dimanche 3 avril 2016

Et oui, encore un générateur d'onde sinusoîdale à pont de Wien!

(Мais actualisé grâce à l'emploi d'un ampli opérationnel top model!)


Je suis actuellement en train de créer un ensemble d'instruments de mesure qui me serviront à évaluer la qualité de mes montages. Un des composants essentiels est un analyseur de spectre avec calcul du taux de distorsion harmonique et bien sûr il faut pour cela une source d'onde sinusoïdale a très faible distorsion.

Une recherche poussée sur Internet de circuits générateurs de fonctions m'a amené à la conclusion qu'il n'existe que 2 solutions pour obtenir un très faible taux de THD: soit un montage stabilisé par ampoule, qu'il soit à pont de Wien ou à déphasage consécutifs (comme Reference-sine-wave-generator), soit un montage comportant un contrôle automatique du gain (Automatic Gain Control).

La solution de l'ampoule ne me convient pas car ce composant, devenu plutôt rare est relativement coûteux, surtout si l'on considère le coût de transport d'une ampoule grain de riz (si cher à nos amis Chinois). De plus une ampoule reste fragile.

Si l'on considère la solution du CAG (!), il y a principalement deux types de composants utilisables pour stabiliser le gain: soit le classique jfet, soit l'emploi d'un composant rare, qui est un optocoupleur à photorésistance. Le montage An ultra low distortion oscillator with THD below -140 dB  met en oeuvre ce type de composant et prétend dépasser les performances de la plupart des équipements commercialisés.

Je n'ai pas besoin d'un tel niveau de performance. Une performance de -90 dB de THD me suffirait, alors que le composant mis en oeuvre coûte environ 10 euros pièces.

Donc mon choix s'est porté sur un classique montage à CAG basé sur l'emploi d'un jfet. Tiens qu'est ce que j'ai dans mon fourbi? Un tout petit mignon jfet 2SK660 de récupération, prévu pour de l'adaptation d'impédance (source microphone par exemple), à tout petit VDS, VGS variant entre +0,15V et -0,30V et travaillant dans les centaines de uA! Ca me semble pas mal du tout.  En principe tout jfet prévu pour traiter des petits signaux fait l'affaire. Un jfet N ou P à déplétion ou à enrichissement peut faire l'affaire, mais selon le type de composant, il faudra ajuster sa polarisation positive ou négative (voir le fonctionnement détaillé) en étudiant sa courbe Vgs/Vds/Id.

Enfin je me décide à baser mon travail sur un schéma simple, bien expliqué BudgetWien bridge oscillator with low THD. Néanmoins, le THD de ce montage n'est pas évalué et je pense qu'il pêche un peu par le fait que la boucle de contrôle risque d'influencer la sortie. De plus je souhaite pouvoir régler directement l'amplitude du signal à la manière de janascard.cz . Il s'agit donc de concevoir le montage hybride suivant:








Ce montage comporte

1) Un aop de dernière génération (U1), qui affiche un THD inférieur à -90 dB, AD823, monté en oscillateur. Il s'agit d'un simple pont de Wien mettant en oeuvre des résistances 1% et des condensateurs à film métallisé. R = 10 KOhm, C = 15 nF, donc la fréquence théorique est de 1061 Hz. La stabilité de l'amplitude de l'onde et son faible taux de distorsion dépendent principalement du rapport des résistances dans la boucle de contre réaction (notons Rcr) et entre l'entrée inverseuse et la masse (Rm). Le gain de l'ampli op (1 + Rcr/Rm) doit être stabilisé exactement à 3 et c'est le rôle du CAG. Afin de respecter une certaine symétrie des impédances sur les entrées de cet ampli op à jfet, Rcr est choisie égale à 20 KOhm (R16) + 330 Ohm (R13) qui servent aussi à protéger la sortie de l'ampli. Rm est constitutée de 10 KOhm (R15) + un potentiomètre multi-tours de 300 Ohm (remplacé dans ce schéma par 470 Ohm R17 // 1 KOhm  R11) + le jfet  en parallèle avec une résistance de 100 Ohm (R14).

2) Le circuit de contrôle de l'AGC. Il est constitué par la tension prélevée à la sortie du montage et redressée en simple alternance (positive) par la diode schottky BAT85 (D1, ou simple diode type 1N4148) et le condensateur de 100 nF (C3). La résistance de 1MOhm en parallèle permet de décharger le condensateurs avec une constante de temps longue par rapport à la période du signal. La tension RMS obtenue est bufférisée dans l'aop inverseur LM358N (U3) avant d'être comparée à une tension de référence variable (voir après) La différence de tension est obtenue par l'addition des tensions sachant que la tension de référence a été inversée (négative). L'aop "additionneur" comporte un gain qui doit être déterminé en fonction du jfet de manière a freiner la tendance naturelle du signal soit à croître soit à décroître. Si le gain est insuffisant , le signal va tout de même saturer ou s'éteindre, si le gain est trop fort, il va "rebondir" et osciller. Les deux tensions comparées sont proposées sous une impédance de 100 KOhm et le gain dépend du rapport de R12 sur l'impédance d'entrée. La différence de tension est élevée d'une tension de diode 1N4148 (diode D4 + résistance pull-up R18) de manière à polariser le JFET en passant tant que l'amplitude de l'onde n'atteint pas le niveau de tension désiré. La tension VGS est limitée dans une plage respectant les spécifications de Vgs du jfet par les deux diodes D2 et D3 . Le Jfet va agir comme un frein, totalement relâché jusqu'à ce qu'on obtienne le niveau d'amplitude désiré, puis il est dépolarisé à une vitesse dépendant du gain. L'impédance entre le drain et la source augmente alors rapidement et l'ensemble jfet // résistance ce comporte comme un potentiomètre logarithmique. La valeur globale de Rm augmentant, le gain de l'aop oscillateur diminue et passe d'une valeur supérieure à 3 à une valeur très proche dépendant du niveau d'amplitude souhaité de l'onde.

Le potentiomètre multi-tours sert à positionner la valeur "à vide" de Rm, c'est à dire Jfet passant. Le réglage consiste à visualiser à l'oscilloscope (ou au voltmètre?, non testé) le moment ou l'onde passe de l'état saturée, c'est à dire d'une amplitude presque égale à Vcc-Vee à une tension stable qui ne dépend que du réglage de la tension de référence par un potentiomètre de 10 KOhm (schéma ci-dessous). Lorsque l'amplitude est bien calée, elle doit varier en modifiant la valeur de ce potentiomètre et ne plus varier lorsque l'on modifie très légèrement le potentiomètre multi-tours R11. D'autre part, il faut vérifier que l'on a réglé le multi-tours bien au milieu de la plage de fonctionnement en laissant refroidir le montage et en vérifiant si l'onde se stabilise bien "à froid". Il n'est pas exclu qu'il faille re-calibrer le montage à l'occasion.    


 
3) La tension de référence est créée en utilisant une tension de référence dont je dispose déjà, de 3,3V. Après passage dans un potentiomètre de 10 KOhm et un aop inverseur de gain -2, j'obtiens une tension variant de pratiquement 0 à -6,6V. Pour créer un tension de référence, il suffit d'utiliser un composant du genre TL431 (voir sa fiche technique).





Le résultat est finalement très intéressant. L'onde est visuellement très belle. En alimentant le montage en +/- 8V, j'obtiens une amplitude variable entre 0,9V et environ 6V crête à crête. Reste à déterminer le THD, ce que je ferai lorsque l'appareil sera construit (rendez-vous pour un prochain article!).

De plus ce montage m'a coûté 0 euros, en utilisant mes composants en stocks.