Générateur audio 9

Petit générateur de signal BF, bande 20 Hz à 20 KHz, avec signaux sinus, triangle et carré. Circuit basé sur l'utilisation d'un CI spécialisé (assez ancien) de type XR2206. Le circuit est alimenté sous une tension comprise entre +9 V et +15 V, et demande un courant compris entre 20 mA et 30 mA selon la fréquence du signal de sortie. Il est donc tout à fait possible de le faire fonctionner sur piles ou accus.

Schéma

Un des schémas d'application constructeur est le suivant, il nécessite une alimentation symétrique.

gene_audio_009b

Je l'ai un peu modifié, ce qui donne ceci :

gene_audio_009

Réglages

RV1 : amplitude max. Ce réglage ne s'applique que pour les formes d'onde sinus et triangle, et permet de limiter l'amplitude max en sortie Out quand le potentiomètre RV6 est à son max.

RV2 : symétrie. A régler pour une symétrie maximale.

RV3 : distorsion. A régler pour un minimum de distorsion. On peut arriver à une distorsion inférieure à 0,5% sur le signal sinus.

RV4 : fréquence du signal de sortie.

RV5 : Étalonnage fréquence. Ce potentiomètre doit être réglé de telle sorte que l'on mesure 3,0 V au point commun RV4 / RV5, quand RV4 est en position centrale.

RV6 : amplitude du signal disponible en sortie Out.

SW1 : choix entre sinus (inter fermé) et triangle (inter ouvert)

K2 : gamme fréquence. Avec condensateur 1 nF : gamme des hautes fréquences, avec condensateur 1 uF, gamme des basses fréquences.

Oscillateur (coeur du montage)

Le XR2206 fait tout, ou presque. Il intègre tous les éléments nécessaires pour produire les trois formes d'ondes, avec très peu de composants additionnels. Les formes d'onde sinus et triangle ne peuvent pas être obtenues simultanément, il faut choisir l'une ou l'autre, via l'interrupteur SW1. Le signal sélectionné est alors disponible sur la broche 2 du circuit intégré. Le signal carré est quant à lui toujours disponible séparément, sur la broche 11. Le réglage de la symétrie des signaux de sortie s'effectue via le potentiomètre RV2 de 22K, et le réglage permettant une distorsion minimale est assuré par RV3 de 1K.

Fréquence d'oscillation

La fréquence du signal de sortie dépend de la valeur du condensateur "C" relié entre les bornes 5 et 6 du circuit XR2206, et de la valeur de la résistance "R" câblée entre la borne 7 (ou 8) et la masse, selon la formule suivante :

F = 1 / (RC)
avec F en Hertz, R en ohms et C et farads.

Exemple 1 : si R = 100K et C = 50 nF, alors F = 1 / (100000 * 0,00000005) = 200 Hz

Exemple 2 : si R = 1K et C = 50 nF, alors F = 1 / (1000 * 0,00000005) = 20000 Hz

Il est possible de couvrir une plage de fréquence de 0,01 Hz à 1 MHz, avec une valeur de condensateur qui doit rester comprise entre 1 nF et 100 uF, et une valeur de résistance qui doit rester comprise entre 1 KO et 3 MO. Avec un seul condensateur de valeur 50 nF et avec un potentiomètre de 1 MO monté en série avec une résistance de 1 KO, on peut donc disposer d'une plage continument ajustable de 20 Hz à 20 KHz, ce qui correspond à un rapport de variation min / max de 1:1000. On remarque cependant que la qualité des signaux produits est un peu inférieure avec une résistance de forte valeur, et c'est pourquoi on peut préférer disposer de plusieurs gammes présentant un rapport de variation de 1:10 ou 1:100 au lieu de 1:1000. Pour un usage en labo, cela peut avoir son importance, mais pour un usage en effets spéciaux (en association avec un modulateur en anneau par exemple), une gamme couverte en une fois sera bien pratique et suffisante.

Fréquence et loi de variation

Dans les schémas les plus simples, le réglage de la fréquence s'effectue avec un potentiomètre câblé entre patte 7 (ou 8) et masse. En procédant ainsi, la fréquence ne suit pas une variation linéaire en fonction de la position du curseur du potentiomètre, mais suit une variation de type hyperbolique, ce qui se traduit pratiquement par une variation de la fréquence qui n'est pas proportionnelle à la position du curseur du potentiomètre de réglage, avec un tassement important dans les fréquences élevées d'une même gamme :

Exemple avec gamme 100 Hz - 1 KHz : 

- position pot à 100% : fréquence 100 Hz 
- position pot à 50% : fréquence 200 Hz 
- position pot à 25% : fréquence 400 Hz 
- position pot à 10% : fréquence 1 KHz 

Donc pour la première moitié de la plage de variation du potentiomètre, variation de la fréquence entre 100 Hz et 200 Hz, et pour la seconde moitié de la plage de variation du potentiomètre, variation de la fréquence entre 200 Hz et 1 KHz. La répartition est "inégale". Pour rendre le réglage linéaire et plus "agréable", on peut ajouter quelques composants simples, comme cela est fait ici avec les éléments RV5 / RV4 / R8 / R10.

Étages de sortie

Pour la sortie principale Out, un transistor NPN de type 2N2222 (Q2) est ajouté pour disposer d'une sortie basse impédance. Il est monté en suiveur de tension et on dispose sur son émetteur d'un signal identique à celui appliqué sur sa base, avec une amplitude à peine inférieure (environ 0,6 V en moins). Pour la sortie TTL, il en est de même, un transistor est là aussi monté en suiveur de tension (Q1), mais cette fois sous une alimentation de +5 V et non pas de +15 V, puisqu'il faut répondre à la norme TTL (niveaux logiques 0 V ou +5 V).

Prototype

Réalisé sur plaque d'expérimentation sans soudure. Il existe plusieurs types de XR2206, celui dont je dispose est le modèle XR2206CP, le moins performant et le moins coûteux. Bien suffisant si on se contente de le faire travailler dans la gamme de fréquences que j'ai choisie ici.

 
Le circuit principal (à gauche) et la sortie TTL (à droite)

Un oscilloscope est nécessaire pour obtenir des formes bien "propres", rien ne vous empêche d'utiliser un modèle logiciel tournant sur PC et basé sur l'emploi d'une carte son classique. Voici ci- après des photos d'écran montrant ce que l'on peut obtenir avec des réglages non appropriés :

gene_audio_009_proto_001_oscillo_a gene_audio_009_proto_001_oscillo_b gene_audio_009_proto_001_oscillo_c

Et des photos d'écran avec réglages corrects effectués 

gene_audio_009_proto_001_oscillo_d gene_audio_009_proto_001_oscillo_e gene_audio_009_proto_001_oscillo_f

Sur mon circuit, je n'ai pas pu obtenir une sinus parfaitement symétrique, j'avais toujours les alternances négatives un peu plus "pointues" (moins arrondies) que les alternances positives, quand l'amplitude de sortie était supérieure à 1 V. Mais  cela reste néanmoins très correct et amplement suffisant pour expérimenter avec les formes d'onde de base. Et en tout cas plus propre que certains autres générateurs sinusoïdaux réalisés auparavant.

L'occasion aussi pour deux de mes enfants de découvrir qu'il était possible de générer des "missiles-laser" en choisissant correctement la base de temps de l'oscilloscope.

divers_enfants_oscillo_002 divers_enfants_oscillo_001

Heureusement que mon oscillo dispose de deux entrées... à chaque utilisateur son amplitude !

Remarques diverses

- Meilleurs performances si amplitude sinus fixée à une valeur max de 800 mV (avec RV1).

- Si on accepte une variation non linéaire de la fréquence, on peut remplacer RV5 / RV4 / R8 / R10 par une résistance de 1K en série avec un potentiomètre de 100K, entre borne 7 et masse. 

- L'interrupteur SW1, qui permet de choisir entre forme d'onde sinus ou triangle, pourra avantageusement faire partie d'un commutateur rotatif à plusieurs pôles. Ainsi, combiné avec le commutateur K2, un seul élément mécanique est à manipuler pour choisir la forme d'onde désirée parmi les trois proposées.

- Si la sortie TTL ne vous est pas utile, vous pouvez économiser sur les composants Q1, R6, R7 et C9. Si en plus vous vous contentez d'un simple potentiomètre pour le réglage de la fréquence de sortie, vous pouvez alors aussi supprimer le régulateur de tension LM7805, vous économisez quelques mA de consommation par la même occasion.

Contribution et retours de Gilles X

Gilles, qui a également construit un générateur BF à base de XR2206, m'a fait part des expériences qu'il a menées pour tirer profit au maximum du composant.

gene_audio_009_proto_gilles_001a gene_audio_009_proto_gilles_001b

gene_audio_009_proto_gilles_001_oscillo_a_1khz gene_audio_009_proto_gilles_001_oscillo_b_1khz

Il a fait monter la bête à 1 MHz, et même à 2 MHz mais avec des signaux carré moins exploitables. A 500 KHz, la distorsion du signal sinus est de seulement 0,5%, ce qui est plus que correct. 

gene_audio_009_proto_gilles_001_oscillo_a_500khz gene_audio_009_proto_gilles_001_oscillo_a_1mhz gene_audio_009_proto_gilles_001_oscillo_b_1mhz

Mais on peut encore aller plus loin, en témoigne cette copie d'écran qui montre une sinus à 2,9 MHz et qui n'est pas si moche que ça !

gene_audio_009_proto_gilles_001_oscillo_a_2mhz

En outre, Gilles m'a fait parvenir une feuille de calcul Excel permettant de connaitre la valeur des composants à adopter en fonction de la plage de fréquence souhaitée. 

gene_audio_009_proto_gilles_001_calculs
XR2206 - Calcul composants

Un grand merci à lui pour tout ça !

 

 

 

Accuil