ETUDE D’UN WOBULATEUR - Modification du circuit de contrôle en vue d'obtenir un balayage en "dent de scie"

Projet publié dans la revue Electronique Pratique n°361 de juin 2011 sous le titre "Etude d'un wobulateur"

Le désespoir des collectionneurs de postes radio et autres tuners FM anciens réside dans le fait que très souvent les propriétaires précédents ont jugé bon d’essayer de régler les transformateurs de fréquences intermédiaires qu’ils croyaient désaccordés et qui après cette intervention le seront à coup sur ...
Pour cette opération, il faut impérativement disposer d’un générateur wobulé ou wobulateur.      
Le terme wobulateur dérive de l’anglais «to wobble» qui signifie tanguer, balancer.
Le wobulateur est un générateur à balayage de fréquence destiné à régler les transformateurs accordés en fréquence.
L’instrument de laboratoire que nous proposons, couplé à un oscilloscope visualise directement la courbe de réponse fréquentielle des quadripôles accordés. Il permet l’accord des FI comprises entre 450 et 550 kHz pour la AM, entre 9 et 11 MHz pour la FM et propose une sortie VHF qui couvre la bande de 88 à 110 MHz.
Il est équipé d’un contrôle de niveau, d’un atténuateur en pas de 10 dB, d’un afficheur de la fréquence et de son excursion, propose un balayage strictement linéaire et permet de moduler le signal en fréquence (FM).

Le schéma bloc
Schéma Bloc

Le nœud du circuit est un oscillateur contrôlé en fréquence (VCO). Il génère un signal compris entre 88 et 110 MHz. Un diviseur par 10 fournit le signal de 8,8 à 11 MHz suivi par un diviseur par 20 pour le signal de 440 à 550 kHz. Chacune des deux sorties est filtrée afin de ne conserver que la fondamentale pour être ensuite mise à niveau par le potentiomètre et l’atténuateur.
Le VCO est contrôlé par une tension continue à laquelle s’ajoute la tension de balayage ou un signal de modulation en fréquence.
Le balayage est mis à niveau en fonction de la sensibilité de l’entrée horizontale de l’oscilloscope.
Et enfin la fréquence est affichée sur un module de comptage avec une définition de 100 Hz.

L’Oscillateur Contrôlé en Fréquence (VCO)
Schéma Oscillateur

Il est inutile de tenter de construire un VCO à partir de composants discrets. Cela nécessite de l’équipement et une solide expérience en hautes fréquences.
Nous trouvons sur le marché des excellents petits modules dont ceux du fabricant anglais «Mini-Circuits» qui jouit d’une solide réputation dans le domaine et ses produits sont utilisés dans des applications professionnelles et militaires.
Le module utilisé est le POS150 dont la linéarité «tension / fréquence» est excellente (figure 3). Il est disponible chez Selectronic.  
Cette caractéristique de linéarité tension de commande / fréquence est fondamentale si l’on veut que l’image affichée sur l’écran traduise bien la progression linéaire en fréquence en fonction du déplacement du spot sur l’écran.
En pratique la mise au point d’un étage discriminateur FM s’obtiendra en ajustant l’accord des circuits pour obtenir une droite parfaite. Ce sera la condition incontournable pour réduire la distorsion à son minimum. Nous verrons plus loin qu’il est illusoire d’espérer descendre sous les 1% de DHT en restitution en FM.
Le module POS150 est alimenté individuellement en +12 Vdc et cette tension est ensuite sévèrement filtrée par la cellule L1-C15. La bande de fréquence du module s’étend de 75 à 150 MHz.

Pour obtenir une bande de fréquence s’étendant de 88 à 110 MHz, la tension de commande variera de 3,7 à 7,3 Vdc.
Le signal de sortie est symétrisé par le transformateur T-622 également de « Mini-Circuits » et appliqué à IC1 MC12080 pour être divisé par 10. Le signal carré est ensuite mis à niveau par le transistor Q1 et mis en forme par une première porte NAND IC2A. La sortie de IC2A excite la deuxième porte NAND IC2D et le diviseur par 20 réalisé par IC3.
Le commutateur S3/2 en position ouverte active IC2D et bloque IC3 et seul le signal carré de 8,8 à 11 MHz transite pour la gamme 10,7 MHz. En position fermée, IC2D est bloqué et IC3 actif et nous obtenons en sortie le signal de 440 à 550 kHz pour la gamme 455 kHz.
Les sorties de IC2D et IC3 sont additionnées par les résistances R10 et R11 pour être routées vers le compteur. Chaque signal est ensuite épuré par un filtre passe bande à 5 pôles. Il est important de présenter à ces filtres un signal parfaitement carré, l’harmonique 2 étant absente la première fréquence à filtrer est au triple de la fondamentale.
Le signal VHF est repiqué à la sortie du module POS150 et disponible à l’arrière de l’appareil.
Il permet d’attaquer directement l’entrée antenne du tuner FM. Le niveau du signal fait 50 mVac dans 50 Ω. Pour une impédance de sortie de 75 Ω il faut remplacer R5 par une 82 Ω.

Le circuit de contrôle
Schéma du Contrôle - (Modifié)

Le transistor Q1 est monté en source de courant. La tension développée entre son émetteur et le +18 Vdc induit un courant stable de 1,8 mA ajusté par le potentiomètre P1. La tension au collecteur alimente le potentiomètre P8 (CENTER) qui définit la tension de commande de l’oscillateur. On remplacera avantageusement la résistance R2 de 3,3 kΩ par une diode régulatrice 1N5309 de 3 mA.
Le potentiomètre P1 ajuste l’étendue de la gamme, soit ici 22 MHz et le potentiomètre P2 positionne cette même gamme entre 88 et 110 MHz.
Le signal de balayage ou de modulation est appliqué sur R4 situé au pied du générateur de courant.
Toute variation de la tension induite dans cette résistance se retrouvera intégralement au curseur de P8 sans être affecté par sa position. Avec comme conséquence une sensibilité qui reste constante quelle que soit la fréquence choisie.
Le balayage est réalisé par les deux circuits IC5 et IC6 configurés classiquement en générateur triangulaire symétrique. Le potentiomètre P7 règle la symétrie autour du zéro. La fréquence de balayage n’est pas critique pour autant qu’elle reste faible. Avec 100 nF en C19, elle fait 12 Hz environ pour une amplitude de 12 Vpp.
La fréquence de balayage peut être modifiée en changeant la valeur de C19. Exemple: un condensateur de 220 nF donnera une fréquence de balayage de 5 Hz. 

Modification du circuit: L'ajout de la diode D8 en parallèle avec la résistance R17 court-circuite la rampe descendante afin d'obtenir un signal en "dent de scie". 

L’excursion de fréquence (SPAN) est définie par le potentiomètre P4, l’excursion maximale atteint 600 kHz pour la gamme 10,7 MHz et 30 kHz pour la gamme 455 kHz. C’est un choix délibéré qui correspond aux applications souhaitées. En augmentant la valeur de R4, on augmente linéairement l’excursion possible.

P6 et P5 sont ajustés respectivement au maximum et au minimum du signal de balayage, comme expliqué en fin d’article. Les fonctions « Max » et « Min » indiquent au compteur les fréquences minimale et maximale définies par le potentiomètre P4 de l’excursion.
Le circuit IC9 repique le signal de balayage pour le présenter à la sortie « SWEEP ». Le potentiomètre P3 règle le niveau de balayage en fonction de la sensibilité de l’entrée X de l’oscilloscope.
Nous avons prévu la possibilité de moduler le signal en fréquence. Cette modulation est appliquée de la même manière que le balayage. L’oscillateur ainsi que les deux gammes de fréquences intermédiaires sont modulables en FM. Cela permettra de mesurer avec précision le taux de distorsion du récepteur ou du discriminateur. Avec P4 (SPAN) au maximum, un signal modulant de 1 Vpp réalise une déviation de 25 kHz sur la gamme 10,7 MHz. Une tension de 1,63 Vpp ou 600 mVac réalise la déviation de 40 kHz pour la mesure normalisée (figure 17).
Concernant tous ces réglages, pas d’angoisse : aisés et sans surprise ils sont tous ajustés à l’aide d’un oscilloscope, un multimètre et du fréquencemètre embarqué.

L’atténuateur
Schéma de l’Atténuateur

Le signal après sélection par l’inverseur S3/1 est mis au niveau souhaité par le potentiomètre P9 (LEVEL) et attaque directement l’atténuateur.
L’atténuateur consiste en 6 cellules de 10 dB chacune réalisée par un montage en «π » constitué d’une résistance de 71 Ω et de deux résistances de 96 Ω. Les impédances d’entrée et de sortie font 50 Ω.
Chaque cellule est mise en circuit par un relais commandé en 24 Volts via le commutateur rotary « Attenuation ». En position 0 dB aucun relais n’est actif et le signal est routé directement en sortie.
En position 10 dB le relais K1 est activé, en position 20 dB le relais K2 est activé et entraîne le relais K1 via la diode D1. En position 60 dB, le relais K6 est activé ainsi que les cinq autres via les diodes D1 à D5.
La valeur de 71 Ω est réalisée par la mise en parallèle de résistances 110 et 200 Ω et la 96 Ω par des résistances de 110 et 750 Ω.
La précision globale de cet atténuateur est de 0,2 dB sur la gamme 10,7 MHz.

L’Afficheur de Fréquence
Schéma du Compteur

Le comptage et l’affichage de la fréquence sont gérés par un microprocesseur ATMEL avec programme embarqué. La fréquence maximale de comptage ne dépasse pas 5 MHz. Comme la fréquence la plus haute à afficher fait 11 MHz, le circuit 74HC161 divise le signal d’entrée par 4 en sortie QB.
Les commutateurs SW1 et SW2 permettent de modifier la base de temps du comptage en fonction du facteur de division choisi.
Ce compteur afficheur compris est disponible en kit auprès de la société www.pongrance.com. Le prix modique de 20 $ rend désespérée toute tentative d’un nouveau développement.

Il est possible d'utiliser un autre compteur disponible sur eBay: le PLJ-6LED-A.
Vous trouverez une explication de la programmation publiée sur le site du radio club F6KEH.

L’Alimentation
Schéma de l’Alimentation

Un transformateur torique fournit deux tensions redressées de + et – 24 Vdc. Les différents régulateurs distribuent les tensions de +18, +12 et –12 Vdc. Comme spécifié en figure 7.


MISE EN OEUVRE

Le boitier

L’ensemble du projet est placé dans un boîtier de 250x200x150 mm (réf 520497 chez Conrad).
Ce boîtier de construction assez légère est renforcé par deux cornières latérales de section 50x20x192 mm sur lesquelles sont fixés deux profilés de 10x10x245mm.
Ces profilés supportent la carte de contrôle et les deux modules (figure 8, photo B et photo C).
La face avant réalisée chez Schaeffer (photo D) est fixée contre la face du boîtier. Le positionnement latéral de la carte de contrôle sur les deux profilés est fixé par l’emplacement du commutateur sur la face avant.
Le positionnement des deux modules et du transformateur est libre. La face arrière (photo E) supporte les socles secteur, fusible, BNC VHF, le transformateur et le relais à 3 cosses pour son raccordement.

Les Circuits imprimés

La carte de contrôle et d’alimentation

La carte de contrôle mesure  122 x 99 mm : Typon à l’échelle 1, plan d’implantation (modifié), photo de la carte.
Elle contient les éléments de contrôle et l’alimentation. Nous commencerons par insérer les 20 picots 1,3mm et les deux points de test (TP). Suivront les 4 pontages et les composants par ordre croissant de grandeur. Les deux liaisons au –12 Vdc sont soudées côté cuivre.  
Comme la carte est bien accessible dans le boîtier, le test et la mise au point se feront en fin de montage.

La carte oscillateur

La première opération consiste à placer la carte vierge dans le boîtier blindé et de percer les 4 trous de fixation de 3,5 mm. Ensuite les 3 trous des condensateurs de passage (feedthrough capacitor) sont percés à 3,5 mm et soudés au boîtier. Nous fixerons les 4 entretoises M3 M-F de 5 mm et placerons le boîtier sur les profilés U comme montré sur la figure 8.

La carte oscillateur mesure 114 x 58 mm : Typon à l’échelle 1, plan d’implantation, photo de la carte.
Nous procèderons à l’insertion des 10 picots 1,3 mm, des 5 pontages (dont R12). La résistance R7 est placée entre les pattes du transistor Q1. Le circuit CMS IC1 est soudé en dernier lieu du côté cuivre. Il n’y a pas d’ajustement sur ce module. Il est préférable de le tester avant embarquement dans le boîtier blindé. Il suffit d’alimenter en +15 à +18 Vdc et de bloquer l’entrée « Tune » à + 5Vdc. Vérifier à l’oscilloscope la présence à la sortie « Cpt » d’un signal de 9,5 MHz qui passe à 475 kHz en forçant le picot « Sel » à la masse. Ces mêmes signaux doivent se retrouver aux sorties des filtres. La carte peut être placée dans le boîtier.

La carte atténuateur

Même procédé pour le boîtier de la carte atténuateur, il y a 6 condensateurs de passage.
La carte oscillateur mesure 114 x 58 mm : Typon à l’échelle 1, plan d’implantation, photo de la carte.
Insertion des 6 picots de 1,3 mm en premier lieu, suivi des 17 petits pontages de 5 mm, suivront les éléments axiaux, radiaux pour terminer par les 6 relais.
Le test de la carte est aisé : on vérifie l’atténuation de 60 dB (1000x) en appliquant +24 Vdc au point « 60 » près de K6. La carte peut être placée dans le boîtier.


Le module fréquencemètre

La mise en œuvre du module fréquencemètre (photo K) et son paramétrage sont bien décrits dans les feuilles jointes au kit et sur le site du fabricant.
L’afficheur est maintenu au dos du fréquencemètre par 4 entretoises isolées de 10 mm fixées par des vis M2,5 de 16 mm. L’ensemble afficheur + compteur est placé sur 4 entretoises métal M3 de 15 mm vissées sur une petite pièce de circuit imprimé de 20 x 40 mm et collées à l’époxy (photo L).

Test et mise au point

Pour le test nous ne raccordons pas la carte de contrôle aux trois autres modules.
A la mise sous tension nous vérifierons d’abord la conformité des diverses tensions mentionnées au plan.
P1 et P2 sont ajustés de manière à obtenir +7,3 Vdc et 3,7 Vdc aux bornes de P8 (Center). Ces deux réglages seront ré-ajustés plus finement à l’aide de l’afficheur de fréquence.
P3 est réglé au maximum dans un premier temps. Raccorder le signal de sortie « Sweep » à l’oscilloscope, commuter en mode « Run » et ajuster P7 pour obtenir l’exacte symétrie du signal triangulaire. Après avoir bien repéré les maximum et minimum atteints par le signal triangulaire, commuter en mode « Max » et ajuster P6 pour obtenir le même maximum et ensuite en mode « Min » et ajuster P5 pour obtenir le même minimum.    
Le potentiomètre P3 est ajusté pour obtenir une ligne de 10 graduations en entrée X de l’oscilloscope.
Nous pouvons raccorder les modules oscillateur, atténuateur et fréquencemètre.
En position 10,7 MHz, le compteur indiquera une fréquence comprise entre 80 et 120 MHz suivant la position du potentiomètre P8 « Center ».
P1 est ajusté de manière à obtenir une excursion totale de 22 MHz et P2 pour obtenir un départ à 88 MHz. Les deux réglages sont faiblement interactifs.

Nous vérifierons ensuite le bon fonctionnement de l’instrument.
En mode CF, nous produisons une fréquence stable comprise entre 88 et 110 MHz à la sortie VHF.
En position « 10,7 MHz » une fréquence comprise entre 8,8 et 11 MHz et en position 455 kHz une fréquence comprise entre 440 et 550 kHz. Le signal de sortie est bien sinusoïdal.
En mode « Run », la fréquence est balayée avec une excursion qui dépend de la position du potentiomètre P4 « Span », cette excursion peut être mesurée en commutant en mode « Max » et « Min ».
Exemple avec « Center » à 10,7 MHz et « Span » au maximum, le balayage fait 600 kHz soit de 10,4 MHz (Min) à 11,0 MHz (Max) avec 10,7 MHz (CF) de fréquence centrale.
L’entrée « FM » permet de moduler en fréquence la porteuse VHF ou FI pour mesurer la distorsion du récepteur.

Utilisation et caractéristiques techniques

Réglage des transformateurs intermédiaires 10,7 et 455 kHz.

Il importe de ne pas travailler en aveugle. Idéalement il est préférable de disposer du schéma du récepteur à régler. Les anciens postes de radio et tuners FM sont de conception classique et les composants sont facilement repérables. Remarque : la sortie « Signal » n’est pas isolée par un condensateur, elle présente donc une résistance de 50 Ω !
Il y a lieu tout d’abord de bloquer la ligne de contrôle automatique de gain (AGC) car ce contrôle « écrase » l’enveloppe au fur et à mesure que le signal augmente. Ce contrôle est toujours présent en AM et parfois en FM. Le réglage des transformateurs FI se fait à reculons, en commençant par les derniers et en injectant le signal FI à l’entrée de l’étage amplificateur.
L’accord d’un transformateur FI composé de deux circuits couplés se fait de préférence en amortissant les deux circuits par une résistance comprise entre 1 et 10 kΩ pour obtenir un maximum à la fréquence centrale de 10,7 MHz ou 455 kHz. En enlevant les deux résistances, la courbe prend une forme aplatie, c’est la courbe standard des transformateurs FI accordés. En effet, il faut que sur la largeur de bande utile de 10 kHz en AM ou 300 kHz en FM, l’amplitude reste (à peu près) constante.
Le graphe en figure 15 présent dans tous les manuels techniques représente l’idéal. Je vous rassure immédiatement, il n’est jamais atteint même avec des filtres céramiques.
La figure 16 montre les courbes de deux transformateurs FI à 10,7 MHz pour un balayage de 10,7 MHz +/- 300 kHz. Le premier est le résultat d’une dérive d’un composant mais le résultat « audio » est encore acceptable et la distorsion inaudible. Le second est le résultat d’un « bidouillage » que l’on rencontre fréquemment dans les postes radios anciens achetés en brocante et qui se traduit par distorsion et accrochage.
Les deux figures du bas présentent un réglage (à peu près) correct des circuits couplés avec production d’une courbe en « S » excellente. La distorsion mesurée pour une excursion de 40 kHz d’un signal à 1 kHz est de l’ordre de 1% (figure 17).
Avec les discriminateurs à circuits accordés, il est impossible de faire beaucoup mieux. Seuls les discriminateurs à asservissement de phase (PLL) et mieux encore à ligne à retard comme le Revox B760 atteignent 0,1 % en monophonie et au prix d’un signal d’entrée supérieur à 1 mV.

Caractéristiques techniques

Nomenclature

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Récapitulatif des photos (Haute définition)