OSCILLATEUR A PONT DE WIEN

T.P. d'Electronique
3ème année
OSCILLATEUR A PONT DE WIEN
1 - PRINCIPE
1.1 - Le pont de Wien
Le pont de WIEN, utilisé pour les mesures de fréquences est formé des deux impédances z et
z' représentées ci-dessous et de deux résistances. On s'intéresse ici seulement à z et z'.
Pour une fréquence donnée, le rapport z/z' est réel.
En effet:
C
z = ( R + 1 ) ( 1 + jC ' )
z'
jC  R'
Z
R
z = (1 + jCR) (1 + jCR)
z'
jCR'
C'
Z'
R'
2
z = 1 - CC'RR' + j (CR + R'C')
z'
jCR'
Figure 1
On voit que ce rapport est réel pour :
et qu'il vaut alors :
2 
1
CC RR
(1)
Z
R C
 
Z  R C
De même, à la pulsation définie par (1), le rapport suivant est aussi réel:
z' = 1
1
=
z + z' 1 + z
R + C' + 1
z'
R'
C
(2)
1.2 - L'oscillateur
Cette propriété permet de réaliser facilement un oscillateur. Considérons, en effet, un
amplificateur de gain en tension A, dans la bande passante, et n'introduisant pas de déphasage entre
entrée et sortie (Figure 2).
Supposons que l'on ait une tension à la sortie. Au moyen du circuit précédent et des
impédances z et z' précédentes, on ramène à l'entrée une fraction de cette tension égale à :
z' = B
z + z'
(3)
Si cette fraction est égale à 1/A, on obtient ainsi exactement la tension d'entrée nécessaire la
production de la tension de sortie considérée. On peut donc avoir ainsi un générateur. Selon la théorie
générale de la rétroaction appliquée à la production d'oscillations sinusoïdales, on doit, pour obtenir
celles-ci, réaliser une condition de phase et une condition d'amplitude résultant da la condition :
AB = 1 ou A = 1/B
La première condition impose
C
ce qui donne, d'après ce qui précède, la pulsation
des oscillations par la formule (1). B est alors donné
par (2).
R
B
C'
Z
réel,
Z  Z
A
Vs
Ces conditions correspondent à la limite
d'entretien des oscillations.
R'
Figure 2
Si le gain est supérieur à 1/B, on a un
régime d'oscillations d'amplitudes croissantes
jusqu'à ce que s'introduisent des non-linéarités qui
limitent l'amplitude. En même temps, les oscillations
cessent d'être sinusoïdales.
2 - L'OSCILLATEUR A TRANSISTORS
2.1 - Manipulation
On utilisera comme amplificateur l'ensemble des transistors T1 et T2 représentés à la Figure
3 et formant un amplificateur différentiel. Les tensions de sortie sur les deux collecteurs sont
sensiblement égales mais en opposition de phase. Grâce au potentiomètre P, on peut prendre une
fraction de la tension amplifiée, ce qui revient à diminuer le gain A. Un cavalier permet de relier B 0 à
l'une des trois prises B1, B2, B3.
Bien que les deux résistances d’un même pont telles que R1 soient égales, l'une d'elles est
diminuée par la résistance d'entrée de l'amplificateur qui charge ce pont.
2.1.1 - Observation des oscillations
Polariser les transistors, relier le pont, brancher la sortie de collecteur C à l’oscilloscope en
utilisant les sondes capacitives et placer un cavalier entre B0 et B2.
a) Faire tourner le curseur du potentiomètre P de façon à ramener vers l'entrée une portion
croissante, à partir de zéro, de la tension du collecteur de T2. On constate pour une certaine position
de P l'amorçage brusque des oscillations (prendre une sensibilité suffisante a l'oscilloscope et
déclencher à l’aide du trigger): on vient alors de dépasser la valeur de A qui correspond à la limite
d'entretien.
En restant aussi près que possible de celle-ci, mesurer la fréquence et l'amplitude Vpp et
Vrms des oscillations.
b) Augmenter A en agissant sur le curseur de P jusqu'au moment où les oscillations ne sont
plus sinusoïdales et commencent à se déformer. Mesurer encore la fréquence et l'amplitude.
Comparer ces valeurs aux précédentes.
c) Continuant à augmenter A, suivre l'évolution de la forme des oscillations, de l'amplitude et
de la fréquence. Pour la valeur ultime du gain A, mesurer encore l'amplitude et la fréquence.
En fait +9V sur la plaquette
-9 V
Pont
C3
C2
C1
R3
R2
R1
B3
B1
C3
C2
R2
C1
P
680 k 
B2
R3
1k 
B0
0,1 F
T1
B
1k 
T2
680 k 
B'
220 
R1
C
E P
Figure 3: R1 = 5,6 k, C1 = 2 200 pF, R2 = 5,6 k , C2 = 15 000 pF, R3 = 5,6 k  , C3 = 47 000 pF
2.1.2 - Gain A à la limite d'entretien
La sortie P étant reliée à l'oscilloscope, diminuer A pour dépasser juste la limite d'entretien.
Déconnecter alors B0 et B2 et injecter en B0 une tension de l'ordre de 10 mVpp en amplitude
(utiliser un atténuateur pour cela), et de fréquence comparable à celle des oscillations précédentes.
Mesurer à l'oscilloscope les tensions en P et B0 pour calculer A.
D'autre part, après avoir rétabli la liaison B0 B2, comparer pour le fonctionnement en
oscillateur, les tensions en P et B0 . En déduire 1/B. Comparer cette valeur à celle de A et
expliquer.
2.1.3 - Vérification de la valeur de la fréquence d'oscillation
La valeur précédemment déterminée de B permet de calculer, d'après (2) et (3); le rapport
R/R', puisque ici C = C'. En déduire la valeur de R' de la Figure 1.
 Calculer la résistance d’entrée de l’ampli. Celle-ci est peut-être négative, pourquoi ? Faire une FFT
du signal à la limite d’entretien (en P), relever les niveaux des harmoniques en dBV. Expliquer.
Respecte t-on la condition d’oscillation ? Conclusion.
2.1.4 -En réunissant successivement les points B1, et B3 à B0, mesurer dans les
deux cas la fréquence d'oscillation près de la limite d'entretien sur C. Comparer ces fréquences pour
les 2 valeurs de C1, C3.
3 - L'OSCILLATEUR A AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
On utilise comme amplificateur un montage non inverseur réalisé à partir d'un amplificateur
opérationnel A741 (Figure 4).
0,1  F
r2
r1
B
S
r1 = 20K
+
r2 = 33K + 10K variable
r3
r3 = 120K
Figure 4: Le montage amplificateur
On dispose de trois réseaux de réaction, dont l'entrée est reliée à S. Le choix de l'un des
réseaux se fait en reliant l'un des points Bi à l'entrée B de l'amplificateur, et à l'aide d'un commutateur
permettant de sélectionner l'un des réseaux (B 1, B2, B3, ou aucun réseau sur B0) tout en isolant les
autres.
S
C1
R1
C2
C3
R2
R3
B2
B1 B 0
B3
C1
R1
C2
R2
C3
B
C1 = 1000 pf
R1 = 12 K


C2 = 10000 pf
R2 = 12 K
R3
C3 = 68000 pf
R3 = 12 K
Figure 5: Les réseaux à ponts de Wien
3.1 - Travail théorique: construction d'oscillogrammes
3.1.1 - Fonction de transfert statique de l'amplificateur
On s'intéresse au montage amplificateur seul (réseau de réaction non branché).
 Calculer l'expression théorique du gain de ce montage A = Vs/Ve dans la configuration non
inverseuse.
 Donner les valeurs numériques Amin et Amax pour les positions extrêmes du potentiomètre fixant
la valeur de r2.
 Tracer la fonction de transfert statique théorique Vs= f(Ve) pour Amin et Amax, en imposant une
excursion de +/- 15V en Ve.
3.1.2 - Caractéristique dynamique de l'oscillateur
Aux basses fréquences l'amplificateur introduit un déphasage négligeable entre V s et Ve. Aux
fréquences plus élevées un léger déphasage apparaît. La caractéristique dynamique va donc s'écarter
de la caractéristique statique (droite  faisant un angle  avec Vs).Le point courant de la fonction de
transfert va décrire une ellipse d'axe , centrée à l'origine (Figures 6 et 7).
Vs
y


Y
M
Ve
x
0
0


Figure 6
Figure 7
En effet une telle ellipse, dans ses axes propres, est représentée en paramétrique par :
X = a cos  t
Y = b sin  t
ce qui conduit a une expression de la forme:
x = P cos ( t - ) + Q cos ( t + ) = Ve
y = P sin ( t + ) + Q sin ( t - ) = Vs
Ces dernières expressions représentent bien deux vibrations sinusoïdales V e et Vs de même
fréquence, présentant, entre elles, un déphasage.
3.2 - Manipulation
3.2.1 - Relevés d'oscillogrammes
a) Tracé de la fonction de transfert statique:
Le réseau de réaction étant débranché, l’AOP étant alimenté en +15V/-15V et la masse, on
applique en B0 (entrée de l'amplificateur) une tension sinusoïdale, fournie par un générateur extérieur,
de fréquence assez basse (50 Hz pour éviter des phénomènes d'hystérésis parasites propres à
l'amplificateur opérationnel). Sur la voie X de l'oscilloscope, on applique cette même tension et sur la
voie Y, on applique le signal issu de la sortie S. Imprimer la caractéristique de transfert statique Vs=
f(Ve) pour les positions Amax et Amin et des amplitudes suffisantes d'excitation en B (faire un
AUTOSTORE pour l’impression). Comparer avec la trace théorique. Faire également une mesure
en régime temporel.
b) Tracé de la caractéristique dynamique:
o
o
o
o
Observer l'évolution de la caractéristique X-Y lorsqu'on augmente la fréquence du
générateur.
Reporter sur un oscillogramme l'allure de cette caractéristique au voisinage de
10kHz pour une amplitude faible et une amplitude forte (environ 20 V crête-crête).
Débrancher ensuite le signal externe, brancher les différents réseaux de réaction
successivement.
Agir sur le potentiomètre de gain (voie X sur B1,B2, ou B3, voie Y en S ) et
commenter les courbes.
c) Allure des oscillations:
o
o
Observer les signaux issus de S, lorsqu'on agit sur le potentiomètre de gain.
Justifier Ia forme des signaux d'après les études qui précèdent.
o
o
Relever le signal à la limite d'entretien et pour le gain maximum dans le cas du
réseau n° 3.
Donner Vbpp, Vspp, A= Vspp/ Vbpp et fosc à la limite de l’entretien.
3.2.2 - Mesures de fréquences et de gain
a) Mesure des fréquences:
Pour chacune des positions du commutateur :
o régler le gain de l'amplificateur de manière à se placer à la limite d'oscillation et
mesurer la fréquence, les Vb et Vs et en déduire A.
o Comparer avec les valeurs théoriques.
b) Mesure du gain en boucle ouverte de l’oscillateur:
Le principe est le même que pour le montage à transistor. Mesurer le gain à la limite
d'entretien et pour les positions extrêmes du potentiomètre.
3.2.3 - Mesures de pureté spectrale et de rendement
a) Mesure de pureté spectrale:
o
o
o
o
o
Relier B1 à B et régler le gain pour obtenir un signal quasi sinusoïdal (à
l'oscilloscope) en sortie.
Brancher un analyseur de spectre sur le signal de sortie tout en continuant à
observer le signal à l'oscilloscope.
Expliquer ce qui se passe.
Régler l'analyseur de spectre avec fstart=5 kHz, fstop=45 kHz et REF level=15
dBm (dans Amplitude).
Relever le spectre obtenu en notant les valeurs particulières des fréquences et des
puissances (en dBm et en mW).
o
Rappel : P(exprimée en dBm)=10.log P (exprimée en mW)
b) Mesure de rendement:
Le rendement d'un oscillateur est défini comme le rapport de la puissance variable d'oscillation sur la
puissance continue consommée.
o Mesurer le courant débité Idc par l'alimentation continue en intercalant dans le circuit
un ampèremètre.
o En déduire la puissance continue Pdc=Vdc.Idc consommée.
o On suppose que toute la puissance variable Posc est globalement concentrée dans le
pic de fréquence fondamentale. En déduire le rendement de l'oscillateur
=Pdc/Posc.
o Conclusions.