Après avoir réalisé un analyseur de réseau 200Hz-60MHz , on a cherché à prolonger la plage de mesure jusqu’à 150MHz ; la dynamique de mesure a aussi été améliorée.

Par rapport à l’analyseur 60MHz, les principales différences sont :

– utilisation de générateurs à synthèse directe AD9951 , à la place des AD9851 (pour pouvoir monter jusqu’à 150MHz).
– utilisation de convertisseurs analogiques numériques LTC2440 , à la place des ADS1251 , (étant un peu moins bruyant, le LTC2440 permet d’améliorer la dynamique de mesure). Le LTC2440 est le convertisseur utilisé sur l’analyseur N2PK.

Bien qu’étant différents de l’analyseur N2PK (dans le principe et la réalisation) , les analyseurs décrits sur ce site bénéficient de plusieurs idées provenant de cet analyseur .

La description de cet analyseur est en partie un copier-coller de celle de l’analyseur 60MHz, les deux analyseurs étant assez semblables.

Pour bricoler en électronique, le premier appareil de mesure dont on a besoin est un voltmètre.

Ensuite très vite, on a besoin d’un oscilloscope pour voir un peu se qui se passe ou comprendre pourquoi ça ne veut pas marcher.

En électronique analogique, on a aussi besoin de pouvoir mesurer les composants passifs : condensateurs, selfs, transformateurs etc … Pour mesurer ces composants on peut acheter ou construire un appareil simple ; mais la mesure est souvent faite à une seule fréquence et ne donne pas d’indication sur les pertes dans le composant.

Pour mesurer les caractéristiques d’un quartz il faut disposer d’un appareil plus sophistiqué .

Pour étudier la stabilité d’une boucle d’asservissement ou pour mettre au point un oscillateur, il faut mesurer avec précision le gain et la phase de la boucle ouverte.

Il est possible de faire ces mesures à l’aide d’un générateur sinusoïdal et d’un oscilloscope mais c’est un travail long et pas très précis et on se décourage très vite.

Il existe un appareil qui facilite bien ces mesures : c’est l’analyseur de réseau

Les analyseurs de réseau du commerce sont généralement très sophistiqués, très performants mais hors de prix pour le bricoleur. Nous avons donc essayé de fabriquer un petit analyseur de réseau.

L’appareil que nous avons construit est principalement constitué d’un générateur sinusoïdal piloté par un ordinateur personnel, et d’un voltmètre relié au même ordinateur personnel (PC) .

Le voltmètre fonctionne un peu comme un détecteur synchrone, il mesure l’amplitude et la phase du signal à la fréquence du générateur.

La plage de fréquence de mesure s’étend de 1000 Hz à 150 MHz. La résolution en fréquence est approximativement de 0.093 Hz.

Avec une vitesse de balayage ralentie, il est possible de faire des mesures jusqu’à 20 Hz.

L’analyseur permet la mesure du gain et de la phase (ou le retard de groupe) des filtres et des amplificateurs ( en fonction de la fréquence ) ; l’échelle des gains peut être linéaire ou logarithmique (échelle en dB) .

Le balayage en fréquence peut être linéaire ou logarithmique .

L’analyseur de réseau permet aussi la mesure des impédances .

On peut choisir d’afficher :

– le module de l’impédance et son argument (phase)
– la partie réelle et la partie imaginaire de l’impédance
– le module et la phase de S11
– pour un condensateur : sa capacité et son facteur de qualité
– pour une self : son inductance et son facteur de qualité

 

La communication entre le PC et l’analyseur se fait par l’intermédiaire d’un port USB.

 

Une description de l’appareil , les schémas électriques ainsi que les programmes pour le faire fonctionner sont disponibles (pour windows et pour linux ) au bas de l’article.

 

Voici quelques mesures que nous avons réalisées avec cet appareil:

Mesure de l’impédance d’un quartz à 32768 Hz

Voici la courbe montrant la résonance série et la résonance parallèle d’un quartz de montre.

(l’échelle des impédances est logarithmique, l’échelle des phases est linéaire).

Pour tracer cette courbe, il faut un peu de patience et aussi prendre quelques précautions.

Au voisinage de la résonance série, si on envoie trop de puissance dans le quartz, il peut se briser. A la résonance série, la puissance dissipée dans le quartz est donnée par P=U*U/R avec U=tension aux bornes du quartz, R= impédance du quartz à la résonance série . P doit être de l’ordre du micro-watt.

Au voisinage de la résonance série, la vitesse de balayage doit être très lente pour laisser le temps au quartz de se stabiliser après chaque changement de fréquence.

Au voisinage de la résonance parallèle, l’impédance devient très grande, jusqu’à 838MΩ. Régler le générateur à 8dBm, et choisir une vitesse de balayage lente pour avoir le moins de bruit possible sur les mesures.

En mesurant la fréquence de la résonance série (fs) et la fréquence de la résonance parallèle (fp), en mesurant l’impédance à la résonance série (rs) ainsi que de la capacité du quartz (cp) (mesurée loin de la résonance), on peut calculer la valeur des paramètres du schéma équivalent de notre quartz.

Ls=self série . Cs=capacité série

fs=32764,06Hz . rs=9625Ω . fp=32800,87 Hz . cp=1,377 pF

wp=2*π*fp . ws=2*π*fs

Ls=1/(cp*(wp^2-ws^2))   Cs=cp*(wp^2-ws^2)/ws^2

Ls=7,62199929*10^3 henry . Cs=3.09582166*10^-15 farad

Le coefficient de qualité Q=163000

A l’aide du simulateur LTspice, on trouve la valeur du condensateur qu’il faut mettre en série avec le quartz, pour déplacer la résonance série à la valeur exacte de 32.768 KHz . C = 11,2pF

Remarque : n’ayant pas, pour l’instant, étalonné l’oscillateur à 20MHz qui sert de référence à l’analyseur, ces mesures ne sont utiles qu’à titre d’exemple.

 

Mesure de l’impédance à l’entrée d’un câble coaxial avec l’autre extrémité ouverte

(l’échelle des impédances est logarithmique, l’échelle des phases est linéaire).

Le câble mesure 3,07 m de long, la position des minimas et des maximas est fonction de la longueur du câble. La distance entre deux maximas (ou minimas) consécutifs, est inversement proportionnel à la longueur du câble. Cette mesure peut permettre de trouver à quelle distance un câble est coupé ou est en court-circuit.

 

Mesure de l’impédance à l’entrée d’un câble coaxial, l’autre extrémité du câble étant terminé par une résistance égale à l’impédance caractéristique du câble.

C’est le même câble que précédemment, mais maintenant l’échelle des impédances est linéaire, et le câble est terminé par deux résistances de 100Ω mises en parallèles (pour avoir 50Ω).

Les deux résistances sont des résistances pour le montage en surface, le boitier est 1206; elles sont montées à 180 degrés l’une par rapport à l’autre. La longueur des connexions est très courtes.

Pour déterminer l’impédance caractéristique d’un câble, on recherche la valeur de la résistance qu’il faut mettre à une extrémité du câble, pour qu’à l’autre extrémité, l’impédance varie le moins possible avec la fréquence.

Une autre méthode consiste à utiliser un générateur de signal carré et un oscilloscope.

On peut aussi, avec un analyseur de réseau, utiliser la  » time domain reflectrometry » pour déterminer l’impédance caractéristique d’un câble; mais pour l’instant le programme de notre analyseur de réseau, ne permet pas de le faire.

 

 

Mesure d’un filtre passe bande à 10MHz

L’échelle des gains est de 20dB/division
Comme pour l’analyseur N2PK, le système de détection est sensible aux harmoniques. Sur ce type de courbe, il a été nécessaire de choisir 16 points de mesures par cycle, pour rejeter les harmoniques impaires jusqu’au rang 13. Voir la description de l’analyseur pour plus d’explication.

Ce filtre est constitué de 3 résonateurs parallèles (L=150nH, C=1500pF), couplés par des condensateurs de 150pF, les condensateurs à chaque extrémité ont pour valeur 300pF.

Pour mesurer la première partie de la courbe, la vitesse de balayage était très lente, de façon à avoir la plus grande dynamique possible.

Mesure de condensateurs COG et polyester

Les deux condensateurs ont une valeur proche de 1000pF

En jaune sombre et vert sombre, c’est le condensateur avec le diélectrique COG (en boitier 1206).

La valeur de la capacité reste constante jusqu’à 20MHz, le coefficient de qualité Q, est très élevé (jusqu’à plus de 10000), la fréquence de résonance est au dessus de 150MHz.

En jaune clair et vert clair, c’est le condensateur polyester (avec des pattes de 4mm de long). La capacité n’est pas constante, elle diminue avec la fréquence. Le coefficient de qualité est de 10 fois à 100 fois plus faible que celui du diélectrique COG. (D’autre part, la capacité du condensateur polyester varie beaucoup plus avec la température que celle du condensateur COG).

Pour pouvoir mesurer le coefficient de qualité du condensateur COG dont la valeur est de plusieurs milliers, il faut pouvoir mesurer un écart de phase de quelques millième de degrés par rapport à 90 degrés, alors que l’impédance est de plusieurs KΩ. L’impédance augmentant quand la fréquence diminue, le bruit sur la mesure de Q, augmente quand la fréquence diminue.

Une fois que l’acquisition est faite, il est possible d’afficher la mesure dans le format qui nous convient : module et argument de l’impédance, partie réelle et partie imaginaire de l’impédance, capacité et facteur de qualité …etc

Le résultat de la mesure peut-être sauvegardé sous la forme d’un fichier image avec l’extension .bmp (1024*768) ; ou bien les résultats numériques de la mesure peuvent être enregistrés sous la forme d’un fichier avec l’extension .s1p pour un dipôle ou .s2p pour un quadripôle.

Ces fichiers de type s1p ou s2p peuvent être importés dans des logiciels de simulation comme Qucs, RFSIM99 ou d’autres. Pour utiliser les fichiers s1p et s2p avec LTspice, il faut faire une conversion de format (voir le forum des utilisateurs de LTspice).

 

Description de l’analyseur, schémas électriques et quelques indications pour utiliser les programmes : ana_francais_150mhz_2-2.pdf

Les programmes pour windows (sources et exécutables) : analyseur_reseau_windows-3.zip

Les programmes pour linux (ubuntu) (sources et exécutables) : anareso25.zip

Le programme à mettre dans l’ATmega168 :  arduino_anareso_150_v01.zip

Les accessoires de mesures : accessoires_de_mesure-2.pdf

Les circuits imprimés sous la forme d’images en .pdf : anareso_circuit_imprime.zip

 

Quelques photos des cartes : 

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Sur les photos des générateurs, certains composants ne sont pas visibles; car (suite à de nombreuses modifications) ils ont été installés du coté du plan de masse (transistors BFR520, condensateurs de 330uF et quelques résistances).

Une nouvelle étude des circuits imprimés a été faite. Pour l’instant, n’ayant pas d’autres AD9951, on n’hésite à dessouder ceux que l’on a sur notre prototype pour les ressouder sur la nouvelle étude (de peur de les abimer lors de la transplantation !).

 

Contact : Si vous avez des questions, des remarques ou des suggestions, n’hésitez pas à écrire à : jacqueslacroix(at)free.fr

Quelques liens

http://www.freebasic.net/

http://www.arduino.cc/ (pour l’interface USB)

http://www.lancos.com/prog.html (pour le logiciel PonyProg)

http://n2pk.com/ (analyseur de réseau très bien documenté et qui a été reproduit un très grand nombre de fois.)

http://www.linear.com/designtools/software/switchercad.jsp
(logiciel de simulation LTspice , très utile pour simuler certaines parties de l’analyseur.)

http://groups.yahoo.com/group/LTspice (groupe d’utilisateurs pour le logiciel LTspice, on y trouve le modèle du MC1496)

http://www.memresearch.com/download.htm (pour le logiciel freeEM3DS que l’on a utilisé pour mettre au point le filtre 400MHz)

http://qucs.sourceforge.net/ (Qucs est un logiciel de simulation qui permet entre autres de faire de la simulation avec les paramètres S)

http://electroschematics.com/835/rfsim99-download/
(pour faire de la simulation avec les paramètres S)

http://contact.tm.agilent.com/Agilent/tmo/an-95-1/ (une explication sur les paramètres S)

http://www.wetterlin.org/sam/PortView/PortOverview.htm
(PortView est un programme Windows qui permet la manipulation et l’affichage des paramètres S, pour les dipôles et les quadripôles)