Jean-François FOURCADIER
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Montpellier  (France)

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Réalisation d'un synthétiseur 1,2 GHz

Le synthétiseur qui est présenté ici permet de générer un signal RF d'une puissance de 5 mW (+ 7 dBm), de fréquence comprise entre 1150 MHz et 1300 MHz, réglable par pas de 100 kHz. La réalisation s'appuie sur un VCO décrit dans un article précedent. Le synthétiseur pourra servir d'élément de base pour la construction d'émetteurs ou de récepteurs dans la bande amateur 1240 - 1300 MHz. Ce montage possède la particularité d'être réalisé entièrement avec des moyens amateur, au moyen de composants montés en surface (CMS).

Principe de base d'un synthétiseur

Un synthétiseur se compose typiquement d'un oscillateur commandé par une tension (VCO), d'un oscillateur à quartz de référence, d'un circuit diviseur de fréquence programmable, et d'un comparateur de phase.

Le principe de base est simple: la fréquence du VCO est divisée par un nombre ajustable N. La phase du signal issu du diviseur programmable est comparée à celle du signal issu de l'oscillateur de référence. Tout écart est détecté et se traduit par une tension qui vient agir sur la fréquence du VCO. A l'équilibre, la fréquence du signal de sortie est donc de N fois la fréquence de référence. En régime de fonctionnement normal nous avons un système asservi ou bouclé qui doit être convenablement conçu pour obtenir un fonctionnement satisfaisant.

Le VCO

Le VCO est enfermé dans un petit boîtier métallique. Il couvre de 1150 à 1300 MHz pour une variation de tension de commande de 0 à + 8V, et sa description détaillée est fournie dans un article précédent.

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Le circuit PLL

Il réalise les fonctions d'oscillateur de référence, de diviseur par N et de comparateur de phase. Son coeur est constitué du circuit Motorola MC145200F, circuit CMS en boîtier SOG (Small Outline Gull-wing) à 20 pattes. Ces dernières sont espacées de 1,27 mm, ce qui permet, avec un peu de soin, leur soudure avec du matériel tout à fait courant. Ce circuit est disponible dans le commerce de détail pour moins de 10 euros.

téléchargez les caractéristiques du circuit Motorola MC145200F (fichier .pdf de 331 ko)

On constate qu'il s'agit d'un circuit double module, intégrant un prescaler 64/65 utilisable jusqu'à 2 GHz. Le recours à un circuit double module est favorable à l'obtention d'un faible bruit de phase du synthétiseur. En effet, il permet de conserver tout à la fois, une fréquence de référence élevée (dans notre cas 100 kHz) et un pas de réglage de 100 kHz, malgré l'existence du prescaler. Les solutions simple module (TSA5511,...) conduisent à des fréquences de référence de quelques kHz, et donc à des synthétiseurs plus bruyants, comportant des raies parasites difficiles à éliminer.

Le filtre de boucle est étudié au moyen du logiciel gratuit "Windows Loop Filter Design" fourni par National Semiconductors.

téléchargez le logiciel gratuit "Windows Loop Filter Design" de National Semiconductors

Les paramètres à introduire sont ceux relatifs à nos composants et au résultat souhaité:

- pas de réglage de 100 kHz et fréquence de référence Fr = 100 kHz
- pour une fréquence de sortie de 1250 MHz, rapport de division N = 12500
- fréquence de coupure du filtre de boucle: 2 kHz
- caractéristique du VCO: Kvco = 40 MHz/V
- caractéristique du détecteur de phase: Kphi = 1,5 mA/2*pi
- marge de phase = 54°

Le choix de la fréquence de coupure du filtre résulte d'un compromis entre le bruit de phase du signal produit par le synthétiseur et sa pureté spectrale (niveau des raies parasites espacées de la fréquence de référence).

Les valeurs des composants du filtre issues du calcul sont: C1 = 9,87 nF, R2 = 2,9 kohms, C2 = 83,7 nF, que l'on approchera sans grands inconvénients par les valeurs normalisées 10 nF, 2,7 kohms et 100 nF.

La réalisation

- le schéma

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Le signal issu du VCO passe dans un atténuateur 3 dB destiné à masquer les variations de charge. Il est ensuite amplifié par un MMIC Agilent MSA-0886 fournissant un gain de 20 dB. Une fraction du signal de sortie est orientée vers un deuxième MMIC Minicircuits MAR7 qui joue le rôle d'étage tampon pour attaquer l'entrée du circuit Motorola MC145200. Le recours à un étage tampon est nécessaire pour bien isoler le signal de sortie de la broche d'entrée du prescaler. L'oscillateur de référence est piloté par un quartz de 4000 kHz, qui après division interne par 40 nous fournit le signal de comparaison à 100 kHz. Un condensateur ajustable permet d'affiner la fréquence de référence et donc celle de sortie. Un connecteur à 6 points assure la liaison avec le microcontrôleur ou micro-ordinateur de commande.

Un soin particulier est consacré à la régulation et au filtrage des alimentations. Il s'agit là d'un point essentiel pour l'atteinte de performances convenables. Outre la présence de deux régulateurs fournissant le + 5V et le + 8V, on remarquera un filtrage actif de la tension d'alimentation du VCO, et un découplage sérieux du + 8V destiné au comparateur de phase.

Le signal issu du détecteur de verrouillage est traité au moyen de deux transistors pour générer un signal binaire qui pourra être utilisé, d'une part pour allumer une LED de contrôle de verrouillage, et d'autre part par la logique de contrôle.

- le circuit imprimé double face

téléchargez le circuit imprimé au format Ares ( 9 ko zippé)

 

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Les composants CMS ordinaires les plus coûteux (chimiques, transistors,....) peuvent être récupérés sur de vieilles cartes informatiques. La soudure des composants ne présente pas de difficultés particulière, avec un fer très propre et une loupe. Les soudures sont plus faciles et ont un meilleur aspect lorqu'on utilise de la soudure contenant 2 % d'argent.

La génération des mots binaires de réglage

Dans l'environnement définitif du synthétiseur, les mots binaires de réglage de la fréquence seront générés par un microcontrôleur PIC: voir description de la réalisation. Cependant, pendant la phase de mise au point, il est préférable d'utiliser un moyen plus souple, c'est à dire d'avoir recours à un micro-ordinateur. N'importe quelle machine fera l'affaire: nous utiliserons ici un vieux portable (640 ko de RAM, 20 Mo de disque dur), muni de son DOS 3.3. Une interface équipée de 3 transistors sera connectée sur le port imprimante et effectuera la liaison avec le circuit PLL MC145200. On aurait pu envisager une liaison directe. Le rôle de cette interface est cependant d'éviter d'appliquer un potentiel de + 5V (issu du port imprimante) sur les pattes de commande du circuit PLL lorsque ce dernier circuit n'est pas alimenté, et de risquer ainsi sa destruction.
 
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le micro-ordinateur de commande
l'interface

 

le schéma de l'interface:

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Les 3 mots binaires de réglage à générer se déduisent de la fréquence souhaitée et de l'étude attentive de la documentation du circuit Motorola MC145200. Quelques lignes de code écrites en Microsoft QuickC suffisent à donner vie au synthétiseur.

téléchargez le code source SYNTHE.C de configuration du circuit PLL (1 ko zippé)

Vérification de la réponse à un échelon

Comment se comporte notre synthétiseur lorsque nous décidons d'un brusque changement de fréquence ? La nouvelle fréquence est-elle atteinte rapidement ? Y-a-t-il des rebonds ? L'examen de ce comportement fournit une information importante sur le degré d'optimisation de notre boucle à verrouillage de phase: ceci s'appelle, dans le langage des asservissements, l'étude de la réponse à un échelon, ou réponse indicielle.

Nous allons modifier légèrement le code source de configuration pour que notre ordinateur ordonne à notre synthétiseur de changer brusquement de fréquence quelques dizaines de fois par seconde. Les deux fréquences choisies se situent au milieu de la plage de fonctionnement de notre synthétiseur, et seront égales à 1245 MHz et 1255 MHz. Nous visualiserons ensuite très simplement le signal de commande du VCO au point test, au moyen d'un oscilloscope.

télécharger le code source INDIC.C pour l'étude de la réponse indicielle (1 ko zippé)

 

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la réponse à un échelon
(échelle 1 ms/div)

Le synthétiseur atteint rapidement la fréquence de consigne, il n'y a pas suroscillations. La réponse est tout à fait convenable et conforme aux attentes.

Le signal RF produit

pureté spectrale

L'harmonique 2 à 2,4 GHz se trouve à - 28 dB au dessous du signal utile (- 28 dBc), et l'harmonique 3 à 3,6 GHz à - 24dBc.

Le signal utile à 1,2 GHz est encadré par deux raies éloignées de la fréquence de référence (100 kHz), dont l'amplitude est de -60 dBc.

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horiz: 100 kHz/div, vert: 10 dB/div

bruit de phase

Le bruit de phase du signal généré est évalué à l'analyseur de spectre:

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horiz: 10 kHz/div, vert: 10 dB/div, Bw = 1 kHz
(-50 dBc/kHz = -80 dBc/Hz)

On obtient une densité de bruit de -50 dBc/Hz à 1 kHz de la porteuse, -80 dBc/Hz à 10 kHz, et - 105 dBc/Hz à 100 kHz. Ces résultats ne sont pas exceptionnels mais honorables et bien suffisants pour de nombreuses applications.

Conclusion

Avec un peu de soin, ce petit synthétiseur peut être facilement construit à peu de frais avec des moyens amateurs. Son niveau de sortie (+ 7 dBm) est adapté à l'attaque de mélangeurs équilibrés, par exemple ceux de la série "level 7" de Minicircuits, pour des applications en émission ou en réception.

 

Allumons nos fers à souder !

 

 

73 de Jean-François FOURCADIER, F4DAY

 

 

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