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II. REALISATION

III.      ETALONNAGE et UTILISATION    

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https://dl.dropboxusercontent.com/u/236716623/Le%20TFX4.pdf


I .  PRESENTATION   

Après avoir décrit notre premier fréquencemètre, le TFX1, vers 1970, suivi de peu du TFX2, nous avions récidivé vers 1980 avec le TFX3 et ses adaptateurs, un fameux appareil qui figure encore très honorablement sur les tables de travail de nombreux mordus d'électronique, espèce en voie de disparition, si nous en croyons la rumeur !

Nous avons cependant pensé qu'il était temps de présenter aux quelques amateurs qui existent encore, un nouvel appareil utilisant à fond la technologie actuelle et capable ainsi de faire mieux que les précédents avec beaucoup moins de composants, donc avec une réalisation bien plus facile. Ce sera l'objet de ce texte qui décrit notre dernier né : Le TFX4.

Le TFX4 est certes un fréquencemètre, mais fidèle à nos principes, nous en avons fait un appareil de mesure bien plus général puisqu'il est aussi périodemètre, impulsiomètre, capacimètre, inductancemètre, chronomètre, timer et compteur d'unités. Il s'agit donc d'un appareil indispensable à tous ceux qui pratiquent l'électronique d'amateur ou professionnelle en général et la HF en particulier.

Tout à fait exceptionnel, le fréquencemètre montant jusque 3 GHz possède de plus une fonction "OFFSET" très riche en possibilités et qui vous permettra, par exemple, de connaître la fréquence d'accord d'un récepteur, tout en mesurant en fait la fréquence de son oscillateur local.

Quand on jette un coup d'oeil à l'intérieur du TFX4 on est surpris par la simplicité "hard": peu de composants, pas de commutateur rotatif, pas d'inverseur à touches, peu de circuits intégrés !
Comment tout cela est-il possible ?

Tout simplement parce que le TFX4 est à base de microcontrôleur et de circuits programmables, l'affichage étant fourni par un module "intelligent" à cristaux liquides : On s'explique alors la simplicité apparente du montage. Bien évidemment, l'essentiel, à savoir "le soft", le programme de gestion, n'est pas visible, mais oh combien, nécessaire !

Ceci étant, voyons rapidement ce que le TFX4 est capable de faire : 

I. CARACTERISTIQUES du TFX4 
 

II. FONCTIONS : 

La mise sous tension du TFX4 fait apparaître un MENU permettant de choisir une fonction parmi neuf  :

 F   

  Fo     P      I      C      L      T      M      U  

 

   F  

      C'est la fonction FREQUENCEMETRE

Les mesures de fréquence se font par le choix de 2 entrées :                                                                                                             Vue intérieure du TFX4 : à gauche clavier et platine des entrées A et B
                                                                                                                                                                                                     à droite platine inductancemètre et capacimètre, derrière µC et LCA et alim
- Entrée A. TFX4-IN1.jpg (34440 octets)

- Entrée B.

  Fo  

     C'est la fonction FREQUENCEMETRE à offset

Strictement identique à la précédente sur le plan des performances,  la fonction Fo permet d'ajouter ou de retrancher une constante à
la valeur mesurée avant de l'afficher. Ainsi en mesurant la fréquence du premier oscillateur d'un récepteur, vous pourrez afficher
directement la fréquence reçue en ajoutant un offset égal à  la valeur de la première FI.

Quatre offsets sont programmables et mémorisables pour chaque entrée A et B. Les mémorisations sont
permanentes car écrites en mémoire EEPROM du microcontrôleur.

La fonction offset est rarement disponible sur les appareils classiques offerts sur le marché.

   P  

     C'est la fonction PERIODEMETRE 

   I  

    C'est le fonction IMPULSIOMETRE 

 

   C  

    C'est la fonction CAPACIMETRE

 

   L  

      C'est la fonction INDUCTANCEMETRE 

    T  

      C'est la fonction TIMER  

   M  

     C'est la fonction METRONOME 

Le métronome classique du musicien est presque toujours sonore. On l'entend donc mal pendant l'exécution                                               NB.  Cliquez sur les Fig 1 ou 2 ou 3  pour images grand format
ou s'il est bruyant, il ajoute un bruit tout à fait désagréable à la musique. Le violoniste que nous sommes a                                                              et cliquez sur celles-ci pour retour
donc eu l'idée d'un mini-SCH-LOG.jpg (28920 octets)métronome  lumineux et il a été facile de l'inclure au TFX4 dans lequel nous disposons
d'un buzzer ( son ) et d'une sortie triac ( lumière )
La fonction METRONOME du TFX4 permet de choisir :

   U  

     C'est la fonction COMPTEUR d'UNITES

II. ETUDE DETAILLEE DU SCHEMA.                                                                     Fig 1

Observons tout d'abord la Fig.1 qui nous montre le coeur du TFX4. IC1 est le microcontrôleur 68HC711E9FN, c'est-à-dire de la famille HC11 de MOTOROLA, intégrant une EPROM de 12 Ko destinée à contenir le programme de fonctionnement. Ainsi le µC peut fonctionner en "single chip", sans circuits annexes.
Pour ce mode il faut MODA=0 et MODB=1. Le reset est du type RC. 
Un quartz de 10 MHz cadence le travail. Tous les ports du µC sont utilisés :                                            - le port B assure l'affichage
- le port E lit le résultat du comptagemini-TFX4-logic.jpg (16522 octets)                                                                                  
- le port C sert à commuter les circuits extérieurs
- le port A gère le clavier et commande IC2  
- le port D supporte le SPI ( communication sur 2 ou 3 fils avec les périphériques ) et complete
  la liaison avec IC2.
                                                                                                                     Fig 2  
IC2 est un circuit programmable de XILINK : en l'occurence le tout petit d'une grande famille
un LCA de type XC2064.
Un tel circuit permet de réaliser N'IMPORTE QUELLE CONFIGURATION LOGIQUE: portes en
tous genres, basculeurs, compteurs, (dé)multiplexeurs...
Le 2064 comporte pour cela 64 blocs logiques programmables et 58 entrées/sorties configurables.
Par ailleurs, le LCA se comporte comme une RAM : Vierge à la mise sous tension, il faut lui envoyer un
fichier de configuration pour assurer la mise en oeuvre du schéma logique prévu.
Ce fichier est ici transmis par le µC dès l'instant de la mise sous tension, à l'aide des lignes PD3 et PD4.
Dès lors, le schéma logique illustré par les Fig.2 et 3 est implanté dans le 2064 et le LCA n'est plus sensible aux signaux qui transitent sur ces lignes ( qui seront utilisées via un
registre à décalage RS8CR pour assurer les commutations de fonctions du TFX4  )mini-TFX4-count.jpg (6577 octets)
Etudions ce schéma                                                                                                                                                                          
Le bloc COMPTE est un compteur 16 bits constitué de 4 compteurs élémentaires Cl6BARD de 4 bits. Voir Fig. 3.   
L'entrée de comptage est CPT1, la RAZ, RCPT. Le µC ne pouvant lire que des mots de 8 bits, un jeu de 8 multiplexeurs GMUX              Fig 3
permet de lire, soit les 8 LSB ( sel = 0 ) soit les 8 MSB ( sel = l ). Les sorties S0 à S7 sont connectées au port E du µC
Un compteur 16 bits a une capacité de 65536. C'est tout à fait insuffisant pour l'affichage à 8 chiffres prévus, ce qui exige de compter
jusque 99 999 999.
Le MSB final du compteur 16 bits est donc sorti en CPT0 et appliqué à l'entrée PA7 du µC, soit à l'accumulateur d'impulsions dont le
fonctionnement est automatique lorsqu'il est activé. ( registre PACNT ). Ce registre est à 8 bits, donc peut compter 256 dépassements
et permet d'atteindre 256 x 65536= 16 777 216 ce qui est encore trop peu.
Mais lorsque PACNT passe lui aussi en dépassement ( de 255 à 0 )  il déclenche une interruption, ce qui permet de compter les-dits
dépassements. Notons qu'il suffira de 6 dépassements pour aller à la valeur escomptée.
Le résultat complet du comptage s'établit donc comme le montre la Fig. 4. Il s'agit d'un nombre à 27 bits.
Ce nombre binaire est converti en décimal par le µC, puis en ASCII pour être envoyé à l'afficheur.
Une virgule est ajoutée selon la fonction et la gamme de travail.FIG4.jpg (7352 octets)                                                                                              Fig 4
      
La puissante association µC/LCA permet d'assurer  :
         - Une très grande vitesse de comptage, en fait celle du LCA qui est au minimum de 50 MHz
            mais peut atteindre les 100 MHz.
         - Une parfaite précision, le µC n'intervenant qu'au niveau des MB,  donc à faible cadence et
            pas du  tout sur la durée de la fenêtre de comptage, uniquement définie par le TCXO

            Revenons à la Fig. 2. La NAND centrale est la PORTE de comptage.
            EP reçoit les signaux à compter,    CP2  les commandes d'ouverture/fermeture.
           Un multiplexeur ( 4 AND + 1 OR ) choisit le signal à compter : UHF, VHF, 10 MHz ou 500 kHz, en fonction des niveaux CHX0 / CHX1.
           La commutation du multiplexeur obéit à la table de vérité qui suit :

CHX0 CHX1 Q3 Q2   Q1 Q0

S

0 0 0 0 0 1 VHF
0 1 0 0 1 0

10MHz/Cu

1 0 0 1 0 0 500 kHz
1 1 1 0 0 0 UHF

Un multiplexeur identique choisit la nature du signal de commande de porte : S/R, IMP, CAP ou VHF, en fonction des niveaux CHX2 et CHX3. La commande de porte elle-même est assurée par les
bascules FJKRD1 et FJKRD2, elles-mêmes actionnées, à travers les portes XOR1/XOR2, fonctionnant ou non en inverseurs selon l'état des lignes CHX4 et CHX5. La table de vérité de ce second multiplexeur est la suivante :

CHX2 CHX3 Q3 Q2   Q1 Q0

S

0 0 0 0 0 1 S/R
0 1 0 0 1 0

VHF

1 0 0 1 0 0 IMP
1 1 1 0 0 0 CAP

Au repos, les deux basculeurs JK sont à 0, soit Q = 0. La bascule 1 est active car J = Vcc = 1, mais la 2 est bloquée car J = Q = 0.
- En fréquencemètre/périodemètre, on a CHX4=CHX5=0, ce qui met les deux XOR en mode non inverseur. Les signaux EJK1 et EJK2 sont alors identiques à EJK. Voir Fig. 16 .
EJK1 fait basculer le premier JK : CP1 et CP2 passent à 1, ce qui rend la PORTE passante. Par ailleurs la bascule 2 devient active ( J=1 ). Au front montant suivant de EJK, cette bascule passe à 1 :
ENDP=1 , RJK1=1. Du coup, la bascule 1 est remise à 0, donc CP1 et CP2 . La PORTE est fermée. Il faudra attendre le reset envoyé par le µC sur PA4 pour revenir à la situation initiale de repos
permettant le comptage suivant. En conclusion, la PORTE a été ouverte pendant une PERIODE du signal EJK. Ce sera, soit la durée fixée par la base de temps en fréquencemètre ( 1s, 0.1s, 1.28s ou 0.128s ) soit une période du signal à mesurer en périodemètre, l'entrée de porte recevant alors le 10 MHz.
- En impulsiomètre positif, on a CHX4=O mais CHX5=1. La XOR inférieure inverse le signal EJK. Voir Fig. 17 . Dans ce cas, la bascule 1 passe a 1 sur le front montant de EJK/EJK1 et la
bascule 2 fait de même sur celui de EJK2, donc sur le front arrière de EJK. La PORTE est ainsi ouverte pendant la durée du palier POSITIF du signal EJK, le compteur en mesurant la durée.
- En impulsiomètre négatif, on a CHX4=1 et CHX5=0, d'où basculement de JK1 sur le front descendant de EJK et retour à 0 sur le front montant avec mesure de la durée du palier NEGATIF.
Les différents niveaux de commutation CHXO à CHX7 sont élaborés par un registre à décalage RS8CR, sous contrôle du SPI du µC, ce dernier assurant également le reset général du LCA (PA6),
le reset partiel (PA5), le reset porte (PA4), la commutation des sorties de comptage (PC3). Le µC fournit aussi le 10 MHz du LCA, pour assurer les mesures en µs.

Pour les mesures de fréquence, de temps et d'inductances, il est fait usage d'un TCXO de 26 MHz servant de base de temps. La division de fréquence est entièrement gérée par IC3, un MC145170P
de MOTOROLA qui remplace à lui seul une bonne dizaine de circuits TTL classiques. Le 145170P est programmé sur le facteur choisi par le SPI du µC. Nous obtenons ainsi, avec une extrême facilité,
tous les rapports de division qui nous sont nécessaires. Le 145170 contient 2 diviseurs distincts que nous cascadons. (sauf INDUCT):
- Diviseur N : L'entrée reçoit le 26 MHz, la sortie Fv correspond à S/N de la Fig. 2.
- Diviseur R : L'entrée OSCin est en principe reliée à S/N, la sortie reliée à S/R du LCA.                                                    
Dans la fonction inductancemetre, les deux diviseurs sont séparés par GMUX1 commandé par CHX6.FIG16.jpg (4347 octets) :                                                                                                             Fig. 16
Le tableau suivant indique les facteurs de division programmés dans le MC145170P, selon la fonction appelée              Fig 17

FONCTION N R N x R Durée CPl/CP2
F/A+ et CHR 5200 5000 26 000 000 l s
F/À- 5200 500 2 600 000 1/10 s
F/B+ 5120 6500 33 280 000 1.28 s
F/B- 5120 650 3.328000 0.128 s
INDUCT 52 1000 ---------- variable

                     Fig17.jpg (6011 octets)
Dans les 4 premiers cas, les diviseurs N et R sont en série. Dans le cas de l'entrée B, le signal Fx est d'abord prédivisé par 128.
La fréquence Fx / 128 est alors comptée pendant 1.28s ( F/B+ ) ce qui laisse passer Fx / 128 x 1.28 = Fx / 100 périodes ou pendant 0.128s ( F/B- ), ce qui en donne 10 fois moins.
L'affichage a une résolution de 0.1 kHz dans le premier cas et de 1 kHz dans le second.

Pour la fonction INDUCTANCEMETRE, les deux diviseurs sont séparés par GMUX1. N divise par 52 ce qui fournit le 500 kHz de référence et R divise le signal SL par 1000. Voir plus loin.
Terminons cette analyse en observant le multiplexeur GMUX2 qui aiguille soit le 10 MHz, soit les signaux Cu vers l'entrée de porte, en fonction du niveau de CHX7 ( 0 pour le 10 MHz ).
A la droite de GMUX2, le circuit de sortie du signal de commande de porte vers le µC. En effet, ce dernier scrute son entrée PD0 pour savoir si le LCA a terminé son comptage.
Si oui, le µC peut lire le résultat sur le port E et dans ses compteurs internes. Voir Fig. 4
.Puis procéder aux calculs, à l'affichage, aux resets et enfin au relancement de la séquence suivante.
Toutefois, lors de la mesure des impulsions très brèves (<10 µs), le µC, relativement lent, ne “voit pas passer" l'impulsion d'ouverture de porte et il se bloque en attente. D'où la nécessité d'allonger le
signal CP2 pour le rendre «détectable à coup sûr.Fig18.jpg (3135 octets)
Voir Fig. 18.
Le front avant de CP2 fait basculer FDRD et met SPLL à 1. Quand CP2 retombe à 0, la porte AND transmet le 5000 Hz issu de N au
compteur C16BARD lequel, apres 16 impulsions, remet FDRD à 0, soit après 3 ms env : Le µC voit toujours un signal SPLL égal à CP2
allongé de ces 3 ms, ce qui lui permet de ne jamais “le rater" 1. Autour de la partie essentielle que nous venons d'étudier, quelques circuits                            Fig 18
périphériques sont nécessaires pour assurer l'interface avec l'extérieur et les diverses fonctions.
Î
1. Entrées du fréquencemètre.ENTREE-A.jpg (16720 octets)
Fig. 5. Ce sont les circuits de l'entrée A des signaux BF et HF. Le BF981 procure une impédance d'entrée de 1 MW.
Il est protégé par D1 et D2. Son gain est ajustable par P1. Sortie par T2 en collecteur commun, puis par T3
amplifiant de maniere à obtenir le niveau  nécessaire au déclenchement correct du trigger rapide 74AC14.
Les autres inverseurs du 74AC14 sont utilisés par les entrées "IMP" et "Cu" qui sont donc a niveaux logiques. ( 0/+5V )
Notons que la série 74ACxx est très rapide ( Fmax env. 160 MHz ) et elle doit être utilisée avec précautions.
Le plan de masse est bien utile pour supprimer les oscillations parasites.
Le 74AC14 choisi atteint facilement les 100 MHz de capacité compteur, mais les étages d'entrée TR1 à TR3
y peinent visiblement. Bien entendu, pour aller a 100 MHz, il faut un LCA correspondant.
Comme l'entrée B prend le relais de A à partir de 10 MHz, il nous semble inutile de dépasser les 50 MHz
sur l'entrée A, ce qui s'obtient sans difficulté avec un LCA/50 MHz et les circuits de la Fig. 5.

UHF.jpg (11346 octets)                                        Fig 5

    Fig. 6.

   
    Entrée B des signaux VHF/UHF. Un diviseur FUJITSU de type MB510 divise par 128 des signaux allant de
    10 à 3000 MHz. T1 en collecteur commun adapte l'impédance du MB510 et.T2 amplifie pour une attaque du LCA
    au bon niveau. Un relais 1RT permet de n'alimenter le MB510 que lorsqu'il est utile.
    Ce relais est un 12V, alimenté par le +10V.

Inducap.jpg (46404 octets)


                                                                                                                            Fig. 7


2. Circuits de fonctions.

Fig. 7. En haut, les circuits de l'inductancemètre. Nous avons repris le montage ITT déjà
utilisé dans le TFX3 :
Un oscillateur LC ( 10 µH/10nF ) constitué de T1 et T2 oscille à 500 kHz.
Cet oscillateur remarquable, à niveau stabilisé par une commande automatique de la
polarisation de T1, descend sans problème à 5 kHz si l'inductance passe à 100 mH.
L'inductance inconnue Lx est série avec LO. Le système logique est commuté en
RATIOMETRE : Il mesure le rapport de variation de la fréquence de l'oscillateur,
soit donc R = 500 kHz / FLx.    ( NB.  FLx toujours  inférieur à 500 kHz )
Ce rapport obtenu par la mesure, le µC calcule Lx par la formule Lx = 10 R² - 10,
puis il affiche le résultat en µH.
Aucune commutation de gamme, résolution de 20 nH, affichage en clair !
Pas mal, n'est-ce pas !!
Revenons un instant sur la fonction RATIOMETRE en observant que c'est tout
simplement celle d'un fréquencemètre qui mesure le RAPPORT entre la fréquence
“entrée de porte" et la fréquence "commande de porte".
Par ex. en mode "F/A-" du TFX4, si Fx vaut 455,124 kHz , avec un signal CP de 10 Hz,
l'affichage montre 455124/10 = 45512 convertis en 455,12 kHz.
En inductancemètre, nous envoyons sur EP le 500 kHz issu de S/N et sur CP le 1/1000
de la fréquence FLx.
Nous obtenons un résultat R = 500000 / 0.001 FLx.
Lorsque Lx=0, on a FLx=500000 Hz d'où R = 500000 / 0.001 x 500000 donc
R = 500000 / 500 = 1000, ce qui correspond au rapport réel avec 3 décimales :
Rréeel = 1,000   Le µC effectue le calcul de Lx  :
10 R² - 10 = 10 x 1² - 10 = 10 -10 = 0 et affiche 0,00 µH
Si vous voulez en savoir beaucoup plus sur le calcul de Lx, nous vous conseillons de lire
le n° 1707 du HAUT-PARLEUR dans lequel il est développé.
Le transistor T3 et la porte trigger assurent la liaison avec le LCA. Le 500 kHz de
référence est dérivé du TCXO, le diviseur N étant calé sur 52, tandis que la sortie SL
de la Fig. 7  ( donc FLx ) est divisée par 1000 à l'aide du diviseur R, ceci afin de
satisfaire aux exigences de la mesure.

En bas, nous trouvons les circuits du capacimètre.
IC2 est un 7555 monté en monostable et déclenché par IC1, un autre 7555. IC2 fournit
une impulsion dont la durée est proportionnelle à la valeur de Cx. La partie logique LCA
est commutée en impulsiomètre, avec affichage en clair de la valeur de la capa. Deux gammes sont prévues : "pF“ et "nF", avec résolution maxi de 0.1 pF ou 0.1 nF.
Sur la gamme pF, l'impédance d'entrée Cx est de l'ordre de 1 Mohm donc sensible aux bruits parasites et à l'induction secteur, cette dernière faisant "tourner" l'affichage autour de la bonne valeur.
Pour réduire ce défaut, l'oscillateur de déclenchement est synchronisé sur le secteur par un repiquage sur le l2VAC. Il faut cependant toujours faire les mesures avec des fils très courts.
Le déclenchement de IC2 par ICl bloque ce dernier par l'intermédiaire de TR4. On évite ainsi un redéclenchement de IC2 avant la décharge complète de Cx dans le cas de la mesure des capas de
très forte valeur ( > 2200 µF ) en gamme "nano". En mode "pico" la résistance de charge de Cx est directement reliée au +5V.

      Fig. 8
alimTFX4.jpg (15024 octets)     





       3. ALIMENTATION et annexes.                 Voir Fig. 8.

             L'alimentation est normalement assurée par le secteur, via un transfo 2x12V, redressement et filtrage. Un LM317 régule à 9V
             pour le TCXO, les circuits de l'entrée A. Un 7805 fournit le 5V de la partie logique. Rien de très original, sinon la possibilité
            d'alimenter en 12V continus, pour usage de terrain.  La tension de 9V est ajustée par P1.

            Sur le même circuit imprimé, nous trouvons aussi un interface de puissance à optocoupleur permettant la commande d'une charge
            externe par triac. Cette fonction est disponible en TIMER décompteur et en METRONOME.
            Le TFX4 peut ainsi servir à l'insolation de circuits imprimés, de films ... Un buzzer est ajouté pour signaler la fin du décompte.
            Un complément non négligeable.


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