Un générateur sinusoïdal 1 kHz

Il est possible, à partir de quelques composants, de réaliser un oscillateur BF simple mais capable de produire un signal à fréquence fixe à très faible distorsion. Qui plus est, même si le montage que nous vous proposons produit, à l’origine, un signal à 1 000 Hz, il vous sera toujours possible de faire varier cette fréquence par simple substitution de trois condensateurs et deux résistances.

Figure 1 : Voici comment se présente le petit boîtier plastique contenant notre montage, un générateur d’ondes sinusoïdales de 1 kHz. La face avant, en aluminium, est percée et sérigraphiée.

orsqu’on a besoin d’un générateur BF économique qui puisse fournir en sortie une fréquence de référence, il faut, avant de se lancer dans le projet, savoir ce que l’on va en faire. Si cette fréquence doit être utilisée pour piloter des circuits numériques, il suffit de trouver un quartz oscillant sur la valeur de fréquence voulue et de mettre à profit l’un des schémas que notre revue a souvent publiés.
En revanche, si cet échantillon de fréquence doit être utilisé pour le contrôle des amplificateurs Hi-Fi, des filtres analogiques, etc., on doit mettre de côté les oscillateurs à quartz et recourir à un oscillateur RC (Résistance/Capacité ou Condensateur*) tout simple mais en mesure de fournir une onde sinusoïdale à très faible distorsion.
Etant donné que l’exécution de la moindre mesure, dans l’univers des basses fréquences, réclame la fréquence standard de 1 000 Hz, nous voulons vous proposer ce mois-ci un oscillateur RC à déphasage, simple et économique, se contentant de mettre en oeuvre un seul transistor NPN et 2 amplificateurs opérationnels (amplis-op) contenus dans un seul circuit intégré NE5532.
*Note : Le condensateur est le composant matériel tandis que la capacité est sa caractéristique essentielle exprimée en sous-multiples du farad (μF, nF, pF). Pour la résistance, cette distinction n’existe pas, du moins en français, la résistance étant à la fois le composant matériel et sa caractéristique essentielle exprimée en ohm ou en multiple d’ohms (Ω, kΩ, MΩ).

Le schéma électrique
Si l’on place entre le collecteur et la base du transistor TR1 (figure 2) 3 condensateurs de capacités identiques (Cx) et 2 résistances de valeurs égales (Rx), on obtient un oscillateur car le signal prélevé sur le collecteur revient vers la base déphasé de 180° (π/2), ce qui produit une onde superbement sinusoïdale (figure 10).
La fréquence obtenue grâce à cet oscillateur dépend des valeurs des 3 condensateurs Cx et des 2 résistances Rx.
La formule permettant de trouver la valeur de la fréquence en Hz est :

hertz = 39 900 : (Cx x Rx)

où Cx est en nanofarad (nF) et Rx en kilohm.
Cette formule nous fait comprendre qu’en faisant varier Cx (3 condensateurs) et Rx (2 résistances) nous pouvons obtenir n’importe quelle autre fréquence et ce, pratiquement, entre 200 Hz et 800 kHz.
Comme dans la liste des composants, la valeur des condensateurs Cx est de 18 000 pF (picofarads), avant de l’introduire dans notre formule, nous devons la convertir en nF en la divisant par 1000, soit 18 nF*.

Note : Le pF est le plus petit sous-multiple du farad (F). Il en faut 1 000 pour faire un nF, 1 000 000 pour faire un microfarad et 1 000 000 000 pour 1 F (le farad n’est pratiquement jamais utilisé).

De même, la valeur de Rx est 2 200 ohms : il faut la convertir en kilohms, là encore en la divisant par 1000, soit 2,2 kilohms.
Si nous introduisons ces 2 valeurs dans la formule cidessus, nous obtenons une valeur de fréquence de :
39 900 : (18 x 2,2) = 1 007 Hz.

Nous vous rappelons que la valeur de fréquence que cette formule permet de trouver n’est qu’approchée car il faut toujours avoir présent à l’esprit que les condensateurs et les résistances ont une tolérance, souvent de l’ordre de ±5 %. Par conséquent, ne soyez pas étonnés si, mesurant la fréquence de l’oscillateur avec un fréquencemètre numérique, vous lisez 980 ou 1 030 Hz au lieu des 1 007 Hz attendus.
Revenons maintenant au schéma électrique de la figure 2. Vous remarquez que la fréquence produite par le transistor TR1 est prélevée sur son collecteur à travers C3 (100 000 pF, soit 100 nF) et appliquée à l’entrée non inverseuse (broche 5) de l’ampli-op IC1-B utilisé en étage amplificateur.
Dans une future leçon du cours d’électronique, nous expliquerons la fonction remplie par les 2 résistances R11 et R12 ainsi que par la diode zener DZ1 de 4,3 V. On y verra que, pour alimenter un étage d’amplification utilisant un ampli-op avec une tension simple (asymétrique), il est indispensable de réaliser une masse fictive dont la tension doit être égale à la moitié de la tension d’alimentation, par ex. 4,5 V pour 9 V (figure 3).
C’est à cette masse fictive que sont reliées les résistances R8 et R9 alimentant les broches 5 et 6. Comme notre montage est alimenté par une pile type 6F22 de 9 V, notre masse fictive devra avoir une valeur de 9 : 2 = 4,5 V.
Même si nous utilisons une diode zener de 4,3 V (DZ1, figure 2), car il n’existe pas de zener de 4,5 V, soyez assurés qu’une différence de 0,2 V ne modifiera en rien le fonctionnement de l’amplificateur.
Pour savoir combien de fois est amplifié le signal appliqué à la broche 5, on peut utiliser cette formule simple :
gain = (R10 : R9) + 1

Or, dans notre schéma, la résistance R10 est de 10 000 ohms et la résistance R9 est de 5 600 ohms. L’étage IC1-B amplifie donc le signal appliqué à son entrée :
(10 000 : 5 600) +1 = 2,78 fois.

Le signal amplifié est ensuite prélevé sur la broche 7 de IC1-B à travers le condensateur électrolytique C8 et appliqué au potentiomètre de sortie R13.
La fonction de IC1-B étant clarifiée, il ne reste qu’à décrire celle de l’ampli-op IC1-A, amplificateur de tension continue chargé de maintenir stable l’amplitude du signal BF prélevé en sortie de IC1-B.
Comme on le voit, l’entrée non inverseuse (broche 3) de IC1-A est polarisée par la tension continue prélevée sur le curseur du trimmer R12.
Tandis que l’autre entrée, inverseuse (broche 2), est polarisée par la tension continue prélevée sur la broche 7 de IC1-B à travers la diode au silicium DS1. Cette diode DS1, en dehors du fait qu’elle laisse passer la tension positive présente à la sortie de IC1-B, redresse le signal sinusoïdal BF et fournit ainsi une tension continue, utilisée pour maintenir stable l’amplitude du signal BF produit par le transistor TR1.
Une fois réglé le curseur du trimmer R12 de manière à obtenir en sortie un signal BF de 3,5 Vpp, si l’amplitude de ce signal diminue, la diode DS1 appliquera à l’entrée inverseuse (broche 2) de IC1-A une tension plus faible et, par conséquent, augmentera la tension positive sortant de la broche 1 : le transistor TR1, recevant une tension plus for te, augmentera l’amplitude du signal BF. Si l’amplitude du signal BF, en revanche, augmente, la diode DS1 appliquera à l’entrée inverseuse (broche 2) de IC1-A une tension plus forte et, par conséquent, diminuera la tension positive à la sortie (broche 1) : le transistor TR1, recevant une tension plus faible, diminuera l’amplitude du signal BF.
Pour compléter le commentaire de ce schéma électrique, ajoutons enfin que tout le circuit, alimenté par une tension de 9 V, consomme environ 24 mA.

Figure 2 : Schéma électrique du générateur BF et brochages du transistor BC547 vu de dessous et du circuit intégré NE5532 vu de dessus.

Figure 3 : Normalement les amplificateurs opérationnels, à part quelques-uns, doivent être alimentés par des tensions symétriques. Pour ce montage nous utiliserons une tension simple asymétrique nécessitant la création d’une «masse fictive ou virtuelle» dont la tension sera égale à la moitié de la tension générale d’alimentation.
A cette masse fictive seront reliées les 2 résistances d’entrée R8 et R9.



Figure 4a : Schéma d’implantation des composants de notre générateur BF de 1 kHz. La diode LED DL1 et l’interrupteur à glissière S1 sont placés côté cuivre du circuit imprimé.

Figure 4b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du générateur sinusoïdal 1 kHz, côté pistes.

Figure 4c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du générateur sinusoïdal 1 kHz, côté composants. Si vous réalisez vous-même ce circuit imprimé, n’oubliez pas les liaisons entre les deux faces. Le ci professionnel est un double face à trous métallisés, sérigraphié.

Figure 5 : A gauche, la photo du circuit imprimé vu côté composants et à droite vue côté cuivre (côté cuivre on peut voir la LED DL1, l’interrupteur S1 et l’axe du potentiomètre).

Liste des composants
Rx = 2,2 kΩ
R1 = 1 kΩ
R2 = 330 kΩ
R3 = 3,3 kΩ
R4 = 100 kΩ
R5 = 100 kΩ
R6 = 100 kΩ
R7 = 220 Ω
R8 = 1 MΩ
R9 = 5,6 kΩ
R10 = 10 kΩ
R11 = 470 Ω
R12 = 10 kΩ trimmer
R13 = 4,7 kΩ pot. log.
Cx = 18 nF polyester
C1 = 47 μF électrolytique
C2 = 100 nF polyester
C3 = 100 nF polyester
C4 = 1 μF polyester
C5 = 1 μF polyester
C6 = 10 μF électrolytique
C7 = 1 μF polyester
C8 = 10 μF électrolytique
DL1 = LED rouge 3 mm
DS1 = Diode 1N4148
DZ1 = Zener 4,3 V 1/2 W
TR1 = Transistor NPN BC547
IC1 = Ampli-op NE5532
S1 = Inter. à glissière


La réalisation pratique
Commencez par réaliser (figures 4b et 4c) ou vous procurer le circuit imprimé. Si vous le réalisez vous-même, n’oubliez pas les liaisons entre les deux faces. Le circuit imprimé professionnel est un double face à trous métallisés percé et sérigraphié.
Dès que vous serez en sa possession, montez tous les composants visibles figure 4a.
Commencez tout d’abord par le support du circuit intégré IC1. Après avoir soudé sur le circuit imprimé ses 8 broches, vous pouvez enfiler toutes les résistances. Mais avant de ce faire, vérifiez toujours les couleurs des bagues (voir le cours numéro 2 dans ELM 2, page 81 et suivantes) : ainsi, non seulement vous apprendrez le code des couleurs mais vous éviterez une intervention pénible par la suite.
Ensuite, insérez le trimmer R12 puis, près de C3, la diode au silicium DS1, en pensant bien à orienter sa bague noire vers le haut. Côté droit, près de C6, placez la diode zener DZ1, en vérifiant bien que sa bague noire est orientée aussi vers le haut. Il est facile de distinguer la diode zener puisque le nombre 4,3 est imprimé dessus. Pour tout cela, explorez bien la figure 4a.
Vous pouvez alors insérer tous les condensateurs polyesters, en prenant grand soin de les identifier à l’aide de la valeur de leur capacité imprimée dessus. Continuez par les 3 condensateurs électrolytiques en contrôlant cette fois, en plus de leur valeur, leur polarité +/– (en principe le – est indiqué plusieurs fois le long d’une génératrice du cylindre qui les constitue).
En haut à droite, enfilez les 3 pattes du transistor TR1, en prenant soin d’orienter la partie plate du boîtier vers le haut du circuit imprimé.
Comme le boîtier du transistor doit être maintenu à une certaine distance de la surface du circuit imprimé, il est inutile d’en raccourcir préalablement les pattes.
Au-dessus de TR1, mais sur l’autre face du circuit imprimé (figure 5), montez la diode LED DL1, en vérifiant bien, avant de souder ses 2 pattes, que sa «tête» hémisphérique sorte du trou qui lui est destiné en face avant. Profitez-en pour vérifier, toujours avant de les souder, la polarité de ses pattes : la plus longue (l’anode A) doit être orientée vers R1, la plus courte (la cathode K) est soudée sur le plan de masse bordant le circuit imprimé (figure 5, photo de droite).
Toujours sur l’envers du circuit imprimé, nous y étions, montez l’interrupteur à glissière S1.
Dans le trou situé dans la partie basse de la carte, insérez le potentiomètre R13, mais n’oubliez pas auparavant de raccourcir son axe, à l’aide d’une petite scie (figure 7).
Après, vous pourrez insérer le circuit intégré NE5532 dans son support, sans oublier d’orienter son repère-détrompeur vers la droite (figure 4).

Le montage dans le boîtier
Nous avons choisi un petit boîtier plastique mais pourvu d’une face avant en aluminium percée et sérigraphiée dans sa version professionnelle.
Vous devez tout d’abord fixer cette face avant sur la partie frontale du boîtier en utilisant 4 longues vis d’acier pourvues chacune de 3 écrous.
Sur la face avant fixez les 2 douilles pour fiches «bananes» : la noire pour la masse et la rouge pour le signal.
Mais avant de les fixer, ôtez la rondelle plastique postérieure, insérez la douille dans le trou de la face avant puis replacez la rondelle que vous aviez ôtée et vissez les écrous plats.
Sans cette précaution vous court-circuiteriez à la masse le signal de sortie (figure 8).
Après avoir fixé le circuit imprimé à l’intérieur du boîtier, reliez à l’aide de 2 morceaux de fil de cuivre les 2 douilles de sorties aux 2 pistes venant du potentiomètre R13 (figure 4). Pour finir soudez le fil rouge (+) et le fil noir (–) de la prise de pile dans les 2 trous à droite du circuit imprimé.
Respectez bien la polarité et le code des couleurs : au besoin aidez-vous de la photo de la figure 9.

Figure 6 : La face avant servant de blindage est fixée au boîtier plastique par 4 longues vis en acier.
Sur chacune 3 écrous, le second servant d’appui au circuit imprimé et le troisième pour le maintenir.


Figure 7 : Avant de fixer le potentiomètre R13 sur le circuit imprimé, vous devrez le raccourcir à l’aide d’une petite scie. Comme le montre le dessin, la longueur de l’axe doit être de 14 mm environ.

Figure 8 : Lorsque vous fixerez les 2 douilles des sorties du signal BF, sur la face avant métallique, vous devrez d’abord retirer de leur cylindre fileté la rondelle isolante, pour ensuite la remettre en place derrière la face avant en aluminium avant de visser les écrous plats.

Figure 9 : Photo d’un de nos prototypes du générateur BF, fixé dans son boîtier plastique. L’espace disponible dans la partie inférieure de celui-ci reçoit la pile 6F22 de 9 V.

Le réglage du trimmer R12
Nous pouvons vous l’assurer, cet oscillateur fonctionnera dès que vous l’aurez mis sous tension. Pour le vérifier, connectez aux 2 douilles de sorties les cordons d’un casque à écouteurs ou d’un auriculaire et tout de suite vous entendrez le son caractéristique d’une note audio à 1 000 Hz.
Afin d’obtenir en sortie un signal sans distorsion, tournez le curseur du trimmer R12 de façon à obtenir une amplitude de l’onde sinusoïdale ne dépassant pas 4 Vpp (figure 10).
Pour visualiser la forme d’onde du signal, il serait encore mieux de disposer d’un oscilloscope (figure 14).
Mais si vous n’en possédez pas, vous pouvez utiliser simplement un testeur (multimètre) réglé sur la fonction Vac (figure 12).
Après avoir tourné le bouton du potentiomètre R13 vers la valeur maximale, vous pouvez tourner le curseur du trimmer R12 jusqu’à lire sur le testeur une tension alternative maximale de 1,4 Veff. Pour convertir les Vpp (crête à crête ou pic to pic) en Veff (efficaces) et viceversa, vous pouvez utiliser la formule :

Veff = Vpp : 2,828
Vpp = Veff x 2,828
Donc 4 Vpp font : 4 : 2,828 = 1,414 Veff
et 1,414 Veff fait : 1,414 x 2,828 = 3,998 Vpp.


Figure 10 : La sortie du générateur BF présente un signal sinusoïdal de 1 kHz à très basse distorsion.

Figure 11 : Pour convertir les Veff en Vpp ou vice-versa, vous pouvez utiliser ces 2 formules simples.

Figure 12 : Pour obtenir un signal sinusoïdal sans distorsion, il faut tourner le curseur du trimmer R12 jusqu’à lire, sur le multimètre réglé sur l’échelle Vac, une tension de 1,4 V.

Fréquence hertzCapacité nanofaradRésistance kilohom
396 Hz56 nF1,8 kΩ
565 Hz47 nF1,5 kΩ
824 Hz22 nF2,2 kΩ
1 007 Hz18 nF2,2 kΩ
1 209 Hz22 nF1,5 kΩ
1 511 Hz12 nF2,2 kΩ
2 216 Hz12 nF1,5 kΩ
4 650 Hz3,9 nF2,2 kΩ
10 075 Hz2,2 nF1,8 kΩ

Figure 13 : Pour connaître la valeur de la fréquence produite par un oscillateur du type de celui visible figure 2, on peut se servir de la formule : hertz = 39 000 : (Cx x Rx).
Ce tableau présente les fréquences que vous pourrez obtenir en combinant les valeurs de résistances et de capacités standards. Nous vous rappelons que Cx est en nanofarad et Rx en kilohm.


Figure 14 : Si vous possédez un oscilloscope, tournez le curseur du trimmer R12 jusqu’à visualiser sur l’écran un signal dont l’amplitude soit de 4 Vpp, ce qui correspond à 1,4 Veff. Si vous possédez un fréquencemètre numérique, il sera beaucoup plus facile d’obtenir une valeur de fréquence exacte, en retouchant légèrement la valeur des 3 condensateurs Cx ou des 2 résistances Rx.

Pour conclure
Si d’aventure vous aviez besoin, pour une application particulière, d’un signal sinusoïdal à très basse distorsion mais d’une fréquence différente de 1 000 Hz, il vous suffirait d’utiliser ce schéma et de calculer les valeurs de Cx et Rx vous permettant de produire la fréquence requise.

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