It's raining elephants – VA2GKA / F4GKA

Dernièrement, j’ai craqué pour l’achat d’une tripotée de tores Amidon. Je n’ai pas vraiment besoin de tout un stock pour mes bidouilles, mais les petits tores sont généralement vendu par paquet, alors allons-y… Me voilà paré pour un bout de temps, quoi que, le composant dont on a besoin pour finir un montage est généralement celui que l’on a pas…

Réception du petit colis de tores commandé chez Kits & Parts

Pour entamer le stock, je vais commencer par un petit TP oscillateur. J’adore les petits montages d’oscillateurs car c’est vraiment la base du trip ! Une poignée de composants, plein de topologies différentes et tellement d’expérimentations. C’est aussi l’occasion de confronter les calculs et la réalité (prendre une baffe au passage) et de rebondir sur de nouvelles idées.

Alors prochainement, je réaliserais au lab (Foulab) l’oscillateur 10 MHz que j’avais précédemment posté.

Les phénomènes d’oscillations entretenues, c’est les fondamentaux. Les vieux amateurs auraient certainement plutôt (plus tôt) écrit : La CW, c’est les fondamentaux :o)

Au final, on est bien d’accord !

Lors de mes petites expérimentations de QRSS, j’ai pu constater des différences de stabilité entre plusieurs types d’oscillateurs. Le QRSS requiert en effet une bonne stabilité de l’oscillateur afin de permettre une réception très sensible. En vulgarisant le principe, on pourrait dire que l’ordinateur amasse des données sur un temps relativement long et la fréquence d’accord ne doit pas changer afin obtenir de bons résultats.

Aussi, quand mon Softrock RX v6.3 affichait une stabilité remarquable, l’oscillateur du transceiver Genesis G3020 se dandinait aléatoirement. Rien de bien méchant car l’excursion en fréquence n’excédait pas +/- 15Hz sur un minute. C’est imperceptible en phonie et anodin pour les modes numériques, mais ce n’est pas acceptable pour du QRSS (les graphiques générés sont déformés). Dans les deux cas, des quartz de qualité similaires étaient utilisés mais la topologie de l’oscillateur différait. Le Softrock utilisait un montage Colpitts et le G3020 un montage Pierce. Le choix des composants et des valeurs à certainement un rôle prépondérant mais je ne saurais identifier la cause exacte de cette instabilité.

Récemment, j’ai entrepris la conception (from scratch) d’un petit oscillateur 10MHz. Le but de cet oscillateur est de fournir une base de temps alternative à mon récepteur 1.3GHz. Le rapport entre ces deux fréquences étant important (130), une grande stabilité en fréquence et en phase est requise car toute imperfection est également multipliée par ce même coefficient. En source primaire d’exploitation, j’ai donc choisi d’utiliser un GPSDO (GPS disciplined oscillator) et j’ajouterais au montage un petit oscillateur qui sera utile pour certains tests sans avoir recourt à tout l’attirail.

Me voila donc lancé dans cet exercice de conception armé de mon bookin “Discrete Oscillator Design: Linear, Nonlinear, Transient, and Noise Domains, by Randall W. Rhea“. Cette lecture m’aura apportée beaucoup en terme de méthodologie. J’ai appliqué les techniques indiquées en terme d’analyse linéaire et l’oscillation à démarrée du 1er coup lorsque j’ai fais ma première analyse non-linéaire. Pour le coup, ça fait plaisir ! Avant ça, j’y allais plutôt par tâtonnement. Alors bien sur, je n’ai rien inventé car en matière d’oscillateurs, toute les différentes architectures ont déjà été cartographiées, mais cette approche de conception from scratch est intéressante.

Au niveau des perf’s théoriques, mon oscillateur devrait sortir un signal à 13 dBm, ce qui est une valeur courante et pratique. Son bruit de phase SSB théorique est de -154 dBm à 100 Hz, 1 kHz et 10 kHz. C’est un peu la limite théorique au niveau de mon quartz et je me doute bien que mon montage réel n’atteindra pas ces valeurs. L’oscillation se lance assez lentement et elle est visible au bout d’1 ms pour un oscillo calibré à 1V/div. C’est le point qui me fait un peu peur. Dans la pratique, démarrera ? démarrera pas ? Je verrais une fois le montage réalisé :)

Voici le schéma et une simulation transitionnelle :

Schéma de mon oscillateur 10 MHz

La phase de démarrage de l’oscillateur

Et la caractérisation de la forme d’onde à la sortie

On retrouve au cœur du montage un transformateur torique, pièce assez rare dans les oscillateurs que j’ai pu voir sur le net. Cette pièce doit être réalisé avec soin et les gens n’aiment en général pas bobiner sur tore. Dans mon montage, il fourni intrinsèquement un filtrage et contribue ainsi à la réjection de la seconde harmonique.

Coté calcul, c’est réglé, reste maintenant à le réaliser et à le tester.

En petit bonus pour terminer, voici un document intéressant sur les quartz, leurs fonctionnent et leurs construction : Quartz crystal – Resonators and oscillators

Si l’on schématise grossièrement le fonctionnement d’un oscillateur, ce n’est jamais qu’un amplificateur sur lequel on réinjecte une partie du signal en phase. Mais entre ce concept et la réalité, il y a tout un monde. Dernièrement, j’ai cherché à améliorer la conception de mon VCO et plus particulièrement à essayer de réduire la principale source de bruit générée par le varactor. J’ai eu bien du mal à trouver de l’information concise sur ce point et plus généralement sur la mise au point d’oscillateurs.

La plupart des ouvrages que j’avais vu sur le sujet basculaient tantôt dans un torrent de formules mathématiques (ou l’on comprenait surtout que le type avait beaucoup bossé sur le domaine), tantôt dans un recueil de centaines de schéma d’oscillateurs différents (et ou l’on constatait l’effort bibliographique mais sans avoir plus d’explication). Bref, j’aurais aimé trouver un livre à mi-chemin, qui décrive de manière synthétique et pragmatique les méthodes de conception des oscillateurs, les techniques d’analyse linéaire, non-linéaire, transitive, qui aborde les problèmes de bruit de phase, de polarisation, le tout illustré d’exemples…

Et bien je l’ai trouvé !
Discrete Oscillator Design: Linear, Nonlinear, Transient, and Noise Domains, by Randall W. Rhea

Voila un bon ouvrage qui sort vraiment du lot et que je conseille à tout les amateurs de conception et de réalisation électronique.

Note : Vous pouvez consulter une partie du livre via GoogleBook.

J’ai fais l’acquisition d’un générateur 10MHz de référence, verrouillé par GPS (GPSDO). Le système est relativement simple et se base sur un récepteur GPS commercial disposant d’une sortie à 10kHz. Ce signal de référence est utilisé pour asservir un OCXO de 10 MHz.

James Miller (G3RUH) réalise le travail très proprement et son site détaille très bien l’aboutissement de sa réalisation. Les ressources sont aussi disponibles pour ceux qui disposeraient déjà d’un module GPS compatible.

Le GPSDO et l’antenne active

Dans l’immédiat, ce signal de référence me sert à locker mes récepteurs pour les petits segments QRSS (100 Hz de bande passante). A terme, je compte l’utiliser pour la SHF, ou la dérive en fréquence est pour le coup nettement plus problématique.

Ci-dessous, la phase de verrouillage du signal. Lorsque le système à assez de données, il se lock et le signal se stabilise à 10MHz (et un paquet de zéro derrière :) La précision sera d’autant plus grande que le système reste en fonctionnement. James Miller donne des données statistiques sur son site.

Verrouillage GPS et stabilisation à 10MHz

Encore un nouveau joujou, mais surtout un précieux outil d’étalonnage.

Parallèlement à mon projet de récepteur SDR, je planche sur la conception d’un petit émetteur QRSS basse puissance. Comme premier projet d’émetteur, c’est plutôt simple et accessible. Coté oscillateur, je cherchais un peu de doc sur les différents types d’oscillateurs et je suis tombé sur une publication très bien faite sur les oscillateurs à inverseur.

Oscillateur de Pierce – Oscillateur avec un inverseur CMOS

Il y a quelques temps, alors que je nageais parmi les oscillateurs Colpitts et Hartley, je suis tombé sur l’oscillateur à inverseur (oscillateur de Pierce) que j’ai trouvé plutôt sympa. Un feedback avec inversion d’état et un retard. Génial ! Moi qui viens du monde numérique, c’est pile-poil ce qu’il me fallait :) Je note au passage que ce type d’inverseur est utilisé par YU1LM dans le transceiver Genesis et par G0UPL dans ses petits transmetteurs originaux.

Voila le lien intéressant pour ceux qui aiment bricoler et expérimenter : Use of the CMOS Unbuffered Inverter in Oscillator Circuits.pdf

Note : C’est un peu pub pour TI, mais bon…

Suite à mon précédent post sur le “Générateur de fréquences avec Si570“, j’ai fais quelques vérifications à l’oscillo. Voici ce que l’on peut voir aux broches de la sortie du Si570 (montage complet avec le transfo binoculaire derrière deux condos, alimentation par port USB) :

Signal différentiel à la sortie du Si570

Et en toute logique, les niveaux après les deux condos :

Signal différentiel après les deux condos derrière le Si570

A présent la réponse fréquentielle derrière les condos :

Analyse spectrale de la sortie du Si570, après les deux condos (la mesure juste à la sortie du Si570 disponible ici)

Et le signal au niveau de la sortie du transformateur binoculaire :

Signal à la sortie du transformateur binoculaire (l’analyse spectrale est disponible ici)

Pour quelqu’un qui aurait besoin d’un signal sinusoïdal pur, c’est loin d’être top, mais ce n’est pas le propos de ce montage car il est destiné à piloter un mixer de Tayloe pour un récepteur SDR. Le signal généré peut donc être du type carré car il pilote une logique TTL ou CMOS derrière. Bref, pour moi c’est tout bon :)

Note : Pour contrôle des raies parasites, l’analyse spectrale de l’alimentation (USB) est disponible ici.

Ce week-end, je me suis empressé d’assembler le petit kit que je venais juste de recevoir. Il s’agit d’un générateur de fréquence (HF). Comme je réalise actuellement mon nouveau SDR modulable, je me suis dit que cela pourrait être pas mal de disposer d’une source HF externe, facilement pilotable, notamment par les logiciels SDR comme Rocky ou PowerSDR. En effet, je dispose déjà d’une source HF sur mon oscilloscope numérique, mais le contrôle n’est ni aisé, ni rapide. Le duo Si570 et ATtiny45 est nativement reconnu par Rocky et d’autre logiciels SDR et c’est donc plutôt pratique. Je me suis donc orienté sur un kit “QRP2000 USB-Controlled Synthesizer” qui a su se faire sa place dans le petit monde du SDR amateur. Voici à quoi ressemble le kit :

Le kit “QRP2000 USB-Controlled Synthesizer” à la réception

Il y a un peu de CMS à souder. Une nouvelle fois, j’ai utilisé la technique de la soudure au four (reflow sodering). Ça marche bien et je commence à être rodé :)

Assemblage au four des composants montés en surface

Le coté traversant ne pose pas de problème, mais j’ai trouvé que le PCB aurait pu être mieux routé. Les écarts pour les composants ne sont jamais identiques (ex: résistances ou diodes) et le marquage est incomplet. Coté conception, j’aurais préféré un FIN1002 à la place du transformateur binoculaire, mais c’est uniquement parce que je compte utiliser une logique derrière (double flip-flop pour la génération du signal en quadrature). Par rapport à ce transformateur binoculaire, je me demande s’il tient bien en fréquence (le Si570 sort sur le papier jusqu’à 900MHz). Ce générateur est qualitativement inférieur à un générateur DDS, mais au niveau rapport qualité/prix, il est très intéressant.

Le kit assemblé

La tortue sur le dos…

Encore des petits tests à l’oscillo pour vérifier la tête du signal et les niveaux, mais un essai rapide montre que le système est opérationnel et qu’il fonctionne correctement.