The Vintage Corner

Rémi - A la recherche d'un oscillateur audio

Introduction

Comme tous les convertisseurs audio DAC, le Wadia n'échappe pas au besoin d'une horloge de précision avec un minimum de jitter. Avant d'acheter un tel oscillateur un petit introduction sur les différentes classes de d'oscillateur.
 

Les XO

Les oscillateurs a quartz sont des dispositifs avec un quartz comme sélecteur de fréquence sont d'une précision qui va de 150 ppm à 50 ppm. Ces oscillateurs conviennent bien pour un microprocesseur. Leur coût est modéré entre 3 et 7 euros. Disons le tout de suite, ils ne conviennent pas pour l’audio numérique.

Les VCXO

Les vcxo sont des oscillateurs asservis en tension. Il peut avoir une utilité dans une chaîne audio numérique, mais pas dans mon premier projet. Leur précision est meilleure et tourne autour 20 à 50 ppm. Leur cout démarre autour de 10 euros pour les fréquences standards mais pour les fréquence audio, le coût est plus élevé. la plage de réglage va +/- 100 ppm

Les TCXO


Ces dispositifs sont compensés en température par un asservissement par diodes de type varicap. Leur précision descend autour de 5 ppm voir mieux : 1ppm. Leur coût varient de 15 euros à 50 voire plus.  On trouve des vendeurs sur la baie en dollars cela ne revient pas très cher.

Les OXCO

Le must car se sont des oscillateurs thermostatés par élément chauffant et boucle de régulation. Se sont quasiment des éléments de métrologique mais peu utilisable en audio. Leurs boîtiers sont plutôt gros et moins logeables dans un appareil audio numérique. Avec des moyens, une série de OCXO aux fréquence audio devrait pour se faire.


Le projet

 
Sur la baie, on trouve des oscillateurs bien sous tous rapports et à des prix plus raisonnables. Donc j’en ai commandé un pour 17 euros port compris. Les seules données techniques que je possède sont :

Je compte mesurer les caractéristiques de cet oscillateur, j’ai fait un montage vite fait pour le mettre en œuvre et étudier son interface. Sur l’oscillogramme suivant on observe que le signal en violet n’est pas franchement un signal carré. La solution choisie est d’utiliser un trigger de shimdt . Reste à choisir la technologie. De toutes les familles de porte logique, je préfère la série 74AC qui est fabriqué par plusieurs fabricants (Fairchild, NXP et d’autres). Cette famille est rapide, faible consommation et surtout les temps de monté et descente sont comparables. La sortie de la porte est en vert et le temps de monté de 3 ns, et descente de 2,4 ns. Cela est conforme à la datasheet.


Étude du la stabilité de la fréquence

 
Pour étudier la stabilité de la fréquence un système de mesure semi automatique est utilisé. Ce système utilise quatre éléments physiques et un petit peu de logiciels.
 
 
L'ensemble est géré avec un système reparti sur le réseau local écrit en C++, avec un logiciel application écrit en Common Lisp. Il n'utilise aucun logiciel propriétaire ni d' Agilent, ni de la part de National Instruments. Le protocole VXI a été réécrit en se basant sur le protocole Sun DCE qui n'existe pas nativement sous Windows.


 
Le logiciel, toutes les secondes, demande par socket à un serveur Vxi une commande SLIC qu'il transmet à la passerelle. Cette commande est compréhensible par le fréquencemètre ou le voltmètre. A chaque cycle, le résultat est écrit dans un fichier Excel et met une trace dans le listener de l'environnement du Lisp. Tous cela prends moins de 30 lignes de Lisp.





Mesure de la fréquence de l’oscillateur


Avec un fréquencemètre HP 53131A, une fois stabilisé (à ce titre une étude particulière est nécessaire) donne 16.93441600 Mhz +/- . Les deux derniers chiffres dont changeant au cours du temps. Cela représente une erreur de 0.9 ppm. Cela sans précaution particulière, cela est donc conforme aux spécifications l'oscillateur.

Les premières mesures manuelles sur une maquette bâtie pour l'occasion, en jouant sur la tension d'alimentation, on s'aperçoit que la fréquence bouge un peu. La tension nominale est 5 V et en descendant à 4,7854 V on obtient une fréquence à +/- 0.05 ppm. C'est un point sensible et qu'il faudra fournir une tension d'alimentation stable au millivolt près, car avec la vénérable alimentation PS 503 des années 70 ce n'est guère aisé. Le fait de regarder le bouton de réglage et déjà la tension bouge.



  
En haut on aperçoit l'oscillateur monté sur un support à insertion nulle. Les fiches BNC pour les mesures, en bas à gauche la première alimentation simple et en bas à droite l'alimentation améliorée avec deux potentiomètres multi-tours.


Alimentation standard

 
Pour pallier à cela, j'ai ajouté à la maquette un régulateur de tension réglable genre LM317 en partant de la datasheet de National Semiconductors. La plage de réglage sera de 4,5 V à 5,5V. A l'aide d'un potentiomètre ajustable, j'espère avoir un réglage facile. L'idéal serait d'établir la courbe de tension => fréquence.
 
Après avoir réalisé le montage décrit ci-dessus, les mesures de fréquence confirme l'intuition. Le réglage de la tension d'alimentation à une valeur de 4.78077 donne une fréquence à 0,05 ppm.
 
Attention tout de même, la mesure de fréquence approche les limites du fréquencemètre car les variations de fréquence analysées sont de l'ordre du dixième d'Hertz. De même la variation de tension d'alimentation de l'oscillateur analysée est en dessous de 100 µV. Or pour un régulateur de type LM317, on est aussi aux limites du circuit. 
 
Si la fréquence d'oscillation est mieux contrôlée puisque l'on passe de 1 ppm à 0,05 ppm à court terme, cela ne change rien sur le bruit de phase et donc du jitter.
 
Maintenant que j'ai complété mon logiciel en Lisp, je produis des mesures corrélées fréquence et tension et une sortie dans un fichier cvs qui permet à Excel de tracer deux graphes qui montre clairement la corrélation entre tension et fréquence. En fait le montage a base LM317 monte ses limites, c'est normal, il n'est pas fait pour cela.
Alimentation amélioré
 
Dans la datasheet du LM336 il y a un schéma dit haute stabilité en température pour une alimentation avec un LM317. Le principe de fonctionnement est que la référence de tension est prise dans la boucle de régulation. La référence a une stabilité de 34 ppm d'après National Semiconductors, là où le LM317 seul a une valeur de 300 ppm. Donc la référence est plus stable d'un facteur d'une centaine de fois. En refaisant les mesures sur 2 heures, je devrai voir la différence. Après seulement je déciderai si l'emploi d'une référence 10 ppm est une bonne idée.
 
Après une petite heure de câblage, le résultat est immédiatement visible. Mon voltmètre 6 1/2 digit ne bouge plus que sur le dernier digit et se passe très rapidement ( plus de 10 secondes). Maintenant la tension d'alimentation est plus stable que l'oscillateur lui même. Tout cela pour une modique somme de 50 cent d'euros. Quand à la question de savoir si une référence de tension de meilleure stabilité il est encore trop tôt pour répondre.
 
Le meilleur réglage pour avoir une fréquence d'oscillation au plus près de 16,93440000 MHz, est autour de 4.79275 V ( à +/- 20 µV).  Il est à noter, mon fréquencemètre permet de voir le que le dixième de hertz.
 
Des mesures ont été faites sur une dizaines d'heures. On remarque une variation de la fréquence d'oscillation qui est due à l'oscillateur lui-même. En fait, le TCXO a sa propre variation qui était masquée par les variations de la tension d'alimentation de l'alimentation simple. Il n'y plus de liaison marqué entre la très variation de la tension et la variation de la fréquence.
 
Le réglage de la fréquence est précis à 0.12 ppm c'est a dire à 2 hertz pour une température d'appartement en automne. Je ne suis pas certain que mon fréquencemètre soit meilleur. Le coût des composants pour l'alimentation est faible largement moins que l'oscillateur. Mon schéma d'alimentation fonctionne pour des oscillateurs 5 Volt, mais peut être adapté pour des oscillateurs 3,3 Volt.

 

Étude du temps de stabilisation

 
La plaie des système audio à transistors est le temps de chauffe. Il est important de qualifier l'oscillateur est son alimentation sur ce point. Un temps plus court mis en route rends le système plus utilisable et sauve la planète. Une mesure du temps de stabilisation est 3000 secondes soit 1 heure ce qui est normal car dans ce cas l'instrumentation a besoin de ce stabiliser : le fréquencemètre contient un OCXO qui demande une mise à température raison pour laquelle le bouton on/off en façade n'éteint pas l'alimentation du OCXO.
 
Dans des conditions normales, le temps de chauffe de l'oscillateur et de son alimentation est de 300 secondes, soit 5 minutes. Cela a été vérifié plusieurs fois.


Références sur d'autres TCXO

voici les performances d'un TCXO sur le site www.dcx2496.fr.
 
Mes mesures vont plus loin. les variations que je mesure sont plus faibles que le dernier digit dans le tableau.


Étude du jitter

 
Le jitter se mesure à l’aide d’appareil spécialisé comme le Tektronix DSA 70000. La mesure donne un histogramme du jitter et détaille toutes les sources de Jitter aléatoires et périodiques. Une raie à 80 Khz est présente correspondant à la totalité du jitter périodique. Le résultat donne pour le moment 110 ps en périodique, et 54 ps en apériodique.


Deuxième maquette

La première maquette n'ayant pas de plan de masse, je reconstruis une deuxième maquette avec un plan de masse. C'est nettement plus facile en câblage, la masse n'est jamais très loin. Aux mesures, le jitter apériodique baisse à 40 ps soit un gain de 20%, la raie dans le spectre du jitter à 70-80 Khz est toujours présente. C'est la cause de jitter principale. La prochaine étape est l'insertion d'un filtre passe bas à 1450 Hz qui doit donner une atténuation de - 45 dB à 80 Khz, Cela devrait être visible aux mesures. En fait le filtre n'apporte rien sur le niveau bruit périodique, c'est donc l'oscillateur qui est la cause de la raie à 80 Khz.





Vérification du bruit de phase

Le bruit de phase se mesure à l'aide d'un Agilent E5062, analyseur de réseau ( Signal Source Analyzer, 100 Hz to 3 GHz).  Il peut donner un spectre du bruit de phase, qui pour cette application sur une bande de 10 MHz. On retrouve bien la raie à 80 Khz observée avec le RSA et le bruit de phase à 1 Khz est de -109,5 dBc/ Hz à 1 Khz. Le bruit de phase est minimal à 1 kHz et la seule valeur qui m'est donnée est de -125 dBc / Hz. 15 dBc/hz d'écart ce n'est pas négligeable. Lors de l'une de mes recherches sur les TCXO, j'ai plusieurs TCXO qui avait ce niveau de performance. En fait je pense les chiffres annoncés sont optimistes. Peut être qu'un exemplaire sur cent a ces performances. Mais le spectre a une allure spéciale : le bruit est relativement constant jusqu'à 30 Khz et ensuite monte sensiblement a un pic à 80 Khz et ensuite redescends. J'ai vu des spectres d'oscillateurs ou le bruit est plus élevé à basse fréquence et suit une pente en 1/f en ayant des valeurs plus faible au delà de 100 Khz. Pour le moment je ne sais pas comment interpréter ce fait. Le commentaire d'un collègue radio amateur, est qu'il ne prendrait pas cet oscillateur pour ses applications radio. Dans le bas de l'image, on voit en comparaison le spectre du bruit de phase d'un oscillateur commun à 19.2 Mhz.


 
Le spectre de l'oscillateur seul, c'est à dire sans mon alimentation de haute stabilité donne une allure similaire mais en pire. Pour résumer, mon alimentation améliore l'oscillateur mais ce n'est pas pour autant que les mauvais effets ont disparu. Je me suis procuré un deuxième exemplaire du TCXO et je l'ai passe au banc de mesures dans les même conditions. J'ai les mêmes résultats, c'est bien une caractéristique du modèle.


Conclusion


Cet oscillateur sans être mauvais n'est pas encore le top. Pour le moment, je n'ai aucune idée de l'incidence sur une application audio. Je vais rechercher d'autres oscillateurs TCXO et les soumettre à la mesure.