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Introduction au VCO
Un oscillateur est un montage électronique permettant de faire varier une tension sur un cycle périodique. La variation la plus connue dans ce domaine est la sinusoïdale, mais on peut également retrouver la carrée, le triangle, la dent de sabre et la dent de sabre inversée.
Un VCO, lui, est un oscillateur donc la fréquence est pilotée par une tension en entrée.
On s’intéressera ici à la production d’une forme dite “en dent de sabre” (la plus facile à obtenir) afin de se focaliser sur la base du fonctionnement d’un VCO. Ceci étant dit, une onde en dent de sabre peut se dériver dans l’ensemble des formes citées ci-dessus, ce qui pourrait faire l’objet d’un article annexe.
De plus, il n’existe pas un schéma électronique universel pour les VCO, mais une multitude, allant d’un petit circuit maison avec quatre composants (bien qu’ inutilisable en pratique) au VCO qu’on retrouve dans l’industrie. On choisira ici un schéma d’une complexité intermédiaire, afin de rester sur un circuit compréhensible pour illustrer son fonctionnement.
Rappel des bases électroniques
Un niveau de base en électronique est nécessaire à la bonne compréhension du sujet. On rappellera ici l’utilité de certains composants, mais les bases doivent être acquises en amont (tension, courant, diode, résistance).
Parmi les composants usuels que nous allons retrouver, nous avons les
résistances, les condensateurs et les diodes.
Cependant, nous verrons aussi des composants moins usuels qu’il est bon
d’expliquer :
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Bascule de Schmitt : Cette bascule possède une entrée et une sortie. Ce composant laisse passer le courant à partir d’un certain seuil et bloque sa circulation une fois un deuxième seuil atteint. Dans le cas d’une bascule inverse, la réaction de la bascule aux seuils s’inverse.
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Tampon (Buffer en anglais) : Ce composant permet de lire et de recopier une tension prise en entrée, sans altérer cette dernière.
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Potentiomètre : Il s’agit d’une résistance à valeur variable, modifiable physiquement par un utilisateur.
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Transistor NPN : Les transistors sont des composants à trois branches. Le courant rentre par le collecteur C et sort par l’émetteur E, en fonction du courant appliqué sur la base B.
Le coeur d’un oscillateur analogue
L’objectif dans le circuit à venir est de faire monter la tension très rapidement, puis de la laisser s’échapper du circuit de manière linéaire, le tout de manière cyclique. Prenons ce premier schéma :
Ici, la bascule inversée de Schmidt détecte que le courant à sa base est inférieur à un certain seuil. La bascule va donc laisser passer le +5v, qui va circuler dans la diode puis dans le reste du circuit. À partir de là, le condensateur se charge, puis l’augmentation de tension dans le circuit va venir inverser la bascule. Le circuit n’étant plus alimenté, le condensateur va venir se décharger dans la partie gauche du circuit (car la diode bloque l’autre chemin possible).
Avec ce montage, on peut mesurer le signal à l’aide d’un oscilloscope en prenant la tension entre le GND et la sortie du condensateur. Moyennant la longueur de la rampe, le résultat ressemble à cela.
Cependant, il nous reste quelques étapes avant de pouvoir utiliser notre circuit de manière concrète.
Signal et tampon
Nous l’avons vu, il est possible de lire la valeur de notre tension via un oscilloscope. Mais qu’en est-il d’utiliser la tension de notre circuit, dans le cas où on voudrait écouter l’oscillation sur un haut-parleur ou l’utiliser pour moduler un autre signal ?
Pour le moment, notre montage n’est pas utilisable en l’état. Supposons que l’on relie la partie mesurée à l’oscilloscope à un autre circuit : on offre alors un autre échappatoire que la résistance à la tension du circuit.
C’est pour corriger ce problème que notre tampon entre en jeux. Étant capable de copier une tension sans l’altérer, il répond parfaitement à la problématique.
Voltage contrôle
Comme présenter au départ, la fréquence de l’oscillation doit pouvoir être
contrôlable par une tension externe au circuit.
Le temps de montée en tension dans le circuit étant négligeable, la fréquence de notre oscillation va être
définie par le temps de déchargement du condensateur.
Comme la fréquence f est f = 1/t et que l’oreil humaine entends entre 20 et 20k Hz,
la vitesse t de déchargement doit être comprise entre 0.05s et 0.00005s.
Jusqu’à présent, c’est notre résistance qui définissait cette caractéristique , ce qui correspondrait à un contrôle manuel (en remplaçant la résistance à la main). Pour avoir un contrôle via une tension, on va utiliser un transistor.
En reliant la source de tension à la base du transistor et le collecteur à la
jonction de la diode et du condensateur, on devient capable de contrôler la vitesse de déchargement.
On pourra rajouter un potentiomètre en amont de la base du transistor, afin de réguler notre tension de contrôle.
Conclusion & ouverture sur les synthétiseurs audio
Conclusion
En définitive, nous aurons appris qu’un oscillateur est un montage électronique dont la tension en un point varie de manière cyclique. Plusieurs éléments comme le condensateur ou la résistance permettent d’influer sur la vitesse de déchargement, mais on utilisera un transistor pour un contrôle plus fin et commandable par une tension externe. Finalement, nous aurons vu qu’un tampon est nécessaire pour utiliser notre tension avec d’autres montages, afin de ne pas détériorer cette dernière.
Ouverture et Amélioration
Un des usages principaux de ce circuit est la synthèse audio. On peut, par exemple, utiliser un VCO en série avec d’autres familles d’oscillateur. Dans ce cas, le premier oscillateur sert de tension de contrôle au suivant. On peut ainsi obtenir la forme d’onde sonore qui nous intéresse.
On peut également le coupler avec un séquenceur, l’ensemble forme alors un
synthétiseur audio. Plus simplement, il est possible d’amplifier l’onde sortante pour l’écouter directement sur haut-parleur.
Montage d’un VCO et d’un séquenceur
Avec ce montage, on obtient une première base fonctionnelle d’un VCO.
Malgré cela, il serait possible de continuer à l’améliorer de manière conséquente.
On peut par exemple imaginer adapter l’évolution de la tension afin de respecter la
norme 1 Octave / 1 Volt utilisé dans le monde de l’audio analogique.
Tout comme on pourrait rajouter les formes d’oscillations évoquées en début d’article (cf Annexes) via des circuits supplémentaires.
De même, il serait intéressant de renforcer notre montage face aux conditions réelle d’utilisation :
- Condensateur de découplage, pour éviter les interférences
- résistance des transistors aux variations de température
- changer le référentiel du voltage (de 0v - 10V à -5v - 5v) pour éviter la perte d’information dans le tampon
Sources
- Série de tutoriel de Moritz Klein
- Article de “all about circuit”
- Article de “soundbender”
- Article de “rfwireless”