Le principe de ce générateur est extrêmement simple.
Il utilise un générateur de signaux carrés triphasés à 5600Hz obtenu par une division par 6 d’une horloge à 33600Hz. Le résultat obtenu est 3 signaux carrés A,B,C déphasés de 120°, que l’on mélange avec d’autres signaux carrés à 6000Hz dans des Ou exclusifs.
Toutes ces fréquences sont issus d’une division par 5 et par une division par 4x7=28 d’une horloge à 188000Hz. Cette dernière utilise une bascule D inutilisé pour configurer le 7493 en diviseur par 2x7. Tout ceci en asynchrone par souci d’économie.
Le résultat du mélange est un signal PWM à 5600+6000=11600Hz à modulé à 6000-5600=400Hz.
La démodulation des 3 phases Ph1,Ph2,Ph3 que l’on observe sur l’oscilloscope se fait dans des circuits RC mais on pourrait tout aussi bien attaquer directement des amplis classe D.
Pour la maquette de démonstration j’ai utilisé des circuits TTL standard (74LS74, LS86, LS90, LS93) et un NE555. La moyenne d’age de ces circuits était voisine de 45 ans !
J’ai fait avec ce que j’avais. Et les circuits 74LS ont ceci de bien, c’est qu’on peut laisser en l’air les circuits inutilisés, et c’est autant d’économisé sur le câblage.
Ainsi, après 2 heures de câblage et presque sans aucune mise au point, j’ai obtenu 3 signaux dont l’amplitude et la phase ont été acquises du premier coup et sans aucun réglage.
Seul le réglage de fréquence s’est avéré un peu délicat car le NE555 est un peu limite en fréquence.
On gagnerait certainement beaucoup à utiliser des circuits plus modernes dont un TLC555 et des circuits de la série 74HC qui procureraient en sortie des signaux plus propres. Le tout pouvant tourner en 12 Volts.
Certes il y a des améliorations à prévoir mais, le but est atteint : le procédé qui utilise le principe des battements de 2 fréquences décalées de 400Hz est viable et bien adapté au problème car il conserve aussi les déphasages.
Ainsi les déphasages entre les signaux A,B et C (120°à 5600Hz) se retrouvent sur les sorties Ph1 Ph2 et Ph3 (120° à 400Hz).
Bien entendu on peut faire varier la fréquence d’entrée. La fréquence à la sortie variera en conséquence.
En fait les conditions à réunir pour avoir des signaux PWM modulés sinus c’est d’avoir sur les entrées du XOU des signaux carrés de rapport cyclique 50% décalées de 400 Hz.
Si on veut 3 phases la structure du diviseur par 6 à base de 3 bascules A,B,C est un passage obligé.
Si on veut de plus une certaine stabilité, le choix d’un maitre oscillateur unique et de diviseurs est aussi un passage obligé.
Le reste est un problème de mathématiques.
Soit : 168000/(5x6) = 5600 et 168000/(28) = 6000 > F = PWM 11600HZ modulé à 400Hz
Si on tombe la fréquence du maitre oscillateur à 168000/8=21000Hz on aura alors F = PWM 1450Hz modulé à 50Hz.
Dans l’exemple on a pris un diviseur par 30 et un diviseur par 28 mais un diviseur par 30 et un diviseur par 32 marcheraient aussi bien.
En fait il y a bien d’autres choix possibles. C’est surtout un problème d’arithmétique.
Diviseur 1 = 200 (=10x10x2) choix arbitraire mais obligatoirement pair.
Diviseur 2 = 198 (=11x3x6) multiple de 6 le plus proche.
50 + Fx/200 = Fx/198 > Fx= 50x198x200/(200-198) = 990000
Oscillateur maitre 990000 Hz
Divisé par 200 (Multiple de 2) > Fréquence 1 = 990000/200 = 4950 Hz
Divisé par 198 (Multiple de 6) > Fréquence 2 = 990000/198 = 5000 Hz
A la sortie des XOU : 3 x PWM à 9950Hz modulé à 50Hz
Mais si on veut vivre avec son temps.
Le générateur Si5351 génère très simplement toutes les fréquences que l’on peut imaginer.
Et si on cherche à faire marcher un moteur, il existe des variateurs de vitesse V/F converter Mono/Tri qui font ça très bien.
Et, le résultat est bien une modulation sinusoïdale qui comporte 11600/400 = 29 points d’interpolation par alternance.
Dans l’absolu le déphasage entre les signaux croit constamment, comme d’ailleurs leur angle.
Mais le sinus qui en résulte est bien périodique. C’est le principe des battements entre 2 signaux périodiques (Sinp + Sinq =…).
Le réseau RC n’est qu’un filtre rudimentaire qui permet de visualiser le signal PWM à l’oscillo.
D’ailleurs on observe bien sur les sommets le crénelage qui indique un rapport cyclique voisin de 50%.
Si c’était du triangle on aurait immanquablement 2 ruptures de pente par alternance autrement dit une dent de scie aplatie.
Un bien meilleur choix avec le couple de fréquence: 6000 et 6400 Hz, démonstration:
Le PPCM de ces deux valeurs est 96000:
• 96000 ÷ 15 = 6400.
• 96000 ÷ 16 = 6000.
Déjà plus question de compteur par 14 remplacé par un compteur binaire.
15 n’est pas divisible par 6, par contre son double l’est, il suffit alors de doubler la fréquence d’horloge:
• 192000 ÷ 30 = 192000 ÷ (5 × 6) = 6400.
• 192000 ÷ 32 = 192000 ÷ (16 × 2) = 6000.
Les compteurs qui divisent par 5 ne sont pas monnaie courante, il est plus simple de le remplacer par un compteur décimal quitte à doubler une nouvelle fois la fréquence d’horloge:
• 384000 ÷ (5 × 6 × 2) = 384000 ÷ (10 × 6) = 6400.
• 384000 ÷ (32 × 2) = 6000.
L’harmonique 16 de cette dernière fréquence (384000 × 16 = 6144000 soit 6,144 MHz) est particulièrement intéressant car il existe des quartz pour cette fréquence particulière (RS, Farnell…eBay…).
Un HC4060 équipé de ce quartz délivre les fréquence suivantes sur ses sorties:
• Q0 = 6144 kHz
• Q4 = 384000 Hz —> ÷10 (HC4017) = 38400 Hz —> horloge du compteur en anneau générant les 3 phases (3 × ½ HC74).
• Q5 = 192000 Hz
• Q6 = 96000 Hz
• Q7 = 48000 Hz
• Q8 = 24000 Hz
• Q9 = 12000 Hz —> ÷2 = 6000 Hz en sortie du flip-flop symétriseur (1 × ½ HC74).
• Q10 = 6000 Hz
• Q12 = 1500 Hz
• Q13 = 750 Hz
• Q14 = 375 Hz
Bilan = 5 boîtiers: 1 × HC4060, 1 × HC4017, 2 × HC74 et 1 × HC86 avec en plus la stabilité en fréquence du quartz.
A l’occasion je soumettrais le schéma correspondant…
En fait le flip-flop symétriseur n’est plus nécessaire puisque les signaux en sortie du HC4060 ont nativement un rapport cyclique de 50% étant donné que chacun provient d’un des flip-flops câblés en cascade.
• Sa sortie Q10 à 6000Hz doit être directement connectée à une entrée de chaque XOR du HC86.
• Les 3 flip-flops des 2 HC74 peuvent alors être remplacés par ceux d’un seul HC175, ce qui permet d’économiser un boitier de plus.
Bilan = 4 boîtiers: 1 × HC4060, 1 × HC4017, 1 × HC175 et 1 × HC86 avec en plus la stabilité en fréquence du quartz 6,144 MHz.
Le HC4060 équipé d’un quartz 6,144 MHz fournit les fréquence suivantes sur ses sorties:
• Q0 = 6144 kHz
• Q4 = 384000 Hz —> ÷10 (HC4017) = 38400 Hz —> horloge du compteur en anneau générant les 3 phases (1 × HC175)
• Q5 = 192000 Hz
• Q6 = 96000 Hz
• Q7 = 48000 Hz
• Q8 = 24000 Hz
• Q9 = 12000 Hz
• Q10 = 6000 Hz —> 1 des 2 entrées de chacun des 3 × XOR’s du HC86
• Q12 = 1500 Hz
• Q13 = 750 Hz
• Q14 = 375 Hz
Vérification du fonctionnement du schéma proposé en le câblant sur une « bread-board ».
• Utilisation d’un quartz 6,000 MHz à défaut du quartz 6,144 MHz.
• Tous les circuits en logique 74HC sauf le 4017 en logique CMOS standard (CD4017B).
• Filtrage des signaux obtenus par cellule RC: 10kΩ / 0,1µF.
• Alimentation en 5 volts.
Juste une variante avec un compteur synchrone 74HC163 pour remplacer le 74HC4017. Ce compteur binaire est entièrement synchrone y compris son reset et son chargement.
Prépositionné à 11 sur le nouveau schéma ci-dessous, il aurait dû déborder (passage de 15 à 0) au bout de 5 impulsions d’horloge. A cet instant là, sa sortie RCO (Ripple Carry Output) active son entrée « Load », ainsi au lieu de déborder, le compteur se recharge à la valeur 11 programmée sur ses entrées P1 à P4. Le cycle se répète alors toutes les 5 impulsions, on est bien en présence d’un compteur par 5.
Ce compteur aurait tout aussi bien pu diviser par une autre valeur que 5. Par exemple, pour diviser par 14, ses entrées doivent être programmées avec la valeur 2 (16 - 14).
Bilan = toujours 4 boîtiers: 1 × HC4060, 1 × HC163, 1 × HC175 et 1 × HC86 dont on utilise le 4ème XOR qui demeurait inemployé avec le schéma précédent.
L’ajout du compteur 74HC163 sur la « bread-board », le compteur 4017 est resté en place mais a été inactivé.
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