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.
(cliquer pour agrandir)
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
(cliquer pour agrandir)
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)
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
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l'interface
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le schéma de l'interface:
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)
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.
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:
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 !
