STABILISATEUR DE FREQUENCE POUR OSCILLATEUR LC

Olivier ERNST F5LVG

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La réalisation d'oscillateurs stables est souvent un cauchemar pour le radioamateur. Soit il construit un oscillateur LC, mais au-dessus de 10 MHz on observe généralement une dérive continue en fréquence, soit il utilise un oscillateur à quartz et la fréquence est alors fixe. La solution est de réaliser un synthétiseur de fréquence à boucle à verrouillages de phase (PLL c'est-à-dire phase locked loop).

Figure 1 : Synthétiseur à verrouillage de phase (PLL).

Un synthétiseur PLL est un circuit qui comprend 3 éléments (figure 1). D'abord un oscillateur LC dont la fréquence peut être modifiée par une tension appliquée à une diode varicap (VCO). Ensuite un oscillateur de référence qui va déterminer le pas du synthétiseur (100 Hz par exemple). Enfin, un comparateur de phase qui applique une tension variable sur la diode varicap du VCO en fonction de la différence de phase entre la référence et l'oscillateur (ou un de ses sous-multiples). Pour être simple imaginons un oscillateur dont la fréquence est exactement de 10 MHz lors de l'allumage et en phase avec la fréquence de référence de 100 Hz. Si l'oscillateur est parfaitement stable, il reste en phase avec la référence et la tension appliquée à la diode varicap reste constante. Si la fréquence de l'oscillateur diminue (il présente un retard de phase par rapport à la référence), le comparateur de phase augmente la tension de la varicap ce qui fait remonter la fréquence de l'oscillateur à 10 MHz. A l'inverse, si l'oscillateur augmente sa fréquence (il présente une avance de phase par rapport à la référence), le comparateur de phase diminue la tension appliquée à la varicap ce qui fait redescendre la fréquence de l'oscillateur à 10 MHz. Cet exemple illustre le fait que quelles que soient les variations spontanées de fréquence d'un oscillateur, une boucle de phase PLL permet de compenser cette dérive. D'une façon générale, la fréquence de sortie d'un synthétiseur est synchronisée sur une fréquence égale à un multiple de la fréquence de référence. Une remarque importante doit être faite. La fréquence de l'oscillateur peut être commandée par un condensateur variable en parallèle de la varicap. La varicap peut alors ne modifier la fréquence de l'oscillateur que sur une faible plage (50 KHz par exemple), servant uniquement à compenser la dérive. Les autres modifications de fréquence, pour l'accord sur plusieurs MHz par exemple, sont alors effectuées par le condensateur variable. Le diviseur de fréquence est facultatif. En son absence, il faut employer un comparateur de phase qui n'est actif que durant les flancs montant ou descendant de la fréquence de référence. Un synthétiseur PLL peut ainsi être presque simple, contrairement à ce que pensent la plupart des électroniciens amateurs ou professionnels.

Figure 2

Avant de donner le schéma de réalisation examinons le montage de la figure 2. Il s'agit d'un oscillateur LC, dont la fréquence peut être modifiée sur une large gamme par CV (8 à 20 MHz par exemple). Par ailleurs on a ajouté en parallèle un dispositif régulateur de fréquence comprenant une diode varicap D permettant une faible variation de fréquence (100 KHz en milieu de gamme par exemple). Imaginons que l'on appuie sur le bouton-poussoir et qu'on règle la fréquence de l'oscillateur sur 10 MHz. Le condensateur C est donc chargé à la tension U pendant le réglage de la fréquence de l'oscillateur. Relâchons ensuite le bouton-poussoir. Le condensateur C va alors se décharger progressivement à travers la diode varicap D. Cette diode étant polarisée en sens inverse, sa résistance interne est très élevée, la décharge de C sera donc très lente. Nous allons étudier trois cas particuliers.

Premier cas : l'oscillateur est parfait, sa fréquence est parfaitement stable tant que C est chargé à la tension fixe U. Une fois le bouton-poussoir relâché, la tension aux bornes de D tend à diminuer, sa capacité augmente et donc la fréquence tend à diminuer. Pour éviter cette baisse de fréquence il faut appliquer sur l'entrée " régulation " des impulsions de tension positive de façon à remonter périodiquement la tension aux bornes de D à la valeur U.

Deuxième cas : l'oscillateur tend à augmenter de fréquence tant que C est chargé à la tension fixe U. Une fois le bouton-poussoir relâché, la tension aux bornes de D tend à diminuer ce qui augmente sa capacité ce qui à tendance à faire diminuer la fréquence de l'oscillateur. Dans un cas extrême, cette baisse de fréquence induite par la varicap compensera exactement l'augmentation de fréquence que présente spontanément l'oscillateur sans ce dispositif. Il ne faut alors appliquer aucune tension sur l'entrée régulation.

Troisième cas : l'oscillateur tend à baisser de fréquence tant que C est chargé à la tension fixe U. Il s'agit du cas le plus fréquent. Une fois le bouton-poussoir relâché, il faut augmenter la tension aux bornes de C afin que la capacité de D diminue de façon à compenser la baisse de fréquence spontanée de l'oscillateur. Pour obtenir cette augmentation de tension aux bornes de C il faut appliquer sur l'entrée régulation des impulsions de tension positive (valeur nettement supérieure à U, par exemple 5U) dont la fréquence sera adaptée à la régulation nécessaire.

Au total, on remarque qu'il est possible de compenser la dérive en fréquence (positive ou négative) de l'oscillateur en jouant sur la fréquence des impulsions de tension appliquées sur l'entrée régulation. Ceci mérite quelques précisions. La durée des impulsions est très courte (quelques millièmes de secondes) par rapport à la constante de temps RC (quelques minutes). Chaque impulsion tend à charger le condensateur C. Si on double la fréquence des impulsions, le condensateur se chargera deux fois plus vite. On comprend donc bien que la fréquence des impulsions détermine la courbe de charge du condensateur. En jouant sur la fréquence de ces impulsions il est donc effectivement possible de compenser exactement la dérive en fréquence de l'oscillateur.

Le schéma du circuit stabilisateur réel est donné figue 3. La fréquence de référence est produite par un unique circuit intégré 74HCT4060. Ce CI permet à la fois de réaliser un oscillateur à quartz et une division de la fréquence du signal par 16384. En sortie on obtient donc un signal carré de 183 Hz. C'est le pas du synthétiseur. Le signal du VFO est appliqué à un transistor BC549c qui sert d'adaptateur d'entrée au circuit 74HCT74. La polarisation du BC549c doit être réglée pour obtenir une tension collecteur de 1.4 V en l'absence de signal. La fréquence de référence est aussi appliquée au 74HCT74. Ce circuit est une bascule de type D déclenchée par le front montant de la tension de référence. La tension de sortie (broche 8) ne se modifie que lors des fronts montants de la fréquence de référence, et se met au même niveau (haut ou bas) que la tension provenant du VFO à travers le BC549c. Tout changement de niveau de la sortie, induit une impulsion (positive ou négative) entre la base du BD137 et la masse. Ce transistor devient passant pour chaque impulsion positive. A sa sortie on obtient donc des séries d'impulsions positives dont la fréquence dépend des différences de phase observées entre le VFO et la référence. Ces impulsions sont appliquées au circuit RC (220 kohm, 680 µF). Vous remarquerez que le condensateur de 680 µF n'est pas relié à la masse mais à un circuit diviseur de tension (U = 0.33 V) de façon à obtenir à l'allumage du circuit une charge automatique de C. Le bouton-poussoir (INT1) ne sera donc utilisé que lors des changements de gamme, ou après un long temps de fonctionnement quand la tension aux bornes de C atteint sa valeur maximum (1.5 V).

Figure 3 : circuit stabilisateur de fréquence

Le circuit représenté sous la ligne pointillée de la figure 3 est un fréquencemètre rudimentaire permettant une lecture directe de la fréquence sur un voltmètre numérique (0.1mV = 10 kHz). Ce circuit a été décrit en détail dans le radio-REF de janvier 2001 auquel il faut se référer. Quelques modifications ont été apportées pour diminuer les signaux parasites. INT2 sert à la callibration du système. Les 2 résistances de 100 kohm et INT3 permettent tous les décalages de fréquences nécessaires. Le condensateur de 1 µF entre l’émetteur du BD137 et la masse est constitué par la mise en parallèle de condensateurs polyesters (coefficient de température positif) et céramiques (coefficient de température négatif) de façon à obtenir une bonne stabilité du système. A titre d’exemple il est possible de commencer par 4 condensateurs polyesters (0.47 µF et 3 x 100 nF) et 2 condensateurs céramiques (2 x 100 nF).Ce fréquencemètre peut parfaitement être omis.

Figure 4 : le VCO

Le schéma du VCO couvrant de 20 MHz à 8 MHz est donné figure 4. Il s'agissait de l'oscillateur local d'un récepteur simple avec un FI sur 5 MHz. Toutes les bandes amateurs de 3.5 MHz à 21 MHz pouvaient donc être reçues sans commutation. Le condensateur variable de 500 pF permettait de choisir la bande, alors que le potentiomètre de 22 kohm associé à une zener utilisé en varicap permettait d'explorer la bande. Inutile de préciser que malgré tous mes efforts cet oscillateur présentait une dérive continue en fréquence. C'est donc ce récepteur qui a servi pour la mise au point du circuit stabilisateur de fréquence. Le VCO n'a donc pas été spécialement étudié et il est très probable qu'il est possible de faire nettement mieux. Il n'est donc décrit qu'à titre d'exemple. La résistance ajustable est réglée de façon à obtenir une oscillation sur toute la gamme sans fréquence parasite. Une diode LED rouge de 5 mm est utilisée en varicap. L'intérêt des LED est d'avoir une tension seuil plus élevée que les diodes au silicium et donc de pouvoir fonctionner à basse tension.

La principale difficulté de ce montage est le choix de la constante de temps du circuit RC (220 kohm, 680 µF) et de la varicap. J'utilise fréquemment les LED rouges 5 mm en varicap de " faible capacité ". Je n'ai donc pas essayé d'autres diodes. Par contre j'ai essayé de nombreuses valeurs pour le circuit RC. En première approximation il faut choisir une valeur de capacité importante (470 µF à 1000 µF). Ensuite, il faut adapter la valeur de R. Une valeur trop importante ne permet pas la régulation. Une valeur trop faible crée une instabilité, chaque impulsion de tension induisant une variation de fréquence supérieure au pas du montage. Une valeur adéquate à une extrémité de gamme peut être inadéquate à l'autre extrémité. A priori, il faut choisir la valeur la plus faible permettant une régulation de qualité dans le haut de la gamme de fréquence.

Le circuit stabilisateur de fréquence a été monté en l'air sur une platine de bakélite cuivrée de 8x15 cm. Des résistances de 4.7 Mohm ont été utilisées pour réaliser la fixation des connexions. Les circuits intégrés sont montés " pattes en l'air ", chaque broche devant recevoir une connexion étant soudée à une résistance de 4.7 Mohm reliée à la masse. Cette technique permet de souder les connexions sur le fil de la résistance et non sur le circuit intégré lui-même. Les résistances de 4.7 Mohm sont totalement négligeables dans ce genre de montage.

En guise de conclusion, résumons les résultats de ce montage. Mon prototype permet l'écoute de station BLU sur 14 MHz (oscillateur 19 MHz) comme 3.5 MHZ (oscillateur 8.5 MHz) pendant plus d'une heure sans retouche du potentiomètre d'accord de fréquence. La fréquence maximum théorique de ce montage est de 50 MHz. Ce circuit stabilisateur de fréquence permet donc de compenser quasiment parfaitement les dérives en fréquences lentes (sur plusieurs secondes). Par contre, il ne permet pas de rattraper les dérives de fréquence rapide (en moins d'une seconde). C’est d’ailleurs ce qui permet les variations de la fréquence par CV ou varicap en parallèle de la bobine. Ce circuit ne permet donc pas de compenser un effet de main, ou une variation de fréquence lors d'une commutation etc.

Si votre VFO dérive en fréquence construisez ce stabilisateur de fréquence ! Bonne réalisation.

Olivier ERNST F5LVG

POUR EN SAVOIR PLUS SUR LES DISPOSITIFS STABILISATEURS DE FREQUENCE CONSULTEZ

G0UPL : Ce site en anglais fait la synthèse des articles amateurs sur les circuits stabilisateurs de fréquence (CIRCUITS HUFF and PUFF) et l'emploi de diodes diverses en varicap.

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