ETUDE D’UN STANDARD DE FREQUENCE A QUARTZ 10 MHz
Projet publié dans la revue Electronique Pratique n°389 de décembre 2013 sous le titre "Etude d'un Standard de Fréquences - 2ème partie"
Dans notre projet précédent nous avons étudié la manière d’asservir un oscillateur à 10 MHz à la porteuse de l’émetteur DCF77.
Nous avions mis en évidence la détérioration de la stabilité due aux variations des conditions de propagation de l’onde principalement en raison des conditions météorologiques.
La stabilité initiale de 2x10-12 / 24 heures « tombait » à 1x10-8 / 24 heures ou 1 Hz / 100 MHz, ce qui est déjà suffisant pour la plupart des applications.
Cette deuxième partie étudiera la mise en œuvre d’un oscillateur à cristal ultra-stable qui sera synchronisé sur le 10 MHz de DCF77 tout en restant indépendant, il sera donc exempt des aléas de la transmission et présentera une stabilité de l’ordre de 1x10-9 / 24 heures.
LE STANDARD LOCAL
Schéma
Le standard local met en œuvre un oscillateur à cristal stabilisé en amplitude, embarqué dans une enceinte close stabilisée en température et fonctionnant avec une alimentation stabilisée en tension.
Les trois termes « stabilisé » ne sont pas innocents. Chaque facteur : amplitude, température et alimentation peuvent impacter la stabilité de la fréquence de l’oscillateur (figure 1).
Plusieurs modèles ont été testés : Isotemp 134-10, Isotemp 143-10 et Fox 693LF-10.
Nous n’avons conservé que ce dernier toujours en fabrication. L’Isotemp 134-10 est excellent mais obsolète, néanmoins on en trouve fréquemment sur le marché de l’occasion.
La mise en œuvre de l’OCXO de Fox nécessite une tension d’alimentation de +5 Vdc fournie par IC1.
Le module présente une sortie « Ref » de +4,0 Vdc qui sera utilisée pour la synchronisation de la fréquence.
La tension de contrôle de fréquence (Ucf) est appliquée sur la broche 1 du module.
La sortie à basse impédance excite le pied du circuit accordé L2-C4 et le signal se retrouve amplifié sur la porte de Q1. La sortie de Q1 est routée sur la porte Nand IC5.
Le diviseur IC2 assure la division par 10 et par 100. Les trois autres portes de IC5 conditionnent les sorties de la même manière que pour le récepteur DCF77.
L’alimentation +12 Vdc est fournie par un simple régulateur 7812 (IC3), et celle des circuits logiques par un 7805 (IC4).
Un deuxième régulateur 7805 (IC1) alimentera indépendamment l’oscillateur à 10 MHz.
MISE EN ŒUVRE
Le projet est placé dans un boîtier de 300 x 280 x 65 mm. L’agencement des divers éléments n’est pas critique, seule la carte principale fixe le positionnement des trois trous de passage des socles BNC.
La face avant comprend le potentiomètre P1, les 3 sorties, le switch (facultatif) et la led.
Les éléments de la face arrière peuvent être placés librement : socle secteur et socle fusible
Quatre profilés « U » de 10 x 10 x 2 x 295 mm supportent à l’avant la carte de base et à l’arrière le transformateur placé sur une plaque époxy et la carte OCXO également placée sur une pièce d’époxy.
Cette disposition est donnée à titre indicatif, tout autre agencement est possible (photo E).
Le projet est placé dans un boîtier de 300 x 280 x 65 mm. L’agencement des divers éléments n’est pas critique, seule la carte principale fixe le positionnement des trois trous de passage des socles BNC.
La face avant comprend le potentiomètre P1, les 3 sorties, le switch (facultatif) et la led.
Les éléments de la face arrière peuvent être placés librement : socle secteur et socle fusible
Quatre profilés « U » de 10 x 10 x 2 x 295 mm supportent à l’avant la carte de base et à l’arrière le transformateur placé sur une plaque époxy et la carte OCXO également placée sur une pièce d’époxy.
Cette disposition est donnée à titre indicatif, tout autre agencement est possible (photo E).
Les Circuits imprimés
La carte de base
La carte mesure 160 x 99 mm : Typon à l’échelle 1, Plan d’implantation des composants, photo de la carte.
La première opération sera d’insérer les 14 picots de 1,3 mm et les 7 pontages. Ensuite on placera les alimentations avec ses deux régulateurs IC3 et IC4 et les alimentations seront testées avant de placer les autres composants.
Le reste des composants sera inséré en terminant par les trois socles BNC.
La carte de base
La carte mesure 160 x 99 mm : Typon à l’échelle 1, Plan d’implantation des composants, photo de la carte.
La première opération sera d’insérer les 14 picots de 1,3 mm et les 7 pontages. Ensuite on placera les alimentations avec ses deux régulateurs IC3 et IC4 et les alimentations seront testées avant de placer les autres composants.
Le reste des composants sera inséré en terminant par les trois socles BNC.
La carte OCXO
La carte OCXO mesure 74 x 38 mm : Typon à l’échelle 1, Plan d’implantation des composants, photo de la carte.
Le régulateur est placé à l’horizontal et sera équipé d’un petit dissipateur. A noter que le régulateur ne dissipe que pendant quelques minutes, le temps pour le chauffage de l’OCXO d’atteindre sa température de fonctionnement.
Dans un premier temps les deux résistances R18 et R19 qui sont soudés sur les points hauts et bas du potentiomètre ne sont pas installées.
Après raccordement des divers éléments, mettre sous tension et ajuster C4 pour un maximum à la jonction R6-R7-R8. Les trois fréquences doivent être présentes et sinusoïdales aux sorties. Tourner le potentiomètre P1 à mi-course (Ucf = +2 Vdc).
Après une dizaine de minutes de fonctionnement l’oscillateur est stabilisé.
Laisser fonctionner 24 heures et faire une première comparaison avec le 10 MHz du récepteur.
Tourner le potentiomètre P1 pour obtenir la synchronisation, mesurer et noter la tension Ucf au curseur du potentiomètre. Les deux résistances sont calculées pour obtenir 750 mVdc aux bornes de potentiomètre avec à mi-course la tension préalablement mesurée.
Dans le prototype R18 fait 56 kΩ et R19 fait 39 kΩ, mais chaque module OCXO étant différent il importe de refaire le calcul.
La carte OCXO mesure 74 x 38 mm : Typon à l’échelle 1, Plan d’implantation des composants, photo de la carte.
Le régulateur est placé à l’horizontal et sera équipé d’un petit dissipateur. A noter que le régulateur ne dissipe que pendant quelques minutes, le temps pour le chauffage de l’OCXO d’atteindre sa température de fonctionnement.
Dans un premier temps les deux résistances R18 et R19 qui sont soudés sur les points hauts et bas du potentiomètre ne sont pas installées.
Après raccordement des divers éléments, mettre sous tension et ajuster C4 pour un maximum à la jonction R6-R7-R8. Les trois fréquences doivent être présentes et sinusoïdales aux sorties. Tourner le potentiomètre P1 à mi-course (Ucf = +2 Vdc).
Après une dizaine de minutes de fonctionnement l’oscillateur est stabilisé.
Laisser fonctionner 24 heures et faire une première comparaison avec le 10 MHz du récepteur.
Tourner le potentiomètre P1 pour obtenir la synchronisation, mesurer et noter la tension Ucf au curseur du potentiomètre. Les deux résistances sont calculées pour obtenir 750 mVdc aux bornes de potentiomètre avec à mi-course la tension préalablement mesurée.
Dans le prototype R18 fait 56 kΩ et R19 fait 39 kΩ, mais chaque module OCXO étant différent il importe de refaire le calcul.
MODE OPERATOIRE
Nous disposons à présent de deux références, une absolue calée sur le signal radio de DCF77 mais affectée des aléas de transmission et l’autre issue du standard local. Chacun de deux appareils propose trois sorties : 10 MHz, 1 MHz et 100 KHz.
La synchronisation se fait en comparant deux même fréquences des appareils, par exemple le 10 MHz avec un oscilloscope (de préférence analogique) à deux canaux.
La synchronisation est réalisée par le réglage du potentiomètre P1 du standard local.
Vous constaterez que même synchrones, il existe un glissement aléatoire entre les deux sinusoïdes.
Ce glissement tantôt en avance, tantôt en retard n’est que la signature des aléas de propagation du signal radio. N’oublions pas que le 10 MHz du récepteur est « asservi » au signal radio et que les variations de propagation sont multipliées par 129, soit le rapport 10 MHz / 77,5 kHz !
Il doit être bien clair à ce niveau que c’est le signal du récepteur qui est responsable du glissement et non le standard local qui est indépendant du signal radio.
Il est par conséquent difficile de réaliser la synchronisation ou quantifier la stabilité avec la sortie 10 MHz, celle-ci se fait à 1 MHz, voire 100 KHz dans de bonnes conditions.
La quantification se fait comme suit : un glissement d’une période complète par seconde du 1 MHz équivaut à 1x10-6. Un glissement d’une période en 100 secondes équivaut à 1x10-8 et ainsi de suite …
La figure 7 présente le montage pour la mesure de la stabilité et la figure 8 le graphe de comparaison entre les deux sorties 1 MHz du récepteur DCF77 et du standard local. On remarque les différentes irrégularités dans la progression du graphe qui ont comme cause la variation de la vitesse de propagation de l’onde radio.
La période de la mesure s’étend sur 600 secondes, on peut estimer que la précision du standard local est largement inférieure à 1x10-9 (<< 1 période / 1 MHz / 600 sec).
Nous disposons à présent de deux références, une absolue calée sur le signal radio de DCF77 mais affectée des aléas de transmission et l’autre issue du standard local. Chacun de deux appareils propose trois sorties : 10 MHz, 1 MHz et 100 KHz.
La synchronisation se fait en comparant deux même fréquences des appareils, par exemple le 10 MHz avec un oscilloscope (de préférence analogique) à deux canaux.
La synchronisation est réalisée par le réglage du potentiomètre P1 du standard local.
Vous constaterez que même synchrones, il existe un glissement aléatoire entre les deux sinusoïdes.
Ce glissement tantôt en avance, tantôt en retard n’est que la signature des aléas de propagation du signal radio. N’oublions pas que le 10 MHz du récepteur est « asservi » au signal radio et que les variations de propagation sont multipliées par 129, soit le rapport 10 MHz / 77,5 kHz !
Il doit être bien clair à ce niveau que c’est le signal du récepteur qui est responsable du glissement et non le standard local qui est indépendant du signal radio.
Il est par conséquent difficile de réaliser la synchronisation ou quantifier la stabilité avec la sortie 10 MHz, celle-ci se fait à 1 MHz, voire 100 KHz dans de bonnes conditions.
La quantification se fait comme suit : un glissement d’une période complète par seconde du 1 MHz équivaut à 1x10-6. Un glissement d’une période en 100 secondes équivaut à 1x10-8 et ainsi de suite …
La figure 7 présente le montage pour la mesure de la stabilité et la figure 8 le graphe de comparaison entre les deux sorties 1 MHz du récepteur DCF77 et du standard local. On remarque les différentes irrégularités dans la progression du graphe qui ont comme cause la variation de la vitesse de propagation de l’onde radio.
La période de la mesure s’étend sur 600 secondes, on peut estimer que la précision du standard local est largement inférieure à 1x10-9 (<< 1 période / 1 MHz / 600 sec).
Le contrôle de la synchronisation se fait au départ tous les jours la première semaine, ensuite toutes les semaines, de préférence à la même heure. Il n’est pas nécessaire de conserver le récepteur en fonctionnement, la mise sous tension et l’asservissement à la fréquence radio ne prennent que quelques minutes.
Vous constaterez après un mois de fonctionnement que l’ajustement du standard local devient infinitésimal.
Après synchronisation du standard local, c’est ce dernier qui sera utilisé comme référence pilote pour les fréquencemètres, générateurs synthétisés et tranceivers.
Vous constaterez après un mois de fonctionnement que l’ajustement du standard local devient infinitésimal.
Après synchronisation du standard local, c’est ce dernier qui sera utilisé comme référence pilote pour les fréquencemètres, générateurs synthétisés et tranceivers.
Caractéristiques techniques relevées sur le projet.
Nomenclature des composants
Conclusion
Le standard local et le récepteur DCF77 forment un ensemble bien utile pour le laboratoire de l’amateur.
Il lève le doute à la lecture d’un fréquencemètre et permettra d’avoir la certitude que la fréquence issue d’un synthétiseur ou affichée sur un transceiver est bien exacte, proche de l’absolu.
Le standard local et le récepteur DCF77 forment un ensemble bien utile pour le laboratoire de l’amateur.
Il lève le doute à la lecture d’un fréquencemètre et permettra d’avoir la certitude que la fréquence issue d’un synthétiseur ou affichée sur un transceiver est bien exacte, proche de l’absolu.
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Récapitulatif des photos (Haute définition)
