ASTABLE UTILISANT DEUX INVERSEURS
Ce montage est présenté à la figure 50. La fréquence
d'oscillation est donnée par la formule .
La valeur de la résistance R2 doit être au moins dix fois supérieure à celle de R1.
Par ailleurs, les valeurs de C et de R1 ne doivent pas être trop faibles,
car l'inverseur 2 ne peut fournir un courant
en sortie très élevé.
Il est toujours possible de mettre une résistance
R1 variable. Ceci permet d'ajuster la fréquence de sortie de
l'oscillateur.
Il est également possible de faire varier le rapport cyclique
R du signal rectangulaire.
La figure 51 représente ce rapport
cyclique R.
Le montage suivant indiqué à la figure 52 permet de faire
varier ce rapport cyclique R
.
Le chronogramme situé à la figure 53 permet d'expliciter le
fonctionnement de cet oscillateur.
A l'instant t1, la sortie S est au niveau L et le point A
au niveau H.
Le point B est alors au potentiel -Vcc / 2, comme nous le verrons à
la fin de ce raisonnement, Vcc étant la tension d'alimentation du montage.
Le condensateur C se décharge
donc à travers la diode D2 et une partie du potentiomètre P1 puisque le point A
est au potentiel + Vcc et le point B au potentiel -Vcc / 2.
A l'instant t2, le condensateur C est complètement déchargé.
Le point B est au potentiel 0 volt.
Le potentiel du point B continue d'augmenter puisque le point A est
toujours au potentiel + Vcc.
Le condensateur C se charge maintenant à travers la même diode D2
jusqu'à l'instant t3.
De l'instant t1 à l'instant t3, seule la diode D2
conduit, la diode D1 étant polarisée en inverse.
C'est le même courant IL qui décharge dans un premier temps le condensateur C puis
le charge dans un deuxième temps.
A l'instant t3, le point B est au potentiel + Vcc / 2, donc l'inverseur
1 bascule ainsi que l'inverseur 2.
Le point A passe au potentiel 0 et la sortie S
au potentiel + Vcc.
Le potentiel de la sortie S a augmenté instantanément de + Vcc, donc
le potentiel du point B fait de même et passe ainsi à + 3 / 2 Vcc.
De l'instant t3 à t5, les mêmes phénomènes que ceux décrits ci-dessus se reproduisent ;
mais cette fois-ci, c'est la diode D1 qui conduit et la diode D2 qui est polarisée en inverse.
De t3 à t4, le condensateur C se décharge, puis de t4
à t5, C se charge.
Quand le potentiel du point B arrive au seuil de basculement de l'inverseur + Vcc / 2,
les deux inverseurs basculent.
La sortie S qui se trouvait à + Vcc passe au potentiel 0
volt, soit un front négatif de - Vcc qui est transmis intégralement au point B
par le condensateur C. Ce point B qui était à un potentiel de + Vcc / 2 passe donc à :
Nous sommes revenus au point de départ de notre explication et un nouveau cycle peut recommencer.
En faisant varier la position du curseur du potentiomètre P1, les constantes de temps de charge et de décharge de C
(celle relative à la période t3 - t1 et celle relative à la période t5 - t3)
varient.
Ainsi, le rapport cyclique R
varie.
3. 2. 4. - ASTABLE
RÉALISÉ
AVEC LE CIRCUIT INTÉGRÉ 555
: LE CIRCUIT INTÉGRÉ 555
L'interrupteur I est fermé lorsque Q est au niveau L
et ouvert lorsque Q est au niveau H, ainsi qu'à la mise sous tension.
Le fonctionnement de l'oscillateur est représenté sous forme
de chronogramme à la figure 55.
A la mise sous tension, le condensateur C
se charge à travers les résistances en série RA et RB puisque l'interrupteur I
est ouvert (Q est au niveau H).
La table de vérité de la figure 56 vous indique le fonctionnement de la bascule RS.
Lorsque la tension Vc
atteint 2 / 3 Vcc, l'entrée
R passe au niveau H, donc la sortie Q passe au niveau L. Ceci ferme l'interrupteur I.
Le condensateur C se décharge
à travers la résistance RB. La constante de décharge vaut
q1
= RB C. Lorsque Vc
atteint le seuil 1 / 3 Vcc, l'entrée S passe au niveau H et Q repasse au niveau H.
Le condensateur C se recharge avec une constante de temps
q2 = (RA + RB) C
et le cycle continue ainsi indéfiniment.
La période T
du signal rectangulaire, ainsi que le rapport cyclique R,
sont donnés par les formules suivantes :
T = 0,7 (2 RB + RA) C
R = (RA + RB) / (RA + 2 RB)
Il est donc possible de faire varier
ces deux paramètres en modifiant les valeurs respectives des trois composants RA, RB et C.
3. 2. 5. - MONTAGES OSCILLATEURS UTILISANT UN
QUARTZ
Presque tous les montages vus précédemment
utilisent des réseaux RC.
Ces montages peuvent avoir une
stabilité insuffisante pour certaines réalisations. Des oscillateurs à quartz
sont donc utilisés quand une stabilité élevée est requise pour un montage.
Ce critère de stabilité intervient dans les horloges mesurant le temps dans lesquelles une stabilité de
10-6,
soit
1 seconde sur 13 jours
environ, est couramment atteinte.
Dans les circuits numériques
travaillant à leur vitesse limite, une grande stabilité est également nécessaire
pour ne pas dépasser les normes de fonctionnement des circuits intégrés.
Un autre exemple est fourni par les
systèmes de communications à microprocesseurs où une très bonne stabilité
est requise.
a) Les cristaux de quartz
Le quartz est de silice (Si02)
cristallisée dans le système hexagonal.
Il existe trois axes de symétrie
dans la structure cristalline du quartz comme le montre la figure 57.
Ce sont :
l'axe optique ZZ' passant par les sommets.
l'axe mécanique XX' passant par les arêtes.
l'axe électrique YY' perpendiculaire aux faces de l'hexagone.
En électronique, le quartz
est représenté par le symbole de la figure 58-a.
La figure 58-b montre l'aspect du boîtier couramment utilisé
pour les quartz.
Voyons à présent leurs propriétés physiques.
b) L'effet piézo-électrique.
Dans les oscillateurs électriques, on utilise une lamelle de
quartz taillée dans le cristal selon l'un des axes vus précédemment.
Lorsque l'on applique une tension alternative aux bornes de
cette lamelle, celle-ci se déforme et entre en vibration mécanique.
On remarque que l'amplitude des vibrations mécaniques est
maximale pour une certaine fréquence de la tension alternative : ceci
constitue la fréquence de résonance de la lame de quartz qui dépend principalement de l'axe choisi pour la taille, des dimensions, et de l'épaisseur
de cette lamelle.
Lorsque le cristal de quartz est à la résonance, il se
comporte comme un circuit accordé qui aurait comme structure celle représentée
à la figure 59.
Voici quelques valeurs typiques des éléments de ce circuit.
L = 3 H
Cs = 0,05 pF
Rs = 2 kW
Cm = 10 pF
La capacité de Cm est due
au montage (d'où son nom :capacité de montage)
de la lame de quartz entre deux armatures métalliques qui forment un condensateur.
Le circuit série L,
Cs, R est le circuit équivalent au cristal lui-même. Remarquez la faible valeur du
condensateur Cs et par contre, la valeur
importante de l'inductance L par rapport à celles obtenues avec des bobinages. C'est cette dernière caractéristique qui
donne au quartz un facteur de qualité
Q
= (Lw) / R
très élevé. Ce facteur Q a couramment une valeur de plusieurs milliers voire de plusieurs dizaines de milliers alors qu'il
dépasse rarement 100 dans les circuits
LC
discrets. Ce facteur de qualité permet d'obtenir des oscillateurs à quartz
d'une très bonne stabilité en fréquence.
On peut définir deux fréquences de
résonance distinctes pour ce cristal :
la fréquence de résonance série due au cristal lui-même et pour laquelle l'impédance est minimale car
L
entre en résonance avec Cs.
la fréquence de résonance parallèle due à la
mise en parallèle sur le circuit
R, L, Cs
de la capacité de montage Cm. Pour cette fréquence
de résonance parallèle que l'on appelle parfois improprement fréquence
d'auto
résonance, l'impédance aux bornes du quartz passe un maximum comme
pour tout circuit LC
parallèle.
La figure 60 donne la courbe de
l'impédance d'un quartz en fonction de la fréquence du signal appliqué à ses bornes.
c) Oscillateurs à quartz.
On peut donc imaginer deux types d'oscillateurs selon que l'on
utilisera la résonance série ou la résonance parallèle.
Toutefois, les oscillateurs à résonance série sont plus précis
et plus stables car ils oscillent rigoureusement sur la fréquence du cristal lui-même.
Par contre, les oscillateurs utilisant la résonance parallèle
sont tributaires de la valeur de la capacité de montage Cm
et d'autres capacités parasites du montage. Celles-ci, mises éventuellement en parallèle sur le quartz, peuvent faire varier la fréquence de l'oscillateur.
C'est donc les premiers que nous retiendrons généralement pour
l'utilisation dans les montages logiques ou à microprocesseurs.
La figure 61 en donne un exemple très simple.
Tout oscillateur est constitué d'un amplificateur et d'une réaction
du signal de sortie en phase avec le signal d'entrée.
Ici, les deux inverseurs en série jouent le rôle d'un
amplificateur non inverseur alors que la réaction est opérée par le quartz
qui, à sa fréquence de résonance série, se comporte comme une simple résistance
et n'apporte donc aucun déphasage.
Le condensateur C et les résistances
servent à faire osciller le montage au démarrage jusqu'à ce que le quartz entre en résonance.
Au point milieu des deux résistances est prélevé le signal
rectangulaire de sortie.
Cette théorie se termine donc avec ce montage utilisant un quartz.
La prochaine théorie sera consacrée aux systèmes
de numération et aux différents codes utilisés en électronique numérique.
Montage Astable utilisant deux inverseurs
. DT est exprimé en secondes.
.
La valeur de la résistance R2 doit être au moins dix fois supérieure à celle de R1.
.gif)
la fréquence de résonance série due au cristal lui-même et pour laquelle l'impédance est minimale car
L
entre en résonance avec Cs.
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