Oscillateurs

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INFO : A l’examen, aucune question n’a été recensée sur les schémas fonctionnels ci-dessus. En revanche, quelques questions portent sur les synoptiques de PLL et le théorème de Shannon-Nyquist lié au fonctionnement des DDS.

 

Un oscillateur est un circuit générateur de signaux sinusoïdaux de fréquence calculée.

 

Il existe des oscillateurs à fréquence fixe (à quartz) (VXO) et à fréquence variable. Ces derniers peuvent être commandés mécaniquement avec un condensateur variable (VFO), par la variation de tension sur une diode Varicap (VCO) ou électroniquement avec un synthétiseur (PLL et plus récemment DDS). Le fréquencemètre mesure la fréquence d’un signal en comptant les périodes pendant une durée connue et stable. Plus cette durée est longue, plus l’affichage de la fréquence est fin. La précision de l’instrument dépend de la stabilité de la durée de mesure.

Le quartz se trouve à l’état naturel sous forme de cristaux de silice (SiO2). Le composant nommé quartz est constitué d’une lamelle de roche de quartz taillée et coincée entre les deux plaques d’un condensateur. Un quartz fonctionne grâce à l’effet piézo-électrique du matériau. Lorsqu’une pression est exercée sur les faces d’une lame de quartz, des charges électriques y apparaissent. Inversement, si une tension est appliquée à ses faces, la lame se dilate ou se contracte selon la polarité appliquée. La vitesse de propagation du courant dans la masse du quartz est d’environ 5700 m/s.

 

Lorsque la fréquence de la tension coïncide avec la fréquence propre du quartz, fréquence liée à ses dimensions, il y a résonance.

 

F (MHz) = 5,7 / [2 . e(mm)] avec e(mm) = épaisseur de la lame de quartz

 

Ainsi, une lame de quartz de 0,3 mm d’épaisseur, résonne en demi-onde (l’onde fait un aller-retour dans la masse du quartz) sur 9,5 MHz : F = 5,7 / (2 x 0,3) = 9,5 MHz

Le principe de fonctionnement d’un oscillateur repose sur la réinjection en phase d’une partie du signal amplifié sur l’entrée du circuit. La connaissance des schémas présentés ci-dessous n’est pas au programme de l’examen. Les facteurs affectant les conditions de stabilité des oscillateurs sont les variations de la tension d’alimentation de l’étage, les variations de température des composants (en particulier des transistors et des quartzs) et les défauts de blindage des boîtiers contenant le montage (effet de main).

 

Le schéma synoptique (principe de fonctionnement) d’un PLL

PLL (de l’anglais : Phase Lock Loop, boucle à verrouillage de phase) est présenté ci-dessous. Un VCO génère le signal HF dont la fréquence (δF) varie avec la tension présente sur la Varicap du VCO (δU). Le signal HF passe par un diviseur logique qui envoie une impulsion sur la sortie quand il a compté le nombre de période déterminé par le nombre binaire présent à son entrée et qui est généré par les roues codeuses ou le microprocesseur. Ce signal impulsionnel est comparé à un signal de référence (VXO) dont la fréquence est très stable.

En cas de déphasage, c’est-à-dire si les deux signaux n’apparaissent pas en même temps sur les deux entrées du comparateur de phase, celui-ci génère une tension proportionnelle à l’écart de phase entre les deux signaux. La tension de sortie du comparateur de phase (appelé aussi multiplieur corrige la fréquence du VCO. Le filtre passe bas (généralement un filtre RC) stabilise le système tout en limitant les à-coups (réduction du bruit de phase). Le diviseur et le comparateur sont des circuits logiques dont le fonctionnement interne n’a pas à être connu et qui seront évoqués dans le chapitre concerné.

Le DDS

DDS (de l’anglais : Direct Digital Synthesis, synthèse numérique directe) fonctionne autour d’un microprocesseur et d’un Convertisseur Numérique/Analogique. Le synoptique est représenté ci-dessous.

Avec un programme adapté (algorithme), le microprocesseur génère la fréquence par échantillonnage : un chiffre représentant la tension à générer est calculé selon une cadence très stable générée par un quartz. La détermination de cette cadence est importante car selon le

 

Théorème de Nyquist, la fréquence maximum générée sera la moitié de la fréquence d’échantillonnage. En pratique, il convient même de se limiter au quart de la fréquence d’échantillonnage.

 

Ce qui implique que vous devrez « échantillonner » au moins à 2 fois la fréquence du signal entrant. En pratique c’est plus…

En sortie du microprocesseur, un Convertisseur Numérique / Analogique (CNA ou ADC, Analogic Digital Converter en anglais) transforme les chiffres issus du microprocesseur en tension. Le signal est ensuite filtré énergiquement pour éliminer les harmoniques issus des signaux carrés (crénelage) générés par le convertisseur. Maitrisant relativement bien ces concepts souvent utilisés dans mon ancien cadre professionnel, je ferais un article détaillé plus tard.

Pour une même fréquence générée, la fréquence de référence d’un PLL est plus basse (effet du diviseur logique) alors que celle d’un DDS est plus élevée (effet de l’échantillonnage).

Par construction, les quartz ne fonctionnent que jusqu’à 50 MHz environ. Au-delà de cette fréquence, l’épaisseur de la roche de quartz est trop mince, ce qui la rend fragile. La solution pour obtenir une fréquence d’oscillation supérieure à 50 MHz est d’utiliser un VCO asservi par un circuit PLL.

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