Construction d'un circuit oscillateur à quartz : guide pratique pour ingénieurs

Êtes-vous un ingénieur ou fabricant qui souhaite comprendre la fréquence de suivi du temps ou la stabilisation des émetteurs et récepteurs radio ? Si oui, vous devez avoir une compréhension approfondie d'un circuit oscillateur à quartz avec capacité de charge. Ainsi, vous pouvez construire un projet, comme une montre qui suit le temps ou fournit des signaux d'horloge. Vous trouverez également principalement les circuits oscillateurs à quartz dans les oscillateurs RF.

Dans cet article, nous parlerons donc largement des oscillateurs à quartz.

Qu'est-ce qu'un circuit oscillateur à quartz ?

Diagramme d'oscillateur à quartz

Source : Wikimedia Commons

En termes plus simples, un circuit oscillateur à quartz est le circuit imprimé électronique qui abrite le dispositif produisant une fréquence spécifique. C'est aussi un circuit oscillateur électronique qui fonctionne avec la résonance mécanique d'un cristal vibrant — pour générer une fréquence constante.

De plus, vous pouvez utiliser la fréquence produite par un oscillateur à quartz pour les éléments suivants :

• Suivre le temps dans les montres à quartz
• Générer un signal stable pour les circuits intégrés numériques
• Stabiliser et maintenir une large gamme de fréquences d'émetteurs et récepteurs radio

De plus, un oscillateur à quartz dépend fortement de la piézoélectricité transposée ou de l'électrostriction pour fonctionner efficacement. Et le processus se produit lorsque vous avez des altérations dans la forme d'un cristal de quartz dans un champ électrique.

Comment fonctionne l'oscillateur à quartz ?

L'oscillateur à quartz utilise le principe de l'effet piézoélectrique inverse. Et le circuit résonnant comprend la résistance (friction de la structure interne du cristal), l'inductance (masse du cristal), la Capacité C1 (capacité du moulage mécanique du cristal) et la Capacité C2 (compliance).

Ainsi, lorsque vous appliquez un champ de modèle électrique au circuit, il générera une déformation mécanique à travers certains matériaux. Le cours produit également une différence de potentiel à travers les faces opposées du cristal.

Également, si vous avez une différence de potentiel qui s'applique sur l'une des faces, un stress mécanique en résultera. Et ce stress mécanique est l'effet piézoélectrique.

Typiquement, le meilleur cristal à utiliser pour ce circuit est le Quartz. En plus de cela, il est supérieur à la plupart des résonateurs ; le Quartz est portable. De plus, ils sont hautement stables, économiquement abordables, facilement disponibles et ont un bon facteur de qualité.

Cela dit, votre cristal piézoélectrique peut avoir une vibration mécanique lorsque vous le soumettez à un potentiel alternatif approprié. De plus, lorsque la gamme de fréquence de votre tension alternative égale la fréquence naturelle de votre cristal, vous obtiendrez un maximum d'amplitude de vos vibrations mécaniques.

En outre, le circuit électrique équivalent explique le mode de fonctionnement du cristal. De plus, l'oscillateur à quartz a deux résonances fondamentales, comme les résonances parallèles et séries.

Comment construire des circuits oscillateurs à quartz ?

Voici quelques exemples de circuits oscillateurs à quartz :

1. Circuits oscillateurs à quartz utilisant 74LS04

Oscillateur à quartz utilisant 74LS04

Source : Researchgate © Xiao Chen

Il est assez courant de trouver ce type de circuit dans les applications numériques. Et c'est parce qu'il produit différentes formes d'onde. De plus, ils aident à créer une gamme de fréquences pour servir de base de temps.

Quelques-unes des pièces que le circuit utilise incluent :

• Cristal à associer avec une résistance
• Un condensateur et une résistance dans le circuit oscillateur RC
• Le circuit oscillateur LC avec condensateurs et fils

Principe de fonctionnement

Ce circuit fait correspondre deux résistances de même résistance (1K à 4,7K) avec un design d'oscillateur à quartz (1MHz à 10MHz). Et il fonctionne avec deux portes inverseurs qui sont dans la résonance parallèle de IC1.

Basé sur le cristal que votre circuit utilise, il peut générer une tolérance de fréquence de sortie harmonique de 1MHz à 10MHz. Sans doute, vous pouvez rencontrer quelques défauts mineurs dans la stabilité de la fréquence de sortie.

Et cela se produit à cause des changements de température lorsque le circuit fonctionne. Par conséquent, cela affecte la capacité du cristal et crée des tolérances de fréquence. Mais si vous comparez ce circuit aux oscillateurs courants qui utilisent des réseaux LC ou RC, il a une valeur moindre.

De plus, ce circuit utilise une faible consommation de courant. Par conséquent, vous pouvez opter pour une alimentation constante de 5V. En outre, vous pouvez maintenir la sortie à une tension stable en utilisant une alimentation CC de 9 à 12 volts vers un régulateur CC IC2-78L05.

Lorsque les condensateurs (C1, C2) filtrent le courant, C2 tire une haute fréquence et protège le circuit des interférences.

Cela dit, voici les composants dont vous avez besoin pour ce circuit :

• XTAL1 – cristaux entre 1MHz à 10MHz
• R1, R2 – 1K à 4.7K (1/4W + 5%)
• C3 – 2.2µF (16V) électrolytique
• IC1 – 74LS04, porte inverseur IV
• C1 – 10µF (16V) électrolytique
• IC2 – 78L05 (5V)
• Circuit imprimé universel
• D1 – 1N4001 (1A 50V) diode
• C2 – 0.1µF (50V) polyester

Test du circuit avec TTL 74LS04

Puisque ce circuit est bon marché et simple, vous avez besoin d'un cristal, d'un TTL SN7404 et de quatre résistances. Les résistances (R1 à R4) polariseront les trois portes inverseurs dans les régions linéaires tandis que le cristal fournit la rétroaction.

De plus, l'oscillation se produit uniquement à la fréquence principale du cristal. Ensuite, à 5V p-p, votre signal de sortie devrait former une onde carrée.

2. Oscillateur harmonique (Overtone)

Oscillateur harmonique

Source : Researchgate © Peter Pfeifer

Un oscillateur harmonique est utile lorsque vous ne pouvez pas faire des cristaux à coupe standard, et que votre wafer de quartz est assez fin. Par exemple, votre oscillateur aura une charge accordée d'un émetteur 144 avec une source de fréquence.

Et la charge a généralement un multiple impair de la fréquence principale du cristal. Par conséquent, un oscillateur harmonique est le mieux adapté pour cette application. Les cristaux harmoniques dans cet oscillateur sont à 11.6MHz, et il s'accorde sur la troisième harmonique de 34.8MHz.

Les tours primaires de ce circuit sont 15 avec un transformateur de sortie (Amidon T-50_6). Quant aux tours secondaires, cela dépend de ce que vous connectez à la configuration. Donc, si votre sortie suit un circuit triple plus complexe, le dispositif sera la source pour un transcepteur à cristal de 104 MHz.

3. Circuit oscillateur à quartz CD4060

Oscillateur à quartz avec CD4060

Source : Researchgate

Cela dit, le circuit comprend IC4013 et IC4060. Ce circuit a une taille de fréquence d'environ 1Hz ou 2Hz. Et vous pouvez l'utiliser pour une horloge numérique standard ou un circuit d'horloge régulier. De plus, le IC4060 est un oscillateur et compteur à action unique. Et vous pouvez déterminer la fréquence avec le condensateur et la résistance externes.

De plus, le IC4060 a un cristal de quartz, et c'est le générateur de fréquence standard du circuit. Le condensateur n'est pas en reste car il aide à l'ajustement de période. Et le IC4060 a des circuits compteurs à l'intérieur — avec une fréquence de 2Hz qui sort sur la broche 3. Aussi, si vous voulez diviser deux des fréquences de signal d'horloge, utilisez le IC4015.

4. Oscillateurs de radiofréquence

Conception de circuit oscillateur RF

Source : Researchgate © CCBY

Si vous regardez de près le diagramme de circuit, vous remarquerez l'oscillateur à quartz principal dans le coin inférieur gauche. De plus, vous verrez un petit amplificateur de puissance 1W.

Le composant aide à piloter un filtre passe-bas et un circuit d'adaptation.

Ensuite, l'oscillateur utilise un circuit de forme de touche pour commuter l'oscillateur marche/arrêt.

Par conséquent, le circuit démarrera et s'arrêtera en douceur. De plus, cela aide à éviter la transmission de clics.

Le dispositif offre plus de puissance et une forme d'onde plus propre, et c'est grâce au circuit de drain de l'oscillateur FET. Intéressant, le circuit a une alimentation provenant d'un émetteur code Morse QRP bande 40m amateur ou onde continue (microswitch).

5. Oscillateurs à porte inverseuse

Oscillateurs à porte inverseuse

Les oscillateurs à porte inverseuse sont l'un des oscillateurs les plus simples que vous pouvez faire. La meilleure partie est que vous pouvez opter pour presque n'importe quelle porte inverseuse CMOS, qui fonctionnera. Donc, vous pouvez utiliser des portes inverseuses CMOS comme 74HC14, 4069, 74HC04, etc.

De plus, toutes les portes numériques ont généralement un gain. Mais si vous voulez qu'elles fonctionnent comme des amplificateurs, polarisez-les avec une résistance d'environ 1M5 et plus. De plus, votre circuit peut offrir un déphasage de 180°. Et la seule façon de faire une rétroaction positive de 360° et d'initier l'oscillation est d'utiliser des condensateurs. Les condensateurs vous aideront à fournir le déphasage restant.

Cela dit, aucun des composants dans ce circuit n'est critique. Donc, les condensateurs (C1 et C2) peuvent varier de 10p à 100p. D'autre part, votre résistance (R1) peut être entre 10K et 10M. En bref, vos valeurs devraient dépendre de la coupe et de la fréquence de votre cristal.

Et si vous voulez des valeurs précises ? Vous pouvez l'obtenir en assurant que votre C1 est un condensateur variable. Mais si vous n'avez pas besoin de cette précision, optez pour un second condensateur de 39p.

Applications de l'oscillateur à quartz

Vous pouvez utiliser l'oscillateur à quartz pour les applications critiques suivantes :

• Jeux vidéo
• Modems
• Ordinateurs personnels
• Applications automobiles
• Télécommunications
• Contrôle moteur
• Systèmes numériques
• Systèmes GPS
• Capteurs de température
• Systèmes de télévision par câble

En résumé

Sans aucun doute, avoir des informations approfondies sur le circuit oscillateur à quartz vous donne un avantage considérable lors de la création de dispositifs électroniques spécifiques — principalement en DIY.

C'est pourquoi nous avons écrit cet article — pour vous aider dans votre parcours d'apprentissage sur les circuits oscillateurs à quartz.

Par conséquent, nous serons heureux de répondre à toutes vos questions concernant cet article. Alors, n'hésitez pas à nous contacter, et nous vous répondrons dès que possible.