ETUDE D'UN STANDARD DE FREQUENCES VERROUILLE SUR L'EMETTEUR DCF77
 
Projet publié dans la revue Electronique Pratique n°388 de décembre 2013 sous le titre "Etude d'un Standard de Fréquences - 1ère partie"
 
Si l’on connaît bien les applications de la station DCF77 de référence de temps pour les horloges radio-pilotées, la précision et la stabilité en fréquence de l’onde porteuse à 77,5 kHz sont plutôt réservées au domaine du laboratoire.
Cette réalisation met en œuvre un récepteur radio destiné à capter cette onde porteuse et à lui synchroniser une horloge de 10 MHz. Ce signal est ensuite divisé par 10 et par 100 pour obtenir deux fréquences de 1 MHz et 100 kHz.
Ces trois fréquences présentent alors les caractéristiques de précision et de stabilité de l’émetteur standard.
Elles seront utiles pour piloter la base de temps du fréquencemètre ou l’oscillateur principal d’un synthétiseur ou d’un transceiver radio.
Il y a d’autres émetteurs standard de fréquence : Droitwitch 198 kHz et Rugby 60 kHz en Angleterre et Allouis 162 kHz en France et plus de 300 dans le monde.


NovoTone - Standard de fréquence verrouillé sur l'émetteur DCF77 de Mainflingen


 
La station DCF77

Vu l’abondante littérature disponible sur la toile nous ne nous étendrons pas trop sur les caractéristiques de cette station.
Les caractéristiques qui nous intéressent sont celles de la fréquence de la porteuse et de son rayon de captage.
L’émetteur est situé à Mainflingen, près de Francfort en Allemagne, sa puissance est de 50 kW et peut être capté dans de bonnes conditions dans un rayon de 1500 kilomètres.
La porteuse est modulée en amplitude (0 / 75%) et en phase (+/-13°) pour transmettre les données horaires et des codes d’alerte. Nous ne nous attarderons pas sur les données fournies par la modulation. Le site Wikipedia développe cet aspect en détail sous la rubrique DCF77.
La station est pilotée par une horloge atomique à jet de Césium.
La fréquence de l’onde électromagnétique générée par le changement d’état de l’atome de Césium 133 est de 9 192 631 770 Hz. Cette fréquence ultra-stable asservit un oscillateur à quartz de 10 MHz.
La station radio émet une porteuse dont la fréquence de 77,5 kHz est « calée » sur cette référence de 10 MHz.
En conséquence la précision de la fréquence porteuse à 77,5 kHz est de 2x10-12 sur 24 heures et de 2x10-13 sur 100 jours.
On a l’habitude de réaliser cette précision sous la forme : 1 seconde sur 300.000 années.

Il s’agit ici d’un raccourci explicatif, le concept est nettement plus complexe à mettre en œuvre que les quelques lignes qui précèdent.
A la réception il est illusoire de répercuter directement cette précision. En effet la vitesse de propagation de l’onde varie en fonction de la situation météorologique des zones traversées et altère la stabilité initiale de la fréquence, l’activité solaire et les réflexions multiples ont tôt fait de réduire encore la stabilité initiale.
A noter que ces aléas n’ont pas d’impact sur la modulation et donc sur le temps affiché.
De plus, cette gamme de fréquences est très sensible aux parasites et on se méfiera des arrosoirs électromagnétiques que sont les ordinateurs, les ampoules économiques et autres alimentations à découpage pour l’éclairage basse tension !
Nous étudierons ci-après la manière de récupérer la précision et la stabilité initiale.

 
LE PROJET
Schéma bloc

Le signal est capté par une antenne ferrite accordée sur 77,5 kHz et est ensuite filtré, amplifié et mis en forme.

Le signal carré de 77,5 kHz est divisé par 31 pour obtenir la fréquence de 2500 Hz.
En opposition, un deuxième signal à 2500 Hz est obtenu par division d’un oscillateur a cristal contrôlable en fréquence (VCXO).
Ces deux signaux sont comparés dans un détecteur de phase pour en obtenir une tension continue qui asservira l’oscillateur à cristal.
Les sorties 10 MHz, 1 MHz et 100 kHz sont issues du diviseur et filtrés par une fourche L-C-R.


L’antenne de réception
Schéma

Pour rappel, ce n’est pas la modulation qui nous intéresse ici, mais bien la fréquence de la porteuse à 77,5 kHz. Le signal peut se révéler très faible selon les conditions de réception et l’endroit ou se trouve l’antenne, c’est pourquoi nous avons opté pour une antenne ferrite de 20 cm. La self d’accord est celle d’un récepteur grandes ondes et l’accord se fait en plaçant en parallèle des capacités de 620 pF, 100 pF et un ajustable de 120 pF. Le signal non-amorti est amplifié par deux transistors à effet de champ placés en parallèle afin de diminuer l’impédance de sortie. L’alimentation de l’antenne se fait via le fil de liaison à l’amplificateur.

Cette liaison présente une impédance de 600 Ω et il est possible d’utiliser du fil téléphonique.
Toutefois pour de plus longues distances nous utiliserons du câble coaxial HF type RG58 ou RG59.
La longueur de la liaison peut atteindre plusieurs dizaines de mètres sans atténuation ce qui permet de placer l’antenne dans un lieu moins susceptible d’être parasité et se révèle efficient vu l’environnement domestique de plus en plus perturbé.
Le facteur de qualité est excellent et limite déjà les perturbations électromagnétiques.
Toutefois la bande passante est encore beaucoup trop grande pour n’extraire que la porteuse et la modulation est toujours bien présente.
Le signal d’entrée est repiqué pour attaquer le circuit démodulateur. Il extrait la modulation afin de piloter le décodage de l’heure.


L’amplificateur et mise en forme
Schéma

Le signal est ensuite routé vers l ‘amplificateur. Il passera d’abord dans un filtre étroit de l’ordre du Hertz réalisé par le cristal de 77,5 kHz et amplifié par le circuit Q2 – L1 – C7.

A ce niveau la modulation a disparu et il ne reste que le signal épuré de la porteuse.
Le contrôle automatique de gain (CAG) régule l’amplitude du signal au niveau de Q2.
Le signal redressé par D1 et filtré par la cellule R19 - C14 fixe la polarisation de Q2.
Si le signal tend à diminuer, la tension redressée diminue ce qui augmente le gain de Q2 pour revenir à une amplitude à peu près constante.
Le signal est encore amplifié d’un facteur 100 par IC1 pour exciter le monostable IC2 qui rend un signal carré TTL à 77,5 kHz (figure 6).
Le signal du haut est celui du 77,5 kHz après filtrage et mise en forme et celui du bas celui de la porteuse.
Les modulations en amplitude et en phase ont été éliminées. En synchronisant sur le signal mis en forme on peut voir nettement la porteuse modulée en phase autour de la fréquence centrale.


L’asservissement en phase (PLL)
Schéma

Le signal carré à 77,5 kHz est divisé par 31 par le diviseur programmable IC8 - CD4059 pour en sortir des impulsions à 2500 Hz.  Ce signal à 2500 Hz présente les caractéristiques de stabilité et de précision de la porteuse à 77,5 kHz.

L’oscillateur à cristal à 10 MHz est divisé par 4000 par les diviseurs IC4, IC5 et IC7 pour obtenir également  un signal à 2500 Hz.
Ces deux signaux pilotent un comparateur de phase à pompe de charge capacitive. Ce circuit est réalisé en composants discrets et alimenté en + et – 12 Vdc  afin de pouvoir réaliser une parfaite symétrie.
Le circuit à pompe de charge présente l’avantage de ne pas se trouver en situation de blocage si les deux fréquences à comparer sont éloignées l’une de l’autre.
En cas d’écart, le signal de sortie est maximal en positif ou négatif et va chercher l’oscillateur variable pour le forcer à se synchroniser en phase avec sa référence.
Les bascules IC1 ou IC2 sortent des impulsions pilotées par l’avance ou le retard d’un signal sur l’autre. Ces impulsions sont appliquées aux transistors Q1 ou Q2 qui transmettent l’impulsion à la capacité C3.
En cas d’écart des deux fréquences, un seul des deux transistors envoie des impulsions et charge la capacité C3 en positif ou négatif. Lorsque les fréquences coïncident, les deux transistors envoient de très courtes impulsions symétriques qui maintiennent une tension stable sur C3 (figure 8).
Le signal issu directement du comparateur est une tension continue mais faiblement affectée par les impulsions de la pompe, de manière similaire à un redressement en pont. Le circuit de filtrage basse fréquence réalisé par Les deux AOP de IC3 élimine complètement toute ondulation.

L’oscillateur à 10 MHz est du type VCXO (Voltage Control Crystal Oscillator). Il est alimenté en +5 Vdc, intègre une compensation de température et est pilotable par une tension continue.
Cette tension comprise entre 0 et +5 Vdc fait varier la fréquence de 200 PPM ou entre 9,999 kHz et 10001 kHz.
La fréquence de 10 MHz est obtenue par le réglage du potentiomètre 10 tours de 10 kΩ situé sur la face avant. L’excursion de tension du potentiomètre fait 1 Vdc et cette tension est préalablement stabilisée par la diode zéner Z1 de 6,2 V. La tension d’asservissement est appliquée au pied du circuit et présente une excursion de tension comprise entre + et – 80 mVdc.
Le calage en phase est visualisé sur le mètre à zéro central.
Le signal à 10 MHz est maintenant synchronisé avec la porteuse à 77,5 kHz. Toutefois ce signal reste tributaire des variations de la propagation de l’onde. Néanmoins, il atteint déjà une précision de l’ordre de 1x10-8 ou 1 Hz sur 100 MHz.


Les sorties

Les signaux 1 MHz et 100 kHz sont issus des différents diviseurs. Ils sont repiqués sur les sorties bistables QA des diviseurs afin de conserver une forme carrée bien symétrique. Le signal à 10 MHz est pris à la sortie de la porte NAND après l’oscillateur et présente également une forme carrée.
Cette symétrie élimine l’harmonique 2 et le filtre R-L-C en sortie élimine les harmoniques supérieures pour ne présenter que des signaux sinusoïdaux sous une impédance de 50 Ω.


Le démodulateur
Schéma

Le démodulateur est optionnel, comme nous recevons le signal à 77,5 kHz dans de bonnes conditions, l’ajout d’un démodulateur permettra le décodage des impulsions d’horloge et le pilotage d’une horloge.
Le signal est repiqué à l’entrée de l’amplificateur, le condensateur C1 supprime la composante continue du signal d’antenne. Le gain du circuit accordé fait 40 dB. Le signal reçu est bien filtré et d’une amplitude de l’ordre du volt pour être visualisé sur la sortie « Test ».
Une portion de ce signal déjà filtré par l’antenne et le circuit accordé tous deux d’un facteur de qualité supérieur à 100 excite le décodeur.
Vu le prix de vente des décodeurs DCF77 et leur technologie CMS, il est préférable d’utiliser un module dédicacé à cet usage.
L’entrée de ces démodulateurs est symétrique et bien que fonctionnant en attaquant une des deux entrées et en shuntant l’autre par un condensateur de 100 nF, il est préférable de garder la configuration symétrique.
Nous avons prévu la possibilité de deux sorties inverses. En effet certaines horloges fonctionnent avec le signal inversé …
La duoled D4 placée sur la face avant s’illumine en vert par défaut. L’impulsion de seconde est transmise par le condensateur C11 et provoque un flash rouge à chaque seconde et indique que le signal est bien décodé.


Les alimentations
Schéma

Le transformateur de 15 VA présente deux enroulements de 12 Vac. Les tensions redressées de + et – 18 Vdc sont appliquées aux régulateurs + et – 12 Vdc. La carte principale comprend encore deux circuits régulateurs à + 5 Vdc dont un spécialement dédicacé à l’oscillateur à cristal.


MISE EN OEUVRE

Le module antenne

L’antenne de 20 cm est placée dans un boîtier plastique de 212 x 96 x 27 mm. Il est fabriqué par Hammond sous la référence 1599H (photo).

Le circuit imprimé fait 31x41 mm : Typon à l’échelle 1, plan d’implatation, photo de la carte.
La liaison au récepteur est réalisée via le socle RCA.
La fixation de la ferrite est faite avec deux attaches de tube électrique et deux manchons caoutchouc.
Il faut proscrire la fixation par du fil métallique qui amortit sensiblement l’antenne.


Le récepteur

Le projet est placé dans un boîtier de 300 x 280 x 65 mm. Il est disponible chez Radiospares et porte la référence 754-5967.

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 les deux mètres, le potentiomètre P1 et la duo led.
Les éléments de la face arrière peuvent être placés librement : socle secteur, socle fusible, socle RCA isolé pour l’antenne. Deux autres socles sont présents : socle RCA pour les impulsions d’horloge et le socle BNC pour le signal de test.
Le transformateur est fixé au flanc gauche du boîtier, et protégé par un intercalaire en plastique ou en tôle (agencement).


Les Circuits imprimés

La carte amplificatrice 77,5 kHz

La carte amplificatrice 77,5 kHz mesure  156 x 46 mm : Typon à l’échelle 1, plan d’implantation, photo de la carte.

Elle est placée dans un boîtier métallique de 160 x 49 x 25 mm fabriqué par TEKO sous la référence HF374.
Le boîtier est percé de cinq trous, dont trois sont équipés de condensateurs de passage pour les alimentations et le mètre et deux pour l’accès du fil blindé d’entrée et de sortie.
Les condensateurs de passage ont une valeur non-critique comprise entre 1 et 10 nF, ils peuvent être à vis ou à souder.
Le condensateur variable C3 est un 10 – 60 pF de la série TZ03 de Murata, il est réglé approximativement à 30 pF.
La carte sera testée avant placement dans le boîtier blindé. Après avoir raccordé l’antenne et les deux alimentations, placer le pontage sur les picots « test » afin de bloquer le contrôle automatique de gain (CAG) et vérifier que les tensions continues indiquées au plan sont bien conformes.

Placer la sonde d’oscilloscope au point test « 77,5 kHz » et régler d’abord C3 pour un signal maximum.
Même si l’antenne n’est pas bien syntonisée, le réglage de C3 est primordial, car la fenêtre du cristal est de l’ordre du Hertz. Le réglage C2 de l’antenne et de L1 se fait également pour un maximum.
L’orientation de l’antenne est critique. En la tournant on constatera un maximum « mou » et un minimum « pointu ». On orientera l’antenne perpendiculairement à ce minimum.
Le réglage fin se fera avant fermeture de l’appareil, ne pas oublier d’enlever le pontage de test..
On s’assurera que le signal carré TTL à 77,5 kHz est bien présent en sortie.


La carte PLL et sorties

La carte PLL et sorties mesure 145 x 127 mm : Typon à l’échelle 1, plan d’implantation, photo de la carte.

La première opération sera d’insérer les 23 picots de 1,3 mm, les 3 points de test et les 19 pontages. Ensuite on placera les alimentations avec ses quatre régulateurs : IC9, IC1, IC60 et IC61 et les alimentations seront testées avant de placer les autres composants. Bien vérifier la présence des deux alimentations indépendantes de 5 V.
Le reste des composants sera inséré en terminant par le VCXO 10 MHz et les trois socles BNC.
A la mise sous tension, le VCXO fonctionne immédiatement et les trois fréquences doivent être présentes et sinusoïdales aux sorties.
Après avoir raccordé le signal 77,5 kHz de l’amplificateur, on s’assurera de la présence des deux signaux à 2500 Hz aux points test TP2 et TP3. En TP2 ce sont de courtes impulsions et en TP3 le signal est carré.
Après raccordement du potentiomètre P1, vérifier la tension au curseur (C) et le tourner à mi-course pour obtenir +2,5 Vdc. Vérifier l’asservissement du VCXO en mesurant la tension en TP1, elle doit être comprise entre – 8 Vdc et + 8 Vdc, et idéalement proche de 0 V.
Le potentiomètre P1 règlera cette tension à 0 V qui sera également affichée sur le mètre à zéro central.
A cette condition l’oscillateur et les fréquences divisées sont synchronisées avec le signal émis par la station DCF77.


La carte démodulateur

La carte démodulateur mesure  156 x 46 mm : Typon à l’échelle 1, plan d’implantation, photo de la carte.

Elle est placée dans le boîtier métallique de 160 x 49 x 25 mm fabriqué par TEKO sous la référence HF374.
Le boîtier est percé de huit trous, dont six sont équipés de condensateurs de passage pour les deux alimentations, les trois fils de la duoled et une des deux sorties horloge.
La carte sera testée avant placement dans le boîtier blindé. Après avoir raccordé l’antenne, l’amplificateur et les alimentations, vérifier que les tensions continues indiquées au plan sont bien conformes.
Mesurer le signal en sortie « Test » et tourner la self L1 pour obtenir un maximum de tension.
La modulation en amplitude doit être bien visible, attention aux sources parasites …
Régler ensuite le signal d’excitation du module décodeur (P1) à 10 mVac au primaire du petit transformateur.
Le décodage de la modulation intervient entre 10 secondes et un minute plus tard.


Caractéristiques techniques relevée sur le projet
 
 
Nomenclature des composants

 
Conclusion
Ce récepteur nous fournit un signal calé sur la station standard DCF77, mais dont la stabilité sur 24 heures est encore faiblement affectée par les variations de la vitesse de propagation dues à la traversée des couches de l’atmosphère. La précision atteint toutefois déjà un facteur de 1x10-8, par contre sur le long terme elle colle à la station émettrice. Ce type de récepteur est souvent associé à un standard local dont le cristal est placé dans un four régulé en température et qui permet d’obtenir une stabilité 20 fois supérieure, soit 5x10-10 sur 24 heures ou 0,5 Hz sur 1 GHz. Ce sera l'objet du projet 54.
 
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Récapitulatif des photos (Haute définition)