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