Monostable et astable simples utilisant différentes technologies.

Le multivibrateur monostable génère une seule impulsion de largeur fixée (par le concepteur du circuit) en réponse à chaque signal externe de déclenchement. Comme son nom l'indique, le monostable ne possède qu'un état stable. L'application du signal de commande fait passer le système dans un état quasi stable pendant une durée $\tau$ puis revient à son état stable initial.

Le multivibrateur astable a deux états quasi-stables et oscille entre les deux. Ces systèmes n'ont pas besoin de signaux externes de déclenchement. Ils sont régulièrement utilisés pour générer des signaux carrés par exemple pour des signaux d'horloges de circuits numériques.

Dans ce TP, seules les deux dernières catégories seront étudiées. Différentes technologies peuvent être utilisées pour réaliser ces fonctions. La section suivante présente une collection de montages pouvant être réalisés. Tous ces montages ne seront pas à étudier en pratique. Vous choisirez donc un montage de type astable et un montage de type monostable en utilisant deux technologies différentes.

1. Montages astable et astable.

1.1 Utilisation d'AOP en astable.

**Figure:** schéma de principe d'un AOP cablé en astable.
$\resizebox* {!}{5cm}{\rotatebox{-90}{\includegraphics{fig/fig4.ps}}}$

Le bouclage sur l'entrée + entraine que l'AOP ne fonctionne pas en régime linéaire. La sortie va donc prendre deux états correspondant aux tensions de saturation de l'AOP. On les supposera égales aux tensions d'alimentations soit $V_{CC}$ si $V^{+}>V^{-}$ et $V_{SS}$ si $V^{+}<V^{-}$ .

1.1.1 Etude théorique.

**Figure:** Chronogramme pour l'astable à AOP.
$\begin{figure} {\centering %\input{fig/fig5.eepic}\par } \par\end{figure}$

1.2 Logique CMOS.

1.2.1 Porte logique de type NOR.

Les figures présentent les schémas de principe avec des portes logiques NOR. Le même type de schéma existe avec des portes NAND.

**Figure:** Schéma d'un monostable à porte logique NOR.
$\resizebox* {!}{4cm}{\includegraphics{fig/mono1.eps}}$

**Figure:** Schéma d'un astable à porte logique NOR.
$\resizebox* {!}{3cm}{\includegraphics{fig/asta1.eps}}$

Le schéma (3) peut être modifié en introduisant un élément non linéaire. Celle-ci permet d'éviter la surtension apparaissant à l'entrée de la porte logique U2 (figure 5).

**Figure:** Modification du monostable pour protéger l'entrée de U2.
$\resizebox* {10cm}{4cm}{\includegraphics{fig/mono-diode1.eps}}$

Le circuit présenté sur la figure (4) peut être modifié pour obtenir un rapport cyclique variable (obtention d'une tension rectangulaire, figure 6).

**Figure:** Schéma d'un astable à porte logique NOR pour obtenir un rapport cyclique différent de 1.
$\resizebox* {!}{3cm}{\includegraphics{fig/asta-diode1.eps}}$

1.2.2 Bascule de Schmitt.

On peut également réaliser des astables et des monostables à l'aide de bascule de Schmitt. Cette bascule peut être réalisée avec un circuit à AOP. Nous proposons ici quelques montages utilisant le circuit logique CMOS 4093. Les valeurs de R et C seront les mêmes que précédemment.

**Figure:** Trigger de schmitt utilisant le circuit logique 4093. A: monostable déclenché par front montant. B: monostable déclenché par front descendant. C: astable contrôlé par le niveau logique DECL.
$\resizebox* {12cm}{!}{\includegraphics{fig/schmitt1.eps}}$

1.3 Circuit NE555.

Le circuit NE555 est très utilisé pour la réalisation de multivibrateur astable et monostable. Il contient en interne deux comparateurs, une bascule RS. Un étage de sortie permet d'obtenir un courant important en sortie. Les câblages typiques en astable et monostable sont donnés sur la figure (8). Les tensions aux bornes inverseuses des comparateurs sont contrôlées précisément grâce aux 3 résistances R. Elles valent 2/3 VDD et 1/3 VDD.

**Figure:** Circuit NE555 câblé en monostable. La patte 5 est à relier à la masse par une capacité égale à 10nF
$\resizebox* {!}{5cm}{\includegraphics{fig/NE555mono.eps}}$

1.3.1 Monostable (figure 8).

Quelques explications sont nécessaires. Avant déclenchement, le verrou RS est initialisé. la sortie Q est à 0 et $\overline{Q}$ est à 1. le transistor bipolaire est bloqué. L'état stable correspond à la capacité C déchargée et DECL à 1. On a donc R=1 et S=0 soit Q=0 et $\overline{Q}$ =1. Le transistor bipolaire est saturé et la capacité est bien déchargée. Dès que DECL passe à 0, S passe à 1, R reste à 1, Q passe à 1 et $\overline{Q}$ à 0. Le transistor bipolaire se bloque, la capacité C se charge. Dès que la tension aux bornes de C devient supérieure à 2/3 VDD, Q passe à 0. La capacité se décharge alors rapidement aux travers du transistor aui est saturé et on retrouve un état stable.

1.3.2 Astable.

**Figure:** Astable réalisé à l'aide d'un NE555. La patte 5 est à relier à la masse par une capacité égale à 10nF
$\resizebox* {!}{5cm}{\includegraphics{fig/NE555asta.eps}}$

1.3.3 Câblage.

Pour son utilisation, les pattes à utiliser sont données sur les figures (8,9). Deux pattes ne sont pas indiquées sur ces figures :

2. Applications.

Un seul type d'application est proposé ici. Les applications sont néanmoins nombreuses passant par l'alarme de voiture au fameux ``chenillard'' 12 voies programmables. Une application plus ``sérieuse'' est proposé ici.

2.1 Convertisseur fréquence-tension DC.

2.1.1 Principes.

Un signal carré de fréquence f=1/T est envoyé sur l'entrée de déclenchement d'un monostable délivrant une impulsion de durée $\tau$ . On obtient en sortie du monostable une impulsion de durée $\tau$ et d'amplitude E toutes les T secondes. La valeur moyenne de ce signal $V_{s}(t)$ est égale à :

$\begin{displaymath} V=\frac{1}{T}\int _{0}^{T}V_{S}(t)dt=\frac{\tau \cdot E}{T}=f\tau E\end{displaymath}$

La valeur moyenne $V$ est donc bien proportionnelle à la fréquence f du signal. Electroniquement, la valeur moyenne d'un signal s'obtient à l'aide d'un filtre passe-bas de fréquence de coupure faible devant la fréquence f à analyser .

2.1.2 Quelques applications du convertisseur fréquence-tension.

Ce type de système permet de réaliser des compte-tours par exemple. Dans le cas d'un moteur électrique, il suffit d'utiliser un capteur délivrant une impulsion dès que l'arbre fait un tour.

Ce type de montage intervient également dans la réalisation d'un analyseur de spectre. Il s'agit ici de réaliser un système indiquant l'intensité crête d'un signal sinusoïdal en fonction de la fréquence. Un multiplieur suivi d'un filtre passe bas permet de déterminer l'amplitude crête d'un signal. Le signal à analysé est envoyer sur une des entrées d'un multiplieur alors que sur l'autre voie un signal sinusoïdal de fréquence variable f est utilisé (reference). Le convertisseur fréquence-tension prend en entrée ce signal de référence. Sa sortie est envoyée sur la voie X d'un oscilloscope. La sortie du détecteur d'amplitude est envoyée sur l'entrée Y du même oscilloscope. L'oscillogramme obtenue correspond au spectre du signal.

3. Travail expérimental.

Pour tous les schémas présentés sur les figures, on prendra R une résistance variable 1-10k et C=33nF. Le brochage du circuit 4001 est indiqué sur les figures. ATTENTION, il ne faut pas oublier d'alimenter.

L'étude se résumera à la mesure des différentes tensions présentes sur les différents points du montage et de leur interprétation. Une mesure précise de la durée $\tau$ d'une impulsion en sortie d'un monostable et de la fréquence $f$ du signal en sortie d'un astable sera à mener en fonction de la valeur de la constante de temps R. On cherchera à mettre en évidence les limitations (fréquence max et min par exemple) de ces montages. On pourra également mesurer les seuils de basculement des différents circuits utilisés.