GENERATEUR AUDIO A FAIBLE TAUX DE DISTORSION

Projet publié dans la revue Electronique Pratique n°299 de novembre 2005 sous le titre: "Générateur Audio pour Audiophile"



Avec le multimètre et l’oscilloscope, le générateur audio fait partie des premiers éléments qui constituent un équipement de mesure.
Cette réalisation ‘’amateur’’ qui sort des sentiers balisés se différencie par la qualité exceptionnelle de son signal de sortie. Il couvre la gamme de 16 Hz à 32 kHz pour une DHT inférieure à 0,01% et une linéarité en amplitude inférieure à 0,1 dB.
Elle est proposée en deux versions: L’une avec afficheur numérique de la fréquence, l’autre par un vernier.


LE SCHEMA

Il existe quantité de moyens pour générer une onde sinusoïdale. Le circuit oscillateur à pont de Wien était le plus répandu jusqu’à son remplacement par la synthèse de fréquence. Ce type de générateur pouvait délivrer un signal dont la DHT n’excédait pas 0,003%.
Toutefois la mise en œuvre de ce type d’oscillateur sur toute la gamme audio présente bien des embûches, et les caprices de la mise au point ont désespéré plus d’un amateur averti. Après bien des essais infructueux, nous nous sommes tournés vers un autre concept.


Le noyau de cette réalisation est l’utilisation d’un filtre numérique à capacité commutée. Le choix s’est porté sur le MAX293 qui est un filtre elliptique passe-bas du 8^ème ordre. Sa mise en œuvre est simple, il nécessite un signal d’horloge d’une fréquence équivalente à 100 fois la fréquence de coupure à –3dB. L’atténuation hors bande atteint 87 dB. La figure 1 nous montre le brochage du circuit et la réponse en fréquence pour F₁ = 1 kHz et F_clk = 100 kHz.
Si le signal appliqué en entrée (broche 8) est un carré parfait, les harmoniques paires dont H₂ sont éliminées et ne subsistent que les harmoniques impaires. La première harmonique à filtrer est donc H_3.

La figure 2-1 de droite, nous montre le diagramme fréquentiel (spectre) de 500 Hz à 10500 Hz (1 kHz / Div). Les harmoniques 3, 5, 7 & 9 sont bien visibles et les harmoniques 2 & 4 sont quasi noyées dans le bruit.
Après filtrage, la sortie en broche 5 (ou 3 si on utilise l’AOP intégré) nous restitue la fondamentale échantillonnée à la fréquence d’horloge F₁₀₀.
En figure 2-2 si vous comptez les échelons qui composent la sinusoïde, vous en trouverez 100, quelle que soit la fréquence du signal d’entrée. A droite, nous retrouvons le spectre de 500 à 5500 Hz (500 Hz / Div), avec la seule présence des harmoniques 2 et 3 à –86 dB.
En sortie, subsiste encore la fréquence d’horloge F₁₀₀ atténuée de 40 dB, c’est pourquoi le signal issu du MAX293 sera appliqué à un filtre passe bas analogique.


Le schéma bloc

Schéma bloc
Les signaux F₁ et F₁₀₀ sont générés par un oscillateur piloté en tension (VCO). Comme la gamme de fréquence définie pour notre réalisation couvre de 16 Hz à 32 kHz, le VCO génère une fréquence de 160 kHz à 3,2 MHz. Ce signal est divisé par 1, 10 ou 100 suivant la gamme de fréquence pour être appliqué à l’horloge du MAX293, c’est le signal F₁₀₀. Après une deuxième division par 100, le signal F₁ est appliqué à l’entrée du filtre numérique. Suit enfin le filtre analogique et l’affichage de niveau de sortie. Le signal de comptage de la fréquence est issu du premier diviseur par 100.
L’oscillateur est piloté en tension et le filtrage est numérique


Le schéma

Schéma du générateur
Le circuit intégré VFC110 est un convertisseur tension – fréquence. La tension de pilotage est appliquée à la broche 2 et peut couvrir toute la gamme de 0 à 12 Vdc.
La capacité C1 de 22 pF raccordée à la broche 6 fixe la fréquence à 3,2 MHz pour une tension de 10,2 Vdc et 160 kHz pour 0,5Vdc. Le circuit imprimé accepte une capacité variable en C1 pour la version avec vernier.
La commande en tension est linéaire et vaut dans cette configuration 313 kHz / Volt.

La résistance R1 de 27 kΩ déporte la fréquence de 1 MHz en milieu de course de P1. Les ajustables P2 et P3 règlent les fins de course. La sortie en broche 8 est à collecteur ouvert, le diviseur R2-R3 fixe adapte la tension de sortie pour piloter les diviseurs TTL. Le signal carré issu de IC3B servira à l’affichage de la fréquence.
Le combinateur SW1 et le circuit IC4 (4011) programment le facteur de division par 1-10-100 des circuits IC3 (74HCT390). C‘est le signal qui pilote l’horloge (F₁₀₀) de IC6 (MAX293). Une dernière division par 100 nous fournira le signal (F₁) utile à filtrer.

La sortie de IC5 (74HCT390) se fait en ‘’QA’’. C’est le bistable du circuit qui assure l’exacte symétrie du signal carré et l’absence d’harmoniques paires (figure 2-1).
Les condensateurs C5 et C6 suppriment la composante continue. Le signal de synchro est issu du diviseur R13-R59 et vaut 0,5 Vpp. Le pont R12-R14 adapte l’amplitude du signal carré aux spécifications du MAX293. L’amplificateur opérationnel intégré du MAX est paramétré par R18-R19 et nous restitue le signal en broche 3 sous une impédance nulle, c’est ce signal qui est montré en figure 2-2. Le circuit MAX293 est alimenté en +5,2 Vdc / –5,2 Vdc. Ces tensions sont issues des +12 Vdc / –12 Vdc et les diodes Zeners D7 et D8 (5,6V / 3W) préviennent les dépassements. Le potentiomètre P5 situé sur la face avant permet le réglage de la tension injectée dans le circuit IC7 (OPA604). IC7 est le tampon qui pilote le filtre analogique. P6 règle le zéro de la chaîne des filtres.


Le filtre analogique et le circuit de sortie

Schéma des filtres
Comme expliqué plus haut, il est nécessaire de filtrer le signal d’horloge F₁₀₀ encore présent à –40 dB dans la composante du signal.
Le choix du type de filtre nous est imposé car nous désirons que l’amplitude du signal utile après filtrage reste constante. Seul le ‘’Butterworth’’ répond à cette contrainte (figure 5).
Je vous fais grâce des calculs et il existe de nombreux logiciels disponibles sur la toile. Nous avons utilisé le ‘’FilterLab V2.0’’ de www.microchip.com

Un seul filtre de second ordre ne permettra pas l’élimination complète de la fréquence d’horloge sur toute la gamme.
Exemple : Pour la gamme 160 HZ - 3200 Hz, la fréquence de coupure du filtre sera placée à 6000 Hz afin d’éviter le coude de la coupure.
Pour une fréquence F₁ de 3000 Hz, l’horloge F₁₀₀ est à 300 kHz le filtre à 6 kHz atténuera la composante à 300 kHz de 60 dB. Par contre pour une fréquence F1 de 160 Hz, l’horloge F₁₀₀ est à 16 kHz et le même filtre ne l’atténuera que de 17 dB.
C’est pourquoi il est nécessaire de mettre en œuvre un deuxième filtre dans la première moitié de la gamme. L’adjonction d’un deuxième filtre à 2 kHz en cascade avec le premier créera une atténuation totale de 33 dB + 17 dB soit 50 dB. L’atténuation totale du signal F₁₀₀ d’horloge est donc de 50 dB + 40 dB soit 90 dB.

La sortie de chaque filtre est dirigée vers le combinateur SW1 et la sélection du filtre haut ou bas au sein de la même gamme est effectuée par le relais K1.
Pour cette fonctionnalité, nous prélevons la tension de commande du VCO qui déclenche le circuit IC16 configuré en ‘’Trigger de Schmidt’’ au milieu logarithmique de la gamme.
Le réglage du déclenchement est effectué par le potentiomètre P8 à 700 Hz.
Les deux diodes LED D16 & D17 permettent de visualiser ce réglage. Le condensateur C27 fait 33 pF au lieu des 47 pF calculés car il faut tenir compte de la capacité d’entrée du OPA604 qui vaut environ 10 pF.

Le signal est ensuite dirigé vers la sortie. Le réglage de l’amplitude par P5 et de l’atténuation par SW2 fournissent des signaux utiles de 10 mV à 2 Vac sous une charge de 600 Ω. Le commutateur SW2 en position 3V ferme l’entrée DP2 du mètre (figure 7). L’affichage indique alors 3.00.
La détection de niveau est réalisée par IC14, configuré en détecteur sans seuil. Ce circuit est linéaire sur une plage de 40 dB. La tension appliquée au mètre DVM-210 est ajustée par P7, elle varie de 0 à 40 mV si le choix se porte sur un afficheur numérique.
Elle peut également piloter un mètre classique et dans ce cas la valeur de R48 doit être réduite vers 22 kΩ en fonction du modèle choisi.


L’affichage de la fréquence

Schéma du compteur
Nous avons repris le schéma proposé dans la datasheet du MC14553B de Motorola. Le 4553 est un compteur BCD autonome. Il est piloté par le signal à compter, l’horloge et la RAZ. Il gère le séquençage de 3 digits en code BCD. Il est associé à son complément 4543 qui pilote les afficheurs à 7 segments.
L’horloge de 4,096 MHz est divisée par 2¹² par le circuit IC3 et le signal de 1 kHz issu de Q12 est encore divisé par 10 par le circuit IC4A.
Le 4543 initialise le comptage au flanc descendant de l’horloge. La ligne RAZ à l’état haut provoque la RAZ des 4 sorties Q0-Q4, le tout cadencé à 100 Hz.
A noter qu’il ne s’agit pas ici d’un compteur synchrone, dont l’ouverture de la fenêtre de comptage est initialisée par le signal à compter. Il en résulte une instabilité éventuelle de l’afficheur de poids faible qui commute entre deux chiffres.
Exemple: Si Fc = 1005 Hz, l’afficheur commute entre 1.00 et 1.01 kHz.
Le signal à compter ne change pas en fonction du choix de la gamme, seule la position du point décimal change. Les afficheurs existent en rouge, orange et vert, avec point décimal à droite ou à gauche. La carte imprimée accepte les deux types sans distinction. Le brochage vous est présenté en figure 9.
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L’alimentation

Schéma de l’alimentation
Cette alimentation utilise deux régulateurs 7812 et 7912 n’appelle que peu de commentaires. L’essentiel des difficultés pour obtenir un minimum d’ondulation réside dans le dessin de la carte imprimée.
L’ondulation résiduelle pour cette réalisation est inférieure à 100 µVac. Les tensions de +4,7 Vdc / -4,7 Vdc alimentent en symétrique le mètre numérique.


MISE EN ŒUVRE


La mécanique

Le boîtier de dimensions 202 x 178 x 88 mm est disponible chez Radiospares sous la référence 223-972. Le 223-972 étant obsolète il est remplacé par le 754-5979.  Une tôle d’aluminium de 198 x 105 x 2 mm sert de support aux deux cartes. Elle est fixée aux oreilles du boîtier par 4 entretoises M3 M-F de 15mm.
La carte d’alimentation est fixée au-dessus, la carte générateur en dessous (figure 11) chacune par 4 entretoises M3 M-F isolantes de 6 mm. La position des deux cartes n’est pas critique, car elles ne sont pas solidaires de la face avant.
Il est toutefois avantageux d’effectuer tous les positionnements et un essai de fixation à l’aide des cartes non équipées.
La face avant présentée en figure 12 a d’abord été usinée dans la tôle fournie avec le boîtier, ensuite nous avons sous-traité la fabrication de la face chez Schaeffer : www.schaeffer-ag.de . Si cette dernière fait 2mm d’épaisseur, elle glisse exactement dans les encoches du boîtier à la place de la première. La qualité du travail est excellente et l’aspect professionnel. Vous ne trouverez pas d’interrupteur de marche, nous n’avons pas voulu faire circuler le 230 Vac jusqu’au panneau avant. Le transformateur torique, le fusible, le socle et l’interrupteur sont placés sur la face arrière (photo 6).


Les circuits imprimés

Il est illusoire de monter toutes les cartes en une fois, de les inter-connecter et de penser que l’ensemble sera fonctionnel. L’amateur averti procédera méthodiquement. La carte d’alimentation, le compteur et le circuit de mesure de l’amplitude seront d’abord câblés et testés successivement avant de procéder au montage de la carte générateur.


Carte alimentation

La première opération consiste à enficher toutes les cosses picot de 1,3mm.
Il faudra probablement re-forer les trous au diamètre de 1,3 mm.
La carte d’alimentation (155 x 80 mm) présentée en figure 13 et photo 2 sera d’abord équipée des deux modules +12 et –12 Vdc. Une équerre aluminium de 80 x 15 x 30 x 2 mm fera office de refroidisseur. Seul le régulateur IC2 (7912) est isolé. La présence des 4 tensions est testée en alimentant la carte à l’aide du transformateur. On procédera ensuite au montage et au test du circuit de mesure d’amplitude. Le potentiomètre P7 à mi-course, la tension DC au point ‘’M’’ sera nulle (<1 mV) en l’absence de signal au point ‘’S’’. A noter le pontage coté composant sous IC15.
On procédera ensuite au montage de la partie compteur. Les pontages situés entre IC5 et IC6 seront isolés et le pontage reliant IC3-1 à IC1-4 sera placé sous IC4 (photo 3). Le pontage reliant L1 à C23 sera isolé et placé coté cuivre. Le test du compteur peut se faire mais il faut injecter un signal TTL de l’ordre de 10 kHz pour voir de l’activité aux bornes de IC7. En cas de problème vérifier le signal de commande en IC4-6, il doit faire 100 Hz et >10 Vpp.


Carte des afficheurs

La carte des afficheurs (53,5 x 30,5 mm) est proposée en deux versions : nous avons opté pour une mini-carte double face (photo 4 et figure 15, mais le prix peut s’avérer rédhibitoire. Une version simple face est également proposée, les liaisons coté composant se feront par des fils très fins placés sous les afficheurs (figure 14).
Les contacts de cette carte se trouvent en vis à vis des contacts de la partie compteur. La fixation se fait principalement par la soudure de deux fils de 0,75 mm placés aux extrémités de la carte (photo 3). Cette opération se fait en plaçant la carte alimentation dans le boîtier et en positionnant soigneusement la carte des afficheurs à l’arrière de la face avant pour que les afficheurs soient exactement au centre de l’ouverture. Souder ensuite les autres liaisons avec du fil rigide fin (0,22 mm). A la mise sous tension, les afficheurs doivent indiquer 000.


Carte générateur

Le circuit imprimé de 100 x 160 mm regroupe tous les composants nécessaires à la génération des signaux (photo 5 et figure 16). La première opération est d’enficher les cosses picot de 1,3 mm. On soudera ensuite les 22 pontages. Câbler d’abord les composants nécessaires à la génération du signal de synchro : IC1 à IC5 et composants périphériques. Le pontage IC5-4 à IC6-1 est isolé et placé coté cuivre, ainsi que D2 et D3. Il faut ensuite s’assurer du bon fonctionnement de cette section avant de continuer.
Pour ce faire, raccorder les cosses ‘’3 ‘’ (sur R5) et ‘’C’’ (sur R1) au +12 Vdc.
Branchez la double alimentation, et vérifier le signal sur la cosse ‘’Sync’’, il doit être carré, de 5 Vpp et le compteur doit afficher 400 (+/-100). Si c’est correct, on peut poursuivre avec IC6, IC7 et composants associés. Le test au point ‘’D’’ mettra en évidence la forme d’onde de la figure 2-2. On peut alors procéder au montage des derniers composants.


Montage final

Le travail n’est pas terminé, il reste l’interconnexion des cartes entre elles et la face avant. Tout se fait avec du fil de 0,22 mm et des souliers pour cosses de 1,3 mm. Pour ne pas se tromper, il est bien de se fixer à l’avance des couleurs en relation avec la fonction du fil. Les photo 6, photo 7, photo 8 et photo 9 montrent l’agencement du projet. Sur la face arrière se trouve le transformateur torique, le socle 230V, le fusible et l’interrupteur de marche.
Tous les composants de la face avant sont fixés mécaniquement avant raccordement.
La résistance R59 de 665 Ω est soudée sur les contacts du BNC, et les 3 résistances R43 de 604 Ω, R44 de 6040 Ω et R46 de 665 Ω sont soudées à l’arrière du commutateur SW2. Le raccordement du mètre DVM-210 (figure 7) demande une bonne vue ou des lunettes grossissantes et un doigté de fée. L’interconnexion de la face avant se fait avec l’appareil sur le dos, fréquencemètre vers le bas, de manière à pouvoir mettre le panneau avant à plat.


Mise au point

A l’inverse d’un générateur à pont de Wien, la mise au point est directe et stable.
1: Sélectionner la gamme ‘’10’’, positionner P1 ‘’Fréquence’’ au maximum et ajuster P3 pour 32,0 kHz, positionner P1 au minimum et ajuster P2 pour 1,6 kHz, recommencer deux ou trois fois. 2: Ajuster P8 pour que le relais K1 bascule vers 7,0 kHz. 3: Volume au minimum et fréquence à 10 kHz, ajuster P6 pour un minimum de résiduel DC en sortie (<5 mVdc). 4: Sélectionner la gamme ‘’1’’ et la fréquence à 100 Hz, brancher un multimètre à la sortie et régler l’amplitude pour un signal entre 2 et 4 Vac, ajuster P7 pour une même lecture au mètre.


Mesures

Les figures 22, 23 et 24 résument au mieux les mesures prises sur notre réalisation.
La mesure de la DHT sur notre distorsiomètre habituel ne faisant pas dévier le mètre sur la gamme 0,1%, nous savions déjà que la DHT était inférieure à –80dB. Nous avons alors effectué la mesure sur un analyseur de spectre pour constater (figure 17) que les harmoniques 2 et 3 étaient noyées dans le bruit vers –88 dB.
Une autre caractéristique remarquable est la stabilité de l’amplitude en fonction de la fréquence. Le signal de sortie du MAX293 est rigoureusement constant, en effet, le ratio constant ‘’Horloge / Signal’’ fixé à 100 nous donne une atténuation constante de –3 dB. Il reste l’influence des filtres analogiques : c’est pourquoi le choix du ‘’Butterworth’’ s’imposait (figure 5), et la fréquence de coupure placée deux fois plus haut que la fréquence maximale n’occasionne qu’un faible impact sur la courbe de réponse. La figure 18 reprend la mesure de 20 à 200 Hz, 200 à 2000 Hz et 2 kHz à 32 kHz pour 3 Vac de sortie. En cas de problème il y a lieu de vérifier les valeurs des filtres.


Caractéristiques techniques


Version à Vernier

Le circuit imprimé accepte en C1 un condensateur ajustable de 30 pF (Référence Radiospares: 127-290). Le potentiomètre P1 est un 50 kΩ / 340° de précision (Référence 460-7481). P2 et P3 font alors 5 kΩ et R1 13 kΩ. Le réglage du vernier s’effectue comme suit : 1: Gamme ‘’1’’, P2 et P3 à mi-course, ajuster C1 pour 1 kHz.
2: Ajuster P3 pour 3,0 kHz, 3: Ajuster P2 pour 200 Hz. Répéter l’opération quelques fois. La précision du vernier est de l’ordre de 5% (figure 20).


Les composants

Nomenclature


Coût

Le coût total de cette réalisation se situe aux environs de 300 Euro, mais est fortement modulé par les choix personnels : boîtier, face avant, cartes imprimées, compteur. La version avec vernier gradué rend le compteur superflu. Les circuits VFC110AP et MAX293 sont difficiles à trouver. Pour les données de fabrication de la face avant chez Schaeffer, des cartes imprimées, du vernier ou quelque problème d’approvisionnement, n’hésitez pas à nous contacter.


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Récapitulatif des photos (Haute définition)