Les petits vices cachés des circuits électroniques.
Tout appareil de mesure quel qu’il soit est entaché d’imprécisions, de petits défauts, de comportement sparfois « limites ». C’est inexorable, et tout technicien sait à l’avance que mesurer c’est perturber. Cette affirmation péremptoire est quasi absolue. Il importe donc de prendre en compte en permanence cette « évidence » et évaluer l’influence néfaste apportée par l’appareil de mesure que l’on branche sur un système, et d’en corriger les imprécisions qui inévitablement affecterons les résultats obtenus. Par exemple un voltmètre fait chuter la tension qu’il mesure, et ce d’autant plus que son impédance est faible, un ampèremètre diminue le courant de la branche électrique dans laquelle il est inséré, et ce d’autant plus que son impédance est élevée, les exemples sont infinis …
Bref, mesurer c’est évaluer, estimer, pondérer …
Quand on examine le comportement d’un circuit électronique, l’instrument le plus riche en information restera ce bon vieux oscilloscope, et s’il est un peu poussiéreux avec un antique tube cathodique pour la visualisation … ce n’est pas forcément rédhibitoire comme la suite va le démontrer. Par exemple, l’étrange Fig.67 donnée ci-contre est typique de l’emballement de l’étage d’amplification. Il faut savoir qu’un amplificateur à large bande est « une grenade » dégoupillée. Si pour une quelconque raison le signal amplifié revient en phase sur son entrée, même à très faible dose, l’amplificateur devient un oscillateur. En effet, n’oublions pas la structure de base et le principe de fonctionnement fondamental de tout oscillateur. On prend un circuit amplificateur, on réinjecte en partie le signal de sortie sur son entrée, et l’on s’arrange à ce que cette chaîne bouclée présente une fréquence de résonnance propre à favoriser la valeur d’une vibration particulière. Autant faire osciller un circuit à fréquence élevée sera difficile quand on le désire, autant quand on souhaiterait le contraire, museler un amplificateur va s’avérer délicat. (Sur les amplificateurs hautes fréquences on parle de neutrodinage.) C’est ainsi, le monde de l’électronique est un petit lutin qui titille en permanence l’humain inconscient qui naïvement désire en faire un loisir de détente !
L’étage à large bande passante Amplif. n’échappe pas à cette espièglerie électronique. Ce n’est pas systématique, mais en fonction des longueurs des fils non blindés que l’on branche sur les connecteurs HE14, l’opérateur MAX457 arrive parfois à partir en auto oscillation à fréquences très élevées. Ce phénomène se produit quand il est à son gain maximum et que l’on injecte en entrée un signal qui aboutit à une amplitude de sortie dépassant les six volts
crête à crête. C’est assez compréhensible. C’est au GAIN maximum qu’un petit résidu de « sortie » réinjecté en entrée favorisera le plus l’accrochage en oscillateur. De plus, quand l’amplitude en sortie est importante, les ondes H.F. parasites rayonnées vont de paire et influencent d’autant les fils branchés en entrée. Quelques expériences simples vont montrer les circonstances propices à ce problème et surtout permettre de dégager les « précautions à prendre » quand on utilisera PICOSYNTHÉ pour parer ce problème.
La première action à conduire consiste à valider la toute première fonction du MENU et à imposer, comme sur la Fig.68 qui en résulte, la fréquence de sortie de 150Hz qui donne un signal constant identique à celui du TRACEUR X/Y. On ne va utiliser qu’Amplif. dans cette expérience, mais pousser plus loin l’étude de son comportement.
La Fig.69 pas très belle au point de vue artistique résume les branchements à effectuer, on est dans du trivial. Les couleurs des fils électriques ne sont assurément pas judicieuses, elle résultent de sélections arbitraires. Utiliser une couleur unique pour chaque ligne devrait tomber sous le sens. Dommage, on ne va pas refaire la photographie. Le fil noir 1 prolongé par son contraire blanc 2 fournit sur l’entrée E d’Amplif. le signal sinusoïdal à 150Hz issu de la sortie SINUS. La sortie S de l’amplificateur par le fil 3 prolongé par 4, va sur la petite platine de connections rapides 5. Le fil de masse GND (Qui serait franchement mieux en bleu que de couleur
orange !) va aux masses des deux oscilloscopes utilisés dans cette expérience. Enfin les fils 6 et 7 vont sur les entrées des deux oscilloscopes. Comme 4, 6 et 7 sont sur la même ligne de contacts, les deux oscilloscopes visualisent le signal « musclé » par Amplif. : Une belle sinusoïde que présente sur la Fig.70 l’oscilloscope cathodique, et sur la Fig.71, son petit frère numérique plus actuel DSO 062. Les deux appareils sont configurés pour une sensibilité verticale identique de 2V par graduation. La base de temps dans les deux cas est d’une milliseconde par graduation ce qui sur ces écrans correspond à une période
de 6,6mS environ. Par l’habituel calcul élémentaire on retrouve bien, comme prétendu sur la Fig.68, une fréquence de 150Hz. Tout va pour le mieux. On peut s’offrir un moment de détente et aller à la chasse aux papillons.
L’EFFET PAPILLON.
Phénomène beaucoup plus courant qu’on ne le croit généralement, tout le monde a entendu parler de l’effet papillon : Une minuscule cause dérisoire déclenche un effet considérable. L’âge de glace en est un exemple amusant, cependant, en permanence sur Terre, de telles « étrangetés » se déroulent sans que nous n’y prenions garde. Quelques exemples bien pensés sont observables dans divers musées en France, dédiés à ce chapitre des « sciences de la vie ». En électronique aussi, des causes insignifiantes peuvent engendrer des effets bien désagréables et tourmenter les techniciens. Certains sont bien connus, nous allons dans ce chapitre créer très facilement une telle bizarrerie. Avant d’animer les ailes du papillon, commençons par le petit jeu des 7 erreurs que vous avez tous pratiqué sur la plage durant vos vacances estivales ensoleillées. Vous avez tous recherché dans deux photographies apparemment identiques sept petites différences bien discrètes.
Et bien entre les Fig.69 et Fig.72 je vous propose le jeu d’une erreur ! Vous avez donc à découvrir une différence entre ces deux images. Regardez avec attention et sagacité.
– Si, si, je vous assure, il y a une différence.
– Bon, ne rallez pas, je vais vous aider.
Le fil noir 1 arrive toujours de la sortie SINUS, et se prolonge comme avant par le fil blanc 2 qui achemine l’onde à 150Hz vers l’entrée E de l’amplificateur à large bande. La ligne d’arrivée du signal est inchangée. Ce n’est donc pas la différence recherchée.
Le fil violet 3 qui est branché sur la sortie S d’Amplif. se prolonge toujours avec le fils orange 4 et va sur la plaque à contacts 5. Cette liaison est également inchangée, c’est manifeste.
Le texte bleu de la Fig.72 certifie sur l’honneur que les autres liaisons électriques vers les deux oscilloscopes n’ont strictement pas été modifiées.
CONCLUSION : C’est de l’arnaque, ces deux montages électriques sont ABSOLUMENT PAREILS !
Quelques picofarads font toute la différence.
Pour provoquer volontairement un effet papillon, votre narrateur s’est contenté de faire une simple torsade entre la ligne d’entrée et la ligne de sortie de l’amplificateur à large bande. Hoooo, pas grand chose, à peine un demi-tour. Ce détail absolument insignifiant a rapproché les deux lignes, on remarque bien en Fig.69 qu’elles sont plus éloignées. Ce dérisoire rapprochement provoque une capacité parasite négligeable, probablement inférieure à 10pF.
– Et alors ?
Ben, ce minuscule condensateur parasite ramène un fifrelin de 150Hz de la sortie vers l’entrée. Trois fois rien vous vous en doutez. Franchement, 10pF à 150Hz présente une impédance considérable, le signal ainsi réinjecté n’aura aucune influence. Mais à des fréquences très élevées, ces ridicules petits picofarads constituent un chemin tout à fait praticable. Quand on réinjecte le signal de sortie sur l’entrée d’un amplificateur, pour peu que l’amplitude soit suffisante, il mute instantanément en oscillateur.
La preuve en est fournie par la Fig.73 qui montre clairement ce que devient le signal fourni en sortie S d’Amplif. dans ces conditions.
Et oui les amis, le simple rapprochement entre les deux lignes non blindées engendre une capacité répartie suffisante pour « accrocher » l’auto-oscillation. Cette dernière se produit à la fréquence de résonance de la boucle électronique, elle est ici de valeur très élevée, limitée par la bande passante de l’amplificateur opérationnel. Une légère composante continue est présente sur le signal, car le GAIN a été poussé au maximum pour favoriser l’effet papillon, et l’ajustement d’OFFSET n’a pas été repris.
– Et le petit oscilloscope moderne DSO 062, que montre-t-il dans ces conditions ?
La réponse se trouve dans la Fig.74 qui par inadvertance a été obtenue en synchronisant sur un front descendant. (Peu importe !) La belle sinusoïde est donc inversée par rapport à celle de la Fig.71 avec le décalage vers le bas résultant du résidu de composante continue. Cet oscillogramme est réalisé simultanément avec celui de l’oscilloscope cathodique. Pourtant, la présence des perturbations d’auto-oscillation passe totalement inaperçue. C’est précisément la faiblesse des oscilloscopes numériques pour lesquels certains phénomènes très fugitifs ne sont pas détectés par les convertisseurs analogiques numériques. Contrairement à ce que l’on pourrait croire, un oscilloscope numérique à mémoire perfectionné n’est pas mieux placé que le « vieux » tube cathodique, car le repliement FFT du spectre et les techniques de lissage linéaire peuvent complètement masquer ces oscillations. Comme quoi les vieilles technologies de grand père n’ont pas forcément que des inconvénients. Certains vont objecter que le DSO 062 est commercialisé avec le qualificatif d’expérimental, car sa fréquence d’échantillonnage n’est pas phénoménale. Dans notre cas, cette caractéristique ne joue pas un rôle prépondérant, car le signal analysé ne fait que 150Hz.
Attraper un beau papillon.
L’épuisette informatique pour déclencher un effet papillon consiste finalement à réinjecter, consciemment ou par mégarde, une fraction du signal de sortie d’un amplificateur sur son entrée. C’est exactement ce que nous allons faire dans cette manipulation. L’idée est simple, par le truchement de la petite plaque à essai de la Fig.76 on va réaliser le schéma électronique de la Fig.75 qui ne demande qu’un petit condensateur CEXT de 10nF (Ou toute autre valeur du reste.) et une résistance potentiométrique dont on peut ajuster à convenance la valeur. Dans ce montage j’ai utilisé un 10kΩ qui traine dans le petit « sac à tout faire ». Critère identique pour le 10nF, vous pouvez placer un composant quelconque dont la valeur reste inférieure à 0,1µF et supérieure à 10nF.
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Concentrez à outrance votre attention, car le montage électronique est très très compliqué. On amène la sortie S du MAX457 sur le condensateur extérieur. L’autre borne de CEXT est reliée à l’entrée E de l’amplificateur opérationnel. Vous avez compris qu’avec une valeur de capacité aussi élevée, le circuit va immédiatement partir en auto-oscillations. La résistance ajustable R n’a pas pour but d’atténuer le signal en retour sur E, il forme avec CEXT un circuit RC présentant forcément une fréquence de résonance. En modifiant la valeur de R on peut librement aboutir à une onde audible. Si 
vous ne disposez pas d’oscilloscope, il vous sera aisé en pontant la sortie S sur l’entrée 8Ω du petit haut-parleur, d’entendre la vibration provoquée par l’oscillateur ainsi improvisé. La Fig.77 montre la virulence du « papillon ». C’est que l’amplificateur présente un gain important et surtout un temps de montée 
extrêmement faible. En quelques nanosecondes la tension passe de rien au maximum possible limité par la tension d’alimentation positive. Puis, le circuit ne pouvant donner plus, la tension en sortie reste stable, le temps que le circuit RC reprenne la décharge du condensateur. La tension va brutalement « basculer » avec un temps de décroissance très court pour saturer l’amplificateur à la tension négative d’alimentation. Le processus 
va reprendre dans l’autre sens, et l’on observe en sortie S un signal carré. La tension symétrique varie, comme déductible sur la Fig.78, entre +4V et -4V. Attention, en réalité c’est entre +5V et -5V que se situent les maxima, mais le petit bouton flèche rouge central n’est pas en position « calibrage ». La Fig.79 énonce une durée de période qui avoisine les 5 x 20µS soit T » 100µS. Un rapide calcul évalue la fréquence à 10kHz. Bien que PICOLAB soit plus précis pour ce type de mesure, le DSO 062 étant en circuit il est mis à contribution pour annoncer en Fig.80 une valeur de 9642Hz. (C’est l’ordre de grandeur qui suffit dans notre cas.) Passé un certain âge, elle se situe dans les ultrasons. Aussi, en Fig.81 la période à été augmentée aux environs de 140µS. Les 7000 Hz qui en résultent redeviennent audibles « pour les ainés » !
Et si vous désireriez en sortie de l’oscillateur une onde bien sinusoïdale ?
Deux approches sont possibles, (En plus de la technique numérique à base de microcontrôleur et de convertisseur numérique analogique.) Soit on diminue le gain de l’amplificateur à 1, c’est la théorie. Mais alors il n’oscille plus ! En effet, avec un gain unitaire ce n’est plus un amplificateur. La technique dans ce cas se complique singulièrement, car il faut dépasser très légèrement ce gain théorique de un, et asservir avec rigueur l’amplitude en sortie. Pas simple du tout. Soit on fait suivre le signal carré issu de S d’un filtre passe bande accordé sur la fréquence de la vibration … et c’est une tout autre histoire !
Un dernier petit papillon pour la route.
D’une discrétion avérée, le dernier « effet papillon » dont il sera question dans ces lignes est relatif au synthétiseur AD9850. Il en a déjà été question dans les chapitres qui précèdent durant le didacticiel. Toutefois, il ne faudra jamais l’oublier, car l’effet est assez pervers. En effet, PICOSYNTHÉ annonce toujours, taillé comme une vérité biblique dans le silicium des pixels d’OLED, la fréquence actuellement générée. Et bien ce n’est qu’une publicité qui parfois peut s’avérer mensongère. Il suffit qu’un parasite de rien du tout en durée, arrivant par le secteur, traverse la chaîne d’alimentation, pour provoquer un RESET sur l’AD9850. C’est assez pervers, car le générateur passe en veille brusquement … sans le dire. Par exemple, manipulation ci-avant terminée, on rebranche l’onde issue du synthétiseur sur E et l’on passe l’oscilloscope analogique sur OFF. Brusquement l’électrocardiogramme sur le DSO 062 devient plat et le haut-parleur silencieux. Pourtant OLED affiche imperturbablement 150Hz. Donc, si expérimentalement vous avez mis sous tension ou coupé un appareil électrique quelconque, sortez l’AD9850 du comma en tournant le capteur rotatif par exemple, et surtout n’oubliez jamais cette petite faiblesse passagère de PICOSYNTHÉ.
