RubidiumPossédant plusieurs appareils de mesure, ( fréquencemètre, banc de mesure, analyseurs de spectre ) j'ai souvent été confronté à la précision de leur calage en fréquence qui est variable dans le temps et d'un appareil à l'autre.
J'ai donc souhaité me doter d'une horloge étalon qui me permettrait d'avoir la précision la plus importante possible à un coût raisonnable. Un pilote au Rubidium a été choisi pour sa disponibilité chez les brockers sur Internet, sa précision et son faible coût.

Il s'agit d'un étalon dit "secondaire" qui n'atteint pas la précision d'un étalon au Césium ou GPS, mais est bien supérieur à un étalon OCXO et largement suffisant pour mes besoins.

Le modèle que j'ai pu acquérir sur Internet est le LPRO-101 d'EFRATOM qui est vendu pour 50 € !

La fréquence étalon générée est de 10 MHz à 1V sinus. Mes appareils nécessitant des fréquences d'horloge différentes, je me suis penché sur la réalisation d'une série de diviseurs me donnant les fréquences de 1 MHz, 5 MHz et 10 MHz. Il me fallait également plusieurs sorties par fréquence afin de piloter simultanément plusieurs appareils.

J'ai également souhaité ajouter un moyen simple de comparaison de fréquences pour des besoins d'étalonnage.

Ma réalisation possède donc les caractristiques suivantes :

- alimentation 12V pour une utilisation universelle et autonome.
- 3 sorties 10 MHz
- 1 sortie 5 MHz
- 3 sorties 1 MHz
- 2 entrées pour comparaison de fréquences avec lecture sur un galvanomètre à zéro central

Description :

Le LPRO-101 nécessite une alimentation entre 18V et 28V. J'ai choisi d'alimenter tout le montage à partir du 12V pour diverses raisons, notamment pour pouvoir être opérationnel "sur le terrain"... J'ai donc intégré un convertisseur 12V -> 24V et le tout est alimenté par une source externe.

Autre avantage non négligeable, même si la batterie tombe à 8V, toutes les tensions produites par le convertisseur sont encore nominales et le montage reste utilisable !

Au démarrage, la consommation totale sur 12V est de 2,3A. Après quelques minutes de chauffe, elle se stabilise à 750 mA.

Un régulateur 5V alimente les circuits diviseurs. Son entrée peut être reliée par un cavalier au +24V présent sur la platine ou au +12V suivant le mode d'alimentation choisi pour le montage. Pour éviter la surchauffe de ce régulateur, j'ai choisi de l'alimenter à partir du 12V.

Le LPRO-101 atteignant sa stabilité et sa précision nominale au bout de 30 min, il a été décidé de ne pas l'alimenter en permanence. Le fait de l'allumer et l'éteindre réduit cependant sa durée de vie, mais je pense qu'il fera néanmoins toute ma "carrière" de radioamateur !
Je n'ai donc pas prévu de source d'alimentation secourue avec une batterie pour palier aux coupures secteur.

La mise en forme du signal sinusoïdal issu du LPRO-101 est réalisée à l'aide de 2 inverseurs 74HC04 suivant un schéma recommandé dans la notice du LPRO-101.

Les divisions en fréquence du signal de 10 MHz sont faites à l'aide d'un double diviseur à décades 74HCT390.
Une division par 2 donne la fréquence de 5 MHz. Un autre diviseur par 10 donne le 1 MHz. Les signaux sont ensuite isolés par le 74HC04 dont les sorties sont adaptées à 50 Ohms par mise en série d'une résistance de 33 Ohms.

Les 2 entrées du comparateur de fréquence subissent la même mise en forme que la sortie sinusoïdale du LPRO-101 et sont envoyées sur un mélangeur équilibré à diodes ADE1H. La résultante du mélange est affichée sur un galvanomètre à zéro central. Un potentiomètre en série (non représenté sur le schéma) permet de régler la déviation maximale.

Ce système permet de visualiser et d'évaluer de manière simple la différence des 2 fréquences présentes sur ces 2 entrées.
Si les fréquences sont strictement identiques, le galvanomètre ne bouge pas. Si les fréquences sont différentes, il va osciller de part et d'autre du zéro central au rythme de la différence.

La sortie BITE du LPRO-101 passe à l'état bas lorsque le circuit est verrouillé. Un inverseur logique HC04 et un transistor MOS permettent d'allumer une LED pour visualiser le verrouillage du LPRO-101.

Une autre diode LED permet de visualiser la présence du 5V sur la platine. 

Réalisation :

Le boîtier a été récupéré d'un sélecteur d'imprimante inutilisé. De petites dimensions pour être facilement transportable, il a cependant fallu concevoir tout le montage en conséquence.

Je possédais déjà un convertisseur 12V/24V vendu en kit par W6PQL. J'ai réduit la tension de sortie à 19V afin de limiter la consommation et l'échauffement de l'ensemble.
Un interrupteur et un fusible de protection de 2,5A ont été ajoutés.

La platine de mise en forme et divisions a été réalisée en CMS afin de réduire sa taille. J'ai également horreur de percer des trous pour les composants à piquer !

Le boîtier du LPRO-101 devient rapidement très chaud après quelques minutes de fonctionnement. La lampe au Rubidium est en effet portée à une température de 110°C et son enceinte à environ 79°C. Un refroidissement est donc nécessaire afin d'éviter un emballement thermique et une perte de verrouillage !
J'ai donc fixé ce boîtier à l'aide des 6 vis prévues à cet effet sur une plaque d'aluminium de 3mm d'épaisseur qui a les dimensions du fond du boîtier. Une épaisseur de pâte thermique permet une meilleure conduction de la chaleur.

Le boîtier et refroidisseur ont été dimensionnés pour un fonctionnement intermittent. Pour un fonctionnement permanent, je recommanderais un boîtier et un refroidisseur plus volumineux afin de mieux évacuer la chaleur !
J'ai cependant laissé tourner la bête pendant 48h et la température se stabilise à 42 °C au point le plus chaud du boîtier. Le radiateur ne dépasse pas les 33°C pour une température ambiante de 20°C.

Le convertisseur 12V/19V qui chauffe légèrement est lui aussi directement fixé sur la plaque avec 2 vis et de la pâte thermique.

La face avant comporte :
- le galvanomètre
- 2 fiches BNC pour les entrées du comparateur
- 1 potentiomère de réglage de la déviation maximale du galvanomètre
- 1 BNC de sortie (à câbler au choix 10, 5 ou 1 MHz)
- 1 LED de contrôle de verrouillage

La face arrière comporte :
- 1 passe-fil d'arrivée 12V
- 1 interrupteur M/A (facultatif)
- 1 porte-fusible
- 6 BNC pour les sorties 10MHz, 5 MHz et 1MHz

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Le circuit imprimé du diviseur a été réalisé à l'aide du logiciel KICAD. Ci-dessous les fichiers schéma et platine :
- Schéma au format KICAD
- Circuit imprimé au format KICAD

Utilisation :

A la mise sous tension, la LED "LOCK" est éteinte et s'allume au bout de quelques minutes, indiquant que la source est verrouillée.

A partir de ce moment, toutes les fréquences disponibles sont d'une précision suffisante et elles atteignent leur précision maximale au bout de 30 min.

Seule l'utilisation du comparateur nécessite une explication.
Les 2 entrées du comparateur sont indépendantes du reste du montage. Elles peuvent donc servir à comparer 2 fréquences quelconques.
L'intérêt est cependant de pouvoir comparer une de nos références avec une source inconnue afin de la calibrer.

Il suffit donc de relier une des entrées à une des sources 1, 5 ou 10 MHz - en fonction de la fréquence à calibrer - et l'autre à la source à tester.

Le montage ne fonctionne que si les 2 fréquences sont proches, sinon le battement produit par la différence des 2 fréquences ne serait pas visible sur le galavanomètre !

Le galvanomètre va osciller de part et d'autre du zéro central à un rythme équivalent à la différence entre les 2 fréquences. La parfaite égalité des fréquences ne provoquera aucun mouvement, plus la différence est faible, plus l'aiguille bougera lentement.

En comptant 2 battements par seconde, on obtient donc 2 Hz de différence. Si l'aiguille met 15 s pour faire un battement, on a 1/15 de Hz, etc...

Conclusion :

Pour un coût modique, il est aujourd'hui possible à tout amateur de posséder une source de références en fréquence dont nous ne pouvions que rêver il y a encore quelques années !
En rajoutant des diviseurs en cascade, il est possible d'obtenir une fréquence de 1Hz d'une grande précision. N'en ayant aucun usage, je n'ai pas ajouté cette possibilité.

Bonne réalisation...

 

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