Générateur de signal à 1Hz

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Générateur de signal à 1Hz

Message par Admin le Sam 10 Fév - 18:17

Disposer d'un signal de référence à 1Hz peut parfois s'avérer utile pour calibrer un montage ou simplement injecter un signal de test. Le montage expliqué ici ne prétend pas bien sur avoir une précision atomique il aura la précision d'une pendule à quartz ordinaire ce qui répond largement aux besoins du bidouilleur en électronique.

Il existe une flopée de montages capables de réaliser cette fonction, toutefois la littérature sur le sujet disponible sur internet est souvent entachée d'erreurs ou de manques de règles indispensables pour réaliser un montage fiable, notamment dans la façon de piloter le quartz utilisé dans le montage, nous verrons cela un peu plus loin.

Pour générer un signal logique à 1Hz on utilisera un CD 4060 (CMOS 14-STAGE RIPPLE-CARRY BINARY COUNTER/DIVIDER AND OSCLLLATOR) Ce circuit bien connu possède l'avantage de disposer d'entrées permettant de piloter l'oscillateur par un quartz. C'est là toutefois que l'on doit respecter plusieurs points si l'on souhaite non seulement avoir un montage qui sera stable, mais également qui n'endommagera pas le quartz par la suite. Car c'est là que réside dans les divers montages proposés sur internet des erreurs grossières, erreurs liées au fait que beaucoup de personnes ne lisent pas en détail les spécifications des composants (datasheet). Par ailleurs il faudra également ne pas prendre n'importe quel quartz sous peine là encore de ne pas obtenir le résultat escompté.

Le CD4060 est ici utilisé pour produire une oscillation avec le quartz comme élément de référence, et assurer une division multiple du signal généré pour obtenir une fréquence plus basse. Le quartz choisi est un modèle classique de 32,768 KHz, utilisé quasiment à chaque fois qu'il est nécessaire de produire un signal de fréquence 1 Hz. L’entrée de l’inverseur est la pin 11, sa sortie est la pin 10 et la pin 9 permet de visualiser le signal oscillant. Ce signal est divisé par une succession de bascule flip-flop maître-esclaves en interne pour réaliser 14 divisions. L'oscillateur est de type Pierce et répond à la disposition indiquée sur cette figure :



La résistance notée Rs sur le schéma (valeur pouvant être comprise entre 2K2 et 330K), est largement conseillée pour limiter le courant circulant dans le quartz et par la même occasion les calories dissipées par ce dernier (oui, un quartz peut chauffer), et prévenir ainsi un vieillissement prématuré. Cette résistance est souvent oubliée dans les exemples de montages que l'on peut trouver sur le web or c'est une grosse erreur qui peut avoir des conséquences sur le comportement du quartz, d'autant que celui qui sera utilisé est de taille très réduite ce qui, si il est soumis à des courants trop importants l'endommagera.

La résistance Rb doit toujours avoir une valeur plus élevée que celle de R2, valeurs courantes entre 1 MO et 10 MO. Pour ce qui est des deux condensateurs, on observera de façon quasi-certaine un démarrage franc de l'oscillation pour des valeurs comprises entre 10 pF et 330 pF, pour la fréquence basse considérée ici elle sera de quelques dizaines de picofarads. En fait elle dépend également des caractéristiques du quartz que nous examinerons plus loin.

Si l'on se réfère à la datasheet du 4060 on trouve du reste un schéma de la partie liaison au quartz où l'on retrouve la même topologie :

Bien évidemment il faudra câbler le quartz et les composant adjacents à ce dernier au plus près des pattes 11 & 10 du circuit afin d'éviter non seulement des capacités parasites mais également de se protéger de signaux parasites externes pouvant affecter le comportement de l'oscillateur.

On trouvera dans une excellente note d'application de Freescale (devenu maintenant NXP) une foule d'informations et de conseils sur le choix des composants à utiliser autour du quartz.
Voici cette note technique : Crystal Oscillator Troubleshooting Guide :
https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN3208.pdf

On peut notamment y lire :

  • Dans la plupart des cas, il est recommandé d’avoir des valeurs égales pour C1 et C2 (section 5).
  • Les cristaux de faibles valeurs sont plus sujets à l’overdriving car leur capacité de dissipation est plus faible. Augmenter la résistance série d’isolation permet de résoudre ce problème (section 6).
  • Les cristaux de faibles valeur ont besoin d’une valeur de feedback résistance plus grande car leur impédance est généralement plus grande (section 7).


A propos du quartz :
Dans la pratique on peut récupérer un quartz provenant d'une de ces petites pendules à quartz bon marché ou bien se procurer un quartz chez un fournisseur. Dans tout les cas si l'on veut que ce montage fonctionne correctement on devra utiliser un quartz ayant une " Load capacitance" (CL) de 12.5 pF. C'est le cas de nombreux quartz de 32.768 kHz mais il en existe également en 6 pF qui ne conviennent pas pour ce montage.
Pour ma part j'utilise un quartz de marque Abracon type AB26T
voici sa datasheet :
http://www.abracon.com/Resonators/AB26T.pdf
Disponible entre autres chez Mouser :
https://www.mouser.fr/ProductDetail/ABRACON/AB26T-32768KHZ/?qs=m%252bUhWDcpCfZq/BFfwzExYQ==
ou chez Farnell :
http://fr.farnell.com/abracon/ab26t-32-768khz/crystal-32-768khz-12-5pf-cylinder/dp/2467704
 Et enfin également chez RS composants qui je le rappelle offre aux particuliers les frais de port gratuits si on passe la commande le weekend.
Lien RS :
https://fr.rs-online.com/web/p/quartz/1710594/

Dans notre cas les valeurs optimales pour les composants autour du quartz sont de :
220 kΩ pour Rs
10 mΩ pour Rc
25 pF pour C1 et C2

J'ai utilisé ces valeurs dans mon premier montage et il a oscillé du premier coup. J'ai ensuite remplacé un des condensateurs par une petite capa ajustable de 5-30 pF afin de caler très précisément la fréquence du quartz. Toutefois le réglage est assez pointu et je pense que le mieux serait de monter une capa fixe de par exemple 15 pF et un ajustable de 10 pF pour obtenir un réglage plus fin.

A propos de la dérive du quartz :
Celle ci est liée à plusieurs facteurs dont : la température et une dérive du composant neuf. Si on achète un quartz chez un fabricant sérieux tel que ABRACON ou encore EUROQUARTZ LIMITED, leurs quartz sont "vieillis" en usine afin de minimiser cette dérive naturelle. La tolérance de ces quartz est de 20 ppm et correspond à une dérive d'environ +/- 10 minutes par jour. Si on veut encore augmenter la précision on peut utiliser des capacités de type NPO (coefficient de température très bas) et thermostater le circuit pour le maintenir à 25°. Mais c'est beaucoup de complications et un peu couper les cheveux en 4 compte tenu de la précision dont le bidouilleur, même éclairé, a besoin.

Obtenir 1 Hz :
Comme le 4060 divise le signal 14 fois on obtient non pas 1 mais 2Hz sur sa dernière sortie de division, on ajoutera donc un diviseur supplémentaire pour parvenir à 1 Hz. Le choix est vaste pour y parvenir (CD4017, CD4027 ou autres). Pour ma part j'ai porté mon choix sur une bascule D qui remplit très bien cette fonction lorsqu’on rebranche la sortie inversée /Q sur l’entrée D. Ainsi, la sortie /Q va prendre la valeur inverse de l’entrée D à chaque front montant sur la pin d’horloge C. Or, /Q est reliée à D donc D va également changer de valeur et ainsi de suite. Cela conduit à un signal carré sur /Q qui a une fréquence deux fois plus petite que C. Le CD4013 contient 2 bascules D et est tout à fait indiqué pour réaliser cette opération.
Et la seconde bascule disponible servira par la suite dans une seconde option qui sera décrite par la suite.

Et l'on obtient donc en ce qui concerne la partie oscillateur du montage le schéma suivant :

La pin 12 (Reset) sera mise à zéro, on pourra également si on le désire exploiter la sortie 9 (RCX) afin d'obtenir un signal à 32.768 kHz, dans ce cas on prévoira une résistance tampon et une sortie sur un petit câble blindé.

Le montage de base prend alors l'allure suivante :

La bascule D inutilisée verra ses entrées mises à la masse comme il se doit.

Les sorties d'utilisation et l'option production d'impulsions :
On protégera la sortie du 4013 par une résistance série et tant qu'à faire on ajoutera des voyants d'activité. Des LEDs bien entendu que l'on pilotera à l'aide de transistors bipolaires on ne peut plus ordinaires tels que des BC547 ou BC 557.

Comme il reste une bascule disponible sur le 4013 il est intéressant de pouvoir l'utiliser afin d'avoir en plus du signal carré à 1Hz la possibilité d'obtenir des impulsions.
Pour ce faire j'utilise la méthode suivante :
Le signal 1Hz provenant de la sortie Q de la première bascule est renvoyé sur l'entrée CLK de la seconde, la broche D est mise à la masse et l'on dirige sur l'entrée Select (S) une autre sortie du diviseur du 4060. on obtient ainsi des impulsions espacées de 1Hz et dont la durée sera fonction de la sortie choisie du diviseur. Dans la pratique on peut par un commutateur rotatif ou par un jeu de dip switch, utiliser différentes sortie afin de disposer de plusieurs largeurs d'impulsions sachant que en fonction de la sortie du 4060 utilisée on obtiendra des impulsions de :

8 Hz = 125 ms
32 Hz =  31.25 ms
64 Hz 15.625 ms
128 Hz  7.8125 ms
256 Hz  3.90625 ms
512 Hz =  1.953125 ms
1024 Hz  0.9765625 ms
2048 Hz 0.48828125 ms

Les sorties 512, 1024 et 2048 nous donnent ainsi une valeur de quasiment 2ms, 1ms et 0.5ms
Certes ce n'est pas la valeur juste mais encore une fois pour des besoins ordinaires cela suffira amplement. Là encore on passera par des résistances et un transistor pilotant une LED pour visualiser le résultat, à noter que pour des valeurs d'impulsions très courtes le clignotement sera à peine perceptible mais visible malgré tout.

Cela donne le schéma suivant dont la dimension est trop grande pour s'afficher ici, voici donc le lien permettant de l'afficher et de l'enregistrer :
https://i62.servimg.com/u/f62/19/49/66/31/versio10.jpg

Ici à titre d'exemple, 3 sorties du 4060 sont exploitées pour produire des impulsions mais on peut bien évidemment suivant les besoins utiliser d'autres sortie ou toutes les sorties à l'exception bien entendu de la sortie Q14 à 2Hz.

Production de signaux analogiques composites :
En "mixant" le signal provenant des différentes sorties du 4060 on peut aussi générer un signal que je nommerai de composite et qui suivant le choix va mélanger différents créneaux.
(Dès que j'en ai le temps je mettrai en ligne des exemples de capture à l'oscilloscope).

Pour ce faire on place plusieurs dip switch reliés d'un coté aux sorties du 4060 via une résistance tampon et dont les autres bornes du switch sont reliées entre elles. le signal est dirigé vers un transistor ici un BC547C (C étant la version ayant le gain le plus élevé)Pour ne pas dégrader le mélange des signaux il convient d'avoir une forte impédance d'entrée, raison pour laquelle on a une 1mΩ sur la base du transistor, raison pour laquelle la version C du BC547 est à privilégier. Le BC547C à un hFE de 420 ~ 800 contre 200 ~ 450 pour le B et 110 ~ 220 pour le A.
Sur son collecteur on pourra ajouter une LED et 2 sorties, une au travers d'une résistance afin d'avoir un signal DC, l'autre à travers une capacité pour une sortie AC.

Voici le schéma de principe avec toutes les options, étant trop grand pour être affiché ici en voici le lien :
https://i62.servimg.com/u/f62/19/49/66/31/gene_c10.jpg


Réalisation pratique :
J'ai opté pour une réalisation sur du veroboard version pastilles plutôt que de graver un circuit. La présentation coté câblage n'est pas jolie c'est certain mais on à l'avantage de pouvoir faire un circuit relativement compact. Quand on a l'habitude de ce type de construction ce n'est pas difficile à réaliser, quant à la présentation n'étant pas un truc commercial ça n'a pas d'importance.
On commence donc par un bout de veroboard où l'on implante les composants, le début est comme ceci :

On retrouve en haut à droite le quartz et ses résistances et capacités, dessous les deux supports et 2 capas de découplage des alimentations des 4060 et 4013.

Vue coté soudure ça ressemble à ça. Plutôt que d'ajouter des straps coté composants je place des ponts en fil rigide, ici c'est le cas pour la liaison de masse allant au point milieu des deux capas de l'oscillateur Pierce :


Je procède de la même façon pour le reste des liaisons. Au stade de la photo suivante c'est encore clair, mais quand tout sera câblé on entre dans une jungle où seul la bidouilleuse que je suis peut y comprendre quelque chose, lol...



On continue l'implantation des composants :


Le joli connecteur rouge destiné à alimenter le circuit est issu de la récupération de composants provenant de circuits de téléviseurs Phillips du temps où l'on utilisait des tubes cathodiques trichromes, là ça doit provenir d'un TVC8 ou similaire. Le gros avantage de ces châssis Phillips (ou Radiola, Schneider) c'est le fait que pratiquement tous les composants sont fabriqués par l’excellente usine RTC (Radio Technique Compelec). Tous leurs composants sont de remarquable qualité et chose que l'on ne voit plus de nos jours, tous les connecteurs sont démontables intégralement. Donc avec un peu de minutie et de patience on peut enlever les anciens fils rigides pour les remplacer par du multibrin à condition bien évidemment de respecter un certain diamètre d'isolant de et conducteur puisque dans le cas présent la connexion se fait dans de petites fourches auto dénudantes. Vous me direz "mais des connecteurs c'est pas cher à acheter ! " Oui j'en conviens mais ça fait partie du plaisir et de l'art du recyclage ! Et donc voici en gros plan la partie mâle du connecteur en cours de remontage :



Petite parenthèse hors sujets destinés aux anciens, la photo est prise sur la couverture d'un livre. Mais quel livre ! C'est l'édition 1981 de "The TTL Data Book for Design Engineers - Texas Instrument". Bouquin sans doute introuvable de nos jours qui fait partie de ma collection de vieux bouquins techniques récupérés par ci par là. Oh c'est un ancêtre, oui, mais son contenu est une véritable bible de 400 pages dans lequel on trouve une mine d'informations et les spécifications de toute la série TTL. Quoi c'est démodé les TTL ? Ben je m'en tape, j'en ai une grosse quantité en stock et ça peut toujours s'utiliser.
Bon voilà une photo de la couverture du bouquin et on repart ensuite dans cette bidouille :



Le montage progresse, la partie production des signaux d'horloge à 1Hz, les impulsions et les buffers de LEDs sont montés. Le connecteur de gauche est destiné à relier cette partie au module se trouvant par dessus, module qui contient les dip switchs de sélection et la partie sortie analogique. Ce connecteur provient lui d'une platine de façade d'un magnétoscope Panasonic. Pour le coup l'option connecteur démontable n'est plus présente, qu'à cela ne tienne. Avec une pointe fine on peut extraire les broches, ensuite on soulève le sertissage du fil, on le remplace par celui que l'on veut, on le soude (gaffe à ce que la soudure ne parte pas vers la partie enfichable de la broche), un coup de pince pour sertir à nouveau et on le renfile dans son support plastique, un clic prévient du bon verrouillage, recyclons, recyclons !

Entre temps, une des capa de 25 pF a été remplacée par une capa ajustable (Platine FI de téléviseurs Phillips, héhé) de manière à pouvoir caler précisément la fréquence pile poil à 1Hz.
Coté composant ça donne ceci. Bien veiller à placer le coté correspondant à la partie mobile du CV sur lequel se trouve la vis de réglage coté masse pour éviter des dérives à l'ajustement. Heureusement chez RTC ce coté était indiqué par un méplat. Hélas c'est plus toujours le cas pour les CV ajustables actuels. On utilisera bien évidemment un pad isolant pour le réglage, mais comme ce dernier comporte une petite partie métallique, autant que cette vis se situe coté masse.


Maintenant, coté soudure, la jungle... Question d'habitude :


Bon pour celui qui est pas un habitué de cette technique ça fait peur, mais pas de soucis ça fonctionne parfaitement. En dessous on voit la seconde platine destinée à la commutation.
Pour cette dernière c'est plus aéré voici le codé soudures :


Autre vue :


Les liaisons sont faites avec du 35/100eme vernis, vu les intensités c'est amplement suffisant.
Pour ce qui est du fil de cuivre vernis c'est toujours de la récupération. Les sources sont diverses. Pas mal de ce fil vient du dé-bobinage de bobines de déflexions de téléviseurs ou de moniteurs à tubes cathodiques. Il y a pas longtemps encore on trouvait beaucoup d'épaves dans la rue. Chaque fois que je tombais sur une je récupérai les circuits imprimés, bobines de déflexions et panneaux de commande. Ces épaves sont une véritable mine d'or en composants et puisque je laisse les carcasses et le tube cathodique, le reste ne prend guère de place, j'ai donc accumulé pas mal de ces pièces détachées, coté bobines de déflexions j'ai du, à la louche en récupérer une cinquantaine, ça en fait du fil ! Le tout étant de les débobiner.
C'est parfois fastidieux car soit le bobinage est immobilisé par de la colle ou encore de la résine voire parfois une espèce de caoutchouc gris. J'ai donc expérimenté plusieurs méthodes pour d'une par me débarrasser facilement de ces glues et résines sans endommager le fil et d'autre part, parvenir à extraire les ferrites coniques sur les quelles ce fil est bobiné de la carcasse en plastique qui les emprisonnent.
Utiliser des solvants est risqué pour le fil dont le vernis peut être attaqué, par ailleurs les vapeurs c'est pas bon du tout pour la santé. Une de mes méthodes les plus pratiques consiste à mettre de l'eau à chauffer dans un vieux faitout, Lorsque on est à l'ébullition on plonge le déflecteur dans la marmite et on laisse agir plusieurs minutes à feu doux (quelle cuisine !). On retire alors le déflecteur de cette baignoire improvisée et on enlève le plus gros de la résine avec des gants et des outils en plastique pour pas blesser le fil. La résine s'enlève par gros morceaux, au besoin on fait reprendre un petit bain à la bestiole pour enlever encore ce qui reste. Ceci fait on peut facilement retirer les ferrites du support et ensuite débobiner le fil.
Ce dernier est étendu entre 2 montants en faisant plusieurs tours et on laisse sécher.
Le résultat est bon et je n'ai jamais eue de fil où le vernis est endommagé.

Si par hasard vous comptez également recycler des transformateurs d'alimentation à découpage, la même méthode donne d'assez bons résultats. En fonction de la résine employée pour coller les ferrites il faudra lui faire faire plusieurs trempettes à l'eau bouillante. Là comme c'est pas encombrant j'ai dédié à cette "cuisine" une bouilloire électrique (récupérée aussi bien évidemment). C'est la seule méthode efficace si on veut récupérer ces transformateurs pour ensuite en débobiner le fil et rebobiner en fonction de ce que l'on veut en faire par la suite.
Ne tentez pas de décoller les ferrites de ces transfos en forçant avec un outil ou en tapant, ça casse comme du verre et on bousille tout. Seule la méthode trempage à l'eau bouillante donne des résultats bien que parfois ce damné transfo résiste. Dans ce cas on insiste, on replonge le transfo et on laisse agir plus longtemps et surtout en laissant bouillir. n'ayez pas d'inquiétude, ni le vernis du fil n'est endommagé, ni la carcasse en plastique. Ces transfos sont fait pour supporter de fortes températures bien au delà de 100°.
Mais en revanche faut agir vite ! Je conseille de fixer le transfo à un fil de fer pas trop gros pour le tremper dans l'eau bouillante. On doit en effet forcer sur les ferrites pour les décoller un peu et ce, dès que l'on sort le bidule de l'eau bouillante, faute de quoi il refroidit vite et la colle adhère encore. Une fois que les ferrites bougent un peu c'est gagné on peut doucement les enlever et Bingo ! on a un transfo prêt à être modifié.

Retournons à notre générateur. Voici le dessus du circuit de commutation.
le chimique noir est un 1µF de découplage d'alimentation(il ne figure pas sur le schéma, je corrigerai, il est évidemment connecté entre le VDD et la masse), le bleu, ceux qui ont pratiqué sur des circuits de la RTC reconnaîtrons un chimique RTC, c'est celui de la sortie AC du mixeur analogique. Le transistor couché sur le ventre pour ne pas dépasser la hauteur des switchs est le BC547C de l'ampli de sortie analogique, l'ajustable permet de régler le niveau de sortie. Le BC547C est alimenté via la LED insérée dans son collecteur et la chaîne de résistances dont l'ajustable fait partie :



Mise en boîte des deux circuits :
Pour ce faire j'utilise divers plastiques récupérés, le fond provient d'une boite de conserve rectangulaire, la petite visserie provient d'un stock issu de divers épaves tels que appareils photos numériques cassés, épaves de téléphones portables, petits bidules et gadgets chinois cassés. Le tout se trouve aisément dans les bacs de recyclage des super marchés et permet de se constituer un bon stock de petites vis.

Vue de coté du support :
Le plastique utilisé ressemble à du Plexiglas mais ce n'en est pas, hélas il comporte des rayures mais bon c'est de la récup. J'ai pratiqué deux rainures pour y glisser les deux circuits.



Vue du dessous made in boîte de conserve et vis de récup :


Et enfin le montage des deux circuits dans le bidule :


Dans le prochain article nous verrons en image ce que donne les résultats en terme de signaux.

En ce qui concerne l'alimentation elle se fera via 2 accus Li-Ion en série. La tension étant dans ce cas, comprise entre 8 et 6.5V elle ne convient pas à ce dont j'ai besoin (10 V). Donc j'ai en cours de réalisation un petit convertisseur Step Up qui produira ce 10V. Nous verrons cela par la suite.

J'ajouterai en annexe des liens vers des vues en meilleures résolutions pour les schémas ainsi que les datasheet des composants utilisés.

Tout commentaire, remarques et suggestions sont les bienvenus de la part des bidouilleurs.
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