Un Tx FM de petite puissance

Par Daniel Maignan/F6HMT

Ce petit émetteur délivre une puissance de 90 milliwatts environ, soit 19,5 dBm dans la bande de radiodiffusion FM. Sur une antenne omnidirectionnelle, le rayonnement est largement suffisant pour obtenir la réception d’un signal confortable sur plusieurs centaines de mètres.
Précisons cependant que, en respect de la législation, l’appareil ne devra être utilisé qu’à titre expérimental.

La description, qui s’adresse plutôt aux amateurs chevronnés, bénéficie de performances se rapprochant de celles d’un émetteur professionnel, à l’exception bien entendu de sa puissance de sortie, en particulier grâce à l’asservissement de sa fréquence à celle d’un générateur DDS programmée par un micro contrôleur.
Enfin, tous les composants qui le constituent sont peu onéreux et d’un approvisionnement aisé.

Figure 1 – Schéma du module VHF

1) Examen du schéma de la figure 1:

a) Le signal :
L’ensemble oscillateur amplificateur 88 – 108 MHz est constitué d’un transistor FET à jonction Q1 (J310) configuré en oscillateur Colpitts à fréquence contrôlée par la tension appliquée à la double diode varicap DV1 (MV104), puis d’un amplificateur suiveur Q2 (J310)  apériodique offrant une faible impédance de sortie. Le signal prélevé sur la source de ce dernier est transmis par le condensateur C20 de 22 pF à la chaîne d’amplification constituée de deux étages large bande en cascade à transistors bipolaires Q7 (BFR96) et Q8 (2N4427). La charge collecteur de ce dernier est un petit transformateur de rapport 2 :1 (4 :1 en impédance), dont le rôle est d’abaisser l’impédance de sortie dans la bande de fréquence. Le circuit en pi qui le suit a deux fonctions : réduire les harmoniques du signal de sortie à un niveau négligeable et améliorer l’adaptation entre l’amplificateur et la charge de sortie.

b) Contrôle de la fréquence :
La fréquence du signal de l’oscillateur est asservie par une boucle à verrouillage de phase* (sigle PLL : Phase Locked Loop) à un oscillateur de référence à synthèse de fréquence (DDS : Direct Digital Synthesizer). 

*Cet oscillateur commandé en tension est souvent nommé VCO, de l’anglais « Voltage Controlled Oscillator ». 

Un échantillon du signal à très haute fréquence ou VHF (Very High Frequency), prélevé sur la source de Q2 par R48-C21, est appliqué à l’entrée du diviseur U3 (MC12080). 
Le niveau du signal de sortie de U3 dont la fréquence est divisée par 10, est augmenté, à l’aide des trois transistors Q3, Q4 et Q5, afin d’assurer sa compatibilité avec la logique CMOS du double compteur à décade U4 (CD4518). Ce dernier divise la fréquence d’entrée par 100. De ce fait le signal qui est appliqué à l’entrée du comparateur de phase U5 (CD4046) a une fréquence qui est divisée par 1000. 
L’oscillateur DDS AD9850 piloté par un Arduino fournit, à travers C34, et après mise en forme et adaptation par le transistor CMOS Q6 (2N7000), un signal de référence en fréquence (FDDS) sur la seconde entrée de U5. 
Le comparateur délivre une tension d’erreur dont l’amplitude est proportionnelle à l’écart de phase (donc de fréquence) qui existe entre les deux signaux précédemment mentionnés. Cette  tension est filtrée et ses variations amorties (damping), puis appliquée à la varicap DV1, de façon à obliger en permanence le VCO à rejoindre la fréquence de référence.
Lorsque l’objectif est atteint, au bout de quelques secondes après la mise sous tension, on dit que la fréquence du VCO est verrouillée sur celle de la référence.

Dans les conditions de verrouillage, on obtient l’équation suivante :

    Fréquence de sortie   = 1000 x FDDS

c) La modulation :
Le signal audio de modulation, dont le niveau est réglé par le potentiomètre P1 de 1 kΩ, est appliqué à l’entrée positive de l’amplificateur opérationnel (U2) TL071 dont le gain est  proche de l’unité dans la bande audio qui s’étend de 30 Hz à 100 kHz, lorsque le condensateur C13 est absent. 
Quand ce dernier est en place, la bande audio est préaccentuée, selon le standard de 50 µs (constante de temps 50 kΩ x 1 nF), il en résulte une augmentation progressive du niveau qui atteint de 13,6 dB à 15 kHz. 
Pour moduler la fréquence de l’oscillateur, le signal audio issu de U2 est appliqué, après réduction par le pont diviseur R48/R49, via le condensateur de liaison C54 et R45, à la double diode varicap DV2. Noter que la réponse du filtre de boucle est telle que le verrouillage n’est pas affecté par la modulation.
La varicap est également soumise à une polarisation positive conjointement délivrée par un pont diviseur sur le 12 V et sur la tension d’asservissement qui délivre une compensation permettant de réduire la variation de l’excursion dans la bande.

                    
d) L’oscillateur DDS AD9850 A401: 
Le circuit AD9850 est un dispositif CMOS à haute intégration utilisant la technologie de la synthèse digital directe qui produit, lorsqu’il est référencé par une horloge de précision, un signal sinusoïdal dont la phase (donc la fréquence) est programmable (figure 2).

Figure 2 – Carte AD9850 A401 avec le DDS

Le mot d’instruction numérique qui définie l’accord comporte 32 bits, ce qui donne avec une horloge à 125 MHz, une résolution de la fréquence de 125 x 106 Hz/ 232 = 0,02910383 Hz.
Le circuit peut générer un signal dont la fréquence peut monter jusqu’à la moitié de la fréquence de l’horloge et celle-ci peut être changée par la commande à une vitesse pouvant aller jusqu’à 23 millions de nouvelles fréquences par seconde.
Les commandes d’accord et les différents contrôles sont chargés dans le circuit via 5 octets (5 mots de 8 bits) en parallèle ou bien un flux de 40 bits série sur une broche unique.
La mémoire de phase est un compteur à module variable qui rajoute (incrémente) le nombre enregistré à chaque nouvelle impulsion d'horloge. Lorsque le compteur déborde, il reboucle sur lui-même, de sorte que le signal est généré continuellement.
Le mot de commande de fréquence fourni par l’Arduino, détermine la valeur de comptage du compteur (modulo), ce qui en fin de compte détermine la taille de l'incrément (delta phase) qui est ajouté dans l'accumulateur (mémoire) de phase lors de l'impulsion d'horloge suivante. Plus l'incrément est grand et plus vite l'accumulateur se remplit et déborde, ce qui produit en définitive une fréquence plus élevée. 
Le signal numérique de sortie est issu d'un calcul mathématique d'une fonction cosinus avec, comme variable, la valeur de la phase. Le schéma synoptique de base simplifié du circuit est représenté sur la figure 3.

 Figure 3 - Synoptique simplifié du circuit AD9850                

Ce signal créé numériquement en sortie du DDS pilote le convertisseur digital  analogique afin de construire l’onde sinusoïdale. Un signal carré compatible TTL et CMOS est également disponible en sortie. 

Figure 4 - Affectation des broches de la carte AD9850 A401

Tous les composants externes nécessaires au fonctionnement du DDS sont implantés sur le circuit imprimé du module A401, qu’il suffit d’alimenter avec une tension continue de 5V et de lui fournir les signaux de commandes.
La fonction des broches utilisées dans notre application est détaillée dans le tableau ci-dessous :

Symbole        Fonction
    VCC        Alimentation 5V
    GND        Masse

W_CLK        Horloge utilisée pour charger les mots d’instruction parallèle ou série pour le contrôle de la phase ou de la fréquence.

FQ_UD        Mise à jour de la fréquence sur le front montant le DDS actualise sa fréquence dans le registre d’entrée.

RESET        Réinitialisation. Lorsque le niveau est haut, il efface toutes les données dans les registres, sauf dans celui d’entrée.
                      La sortie du DAC se met sur cos 0 aux cycles d'horloge suivants.           

D7               D7 utilisé comme entrée série. Sortie 2 signal sinus. Sortie du comparateur signal sinusoïdal
    
    

e) Les cartes Arduino Uno et Arduino Nano : 
Les modules Arduino sont construits autour d'un micro contrôleur Atmel AVR (ATmega328 )  associé à des composants périphériques pour la programmation ou l'interfaçage avec d'autres circuits. La carte possède une régulation de la tension d’alimentation à 5V et une horloge à quartz 16 MHz.

Figure 5 – Les frères Arduino

La programmation est effectuée grâce à une connexion série par câble USB sur le PC. L’alimentation et les contrôles, ainsi que les entrées et sorties sont disponibles sur des connecteurs barrettes femelles pour le Uno et mâles pour le Nano. L’ordinateur connecté a la possibilité de faire l’acquisition de certaines données de la carte via le port USB.
Le Nano est pourvu de broches dessous, alors que le Uno possède des barrettes de connexion femelles sur le dessus, mais sur certaines cartes non originales, il est également possible de souder des broches dessous, ce qui est plus pratique. 

f) Affichage et encodeur :
Grâce au module DDS piloté par l’Arduino, la fréquence d’émission, affichée sur un module afficheur à cristaux liquides ou LCD (Liquid Crystal Display), est réglable par  l’encodeur rotatif entre 88 et 108 MHz avec un pas de variation de 100 kHz.

Pour plus de détails, voir les liens suivants : 

UNO R3 | Arduino Documentation

Nano | Arduino Documentation
 

g) Les alimentations 12V et 5V :
L’ensemble est alimenté sous 12V, avec une tension interne au module VHF réduite à 8 V pour le VCO, grâce au 78L08 (U1) et à 5V pour le MC12080, le DDS et l’Arduino, grâce au 7805 , voir le schéma sur la figure 6.

Figure 6 – Schéma de l’alimentation

2) Au sujet de certains composants:                 

a) Le transformateur de rapport n = 2/1 (Z1/Z2 = 4/1) :
Il est confectionné sur une petite perle en ferrite à haute perméabilité (figure 7). Deux brins de fil émaillé de 20/100 mm sont torsadés ensemble à raison de trois torsades par cm. Trois spires de cette torsade sont bobinées sur la perle, voir la figure 8. Les extrémités B et D sont reliées entre elles, comme le montre le schéma de la figure 1. 

Figure 7 – Perle ferrite

Figure 8 – Confection du transfo 4 :1

b) Le circuit MC12080 (U3) :
Le MC12080 est un pré diviseur (prescaler) simple modulus qui peut diviser la fréquence d’un signal jusqu’à 1,1 GHz par 10, 20, 40 ou 80. 
Dans notre application il est configuré pour diviser par 10 le signal appliqué à l’entrée. Pour ce faire les trois entrées de programmation (SW1, SW2 et SW3) sont fixées au +5V.
Ce module à 8 broches qui est en boîtier SOIC-8 pour montage en surface (CMS), est alimenté sous 5 volts.
Son implantation sur le circuit imprimé peut être réalisé de trois façons différentes :

- Câblage préliminaire sur un support DIL 8 broches. Il est immobilisé sur le support avec une goutte de colle rapide, puis on raccorde chaque broche au trou du support avec du fil très fin. Cette opération quelque peu délicate, sera menée à bien en utilisant, sous un bon éclairage, des lunettes loupes frontales, une petite pince brucelles et un fer à souder avec une panne très fine. Le support  sera connecté au deuxième support câblé sur le circuit imprimé (figure 9).

- sur une plaquette adaptateur CMS (figure 10) qui est ensuite connectée au support câblé sur le circuit imprimé (méthode recommandée).

- soudé directement sur l’empreinte du circuit imprimé. 

Figure 9

Figure 10

c) Les self d’accord L1 et L5/L6 du filtre de sortie: 
L’inductance L1 est implantée sur le circuit imprimé. L5 est réalisée avec du fil de cuivre de 0,6 mm de diamètre si possible argenté en bobinant 5 spires sur une queue de forêt de 5 mm.
Le filtre de sortie peut comporter 2 cellules, mais sauf cas particulier, une seule est suffisante. Dans ce cas L6 se réduit à un simple fil de liaison et C56 n’est pas câblé.

d)Les circuits CMOS 4518 et 4046: 
Prendre toutes les précautions habituelles relatives à la manipulation et au câblage des circuits intégrés CMOS afin d’éviter les claquages par décharges électrostatiques (ESD).

e)Les résistances et condensateurs :
Sauf mentions contraires, les résistances doivent avoir une puissance de 1/4W et une tolérance de 5%. 
Les condensateurs qui doivent être adaptés aux pas de perçage du circuit imprimé sont de deux types, voire trois: à diélectriques céramique, plastique ou électrochimiques. Pour ces derniers, éviter les diélectriques au tantale.
 
f)La cellule de préaccentuation :
La résistance R15 et le condensateur C13 qui constituent la cellule de préaccentuation, doivent avoir une tolérance de 1% si la courbe doit se conformer avec précision à la norme européenne de 50µs.
Note : Pour la stéréophonie et le RDS, l'amplification audio doit avoir une réponse linéaire et pour cela le condensateur C13 doit être déconnecté.

3) Réalisation et câblage:

a) Le matériel et les composants nécessaires:

Lien liste des composants: http://maignan-daniel.e-monsite.com/medias/files/bom-v2-1.doc

Tous les composants actifs sont représentés sur la planche de la figure 11.
Utiliser un fer à souder basse tension thermorégulé.

Figure 11

b) Câblage de l’Arduino, de l’afficheur, de l’encodeur et de l’alimentation :
L’Arduino et l’alimentation sont supportées sur des cartes standard à pastilles et les liaisons sont confectionnées en câblage classique.

c) Câblage du circuit imprimé :
Les figures 12 et 13 représentent la plaquette à double face à trous métallisés, vernie avec la sérigraphie des composants. Elle sera pourvue de supports pour les circuits intégrés (revoir le § 2b concernant U3), ainsi que deux barrettes femelles pour la connexion du DDS. Une cale en plastique est intercalée entre les boîtiers métalliques des transistors et le plan de masse (figure 14).
Souder le fil entre l’extrémité de L1 et la masse sur la position 1 (figure 15).
Vérifier attentivement le câblage et les composants de la carte VHF. 
La photo de la figure 16 représente la carte entièrement terminée. Mais ne pas insérer les circuits intégrés, ni la carte DDS pour le moment.
Enfin, le circuit imprimé doit être logé dans un boîtier métallique avec un couvercle.

d) Interconnexions : Le schéma de la figure 17 représente le câblage entièrement terminé. Mais ne pas connecter les alimentations ni l’Arduino pour le moment. 

Figure 12 – CI côté composants 

Figure 13 – CI côté câblage 

Figure 14 – Cale et barrette de connexion

Figure 15 – Réglage de L1

Figure 16 – La carte VHF câblée avec les CI

Figure 17 - Interconnexions

4) Téléversement du sketch, de l’encodeur et de la bibliothèque : 

a) L’IDE Arduino :
L’environnement de développement nommé IDE (Integrated Development Environment) est indispensable pour piloter et programmer la carte avec un logiciel. 
Pour débuter, il est préférable d’utiliser le logiciel officiel Arduino qui est aisément téléchargeable gratuitement. Pour cela, il est nécessaire de créer un compte.

Voir la figure 18.
 
b) Procédure:

• Connecter la carte à votre PC.
• Cliquer sur le lien suivant pour le sketch et bibliothèque: 
   

http://maignan-daniel.e-monsite.com/medias/files/rotary-4--1.zip

Figure 18 – IDE de l’Arduino

Une fois le sketch chargé dans votre ordinateur, il sera nécessaire de charger la bibliothèque :

Dans la barre de menus, cliquer sur :

• Croquis
• Inclure une bibliothèque  
• Ajouter la biblithèque zip
• Charger la bibliothèque « rotary »

Vous devez choisir le modèle d’Arduino et le port correspondant. 
Dans la barre de menus, cliquer sur :

• Outils
• choisir le type de carte 
• choisir le port (voir le gestionnaire de périphérique du PC qui l’indique).

Dans la barre d’outils, cliquer sur :

• vérifier (compilation)

puis si le sketch est bon,

• téléverser (chargement)

Et voilà, l’Arduino est prêt. 

En cas de problème et pour toutes informations consulter la procédure complète sur :    
 

Un générateur AD9850/Arduino (3ème partie).

5) Contrôle de l’ensemble, essais, réglages:

a) Mise en oeuvre:

• Mettre sous tension.
• Vérifier la conformité des tensions de 12V et 5V sur les alimentations à vide.
• Mettre hors tension.
• Effectuer toutes les interconnexions (figure 17) puis, sans les circuits intégrés ni les modules, mettre sous tension et vérifier les tensions au niveau des circuits.
• Mettre hors tension puis insérer les modules et les circuits intégrés, le 4046 (U5) excepté.
• Sur le support du 4046, insérer un petit fil reliant les broches 13 et 16. 
• Souder un câble miniature 50 Ω sur la sortie VHF avec une prise à son autre extrémité (BNC, subclic SMB pour montage châssis, etc.). 
• Souder un câble blindé à l’entrée modulation avec une prise à l’autre extrémité (cinch ou XLR pour montage châssis ou autre).
• Prévoir un tuner de qualité pour l’écoute avec une prise audio (sur le HP par exemple)  et un fréquencemètre (résolution 1 kHz). Connecter la prise à un dispositif de mesure VHF chargé par une résistance de 50 Ω sur une ligne de mesure pour wattmètre ou voltmètre VHF, oscilloscope 100 MHz avec sonde etc.).

a) Essais et réglages :
La procédure ci-dessous suppose que le sketch a été convenablement chargé dans l’Arduino et que le module VHF est fonctionnel. 

• Mettre sous tension.
• Vérifier que la fréquence, après quelques secondes, dépasse 108 MHz. Si ce n’est pas le cas, mettre hors tension et déplacer le strap de L1 en position 2 ou 3, mettre sous tension et vérifier à nouveau.   
• Mettre hors tension.
• Ôter le fil sur le support et installer U5, le DDS et l’ARDUINO.
• Mettre sous tension, afficher 88 MHz avec l’encodeur et vérifier que la fréquence se verrouille bien sur 88 MHz. Mesurer la tension sur la broche 13 de U5, puis afficher 108 MHz, attendre quelques secondes, vérifier que la fréquence se verrouille bien sur 108 MHz et mesurer la tension. On doit obtenir une plage de tension qui s’étend de 1V à 11,8V environ.
• Afficher 100 MHz, obtenir la puissance maximale de sortie en jouant sur l’écartement des spires de L5 et en ajustant C47. Si on utilise un oscilloscope, une sonde :10 connectée à la charge doit être utilisée (Ps = U² crête/2R, par exemple :  3V crête sur 50 Ω = 90 mW).
• Injecter sur l’entrée modulation un signal de 500 Hz d’une amplitude de 1 V crête à crête et tourner le potentiomètre P1 au maximum. Connecter l’oscilloscope et contrôler la qualité de la modulation sur la prise audio du tuner et noter le niveau du signal BF.
• Mettre la fréquence de modulation à 5 kHz et réduire l’amplitude du signal de 10 dB. On doit obtenir sur le tuner le même niveau que lors de la mesure précédente, grâce à la préaccentuation. 

6) Finition :

Les photos des figures 19, 20, 21 et 22 montrent l’appareil terminé. Le coffret métallique du module VHF est fixé sous la platine.  

Figure 19 : Vue avec le UNO

Figure 20 : Vue avec le NANO

Figure 21 : Vue de l’alimentation 

Figure 22 : L’appareil en fonctionnement

6) Mesure des performances: 

•  Préaccentuation : Mesure sur démodulateur R&S FAM avec une excursion de 75 kHz, voir le graphe de la figure 23 avec la courbe de référence de la norme 50µs en vert et la courbe mesurée en bleu.      
•  Indice de modulation : Niveau BF réglé pour 75 kHz sur 98 MHz, voir la courbe de la figure 24. La compensation de l’excursion est équilibrée. Sans celle-ci, l’excursion irait crescendo avec la fréquence d’émission. 
•  Distorsion : Mesure sur démodulateur R&S FAM avec une excursion de 75 kHz, modulation 1 kHz, détection RMS, filtre 300Hz-20000Hz :

       - 90 MHz : 0,38%
       -100 MHz : 0,3%
       -108 MHz : 0,19%

•  Puissance haute fréquence :  Mesure sur un coupleur chargé sur 50 Ω avec un millivoltmètre URV5 R&S) : voir la courbe de la figure 25. L’appareil offre un niveau relativement constant sur toute la bande. 
•  Atténuation des harmoniques H2 et H3 : > 50 dB sur toute la gamme, mesures sur analyseur de spectre HP 8590A
•  Consommation totale sous 12 V : 270 mA environ.

Figure 23

Figure 24

Figure 25

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Cette description touche à sa fin.
J’espère que vous l’aurez appréciée. La construction de ce petit émetteur conduite avec soin et attention, aboutira à coup sûr à votre réussite. 
Je me ferais un plaisir de répondre à vos questions.
Me consulter pour le circuit imprimé. 

Bonne réalisation. 

Daniel/F6HMT

Conseils et mesures, cliquer sur le lien: http://maignan-daniel.e-monsite.com/medias/files/appendice-depannage-1.pdf

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