Générateur Audio - Le Pont de Wien
Projet publié dans Electronique Pratique n° 324 de février 2008 sous le titre "Générateur à Pont de Wien"
Avec le multimètre et l’oscilloscope, le générateur fait partie des premiers éléments qui constituent un équipement de mesure en audio.
Cette réalisation couvre la gamme de 1 Hz à 119 kHz et propose une sortie sinus ou carré. La DHT est inférieure à 0,01% dans la gamme audio. Elle est proposée en deux versions : L’une avec le registre complet de fréquences et d’amplitudes, l’autre avec 12 fréquences fixes couvrant la seule gamme audio. Ce générateur est inspiré du mythique AG-9A de Heathkit !
UN PEU DE THEORIE
Le pont de Wien
Le circuit proposé utilise l’oscillateur à pont de Wien. Ce type de générateur peut délivrer un signal dont la DHT n’excède pas 0,003%. La caractéristique du Pont de Wien composé d’éléments de même valeur est de présenter en son point milieu en exacte phase le tiers de la tension d’excitation à la fréquence définie par la relation: Fo=1 / 2πRC.
L’oscillateur
En plaçant ce réseau dans le circuit de contre-réaction positive d’un amplificateur d’un gain supérieur à trois, on obtient un oscillateur.
Le schéma de principe de l’oscillateur à pont de Wien est donné en figure 2.
Toutefois la mise en œuvre de ce type d’oscillateur sur toute la gamme audio présente bien des embûches dont la principale est la stabilité en amplitude. En effet, en l’absence d’élément régulateur, l’oscillation a tendance à s’emballer ou à s’arrêter suivant que le gain de l’amplificateur est trop important ou trop faible.
Pour stabiliser l’amplitude avant écrêtage, il convient de d’introduire un élément non-linéaire dans la boucle inverseuse qui fixe le gain. Cet élément régulateur est une ampoule à filament.
La stabilisation de l’amplitude
La figure 3 montre la variation de la résistance d’une ampoule de 24 V - 20 mA en fonction de la tension à laquelle elle est soumise. Si la tension est faible, la résistance du filament est faible, et celle-ci augmente en fonction de la tension appliquée. Ainsi ‘’à froid’’ l’ampoule fait 120 Ω et sous une tension efficace de 8 volts elle monte à 760 Ω, alors qu’une résistance pure mesurera toujours 500 Ω quelle que soit la tension à ses bornes. En introduisant cette ampoule dans le pied du circuit de contre-réaction on introduit un contrôle automatique du gain: si l’oscillation s’emballe, la tension appliquée à l’ampoule augmente, sa résistance augmente avec comme conséquence de réduire le gain de l’amplificateur et de le stabiliser.
Ce circuit a été mis au point en 1938 par deux jeunes diplômés de l’université de Stanford Park en Californie : William Hewlett et David Packard et déposé le 6 janvier 1942 sous le US Patent Nr 2.268.872.
Leur première commande fut huit ‘’Audio Oscillator 200’’ destiné aux studios ‘’Walt Disney’’.
La constante de temps de la régulation - de l’ampoule - doit être assez grande pour pouvoir stabiliser une sinusoïde de quelques Hertz sans (trop) la distordre. Mais en présence d’une constante de temps trop faible, un phénomène de sur-oscillation peut survenir et moduler en amplitude le signal de sortie. Le choix de l’ampoule est critique, et de nombreux essais nous ont conduit à adopter une ampoule de 28V-24mA. La stabilisation de l’amplitude et la précision des composants du pont sont les facteurs principaux qui garantissent le faible taux de distorsion.
La précision des composants du pont
Un autre écueil est la précision indispensable des composants du pont. Une différence de valeur entre les deux résistances ou condensateurs provoquera une variation du gain, qui sera stabilisé par la régulation mais affectera néanmoins le niveau de sortie. L’utilisation d’un potentiomètre linéaire double est à proscrire, en effet la différence entre les deux pistes peut atteindre 10%. Nous nous sommes rappelé le concept utilisé par le générateur Heathkit AG-9A qui mettait en circuit un double jeu de résistances fixes. Il suffit alors de combiner des paires de condensateurs de précision et de reporter le choix de la fréquence sur les paires de résistances. Les condensateurs de précision représentent un autre écueil. Les condensateurs doivent être appairés d’une précision de 1 %. Afin d’éviter les déconvenues, l’auteur propose un kit pour chaque version comprenant : les condensateurs de précision, les différents commutateurs, l’ampoule régulatrice et le circuit imprimé. Les autres composants sont disponibles chez les distributeurs habituels.
LE SCHEMA
Le schéma est présenté en figure 4. Les résistances et condensateurs qui composent le pont sont mis en circuit par les commutateurs S1, S2 et S3.
La version complète est équipée de 4 commutateurs à 12 positions: la gamme ‘’x1’’ à ‘’x1000’’ qui met en circuit les condensateurs, la fréquence en pas de 1 et de 10 et enfin l’atténuation: de 0 à 60 dB.
Les valeurs des résistances reprises en figure 5 couvrent une gamme de 1 Hz à 119 kHz.
L’OPA604 s’imposait comme choix de l’AOP: d’abord parce qu’il peut être alimenté en 24 Vdc symétrique et cette tension d’alimentation de 48 Vdc nous permet un signal sinusoïdal de plus de 14 Vac avant écrêtage. De plus l’OPA604 présente un produit gain x bande de 20 MHz, sa DHT propre est garantie à 0,0003%, son impédance d’entrée s’élève à:1012 Ω. Sa sortie peut débiter un courant de 35 mA ce qui est indispensable pour piloter l’ampoule ou sortir sous 600 Ω.
L’amplitude du signal est stabilisée par le réglage de P1 à 10 Vac en sortie. Le signal est ensuite routé vers un deuxième OPA604 qui agit comme tampon et pilote l’atténuateur de sortie en 600 Ω.
Le relais K1 met en circuit une quadruple porte NAND pour obtenir le signal carré. A noter qu’en position ‘’Sinus’’, le 4011 est bloqué pour ne pas induire de parasites dans le signal sinusoïdal.
Remarquez également qu’il n’y a aucun couplage capacitif afin de permettre de descendre jusque 1 Hz en sinus ou en carré tout en maintenant l’amplitude. De plus le couplage continu du signal carré permettra d’exciter directement un montage numérique en +12 ou +5 Vdc. Pour la visualisation à l’oscilloscope un signal de synchronisation de 1,2 Vpp est présent sur la face avant. L’atténuateur est la copie de l’atténuateur du Heathkit AG-9A . A partir de la position 3V, il conserve son impédance de 600 Ω. Le potentiomètre P2 règle l’amplitude de sortie.
L’alimentation symétrique est fournie par deux régulateurs 7824 et 7924. Un petit régulateur 78L12 fournit le +12 Vdc pour la génération du signal carré. L’ondulation des trois tensions ne dépasse pas 300 µVac, et comme les OPA604 ont un facteur réjecteur de l’alimentation de l’ordre de 100 dB, on a éliminé toute influence du bruit de l’alimentation.
La version simple met en circuit une paire de condensateurs de 3,3 nF et un seul commutateur qui propose un choix de 12 fréquences audio (figure 6) s’échelonnant de 16 Hz à 32 kHz, un inverseur sélectionne l’amplitude de 10 ou 1 Vac. Au niveau de l’atténuateur, les résistances R22 à R29 sont supprimées et le curseur du potentiomètre est raccordé à R18 et R19.
MISE EN OEUVRE
La mécanique
L’unique circuit imprimé comprend tous les éléments actifs et alimenté en 2 x 22 Vac, il est directement fonctionnel. L’ensemble du projet est placé dans un boîtier de dimensions 203x178x62 mm. Les plans mécaniques sont donnés comme exemple de réalisation.
L’unique circuit imprimé comprend tous les éléments actifs et alimenté en 2 x 22 Vac, il est directement fonctionnel. L’ensemble du projet est placé dans un boîtier de dimensions 203x178x62 mm. Les plans mécaniques sont donnés comme exemple de réalisation.
La carte est fixée par 4 entretoises sur deux profilés aluminium (figure 7). Les trous de passage des 4 commutateurs sont pointés avec précision sur la face avant. Les cotes des autres perçages sont laissées à l’appréciation de chacun. Les deux versions de la face avant (photo C , photo D et figure 8) ont été dessinées avec le logiciel téléchargeable de Schaeffer et fabriquées par cette société - publicité dans nos pages.
Le transformateur d’alimentation de type torique à faible rayonnement est fixé sur la face arrière.
Le circuit imprimé
Typon à l’échelle 1
Le circuit imprimé est au format 100 x 160 mm, il est le même pour les deux versions. On commencera par enficher les 14 picots de 1,3 mm suivis des 5 pontages (figure 9 et photo G).
Les commutateurs et galettes sont installées en dernier lieu. On veillera à bloquer la course des commutateurs à l’aide de la bague fournie en fonction du nombre de plots utilisés.
La version allégée ne comprend qu’un seul commutateur. Les condensateurs C1-C2 de 3,3 nF sont placés comme montré en figure 10 et photo H et trois pontages assureront la liaison avec le banc de résistances.
L’atténuateur n’est pas équipé des résistances R22 à R29 et deux pontages relient le point ‘’P2’’ à R18-R19.
Les deux picots proposent les tensions de 10 et 1 Vac.
Comme la carte est autonome, elle peut être testée complètement en dehors du boîtier. Il suffit de raccorder une seule tension alternative de 20 à 24 Vac entre la masse et un des picots ‘’ac’’ et de vérifier la présence des alimentations + et – 24Vdc et du + 12 Vdc. Sélectionner 1 kHz en plaçant les 3 commutateurs comme suit : ‘’10 – 100 – 0’’. L’oscillation démarre immédiatement. Ajuster le potentiomètre P1 pour une tension de 10 Vac au point ‘’P2’’ à droite du relais. La carte est opérationnelle et peut être installée dans le boîtier.
Mesures
Les figures 12 à 15 résument au mieux les mesures prises sur notre réalisation.
La mesure sur un analyseur de spectre à 1 kHz et 10 kHz nous montre que les harmoniques 2 et 3 sont bien inférieures à 80 dB, et ce pour un signal de sortie de 10 Vac (28 Vpp). Bien que la programmation du générateur descende à 1 Hz, le signal sinusoïdal n’est exploitable qu’au-dessus de 5 Hz. En effet, aux fréquences très basses (< 3 Hz), on s’approche du temps de réaction de l’ampoule LP1 qui ne réagit plus sur la moyenne mais sur les pointes du signal. A 100 Hz, la DHT est de 0,05% et à 20 Hz, elle monte à 0,3 %.
La mesure du ronflement et bruit est inférieure à 100 dBV (10 µV), ce qui nous donne un rapport signal/bruit de 120 dB linéaire en sortie – figure 11.
Le signal carré issu du 4011 et malgré deux cellules de filtrage (C3 et C5) présente un temps de montée de 500 nSec. Comme le couplage est continu, le signal carré descend à 1 Hz sans altération (figure 12).
Le signal de synchronisation bascule au moment du passage par zéro de la sinusoÏde. L’amplitude du signal est de 1,2 V pp (figure 13 – signal à 10 kHz).
Au sein d’une même gamme, la linéarité de l’amplitude est de l’ordre de 0,1 dB. Entre deux gammes elle peut atteindre 0,3 dB et cela est du à l’appairage des condensateurs du pont de Wien.
Caractéristiques techniques relevées sur notre prototype.
Liste des composants
Conclusion
Voici un générateur qui n’est petit que par la place qu’il occupe dans le labo. La version simple qui propose 12 fréquences réparties entre 16 Hz et 32 kHz en sinusoïdal ou carré vous permettra d’effectuer la plupart des mesures audio classiques. Sa mise en œuvre est grandement facilitée par le circuit imprimé qui rassemble tous les composants exceptés le transformateur et le potentiomètre d’amplitude. La version complète qui comprend 4 commutateurs Lorlin est donc plus onéreuse, mais offre une couverture en fréquences complète et une gamme d’amplitudes plus étendue.
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Récapitulatif des photos (Haute définition)
