De nos jours, les réalisations
à base microcontrôleur sont courantes. Réaliser un fréquencemètre
n’est pas toujours facile si l’on veut conserver une excellente précision
et un temps de mesure le plus court possible.
Certains fréquencemètres
à microcontrôleur ont souvent une précision réelle
qui ne dépasse pas 5 à 6 chiffres significatifs sur les gammes
VHF/UHF (la correction du prédiviseur est obtenue par multiplication
avant l’affichage).
On demande aussi à un fréquencemètre de couvrir la
plus large gamme de fréquences de quelques Hz à plusieurs GHz.
Le fréquencemètre que vous allez réaliser est spécialement
destiné au laboratoire électronique hautes fréquences
en trois gammes ; il couvre 10 Hz à 2,9 GHz avec une précision
de 8 digits sur toutes les gammes et une sensibilité meilleure que
50 mV. Les trois gammes sont séparées en trois entrées
:
Une entrée BF haute impédance (1 MOhms // 25 pF) de 10 Hz
à 2 MHz ayant une sensibilité meilleure que 10 mV et 1Hz de
résolution. Cette entrée se comporte comme celle d’un oscilloscope
et l’on peut y connecter une sonde 1/10e pour mesurer tout circuit sensible.
Une entrée HF de 100 kHz à 60 MHz sous 50 Ohms d’impédance
d’entrée et mieux que -20 dBm de sensibilité avec 1 Hz de résolution.
Une entrée VHF/UHF de 50 MHz à 2,9 GHz sous 50 Ohms et -20
dBm de sensibilité. La résolution est de 100 Hz en UHF et 10
Hz en VHF. Un niveau de -20 dBm sous 50 Ohms correspond à 22 mV environ
et 0 dBm à 1 mW sous 50 Ohms, soit 223 mV environs.
Les deux dernières entrées
sont destinées à des mesures radio sur des oscillateurs synthétiseurs
de fréquence. Plus on monte en fréquence, plus la résolution
de l’affichage est importante. Ce fréquencemètre offre 8 chiffres
à l’affichage, mais la précision dépend surtout du quartz
du fréquencemètre à qui on doit précision et stabilité.
Ce fréquencemètre possède deux atouts supplémentaires
:
Un réglage facile du quartz par comparaison d’un signal vidéo
TV.
Une entrée de référence externe à 4 MHz pour
être connectée au récepteur de fréquence d’étalon
sur «France Inter » (MHz n° 173 et n° 174).
Principe de comptage :
Un fréquencemètre reste toujours un compteur qui prend en
compte un certain nombre d’impulsions pendant une unité de temps gérée
par une base de temps précise.
Le synoptique ci-dessus illustre
le principe. Une porte ET valide l’entrée du compteur sous une impulsion
de durée fixe (par exemple : une seconde) qui provient d’un séquenceur.
La précision de cette impulsion à une très grande importance
pour obtenir la meilleure résolution.
La taille du compteur en nombre de bits est fonction du nombre de chiffres
(digits) que l’on veut afficher.
Dans notre fréquencemètre, la porte principale est une 74HC00,
porte NON-ET (NAND). L’impulsion de comptage est délivrée par
le microcontrôleur PIC ; la structure RISC (4 cycles d’horloges pour
une instruction) permet d’obtenir une durée très précise
par division du quartz. Le compteur de ce fréquencemètre est
divisé en trois parties : un compteur externe (3 cellules de 74 HC393,
9 bits), le prescaler du timer (8 bits) et le timer interne (8 bits avec 1
bit de dépassement).
La profondeur de comptage est de 26 bits soit 226 E 67108900. Cela fait
presque 8 chiffres de résolution le dernier chiffre affiché
est obtenu par calcul numérique. En pratique, sur tout fréquencemètre,
le dernier chiffre significatif est à prendre avec relativité
(il cumule toutes les incertitudes du fréquencemètre : précision
du quartz, retard du temps d’ouverture et fermeture de la porte).
Description du schéma :
Le coeur de ce fréquencemètre est bien sûr le microcontrôleur
PIC qui gère le comptage, l’afficheur LCD, la lecture du mode sélectionné
et l’entrée de mesure.
Pour économiser des entrées/sorties, l’afficheur LCD utilise
4 bits de données et deux signaux de contrôle. Les entrées
de sélection (RB4 à RB7) sont traitées par interruption
pour quitter la mesure en cours et passer plus rapidement dans le mode sélectionné.
A gauche du schéma, on distingue bien les 3 entrées du fréquencemètre
et dans la partie droite, l’oscillateur 4 MHz de référence,
le dispositif de comptage, le PIC et l’afficheur en bas.
L’entrée UHF est suivie d’un amplificateur large bande MAR6 pour
augmenter la sensibilité du prédiviseur en-dessous de 200 MHz.
Ce prédiviseur MC12079 de Motorola (ou µPB1505GR de NEC) divise
par 64 ou 128 selon l’état du transistor Q3 qui est commandé
par l’interrupteur S2. En mode VHF pour les fréquences inférieures
à 999 MHz, le prédiviseur divise par 64 pour un temps de mesure
de 4 secondes. Au-delà du GHz et en mode UHF, le rapport de division
est de 128 et le temps de mesure est de 1 seconde. Ce compromis permet d’allier
précision et rapidité de mesure suivant le signal à
mesurer.
L’entrée HF est elle aussi amplifiée par un NE592 (U5) qui
sert habituellement à amplifier des signaux vidéo. La sortie
non utilisée est chargée par la résistance R7. Le signal
est ensuite prédivisé par 2 avec une moitié de U6.
L’entrée BF s’apparente à une entrée d’oscilloscope
haute impédance. Le transistor à effet de champ Q1 est monté
en drain commun. Les diodes D2 et D3 protègent l’entrée contre
les surtensions. Le transistor Q2 amplifie le signal vers la porte NAND U2D.
Les signaux des trois entrées convergent vers le sélecteur
de données U3 qui en fonction du mode choisi sélectionne l’entrée
correspondante par combinaison des ports RA1 et RA0. L’emploi d’un circuit
spécifique plutôt qu’un sélecteur mécanique évite
la déformation du signal avant le comptage.
Le signal à compter arrive sur la porte NAND U2B qui est validée
pendant une durée très précise générée
par le PIC. La porte suivante U2A sert à déterminer la valeur
du compteur externe U6B et U1. Cette porte est passante pendant le comptage
et après, le PIC envoie des impulsions complémentaires jusqu’à
ce que la sortie QD de U1A bascule. Ce principe de comptage par complément
s’applique aussi au PIC lui-même pour déterminer la valeur du
prédiviseur interne qui précède le compteur-timer interne.
L’oscillateur de référence est un quartz de 4 MHz ajusté
par la capacité CJ1.
La précision de calage et la dérive en température
du quartz sont primordiales pour la résolution de l’affichage. Avec
un quartz bien calé à température ambiante, la précision
est de 1 à 10 ppm, soit environ 4 à 40 Hz de précision
absolue sur 4 MHz en mode BF. Pour obtenir plus de précision, on peut
synchroniser le quartz par un signal de 4 MHz externe. Quand l’interrupteur
S3 est fermé, la porte U2C est validée et amplifie le signal
externe. A sa sortie, on retrouve un signal carré qui par la capacité
C23 se retrouve à l’entrée de l’oscillateur à quartz
du PIC. Ce mode de couplage synchronise le quartz pour autant qu’il soit déjà
calé sur 4 MHz à mieux de 100 Hz près.
Le réglage du quartz reste la première difficulté une
fois le fréquencemètre réalisé ! Si l’on dispose
d’une fréquence de référence, on l’injectera par une
des entrées du fréquencemètre puis on réglera
CJ1.
Encore faut-il disposer d’une fréquence de référence
! En cherchant bien, il en existe une que tout le monde possède : votre
téléviseur ! La fréquence du signal vidéo est
de 15625 Hz exactement, c’est aussi la fréquence de balayage horizontale.
Quand la touche « reset » est maintenue pendant la mise sous tension,
le PIC entre dans le mode calibration et génère un signal périodique
de 15625 Hz sur le point de test TP1. Si le bouton reset est relâché,
on retombe dans le fonctionnement normal. La méthode de réglage
sera expliquée plus en détail à la fin de cet article.
Le sélecteur de mode S1 est un inverseur à 3 positions (la
position centrale est isolée). Chacune des positions correspond à
une entrée (BF/HF/UHF). L’interrupteur S2 n’est actif que dans le mode
UHF : lorsqu’il est fermé, le rapport du prédiviseur est modifié
à 64 et la résolution d’affichage passe de 100 Hz à
10 Hz pour toute fréquence inférieure à 999 MHz (mode
VHF) et le temps de comptage passe à 4 secondes.
La diode D6 et le connecteur JP2 sont prévus pour une extension future
avec un prédiviseur 10 GHz, par exemple.
L’alimentation de tout l’ensemble est régulée par un classique
7805 qui peut recevoir une tension d’entrée comprise entre 8 V et 16
V. Le montage ne consomme que 50 mA ; une alimentation secteur sera préférable
à des piles. Un petit bloc secteur fera l’affaire pour alimenter le
fréquencemètre dans les meilleures conditions de sécurité.
Le contraste de l’afficheur est ajusté par RJ1. L’affichage est plus
contrasté si le curseur de RJ1 est amené vers la masse.
Réalisation pratique :
La dernière version du PIC programmé et du circuit imprimé
double face à trous métallisés est disponible sous forme
de kit chez Cholet Composants. Vous pouvez aussi adresser une disquette avec
les frais de retour à l’auteur pour obtenir le fichier hexadécimal
du PIC. Je vous recommande aussi Dahm’s Electronic chez qui l’on peut trouver
des afficheurs rétro-éclairés de bonne qualité.
Notez toutefois qu’il existe deux sortes d’afficheurs sur le marché
: les LCD dits TN (Twisted Nematic) et les STN (Super Twisted Nematic) qui
sont beaucoup plus contrastés mais deux à trois fois plus cher
!
Si vous utilisez un afficheur rétro-éclairé, le régulateur
devra être monté sur un petit radiateur. Un moyen plus astucieux
consiste à alimenter le rétro-éclairage en amont du régulateur
à travers une résistance série de 100 à 150 Ohms
suivant l’intensité désirée. Pour cela il faut parfois
déssouder une résistance CMS sur le LCD qui assure la connection
du +5V aux broches 15 et 16 du rétro-éclairage.
Les circuit logiques doivent être des 74HC, les 74LS ou 74HCT ne conviennent
pas.
La mise en œuvre du prédiviseur 3 GHz étant assez critique,
un montage en surface avec quelques condensateurs céramiques s’est
avéré nécessaire. L’entrée du MAR6 est repérée
par un point blanc.
Vous remarquerez que les 4 connecteurs RF sont disposés sur le même
côté du circuit imprimé. Cela laisse deux possibilités
pour disposer les embases BNC : Disposé du côté soudure
(du même côté que les CMS), le circuit imprimé peut
être plaqué contre la face avant du boîtier ; Soudées
sur le flanc du circuit, la platine peut être disposée à
plat dans le fond du boîtier.
On peut aussi y connecter des câbles mais il faudra prendre un maximum
de précautions pour l’entrée UHF.
L’afficheur LCD est raccordé au moyen d’un câble en nappe d’une
vingtaine de centimètres au maximum. La broche 1 de l’afficheur est
dans le coin en haut à gauche. Les afficheurs rétro-éclairés
ont deux broches supplémentaires pour le rétro-éclairage
(broches 15 et 16).
Les circuits intégrés sont montés sans support sauf
pour le PIC (pour pouvoir le reprogrammer si nécessaire).
Le fichier du programme en hexadécimal est disponible ci-dessous
:
Attention, les autres provenances du logiciel ne sont pas garanties par
l’auteur. La version de programme est indiquée à la mise sous
tension du fréquencemètre par le message « F5RCT VERSION1.2
», pour la version 1.2.
Le reste de la réalisation se passera de commentaires particuliers.
Si vous soignez le montage, tout fonctionnera du premier coup !
Pour la mise en coffret, il est préférable de positionner
l’afficheur en pupitre de manière à ce que l’angle de lecture
soit incliné. La majorité des afficheurs LCD sont flous quand
on les observe d’en haut.
L’entrée BF est très sensible. Si la nappe du LCD passe au
dessus de l’entrée sans quelle soit connectée on risque de lire
une fréquence parasite différente de zéro. Dans ce cas
souder une petite tôle en U à la masse qui recouvrira la zone
de l’entrée à Q2.
Réglages :
Avant de mettre sous tension, on vérifiera une dernière fois
le montage et le câblage des interrupteurs.
Réglez RJ1 vers la masse (contraste maximum).
Appliquez l’alimentation, contrôlez le +5V en sortie du régulateur.
Veillez à ce que S3 soit ouvert. L’afficheur doit indiquer des zéros
kHz et BF, HF, VHF ou UHF suivant le mode sélectionné par S2.
En mode UHF ou VHF, un affichage différent de zéro et instable
peut être présent dans certains cas (le prédiviseur divise
le bruit de sa propre entrée).
Le régulateur chauffe un peu mais il n’y a pas lieu de s’en inquiéter
(on peut le laisser en l’air ou bien le visser contre le boîtier). Le
courant consommé est inférieur à 60 mA sous 12V (55 mA
mesuré sur un prototype).
Réglez le contraste à votre convenance par RJ1.
Coupez l’alimentation et court-circuitez S4 avec une pince crocodile par
exemple, puis remettez sous tension. Le LCD affiche « 15625Hz TP1 CAL.
», un signal carré de 15625 Hz est présent sur le port
RB0 via TP1. Deux possibilités de réglage se présentent
si vous avez un oscilloscope ou pas :
Synchronisez l’oscilloscope par le signal de TP1 (entrée Y2 ou synchro
externe) et prélevez le signal vidéo composite sur la broche
20 et la broche 19 pour la masse (attention sur un câble péritel
les fils sont croisés et à l’autre bout du câble se sont
les 17 et 19). En observant la position du top de synchro, réglez CJ1
pour minimiser le défilement à gauche ou à droite (observez
sur quelques secondes pour augmenter la précision). Je vous recommande
d’effectuer cette opération sur une émission directe comme
le journal télévisé et de comparer entre plusieurs chaînes.
Les télévisions allemandes (ZDF et ARD) ont une excellente
réputation pour la précision en fréquence (tant mieux
pour les frontaliers ou ceux qui sont équipés du satellite
!).
Si vous ne possédez pas d’oscilloscope, reliez le signal de TP1 à
la broche 16 et la broche 18 pour la masse. Le signal de TP1, appliqué
à la broche de commutation rapide, va moduler l’image de la chaîne
reèue en éteignant la moitié verticale de l’écran
du téléviseur. Réglez CJ1 pour que la transition soit
la plus stable en minimisant le défilement vers la droite ou la gauche
et pensez à comparer entre plusieurs chaînes. Ce mode de réglage
est astucieux et accessible par tous !
Lors du réglage avec votre téléviseur, une bande noire
se décale vers la gauche ou la droite selon la dérive du quartz.
Le but du réglage étant d’empêcher ce défilement.
Si vous n’arrivez pas à stabliser la fréquence, il faut retoucher
les capacités de charge C24 et C20 du quartz, ajoutez 10 pF de chaque
côté et observez si le défilement est plus lent. Dans
le cas contraire, déssoudez C20 et C24 et remplacez les par C20 = 33
pF et C24 = 18 pF. Cette procédure sera appliquée si la provenance
du quartz n’est pas garantie en terme de capacité de charge.
Les essais :
Les performances mesurées sont excellentes en sensibilité.
La réponse en fréquence de l’entrée BF est très
plate. La fréquence de coupure haute dépend du transistor Q2
et de la charge R5. La sensibilité de l’entrée BF est lié
au point polarisation de Q2 qui doit se situer au plus près de 2.5V
de tension collecteur. Si le point de fonctionnement de Q2 est trop bas, augmenter
R19. L’entrée HF est volontairement limitée au niveau des fréquences
basses par les capacités à l’entrée (C17 et C27), mais
cela n’empêche pas de travailler à 10 kHz avec un peu plus de
200 mV (0 dBm). L’entrée UHF est liée à la réponse
du prédiviseur et du MAR6 ; des essais ont montré que cette
entrée admet jusqu’à 4 GHz si l’on respecte la coaxialité
de l’entrée !
La consommation mesurée sur un prototype avoisine les 60 mA sous
12 V.
Par comparaison avec le récepteur de fréquence étalon
sur France Inter la dérive du quartz varie de -4 Hz à +4 Hz
sur 4 MHz affichés, soit une précision de 1 ppm entre la mise
sous tension et une heure de stabilisation en température.
