lundi 9 mai 2016

OSCILLATEURS A QUARTZ ET VXO


EXPERIMENTATION SUR LES OSCILLATEURS à QUARTZ ET VXO
(Applications radioamateur)
Par F1IEY - Jean-Luc Roth

Rappel théorique


-       L’Effet piezoélectrique

Lorsqu’on déforme mécaniquement une lamelle de quartz, des charges électriques apparaissent sur ses faces (l’allume-gaz piézo fonctionne sur ce principe).
L’effet est réversible…

Lorsqu’on applique des charges électriques sur une lamelle de quartz elle se déforme mécaniquement, on peut la faire vibrer en appliquant une tension alternative. (le buzzer piézo fonctionne sur ce principe).

-       Le quartz dans les oscillateurs

 
Les quartz que nous utilisons dans les oscillateurs sont composés d’une fine lamelle de quartz placée entre 2 armatures métalliques qui servent d’électrodes. L’ensemble est placé dans un boîtier hermétique. La fréquence marquée sur le boîtier correspond à la fréquence de résonance de la lamelle de quartz.

            


Voici le schéma équivalent d’un quartz :

 

                  CP : capacité parallèle           L : Inductance

                  CS : capacité série                 R : Résistance

 La capacité CP dépend de la taille du quartz et de la métallisation des électrodes (de l’ordre de quelques pF).

Le quartz a deux fréquences de résonance : la fréquence de résonance série et la fréquence de résonance parallèle qui se trouve légèrement plus haute (quelques KHZ).

La fréquence série ne dépend pas (ou très peu) de CP, elle est donnée par L et CS et à cette fréquence le quartz est équivalent à R (quelques Ohms à quelques dizaines d’Ohms).

La fréquence de résonance parallèle dépend de CP, elle peut être légèrement déplacée avec un condensateur additionnel. C’est donc ce mode de résonance qui est utilisé pour faire un VXO (Variable X-tal Oscillator).

Entre ces deux fréquences le quartz à un comportement inductif, le « Q » (coef. De surtension) est très élevé.

C’est le type d’oscillateur qui va imposer le mode de fonctionnement, série ou parallèle.
 


Pour FS le quartz se comporte comme un circuit RLC série, Z = R.
Pour FP le quartz se comporte comme un circuit RLC parallèle, Z élevé.

 
-       2 types d’oscillateurs à quartz très utilisés en radio.

 





















Oscillateur PIERCE : Le quartz oscille en résonance série

 Avantage : très stable, niveau de sortie élevé, simple à construire.
Inconvénient : difficile de shifter la fréquence de plus de quelques centaines de Hz.



 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
Oscillateur COLPITTS : Le quartz oscille en résonance parallèle

Avantage : très facile à shifter de quelques KHZ et même plusieurs dizaines de KHZ en le transformant en VXO.
Inconvénient : un peu plus compliqué à construire et à mettre au point, le VXO demandera de l’expérimentation pour trouver les valeurs idéales.


Dans le schéma ci-dessus, avec les valeurs indiquées, la fréquence générée est légèrement en dessous de 10MHZ car l’oscillateur ne respecte pas les 20pf de capacité de charge du quartz. Nous verrons dans quelques instants que ce n’est pas un problème.

 
-       Comment transformer un oscillateur Colpitts en VXO.

Par nature un oscillateur à quartz est très stable, il sera difficile de faire varier sa fréquence mais cela reste possible, dans une plage assez faible tout de même, en utilisant des artifices.


 
 
 
 
 
 
 
 
 
Oscillateur avec réglage fin de la fréquence.
 Le simple ajout d’un condensateur variable en série avec le quartz permet d’augmenter la fréquence de l’oscillateur.

 Avec le condensateur fermé (capa maxi) on démarre sur une fréquence proche de la fréquence initiale, en ouvrant progressivement le condensateur, on augmente la fréquence.

Cette méthode ne permet pas un shift très important (seulement quelques KHZ), on l’utilise surtout pour caler la fréquence d’un oscillateur avec précision. Dans l’exemple ci-dessus on pourra le caler à 10,000 MHZ grâce au condensateur ajustable.


Le VXO

En ajoutant une self en série avec le condensateur et le quartz, on élargit légèrement la plage couverte.

On peut espérer couvrir plusieurs KHZ, la valeur de la self (L) est primordiale et il n’y a pas de formules précises pour la calculer, il faut donc expérimenter en partant de quelques µH à quelques dizaines de µH puis retenir la self qui permet la plus grande excursion. Les petites selfs normalisées du commerce conviennent très bien.

 



Le Super VXO

 En ajoutant des quartz (3 maximum) de même valeur en parallèle on obtient le fameux effet connu sous le nom de "super VXO". La couverture augmente considérablement !
Ci-dessous un super VXO que j’avais mis au point pour couvrir la sous bande CW du 40m avec un RX à conversion directe.

 -       Schéma.



 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Les boîtiers des quartz sont reliés à la masse.


1 quartz = un simple VXO variation ~3KHz
2 quartz = un super VXO variation ~15 / 20KHz
3 quartz = on gagne un peu d’excursion ~35 KHz mais il ne faut pas trop exagérer au risque de perdre la stabilité.
Ensuite on ne gagne plus rien, l'oscillateur devient même instable.

Le CV ne devra pas dépasser 30 pF pour couvrir 35 KHZ, au dessus l'oscillateur génère des oscillations parasites. C'est la capacité résiduelle du CV qui fixera la fréquence haute.
La valeur de l'inductance est critique, c'est pour cela qu'il y a 2 selfs de 22µH en série. La réaction mutuelle, en jouant sur leur écartement, permet d'ajuster la valeur exacte pour rester dans une plage de fonctionnement stable.

La résistance en parallèle sur les selfs sert à amortir le circuit pour éviter les risques d’oscillations spontanées sur des fréquences parasites, elle n’est pas toujours obligatoire mais il vaut mieux la prévoir.
Exemple d’un super VXO qui couvre 120 KHZ 




 

 
 
 
 
 
 
 
 
 Il a été conçu pour piloter un émetteur / récepteur BLU 40m avec une F.I à 9MHZ (couverture de 7.020 à 7.120 MHZ).
Il utilise 2 quartz de récupération, marqués 48,4972 qui sont des 16,166MHZ  Overtone 3.
 Pour rappel, il est  intéressant d'utiliser un OL à 16MHZ sur un RX 7MHZ, la fréquence image se retrouve dans la partie haute du spectre dans un endroit ou il y a moins de propagation et de signaux forts.

Cet exemple va servir de support pour donner les règles à respecter pour concevoir un oscillateur stable.
 
1-    Utiliser un petit régulateur pour stabiliser la tension d’alimentation. Toute variation de tension se traduit par une variation de fréquence, elle est faible pour un VXO mais elle existe.

2-    Travailler avec les courants les plus faibles possible pour minimiser les dérives liées à l’échauffement des composants.

3-    Les condensateurs utilisés dans le circuit d’oscillation seront du type NPO, COG, styrolex (Polistyrène) ou mica.

4-    Fractionner si possible les condensateurs, les 100pF ont été remplacés par des 47pF en parallèle pour diviser les courants RF (ne pas oublier que la haute fréquence fait chauffer les condensateurs).

5-    Soigner les découplages d’alimentation.

6-    Ne chargez pas directement l’oscillateur, prélevez toujours les signaux à travers un étage séparateur (Buffer) qui aura pour rôle d’empêcher que des variations de charge se répercutent sur les éléments oscillants.

7-    Utiliser un boîtier blindé, pas de VFO / VXO dans un boîtier en plastique.

 

        73 – Jean-Luc – F1IEY


6 commentaires:

  1. Super bien fait, merci Jean Luc et 73 de F4HQJ

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    1. Merci Frédéric, j'avais fait ce document pour le radio-club de Lyon et je me disais que ça pouvait intéresser d'autres oms.
      73 - Jean-Luc

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  2. Super bien présenté Jean Luc , Félicitations , je vous imagine potentiellement intéressé aussi par le nouveau mode SIM31 : www.sim.on2vhf.be/sim_psk.rar 73's Nizar

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    1. Merci pour ces infos sur le mode SIM31, c'est très intéressant en effet.
      73s - Jean-Luc - F1IEY

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  3. Bonjour cher OM,

    Merci pour vos explications parfaitement clair sur les oscillateurs en usage en RF.

    73

    F0GXR

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    1. Très content de pouvoir partager ces quelques expérimentations - Merci pour votre commentaire.
      73 - Jean-Luc

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