électronique & musique

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Un oscillateur avec trois composants

Certains circuits intégrés extrêmement courants peuvent receller des capacités insoupçonnées...

C'est le cas par exemple du CD40106. Ce composant permet de créer pas moins de six oscillateurs avec seulement quelques composants additionels, grâce aux six fonctions de porte inverseuse à bascule de Schmitt dont il est équippé.

Une porte inverseuse de Schmitt, me demanderez-vous, mais qu'est-ce donc ?

Tout d'abord, sa schématisation et sa table de vérité :



Le rôle d'une porte inverseuse est d'inverser l'état logique présent à son entrée. En électronique, l'état logique est représenté par une tension "haute" (par exemple, tension d'alimentation) ou "basse" (à la masse). Dans le cas d'une porte "normale" ("non Schmitt") la bascule se produit à une certaine tension, située entre ces tensions haute et basse. 

On voit déjà se profiler l'oscillation : si l'on réinjecte la sortie à l'entrée, la porte inverseuse va continuellement changer d'état, constituant un oscillateur de fréquence infinie. Infinie en théorie, et très grande en pratique, en raison du temps (petit mais non nul) nécessaire à la commutation. Pour définir une fréquence d'oscillation (dans le domaine audible si possible..) il faudrait pouvoir contrôler le temps pris par la commutation.

Qui dit "temps" en électronique dit "condensateur", ou plus précisément couple "résistance-condensateur" (ou RC). Pour faire simple, le condensateur est un composant passif qui a la capacité d'emmagasiner une charge électrique (charge) et de la restituer (décharge), en fonction de la tension appliquée à ses bornes. Associé à une résistance en série, qui va permettre de contrôler le courant de charge/décharge, on peut contrôler le temps de charge/décharge du condensateur (sans résistance, la charge ou décharge est instantanée). Le temps nécessaire à la charge (ou décharge) est proportionel à R x C (valeur de la résistance multipliée par la valeur (capacité) du condensateur).



Au cours de la charge/décharge du condensateur, la tension à ses bornes varie de 0V lorsque le condensateur est totalement déchargé (le condensateur se comporte comme un court-circuit) à Vcc lorsque qu'il est totalement chargé (le condensateur se comporte alors comme un interrupteur ouvert).

Pour plus de détail sur le fonctionnement du condensateur, voir ici.

Revenons à notre porte inverseuse de Schmitt. Comment mettre à profit le montage RC pour réaliser un oscillateur de fréquence contrôllable ? Réponse : en réinjectant sur l'entrée la tension de sortie modulée par un montage RC.

L'interêt de la bascule de Schmitt est de créer une plage de variation de tension entre les bascules, sur laquelle l'oscillateur va être construit.



Description du cycle :
  1. instant initial : C déchargé, Uc = 0V ; donc Ua = 0V (0 logique) et Ub = 9V (1 logique)
  2. le condensateur se charge à travers R => la tension Uc augmente progressivement
  3. Uc devient égale à Ubascule_haute => Ua = Ubascule_haute (1 logique) et Ub = 0V (0 logique)
  4. le condensateur se décharge à travers R => la tension Uc diminue progressivement
  5. Uc devient égale à Ubascule_basse => Ua = Ubascule_basse (0 logique) et Ub = 9V (1 logique)
  6. goto 2

Remarque : ce fonctionnement n'est possible qu'avec la bascule de Schmitt, qui présente des tensions de bascules différentes . Pour une porte inverseuse "classique" la commutation se fera toujours à la même tension Ubascule_haute = Ubascule_basse = Ubascule, ce qui ne permet pas au condensateur de se décharger ou se charger ; on se retrouve ici encore avec un oscillateur de fréquence "infinie".


Et voilà ! Un oscillateur, un. La tension récuppérée sur la borne de sortie de la porte (Ub) est un signal carré dont la fréquence est déterminée par les valeurs de R et de C :

f = k / (R C)

avec k = constante de l'ordre de 1, dépendant des caractéristiques du composant


Mais alors, ça sonne comment ? Ô bonheur, ô nostalgie ! Le fameux bip des premiers ordinateurs et consoles de jeux des années 80...

Un exemple de montage utilisant ce type de composant comme oscillateur est le Weird Sound Generator (WSG). Le WSG est construit autour d'un CD40106 qui contient 6 portes inverseuses à bascule de Schmitt, et permet donc de construire 6 oscillateurs.

Ce type d'oscillateur est extrêment intéressant pour le bricoleur sonore : il est très facile à réaliser, ne compte que quelques composants (un circuit intégré, 1 résistance et 1 condensateur), et au final ne coûte quasiment rien (le CD40106 qui permet de construire 6 oscillateurs coûte environ 1€). Il est évolutif (par exemple remplacer la résistance par un potentiomètre permet de régler la fréquence), et en en combinant plusieurs, il permet de construire des machines au rendu sonore relativement complexe (cf le WSG).

Par contre le contrôle de la fréquence peut être problématique. En particulier ce type de montage n'a pas la réputation d'une stabilité en fréquence extraordinaire. Ce montage ne conviendra donc sans doute pas à ceux qui veulent construire un véritable synthé, et qui recherchent (à raison) la justesse.


Plus sur la porte inverseuse à bascule de Schmitt sur Wikipedia.


22/10/2009
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