Rémi
- Oscillateur Faible Jitter
Introduction
Cet article est la suite de deux articles :
ou une maquette avait produits d'excellents résultats en dépit de la
simplicité de la solution. La suite de la maquette a été la création
d'un circuit imprimé. Ce premier lot d'une dizaine de pièces est
destiné aux mesures ainsi qu'à fixer de façon définitive les
composants; de vérifier le caractère répétable; de mesurer la
consommation électrique. Tout cela est très important dans l'optique de
l'installation dans un driver TEAC CD5 pour commencer et ensuite passer
au TEAC T1
déjà récipiendaire du module SPDIF en vente par TVC.
Ce qui est fait dans nos platines
Avant d'aller plus loin, il nécessaire d'analyser quelles pourraient
être les applications bénéfiques du module. Il y a dans le monde des
lecteurs de CD tout une gradation dans les solutions techniques pour
fabriquer l'horloge maître. Cela va du plus simple, un quartz entre par
XI et sort par XO (TEAC CD5)
En suite on trouve ci-dessous le quartz chargé par deux capacités avec
une possibilité de réglage fin de la fréquence autour de quelque
dizaines de pico farad (TEAC
VRDS T1). U403 est le CXD2500A.
Plus sophistiqué encore, l'oscillateur est bâtie autour d'un circuit
logique externe 74HCU04 (TEAC
P10). Oscillateur de pierce avec une porte 74HCU04 dont la
fréquence n'est pas ajustable. U103 est le CXD2500A
En haut de tableau, on trouve les oscillateurs (X302) plus ou
moins à faible jitter (Onkyo
DX 708).
Première remarque
Voici le schéma d'un montage // d'un quartz :
Sur les appareils TEAC les capacités de charge sont très faibles par
rapport a ce qu'il faudrait. Bien entendu on pourra disocurir sur le
fait que les ingénieurs savent ce qu'ils font, il suffit par exemple de
citer le cas du Titanic pour en être certain. Admettez donc que la
conception des oscillateurs à quartz est majoritairement mal comprise
et mal appliquée. Cela entraîne des erreurs de fréquence, car un quartz
mal chargé (TEAC P10)
va osciller avec une erreur de fréquence de l'ordre de 1 Khz, ce qui en
16.93 représente 70 ppm. Tiens donc le Digital
Lens n'inventerai pas les mesures... (Note de Renaud : il
s'agit de la mesure effectuée effectivement sur mon TEAC P10 par
mon Digital Lens).
Le VRDS T1 a un
peu plus de charge mais ce n'est pas encore suffisant : 22 pF et 25 pF
cela fait une charge effective autour de 12,5 pF. Un quartz à une
fréquence de 16.93 Mhz devrait avoir une charge de autour de 30 pF.
Tous cela sera corrigé avec le module !
Deuxième remarque
Quel que soit la qualité de l'horloge, faut-il encore quelle soit
transportée sans ajout de jitter. Un super "low jiiter oscillator"
bufferisé par une porte 74HCU04 n'est pas futé (pour rester poli). Le
temps de monté et de descente de l'horloge n'est pas fantastique. Si
cela m'est évident, c'est mieux quand d'autres plus qualifiés le disent
comme dans la note d'application Analog-to-Digital
Converter Clock Optimization d'Analog Device.
Avec ce module qui vient d'être mis au point, on a une horloge dont le
jitter est connu, c'est comme le "bio" pour les légumes, ce qui
indispensable dans le cadre d'un chaîne audio numérique. Avec les
solutions choisies et montrées ci-dessus, on ne connaît pas le jitter
et il n'est pas évident que la solution du quartz dans un T1, soit
moins bonne que celle de l'oscillateur du DX708. Il est plus
simple d'installer une clock bien connue à la place de la solution
originelle. Avec le module, ce problème est résolu.
La soudure sans plomb
Le module
Ses dimensions : 35 mm x 30 mm soit 9 centimètres carrés. Deux modules
en photo, la différence étant dans les capas utilisées...
Ce premier circuit imprimé n'est pas sans défaut, mais il a été fait
dans un temps très court (quelle impatience !). Il y a eu des erreurs
de schéma, oublis dans la CAO, mais rien de grave. Cela sera corrigé
par câblage.
Les mesures
Stabilité de la fréquence
Testée sur de longues heures de fonctionnement, la fréquence oscille
dans une fenêtre inférieure à 1 ppm. D'une manière générale, le module
16,9344 Mhz peut être calé à mieux que 1 ppm !
Pendant une durée de 3 heures, la fréquence mesurée avec un
fréquencemètre Agilent 53131A donne une variation de 5 Hz pour un
fondamental de 16.9344 Mhz, soit 0.3 ppm. Les conditions de température
sont celle d'une chambre non contrôlée.
Temps de monté et descente
Autour de 2 ns pour le temps de monté, 1,2 ns en descente. Ces
caractéristiques sont nécessaires pour ne pas indure du jitter en
supplément pendant le transport de la clock sur l'entrée XI
du CXD2500.
Mesure de bruit de phase
Les mesures de bruit pour ce module ont été effectués avec la même
configuration de l'appareil que les mesures d'il y a quelques moins
dans autre article. il faut encore rappeler que pour les applications
des horloges pour lecteur de CD, c'est la mesure la plus importante car
elle quantifie le bruit de phase qui la même notion que le Jitter.
Ceci est la toute première mesure de bruit de phase. Plusieurs
observations sont intéressantes : Le bruit en bas du spectre -99.68
dBc/Hz est en progrès par rapport à la maquette de près de 10 dBc/Hz;
entre les marqueurs 3 et 4 on observer un plateau alors que le bruit
devrait encore descendre, et en haut fréquence le bruit au delà de 1
Mhz est de -170 dBc/Hz.
Le gain en basse fréquence est certainement du à la référence de
tension utiliser dans le schéma, mais le plateau entre 1 Khz à 50 Khz
est du au régulateur.
Après une modification du circuit de l'oscillateur ( une piste coupé et
une résistance, donne un filtre passe RC bas à 700 hz) on voit
immédiatement l'amélioration : à 20 Khz, le bruit est passé de -155,9
dBc, à -164 dBc. En terme de jitter RMS, la mesures qu'il ne faut pas
prendre comme absolue mais seulement relative dans les mêmes
conditions, passe de 336 fs à 295 fs, soit une amélioration de 10%.
Pour une comparaison des oscillateurs dont on donne que quelques points
du spectre, je reproduis ceux-ci : 10 Hz : -99.91 dBC/Hz, 100
Hz : - 130.34 dBc/Hz, 1kHz -152,4 dBc/Hz , à 100 KHz -169 dBc.
Les deux courbes affiché ( la faible est le montage brut, en
surbrillance la courbe du montage optimisé) monte le gain en terme de
bruit.
Disons le tout net : pour les applications audio numérique, cet
oscillateur est au dessus de tout reproche ! L'utilisation de cet
oscillateur permet de bâtir une chaîne audio numérique de très haut
niveau avec un investissement faible.
Les autres fréquence de l'audio numérique
Par changement de quartz, l'oscillateur peut fonctionner à une
fréquence de 11.2896 Mhz et 24.576 Mhz. Ici la clock 11.2896 Mhz avec
des temps monté et de descente tout à fait bons.
Consommation électrique
Le module en version 16.93 Mhz consomme 31 mA sous 7 Volt minimum soit
0.25 Watt. ( 33 mA en 12.2896 Mhz)
Temps de stabilisation
Au démarrage à froid, l'oscillateur démarre avec un écart de fréquence
de 9 Hz. Le système est froid, et en moins de 5 minutes l'oscillateur
est à moins de 1 ppm d'erreur. L'oscillateur ne sera pas la
justification de 15 jours de chauffe (note de Renaud : ces 15 jours
sont ceux durant lesquels je préconise de laisser chauffer un Wadia, ce
qui amuse beaucoup Rémi !).
Les travaux pratiques
Installation dans un TEAC CD5
Le schéma ci-dessus montre le schéma d'un CD5. Pour installer un
module, il faut d'abord faire un peu de ménage : supprimer C477 ; C476
; X402; R446 et R445. Le signal horloge issu du module, entre au niveau
de la patte de X402 coté C476. La réglé est que l'horloge entre par XI
et que XO ne sert plus dans ce cas..
C'est qui remarquable pour un lecteur plutôt économique par rapport aux
VRDS, c'est l'utilisation généralisée de résistances à couches
métallique de précision 2%. Les résistances R445 et R4, le quartz et
C478 et C477. Les composants démontés vont directement à la poubelle...
Première intégration d'un soir : Ce n'est pas un montage de qualité
"spatial" capable de tenir 10 G ! Mais il me permet de vérifier les
hypothèses d'insertion dans un TEAC. Le lecteur démarre et retrouve les
mêmes trous de lecture avant la modification. Sur la droite de la
photo, on voit un module SPDIF "high performance SPDIF
output". Je ne vais pas tarder de monter définitivement un module dans
mon TEAC T1.
Installation dans un TEAC T1
Suppression de X51 C52 (variable ) et C51
Il y a du 10V autour du U405 et U407 et plus simplement P416 ( pin 4,
pin 1 et 2 sont la masse) qui doit être le point de raccord. L'horloge
entre au point d'intersection entre C52 et le Quartz. Un quart d'heure
chrono ...
Et pas de pitié pour les composants retirés : à la pince coupante je
coupe toutes les pattes, et ensuite avec de la tresse à dessouder
j'enlève la soudure et les petits bouts de pattes tombent.
Le quart d'heure... aura duré plus de temps que prévu, car j'ai dans un
premier temps soudé le +10V sur du -10V. Le module n'aurait pas aimé.
Heureusement un contrôle au multimètre de la tension m'a permis de voir
puis corriger le problème. A la mise sous tension, le disque tourne !
C'est signe que l'horloge est active (lors du contrôle, pas d'horloge,
le disque ne tourne pas).
Ecoute du T1
Déjà lors de l'ajout de la sortie SPDIF, le T1 m'avait paru avoir gagné
en grave et détails rendant l'écoute plus vivante. Avec l'horloge, et
bien voila que je délaisse mon PC pour écouter les disques qu'il y a
pas si longtemps étaient encore rangés. Mon endroit est encombré de
dizaines de CD tant est grand le plaisir de les écouter. Le grave me
parait avoir encore gagné, et la scène 3D se forme plus régulièrement.
Voila mes impressions, cela ne constitue pas un jugement définitif.
Il faut que je prête ce drive à Renaud pour qu'il procède à une écoute.
Son système est au point, les amplis et enceintes bien maîtrisés,
installés dans une belle pièce : tout ce que je n'ai pas.
Conclusion
Cela fait plusieurs mois que l'aventure a commencé avec un oscillateur
acheté sur la baie par curiosité, puis la conception et la maquette, et
enfin le pcb : voila le résultat !
Les mesures réalisées montrent des performances de très haut niveau
malgré un schéma simple (et jugé tout à fait moyen dans la littérature
des oscillateurs) et sans complications, mais bien réalisé et mis au
point. Si on trouve des oscillateurs qui font mieux (et oui, cela
existe), il s'agit avant tout d'une histoire de quartz. Par contre,
avec ce module, le rapport simplicité/cout/performances positionne la
barre très haut. En tout cas, tout lecteur sera bonifié par
l'installation cette horloge (que TVC commercialise).
De (presque) toutes les horloges audio commerciales, il n'y a pas une
qui présente des mesures de bruit de phase ! Ce qui est mis en avant,
c'est un discours commercial, des pseudos explications pour
dire que l'oscillateur est excellent : nous ne sommes pas dans le
domaine technique mais dans le domaine du discours publicitaire, voire
de la "magie" (il faut voir le vocabulaire employé) ! Pour ce module
mis au point, TVC innove en proposant les mesures et permet donc à
l'utilisateur de comparer... A condition que dans l'avenir les mesures
d'oscillateurs soient disponibles !
Dans un précèdent article, on proposait le spectre d'une horloge du
commerce, une horloge "bien établie" : force est de constater que le
module est bien meilleur : le bruit de phase du module à 10Hz est 10dBc
en mieux. Or c'est cette bande de fréquence qui est la plus importante
pour obtenir un faible jitter. Vers la fin des années 90, des études
sur le jitter ont été publiés, et pour faire simple, le module fait
mieux que les recommandations de la documentation de l'époque.
Associé avec la sortie SPDIF, ce module "low jitter oscillator" permet
avec un budget raisonnable avec une bon drive d'occasion autour de 100
euros, d'accéder un ensemble audio numérique de haut niveau dont les
caractéristiques sont connues. L'ajout d'un beau convertisseur démontre
avec brio qu'un ensemble de haut niveau composé d'éléments vintages
accessibles surclasse très souvent les électroniques récentes.
La démarche est aussi écologique : elle redonne de l'intérêt à une
machine vouée à la casse et fait l'économie de la production d'une
nouvelle machine qui consume un petit bout de planète.
Durant les mesures de bruit de phase il est apparu que les vibrations
(transformateur 50Hz) sont nuisibles sur le bruit de phase ! Cela fera
l'objet d'un autre article.
Petit mot de Renaud
Les travaux de Rémi sur le module SPDIF et sur le module d'horloge nous
permettent de mieux comprendre les questions relatives aux lecteurs de
CD. Initialement tous les lecteurs produisaient le même son : en fait
ils utilisaient tous la mécanique Philips et le TDA1540.
Il se trouve qu'entre 1983 et 1990, nous auront connu les
années fastes de la technologie numérique : la sortie du nouveau
standard, puis trois générations de lecteurs et l'apparition des
convertisseurs externes. Lors de leurs sorties, les lecteurs étaient
présentés comme des appareils au son parfait. En effet, les mesures
fournies par les fabricants étaient parfaites... Le son des premières
platines, en revanche, n'était pas du gout de tout le monde.
Effectivement, il n'aura pas échappé aux audiophiles la progression
très nette des sources numériques, disons à partir de 1985.
En 1986 le premier lecteur "audiophile" (pardon pour le raccourci),
le Kenwood
DP1100SG est proposé sur le marché : belle mécanique et
chasse aux vibrations, convertisseur de l'époque meilleur que le 14
bits et chasse au jitter : avant la fin des années
80 les questions d'horloge, de mécanique, de transfert de
l'information, de conversion, et bien d'autres enocore, toutes ces
questions vont être posées.
Aujourd'hui Internet à tout changé : nous avons des pistes de
réflexions pour comprendre pourquoi les appareils sonnent de manière
différente. Les premiers lecteurs de Compact Disc n'étaient pas
parfaits, quoique l'on nous ait dit, et la littérature sur les
différentes questions est maintenant abondante. Internet regorge
d'articles par exemple sur la question de la conversion : des articles
théoriques, des articles "pratiques"... Sur la question du NOS (Non
Oversampling) l'article fondateur est accessible, traduit du japonais.
Des milliers d'applications pratiques sont disponibles, il suffit de
dégainer la carte bleue et de Chine ou d'ailleurs va arriver un
"superbe"
convertisseur non suréchantilloné à base de TDA1541.
En s'appyanut sur toute cette littérature foisonnante, ces
documentations techniques et les expérimentations nombreuses, les
travaux de Rémi publiés par TVC ont permis d'effectuer des mesures et
de comprendre ce que nous pouvions améliorer sur nos bases mécaniques :
l'horloge, en produisant un module dont l'erreur est < 1ppm est
un résultat inespéré, et le module de sortie SPDIF qui ramène les
fronts de montée de 25 à 3ns - un résultat formidable puisque largement
en dessous des 5ns considérés comme l'excellence.
Nous avons plusieurs machines à disposition, plusieurs TEAC (que voulez
vous, ce sont d'excellentes bases) et puis quelques modèles appréciés
pour telles ou telles raisons. En installant les modules, nous obtenons
une corrélation entre les résultats de mesure et la qualité perçue. Il
ne s'agit pas de détails imaginés, mais plutôt de formidables bonds en
avant dans le domaine de la reproduction sonore. D'autre part, il est
assez agréable de lire des comptes rendus sur les horloges
qui donnent des ressentis ressemblant aux notres : cela nous conforte.
C'est vrai, le travail sur les lecteurs de CD aura permis de confirmer
par les mesures que les sorties SPDIF et les horloges des appareils
n'étaient pas égales : quoi de nouveau de soleil, nous le savions déjà
? Ce qui est nouveau, c'est que jusqu'à présent nous pouvions
l'utiliser comme argumentaire, en espérant que ce soit vrai.
Aujourd'hui nous en avons la preuve tangible aux mesures et la
corrélation à l'écoute.
Durant ses travaux, Rémi a mesuré avec des appareils industriels les
fronts de montées ou les précisions d'horloge. On voit par exemple de
fronts supérieurs à 20 ns sur des lecteurs plutôt onéreux, ou des
horloges dont la conception autorise un erreur de 70ppm... Nous avions
des pistes, maintenant nous avons le nom des coupables : sorties SPDIF
et horloge. En traitant la sortie SPDIF, nous traitons aussi la
question du câble de liaison avec le convertisseur.
Rémi a fabriqué de petites séries des modules (une vingtaine à chaque
fois). Dès à présent TVC propose les kits de sortie SPDIF (et
l'éventuel câble de liaison) et des modules d'horloge afin de donner un
coup de fouet à vos vieilles électroniques; ainsi que les kits
d'horloge.
Alors, si vous êtes amoureux des belles mécaniques, sâchez que pour les
appareils largement diffusés, cette mécanique que vous utilisez depuis
20ans pourra être entourée d'une belle horloge, peu onéreuse et dont
les performances sont prouvées par les mesures, contrairement à de
nombreux "machins" que l'on trouve sur internet - dont quelques-uns ont
été mesurés (hélas pour eux)... Les horloges internes de quelques
appareils représentatifs ont été évaluées, et il est possible
d'affirmer que le module sera bénéfique au niveau de la qualité de
restitution. Et en ajoutant le module de sortie SPDIF (souvenez-vous,
l-on passe de 25ns de front de montée à moins de 3ns), pour un budget
riquiqui vous conservez votre superbe platine et les performances
s'envoleront !
Entendons nous bien : il ne s'agit pas de transformer TVC en site de
vente par correspondance. Il s'agit du contraire : nous aimerions faire
profiter quelques lecteurs des modules disponibles. Il reste une
quinzaine de modules SPDIF (entre 80 et 150€ en fonction du modèle de
lecteur, câble à 40€ suivant la longueur !!!) et pour le prix des
horloges S_______ quelques modules d'horloges de compétition seront
disponibles : horloge dont vous connaissez l'historique de mise au
point, les mesures...
Nous souhaitons travailler au cas par cas, sachant par exemple que les
évolutions ont été intégrées à plusieurs Teac et à l'Onkyo. Dans
certains cas nous pouvons effectuer l'installation nous même, mais si
vous souhaitez juste acquérir le module, il sont disponibles par
correspondance.
