Comment générer un signal d’horloge sans GBF ?
NIVEAU 2
Objectifs
- Mettre en oeuvre un oscillateur pour générer un signal d’horloge à une fréquence particulière
- Mettre en oeuvre un quartz pour générer un signal d’horloge à une fréquence précise
Pré-requis
Génération d’un signal rectangulaire / 555
Il existe des circuits intégrés servant à la temporisation et à la génération d’un signal rectangulaire dont le temps actif est paramétrable. Le plus connu d’entre eux est le NE555 (ou LM555).
Il est composé d’un ensemble de fonctions électroniques détaillées dans la section suivante. C’est un composant actif, il faut donc l’alimenter. Il faut également lui associer 1 ou 2 résistance(s) et 1 condensateur (voir sections Fonctionnement monostable et Fonctionnement astable).
Principe de fonctionnement
Cette partie est inspirée de la page Wikipedia NE555. Les schémas proviennent de la documentation technique du LM555.
La structure interne est la suivante :
On peut repérer :
- 2 comparateurs
- 3 résistances configurées en diviseur de tension, permettant d’obtenir deux tensions de référence pour les comparateurs, respectivement de 1/3 et 2/3 de \(V_{cc}\)
- 1 bascule Reset/Set (élément de l’électronique numérique séquentiel) commandée par la sortie des comparateurs
- 1 porte logique inverseuse
- 1 transistor en commutation, permettant la décharge du condensateur de temporisation associée au circuit
En fonctionnement normal, le NE555 peut être dans l’un des 4 états suivants (système séquentiel) :
- RESET est à un niveau bas : la bascule est remise à zéro, le transistor de décharge s’active et la sortie reste impérativement à un niveau bas. Aucune autre opération n’est possible
- TRIG est inférieur à 1/3 de VCC : la bascule est activée (SET) et la sortie est à un niveau haut, le transistor de décharge est désactivé
- THRES est supérieur à 2/3 de VCC : la bascule est remise à zéro (RESET) et la sortie est à un niveau bas, le transistor de décharge s’active
- THRES et TRIG sont respectivement inférieurs à 2/3 de VCC et supérieurs à 1/3 de VCC : la bascule conserve son état précédent de même que pour la sortie et le transistor de décharge
Deux fonctionnements sont alors préconisés par le constructeur dans la documentation technique.
Fonctionnement monostable
Le fonctionnement monostable (un seul état stable) nécessite une action extérieure pour déclencher une impulsion d’une durée calibrée dans le temps.
L’événement extérieur déclencheur est le signal TRIGGER. L’impulsion calibrée dans le temps sera récupérée sur le signal OUTPUT.
La durée de l’impulsion est déterminée par le temps de charge et de décharge de la capacité \(C\) à travers la résistance \(R_A\).
Le constructeur donne l’exemple suivant :
La durée \(\Delta{}T\) de l’impulsion vaut alors : \(\Delta{}T = 1.1 \cdot R_A \cdot C\).
Fonctionnement astable
Le second fonctionnement possible est le mode astable. Il s’agit de la génération d’un signal rectangulaire de période et de rapport cyclique caractérisés par les 3 éléments passifs (2 résistances \(R_A\), \(R_B\) et 1 condensateur \(C\)) qu’on ajoute au composant.
La durée de l’impulsion est déterminée par le temps de charge et de décharge de la capacité \(C\) à travers les résistances \(R_A\) et \(R_B\).
Le constructeur donne l’exemple suivant :
Les différentes durées sont données par les relations suivantes :
- Temps de charge / Sortie à l’état haut : \(\Delta{}T1 = 0.693 \cdot (R_A + R_B) \cdot C\)
- Temps de décharge / Sortie à l’état bas : \(\Delta{}T2 = 0.693 \cdot R_B \cdot C\)
- Période du signal : \(\Delta{}T = \Delta{}T1 + \Delta{}T2 = 0.693 \cdot (R_A + 2 \cdot R_B) \cdot C\)
- Rapport cyclique du signal : \(D = (R_A + R_B) / (R_A + 2 \cdot R_B)\)
Génération plus précise d’un signal d’horloge / Quartz
Qu’est-ce qu’un quartz ?
Le quartz est une espèce minérale qui a des propriétés piézoélectriques intéressantes. On peut obtenir des fréquences d’oscillations très précises lorsqu’il est stimulé électriquement.
Pour l’électronique, le quartz est synthétisé et on l’utilise comme composant électrique qui oscille à une fréquence stable.
La fréquence de résonance dépend de la taille, de la forme, de l’élasticité et de la dispersion sonore du matériau utilisé. Les quartz HF sont généralement taillés sous forme d’un simple parallélépipède. Les quartz BF, typiquement ceux utilisés dans les montres à quartz, ont la forme d’un diapason.
Lorsqu’il est soumis à un champ électrique, le quartz se déforme par effet piézoélectrique inverse. Le champ électrique est appliqué par une différence de potentiel entre deux électrodes placées dans le quartz. Lorsque le champ est coupé, le quartz génère à son tour un champ électrique lorsqu’il reprend sa forme initiale, provoquant une différence de potentiel entre les électrodes. L’alternance de ces deux états, entretenue par un composant actif, va se stabiliser sur une des fréquences de résonance du quartz.
Montage oscillateur à base d’un quartz
Afin de stimuler le quartz, il est nécessaire de l’intégrer dans un montage comportant un élément actif, c’est à dire nécessitant une source d’énergie.
Un montage possible est celui proposé ici :
L’élément actif est ici une double porte logique inverseuse (type NAND – CD4011 – dont les deux entrées sont cablées ensemble).
Tutoriel lié
MInE Prototyper Prototyper avec Nucleo et MBED