1. Composants spécifiques d'un récepteur radio

1.1. Oscillateur simple :  

un oscillateur est un montage capable d’engendrer des vibrations périodiques en fonction du temps. Un pendule, par exemple, est un oscillateur mécanique. Lorsqu’on le déplace de sa position d’équilibre, il décrit un mouvement de va et vient répété. Un pendule oscillant que l’on abandonne à lui même effectue un certain nombre d’oscillations d’amplitude décroissante puis s’arrête. À ce moment, toute l’énergie mécanique de départ a été absorbée par les frottements.

Si l’on veut entretenir le mouvement à amplitude constante, il faut apporter à chaque cycle une quantité d’énergie juste égale à celle qui a été absorbée. C’est ce que l’on fait dans les horloges à balancier par l’intermédiaire d’un ressort tendu.

Une cloche, une corde tendue sont des oscillateurs mécaniques qui ont la propriété d’émettre des sons. L’atome lui-même constitue un oscillateur miniature dans lequel les électrons sont en "résonance" autour du noyau. Le LASER est tout simplement un oscillateur lumineux.

Le plus simple des oscillateurs électroniques est le circuit résonant pur formé d’une inductance pure et d’un condensateur pur (sans résistance). Lorsque la capacité initialement chargée est reliée à l’inductance, l’énergie électrique se met à osciller entre la self et la capacité avec une fréquence égale à :

Dans un circuit LC réel, nous retrouvons une situation semblable à celle du pendule. Les oscillations sont amorties, cette fois à cause de la résistance électrique du circuit. L’énergie électrique initialement emmagasinée dans le condensateur est dissipée cycle après cycle, sous forme de chaleur. Pour maintenir l’amplitude des oscillations constante, il faudrait communiquer au circuit LC des impulsions suffisamment énergiques pour compenser les pertes par effet Joule (chaleur).

La figure suivante donne un montage possible avec transistor. Les impulsions que reçoit la base sont amplifiées et transmises au circuit LC qui oscille au rythme des impulsions d’entrée.

Cette solution n’est pas satisfaisante puisque pour faire fonctionner un oscillateur, on a besoin d’un autre oscillateur.

au lieu de faire appel à un oscillateur auxiliaire, on prélève une fraction du signal amplifié et on le retourne dans le circuit d’entrée.

Le report d’énergie est effectué par couplage électromagnétique entre la bobine L associée au condensateur C et la bobine L2 de réaction. Si le sens des connections est convenable, le courant de base tend à renforcer le courant de collecteur qui lui a donné naissance et le système tombe en régime d’auto-entretien.

Un dernier point à vérifier : l’oscillateur démarre-t-il tout seul dès la mise sous tension ? Oui. En effet, pour que les oscillations prennent naissance dans un circuit LC, il faut que son état de repos soit perturbé. Or, le simple fait de fermer l’interrupteur qui alimente l’oscillateur provoque une "secousse" électrique capable de déclencher l’état oscillatoire. Il y a aussi les dérives thermiques, les tensions de bruit, qui pourraient jouer le même rôle.

On peut concevoir les oscillateurs à fréquence réglée par variation de tension de plusieurs façons. En radio, on utilisera un oscillateur LC avec un varactor ou varicap (diode à capacité réglée par une tension continue).

On fait varier la capacité et l’on règle la fréquence de résonance en faisant varier la tension continue appliquée au varactor.

Il faut se rappeler que la capacité d’une diode varicap diminue lorsque la tension continue qui lui est appliquée augmente ce qui implique que dans le cas d’un VCO à diode varicap, la fréquence augmente si la tension DC augmente. En effet :

Retenir ce point important pour un VCO : La tension continue d’entrée règle la fréquence de sortie.

. Il existe deux grandes familles de filtres : les filtres passifs et les filtres actifs.

. Un filtre est un ensemble de composants qui laisse passer le signal à certaines fréquences et l’atténue à d’autres.

. On utilise des filtres en asservissements (problèmes de stabilité) et en communications (accord sur certaines fréquences (filtres IF), détection (élimination de la porteuse)).

. On distingue quatre grandes catégories de filtres, à savoir :

- Les filtres passe-bas

- Les filtres passe-haut

- Les filtres coupe-bande

- Les filtres passe-bande

a- Les filtres passifs : ils ne comprennent que des composants R, L, C et n’ont pas besoin de polarisation. La principale difficulté des filtres passifs est qu’ils nécessitent de grandes masses de fer pour leur réalisation. De plus l’inductance L varie en fonction de la fréquence d’où une moins grande stabilité. On a donc cherché à contourner ces difficultés en créant des circuits électroniques de même comportement, au point de vue impédance, qu’une bobine.

b- Les filtres actifs :

Lorsque le courant demandé varie fortement, la résistance interne des circuits filtres en p (voir circuits d’alimentation) rend ces circuits impropres à fournir une tension stable. Pour les charges variables, la meilleure solution consiste à revenir au filtre simple à condensateur, ce qui implique forcément de grandes valeurs de capacité. En revanche, ce circuit présente le grand avantage de posséder une résistance interne très basse (résistance du transformateur, des diodes).

Remarque : l’évolution de la technologie permet d’année en année la réduction graduelle du format des condensateurs électrolytiques. Le facteur encombrement devenant injustifié, les filtres en p seront de plus en plus abandonnés au profit des filtres à condensateur.

Un montage plus astucieux, auquel nous n’avons jamais fait allusion, permet de simuler la présence d’une forte capacité à partir d’un condensateur de capacité beaucoup plus faible. Il suffit pour cela de mettre à profit la propriété d’amplificateur bipolaire.

La figure suivante illustre un tel circuit qui porte le nom de filtre actif où l’élément actif est le transistor. C’est lui qui "amplifie" en quelque sorte la valeur capacitive du condensateur C2 et crée artificiellement la forte capacité nécessaire à une tension continue stable.

Voici une explication plus précise de ce principe : à la suite du redressement, le condensateur C1 effectue d’abord un premier filtrage. La tension continue qui en résulte alimente le collecteur du transistor et par la résistance R1, la base du transistor et le condensateur C2. Le diviseur R1-R2 détermine la tension à laquelle C2 se charge et par la même occasion la tension de base du transistor.

Dans un circuit de filtrage simple, le condensateur est directement relié en parallèle avec la résistance de charge. Dans le circuit de la figure 1, le courant de sortie provient du transistor. Le condensateur C2 a pour rôle de maintenir stable la tension de base et ce travail est beaucoup plus facile car le courant de base est (b + 1) fois plus faible que celui de la charge. Sa tension ne varie presque pas et la tension d’émetteur suit toujours celle de la base. Ce circuit ayant une grande constante de temps, présente moins d’ondulation. Cela revient à dire que la capacité de C2 a été virtuellement grossie. Pour être plus exact, la capacité équivalente qui apparaît entre l’émetteur et le point commun est égale à (b +1) x C2.

La démonstration suivante le prouve :

           Q                     Coulombs

C = ------------ = ------------------

           V                         Volts

Par conséquent :

              QB

CB = ------------ = C2

              VB

Comme VE VB, écrivons tout de suite :

              QB

CB = ------------ = C2

              VE

Appelons CE la capacité apparente à l’émetteur et qu’il nous faut déterminer :

              QE

CE = ------------

              VE

Définissons ensuite le courant :

            Q                  Coulombs

I = ------------ = ------------------

             t                   Secondes

Par conséquent :

QE = IE x t

QB = IB x t

On écrit alors :

                QE             IE x t

CE = ------------ = ---------

                VE                    VE

          (b +1) IB x t

CE = --------------- Comme QB = IB x t, alors

                 VE

                          QB

CE = (b +1) ------------ = (b +1) CB

                          VE

et enfin CE = (b +1) C2

Exemple :

Si le transistor possède un gain de 100 et que C2 vaut 100 µF, calculez la capacité équivalente du filtre actif.

CE = (100 +1) x 100 µF = 10100 µF

Ce dernier dispositif illustre la possibilité d’employer des éléments actifs comme stabilisateurs de tension. Par cet exemple simple, on a ouvert la voie aux circuits de régulation qui utilisent toutes les techniques de pointe dans le but de produire des tensions invariables lorsque la tension d’entrée et la charge varient entre certaines limites. Malgré tout, ces perfectionnements ne remplacent pas les différents filtres RLC; disons qu’ils en sont le complément. Un bloc régulateur transistorisé termine la tâche du filtre en éliminant le résidu de ronflement que celui-ci est incapable de supprimer.

Comparaison entre filtre passif et filtre actif :

À la figure A, le condensateur C1 doit éliminer 5 mA de ronflement alors qu’à la figure B, le condensateur C2 n’aura à éliminer que 47.6 µA de ronflement soit 105 fois moins que C1.

Si C2 = 100 µF, C1 vaudra 105 x C2 = 10500 µF

Les deux principaux types de filtres actifs à base d’amplificateur opérationnel sont :

- Le filtre de Rauch à réaction négative ou contre réaction.

- Le montage de Sallen-Kay à réaction positive.

L’ordre de ces filtres est de 2. Il existe des filtres d’ordre 3, 4 etc. Pour obtenir un filtre d’ordre 4, on peut monter deux filtres d’ordre 2 en cascade.

Schéma de montage d’un filtre passe-bas de Rauch :

Schéma de montage d’un filtre passe-bas de Sallen-Kay :

Application : Filtre actif inspiré du montage de Rauch

- Avantage des filtres actifs :

. Permettent des isolations beaucoup plus élevées grâce à leurs impédances d’entrée élevées

. Peuvent être réalisés sans bobine. Ceci diminue grandement le coût, le poids, la dimension, les effets inductifs (élimine la nécessité d’avoir des blindages magnétiques).

. Permettent d’amplifier le signal en plus de le filtrer.

. Peuvent avoir des fréquences centrales ajustables.

. Leur réponse peut se rapprocher de la réponse idéale.

- inconvénients :

. Nécessitent une alimentation

. Les amplitudes des signaux à filtrer sont limitées par la tension d’alimentation.

1.5. Schéma bloc d'une boucle à verrouillage de phase "PLL" (Phase Lock Loop) :

la figure suivante représente le schéma fonctionnel d’une boucle à verrouillage de phase.

.Le comparateur de phase reçoit deux signaux, l’un de l’entrée, l’autre du VCO. La différence de ces deux signaux est appliquée au filtre passe-bas qui la convertit en une tension continue.

La tension continue obtenue est appliquée au VCO pour l’ajuster sur la fréquence d’entrée.

. Lorsque la fréquence du VCO est égale à la fréquence d’entrée, le cycle s’arrête, la boucle est alors verrouillée.

. Gamme de verrouillage BL (L pour Lock) : c’est la gamme de fréquence que le VCO peut produire.

Par définition BL = F max - F min (F max = fréquence max du VCO, Fmin = fréquence min du VCO).

. Sortie verrouillée : la sortie verrouillée est appliquée au mélangeur (Mix) pour produire la fréquence intermédiaire.

IF = Fo - Fc (Fo = fréquence de l’oscillateur local, Fc = fréquence de la station syntonisée)

IF = 455 Khz en radio AM et 10.7 Mhz en radio FM.

Le principe consiste à contrôler la fréquence de l'oscillateur local des sélecteurs AM et MF. Afin d'obtenir une grande stabilité de l'oscillateur local, on le compare à un oscillateur à quartz par l'intermédiaire d'un diviseur programmable. En changeant le rapport diviseur, on modifie la fréquence de l'oscillateur donc la fréquence de l'accord RF du récepteur.

Le taux de division correspondant à chaque canal est contenu dans une mémoire morte R.O.M. du microprocesseur. Le transfert d'un taux de division appelé par l'utilisateur vers le diviseur programmable permet le réglage de l'appareil sur la station désirée.

Pour opérer la sélection des canaux, il suffit donc de modifier le rapport de division N conformément au canal désiré.

2.2. Comparateur de phase :

Un circuit PLL est la réunion de deux oscillateurs par un comparateur de phase.       Le comparateur de phase a pour but de comparer la phase du signal de sortie par rapport au signal de référence.

Le signal alternatif de sortie est converti en une tension continue, par un filtre actif passe-bas, qui sera appliquée au VCO.

Le VCO (Voltage Controlled Oscillator) contrôle les variations de cette tension en provenance du filtre et les convertir en variation de fréquence.

* Très haute précision de la fréquence d'accord

* Grande stabilité de fonctionnement aux conditions de température et d'humidité. Pas de contact mécanique

* Opération très rapide

* Aucun préréglage du canal reçu

* Accord direct avec 10 touches de 0 à 9

* Affichage du canal indiqué soit à l'écran soit sur LEDS

* Exploration des canaux disponibles (autoprogrammation)

Radio FM (88.1 Mhz à 107.9 Mhz)         F.I. = 10.7 Mhz

Fréquence de l'oscillateur local = Fréquence reçue + F.I. = 98.8 Mhz à 118.6 Mhz

Les nombres N = 494 à 593 correspondent aux 100 stations FM possibles. 494 correspond à la première station, 495 à la deuxième station, 496 à la troisième station etc...

1ère station: 98.8 Mhz / (20 x 494) = 10000 Hz

2ième station: (98.8 Mhz + 200 Khz) / (20 x 495) = 10000 Hz

3ième station: (98.8 Mhz + 200 Khz + 200 Khz) / (20 x 496) = 10000 Hz

etc.

2.5. Détermination des nombres N du diviseur programmable :

Les nombres N du diviseur programmable sont définis en fonction de la largeur de bande de chaque canal de radiodiffusion soit 200Khz en FM et 10 Khz en AM.

            Fo

----------------- = 200 Khz pour la radio FM

            N

            Fo

et --------------- = 10 Khz pour la radio AM

            N

Radio FM

Le prédiviseur a pour rôle d'ajuster la fréquence issue de l'oscillateur local à la fréquence de référence issue de l'oscillateur à quartz.

01 :          Fr = 7.2 Mhz, M = 720                ========> Fr / M = 10 Khz

                Fo = 98.8 Mhz, N = 494              ========> Fo / N = 98.8 Mhz / 494 = 200 Khz

                200 Khz / P = Fr / M = 10 Khz     ========> P = 200 Khz / 10 Khz = 20

Le raisonnement est le même pour toutes les stations et dans tous les cas P = 20.

Radio AM

Le prédiviseur a pour rôle d'ajuster la fréquence issue de l'oscillateur local à la fréquence de référence issue de l'oscillateur à quartz.

01 :          Fr = 7.2 Mhz, M = 720         ========> Fr / M = 10 Khz

                Fo = 995Khz, N = 99.5         ========> Fo / N = 995 Khz / 99.5 = 10 Khz

                10 Khz / P = Fr / M = 10 Khz ========> P = 10 Khz / 10 Khz = 1

Le raisonnement est le même pour toutes les stations et dans tous les cas en radio AM, P = 1.

b- Tuner AM/FM Sherwood TD2220C, Kenwood KT59/1020L

3. Les principales caractéristiques de radio AM et FM (MPX)

3.1. Schéma bloc d’un récepteur à boucle PLL

3.2. Principe de l’hétérodyne

- Signaux d’entrée du mélangeur :

Fo = fréquence de l’oscillateur local

Fc = fréquence de la station syntonisée 

- Signaux de sortie du mélangeur :

Fo

Fc

Fo - Fc

Fo + Fc

Fc – Fo

- Signal sélectionné : 

IF        =          Fo - Fc           =          455 Khz en radio AM

=         10.7 Mhz en radio FM

 3.3. Spécifications techniques

- Radio AM 

Gamme de fréquences                    =          535 Khz à 1705 Khz

Fréquence intermédiaire (IF)           =          455 Khz

Largeur du canal                             =          10 Khz

Largeur occupée par le signal audio =          5 Khz

Fréquences porteuses                      =            540 Khz à 1700 Khz (117 stations) 

- Radio FM 

Gamme de fréquences                     =          88 Mhz à 108 Mhz

Fréquence intermédiaire (IF)            =          10.7 Mhz

Largeur du canal                              =          200 Khz

Largeur occupée par le signal audio  =          15 Khz

Fréquences porteuses                      =          88.1 Mhz à 107.9 Mhz (100 stations)

3.4. La séparation des canaux en radio FM 

3.4.1. Les signaux envoyés par un émetteur de radio FM sont : 

. Le signal monophonique (L + R)

. Le signal stéréophonique (L-R) modulé en amplitude avec porteuse (38 Khz) supprimée 

“DSB” (double side band suppressed carrier)

. La fréquence pilote de 19 Khz

Ces trois signaux modulent en fréquence une porteuse haute fréquence comprise entre 88.1 Mhz et 107.9 Mhz. 

3.4.2. Le générateur “FM stéréo” est un simulateur d’un émetteur de radio FM. À la sortie RF du générateur, on dispose d’une porteuse de 100 Mhz ± 1 Mhz modulée en fréquence par : 

. L - R

. L + R

. L

ou        . R 

La fréquence du signal utile (audio) est de 1 Khz. 

3.4.3. Procédure pour faire la séparation des canaux : 

- Élimination du signal L du canal de droite

. On injecte le signal RF du générateur à l’entrée d’antenne FM

. On place le pilote 19 Khz à “ON”

. On place l’interrupteur de fonction du générateur sur L

. On place le syntonisateur du récepteur à 100.1 Mhz ± 1 Mhz (réception stéréo)

. On branche l’oscilloscope au point test TP 234 (R)

. On ajuste SVR 24 de façon à avoir le signal le plus faible possible. 

- Élimination du signal R du canal de gauche

. On déplace l’interrupteur de fonction du générateur sur R

. On déplace l’oscilloscope au point test TP 233 (L)

. On ajuste SVR 24 de façon à avoir le signal le plus faible possible. 

Le but de la séparation est d’avoir deux signaux distincts dans les canaux L et R de façon à reproduire le signal stéréo originel envoyé par l’émetteur.

3.4.4. Signaux obtenus à l’entrée du décodeur stéréo ou signal MPX

b/ Générateur sur L - R, pilote à “OFF”

c/ Générateur sur L + R, pilote à “ON”

d/ Générateur sur L + R, pilote à “OFF”

e/ Générateur sur L ou R avec “bonne séparation”

f/ Générateur sur L ou R avec “mauvaise séparation” (la ligne de base présente une ondulation)

Un afficheur fluorescent est du type “tube à vide” qui comprend un filament (cathode), une grille et un segment (anode).

. Le filament est alimenté par une tension AC comprise entre 3V et 4V pour créer l’effet thermoélectronique et émettre des électrons. 

. Le segment qui est l’anode est polarisé positivement (+ 5V DC) pour attirer les électrons émis par la cathode. 

. La grille placée entre le filament et le segment est polarisée négativement pour contrôler le débit d’électrons. Si on augmente la tension négative sur la grille, il existe une valeur pour laquelle les électrons sont empêchés de passer. 

La fluorescence est obtenue lorsque les électrons attirés par l’anode frappent sur une couche fluorescente (poudres d’éléments fluorescents). 

Exemple pratique : tubes à rayons fluorescents du tuner “Fisher FM-9335” 

Comme le montre le bloc de la page 14 du manuel de service, les grilles et les segments peuvent être sélectionnés pour faire apparaître une ou plusieurs informations sur l’afficheur.

L’afficheur en entier est divisé en 8 parties (grilles G1 à G8) contrôlées par un signal digital envoyé par le microprocesseur (GD1 à GD8).

Chaque grille est elle-même divisée en un maximum de 9 éléments ou segments (S0 à S8) commandés par un “signal segment” provenant du microprocesseur.

La fréquence du signal est de l’ordre de 500 Hz. 

Potentiels : 

. Le filament est alimenté par une tension AC d’environ 3.7 volts. Pour éviter de brûler le filament en cas de surtension sur le réseau, une zener (D2906) est placée entre les deux connections du filament pour limiter la tension AC à 3.9 volts. 

. Le potentiel de fonctionnement du segment est de l’ordre de 5 volts. 

. La grille est portée à une tension de -30 volts pour empêcher le passage des électrons. 

Poudres fluorescentes : 

. Y(VO4)Eu = vanadate d’yttrium (affichage rouge)

. (ZnCd)S = zinc cadmium et soufre (affichage vert)

5. Fonction de chacune des sections d'un récepteur FM