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Assemblage de la carte Hermes Lite V2, SDR 12 bits 60 MSPS

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Radio Radios logicielles, transmissions numériques, expérimentations HF

Quoi ?

Hermes Lite est la seconde version d’un SDR de type DDC/DUC conçu par Steve Haynal KF7O, et reposant essentiellement sur un AD9866 circuit spécialisé initialement conçu pour les câbloopérateurs. Ce composant regroupe un DAC pour la synthèse de signaux d’émission et d’un ADC 12 bits 80 Millions d’échantillons par seconde (MSPS) pour l’échantillonnage coté réception, le tout entouré des étages d’amplification ou d’atténuation nécessaires.

Une première version utilisait une clef USB destinée aux développeurs, intégrant, outre l’AD98966, un FPGA et ses circuits périphériques, dont une interface Ethernet chargée d’assurer la liaison avec l’ordinateur chargé du travail de modulation/démodulation par logiciel. Le FPGA, quant à lui, est essentiellement chargé d’effectuer le pré-traitement des signaux numériques provenant ou à destination d’un logiciel « client » (Quisk, PowerSDR, GNU-Radio… ). Cette architecture ADC/FPGA/port Ethernet est comparable à celle des transceivers développés par le groupe OpenHPSDR (HPSDR, Hermes et autres évolutions de cette architecture). Le firmware développé par Steve KF7O est un portage fidèle de celui également développé par le groupe OpenHPSDR. Hermes Lite est, par conséquent, totalement compatible avec les logiciels prévus pour fonctionner avec des transceivers tels que l’Odyssey, le HiQSDR, la famille Anan etc, et peut servir de « matériel d’initiation » aux radios logicielles à échantillonnage et synthèse directe.

La seconde version de ce Hermes respecte en tous points cette architecture, sans souffrir des inconvénients de la V1 (montage très « prototypesque » assemblé à grand renfort de connecteurs exotiques). AD9866, interface Ethernet gigabit, horloges, FPGA sont désormais tous regroupés sur un seul et même pcb, de 10x10 cm. Sur cette même carte se trouve également un réseau multitensions d’alimentation, et un push-pull de transistors LD-Mos qui délivre 5W HF de 1 à 30 MHz. Une carte de filtrage optionnelle de 5x10 cm accompagne cet ensemble.

Le montage compte un peu moins de 250 composants (certains totalisent un nombre impressionnant de pattes… disons que l’ensemble doit friser les 700 à 800 points de soudure) et nécessite à peu près 3 jours complets de travail entre le moment ou l’on pose la première brasure et celui ou le dernier point refroidit. A ceci l’on doit ajouter à peu près autant de temps en matière de travaux mécaniques selon le type d’intégration que l’on envisage, et une bonne journée doit être réservée aux tests et à la programmation.

Pour qui  ?

Cette page est destinée aux radioamateurs et hackers qui souhaitent construire un Hermes Lite V2 (release 7), SDR capable de traiter un spectre de 30 MHz. Est également concernée toute personne cherchant à comprendre ce qu’est un émetteur-récepteur de type DDC/DUC, ainsi qu’aux hackers en quête d’une plateforme d’échantillonnage capable de servir d’analyseur vectoriel, de fréquence intermédiaire pour tout type de transmission sur n’importe quelle fréquence.

A la fois open hardware et open software, ce système peut être modifié, perfectionné, détourné ad nauseam, et offre, par défaut, une pleine et entière compatibilité avec le socle matériel et logiciel du groupe OpenHPSDR (HPSDR, Hermes, Odyssey, HiQSDR, et clônes du commerce tels que les transceiver d’Apache Labs)

Pourquoi ?

• Parce que c’est actuellement le moins cher des transceivers SDR DDC/DUC et que le montage « perso » permet d’économiser quelques euros
• La réalisation d’un tel montage est l’occasion pour chacun de se frotter aux composants de taille « petite mais non inhumaine » : composants passifs format 0603, circuits intégrés en boitier QFN, QFP, TSSOP et quelques rares SOIC. Pas de boitier BGA, mais au moins deux éléments délicats à souder, un quartz et un oscillateur. Ce n’est pas une réalisation pour débutant, ce n’est pas non plus un projet pour « semi-pro » et autre gourous de la HF.
• C’est également un montage riche d’enseignements en matière de programmation, debugging logiciel et matériel, architecture radio… etc.
• C’est enfin un excellent transceiver qui, pour le quart ou le huitième du prix d’un appareil du commerce, offrira au moins des performances comparables, au mieux une sensibilité et un dynamique largement supérieure. Seul inconvénient, pour moins de 200 euros, vous ne possèderez pas d’une collection de bouton brillants, d’un logo

Comment ?

Chaque personne souhaitant s’engager dans un tel projet doit maitriser les rudiments de la brasure des composants électroniques à montage de surface, et posséder :

• Un fer à souder équipé d’une panne « aiguille », à température réglable
• De quoi nettoyer régulièrement ladite panne aiguille
• Du flux, du flux, du flux. L’un des meilleurs -mais hélas un peu cher- est le flux pâteux vendu en seringues, de la marque CIF (le Circuit Imprimé Français). Un flux artisanal obtenu par mélange de colophane et d’alcool isopropylique s’avère tout aussi efficace mais exige un nettoyage plus énergique.
• Du fil de soudure de diamètre 0,3 ou 0,35 SnPb ou SnPbAg (l’utilisation de soudure ROHS est fortement décommandée)
• Au mieux une loupe binoculaire, au pire une « caméra microscope USB »
• Un jeu de pinces précelles à becs très fins et très pointus
• De l’alcool isopropylique pour nettoyer le flux demeuré sur le pcb après soudures
• Un wagon de coton-tige également destinés au nettoyage
• De la patience
• Un bon éclairage
• Un oscilloscope (optionnel) ou une clef RTL-SDR capables de fonctionner en mode « échantillonnage direct » (vérification de fonctionnement des deux oscillateurs)
• Un voltmètre
• De la patience et de la constance

En cas de panique, un forum consacré au montage du Hermes Lite est ouvert à tous et met en relation débutants et monteurs expérimentés.

Ressources

Le portail du Hermes Lite donne accès aux multiples ressources nécessaires au montage et à l’utilisation de ce SDR :

• Un groupe de discussion (en anglais) sur les serveurs Google Group
• Un Wiki offre une foultitude d’informations sur les méthodes de test, d’assemblage et extensions possibles (notamment en matière de filtrage)
• Les fichiers du firmware ainsi que les schémas électroniques et fichiers indispensables à la réalisation des circuits imprimés
• Dans le répertoire « hardware » se trouvent les fichiers spécifiques à la version 7 du montage
• ... Et notamment les listes de composants (BOM) ainsi que la « BOM interactive », fichier html qui facilite le repérage de chaque série de composants à assembler (hl2b7-ibom.html)

Guide de montage rapide

Imprimez le fichier BOM « bom.assembly.pdf », le schéma « hermeslite.pdf » puis ouvrez dans un navigateur le fichier de la BOM interactive hl2b7-ibom.html. Prenez un moment pour « lire » le plan, situer les différents étages (dac/adc, sortie Ethernet, alimentations, préamplification et amplification émission, fpga… ). Notez que tout composant marqué « DNI » (do not install) est généralement destiné à faciliter certains tests ou modifications. Ils ne doivent pas être montés dans la version de « production », sauf désirs particulier du monteur.

  Attention, le nombre de composants dans chaque kit correspond très exactement 
  au nombre nécessaire pour chaque montage, ne perdez aucune pièce.

Les passifs

Soudez la grande majorité des condensateurs de 0,1uF. Il y en a près d’une centaine. Si vous êtes débutant, c’est le moyen le plus sur pour s’échauffer et se préparer à la brasure des composants plus miniaturisés. N’installez pas le moindre composant s’il se trouve dans l’immédiate proximité (5mm) d’un circuit intégré, particulièrement les boitiers QFN et TSSOP ou les deux quartz et oscillateur.

A chaque composant posé, biffez son symbole sur le schéma hermeslite.pdf.

• Déposez une légère goûte de soudure sur un pad (si possible celui qui n’est pas côté GND, en raison de la forte inertie thermique de ce côté de l’empreinte)
• Tout en contrôlant l’alignement du composant à la loupe binoculaire, glissez le condensateur à plat sur le pcb, jusqu’à ce qu’il arrive en contact avec la goutte de soudure précédemment déposée.
• Appliquez la pointe du fer sur la goûte d’étain, faites pénétrer le composant dans le point de métal en fusion. Vérifiez le centrage du composant de façon à ce que les « pad » de soudure situés des deux côtés soient facilement accessibles
• Retirez le fer. La brasure, une fois refroidie, doit maintenir le composant en place.
• Soudez l’autre côté du composant, en prenant garde à ce que le métal fondu progresse sur le pcb et le contact du composant par capillarité
• Déposez une très légère couche de flux sur la première soudure, puis re-chauffez la première brasure tout en exerçant une légère pression sur le composant. Cette opération a deux but : d’une part éliminer l’oxydation du premier point de soudure, qui a été chauffé durant une période peut-être un peu trop longue lors du placement du condensateur. D’autre part, la pression sur le composant permet de tester si le second point de brasure a bel et bien été réalisé dans les règles de l’art. En cas de « collage » (mauvaise soudure ), le composant partira sous la pression de la panne. Vous l’avez compris, dans ce cas, il faut tout recommencer.

Une fois les 100 nano posés, passez successivement

- Les ferrites

- Les jumpers (résistances de 0 Ohms) marqués « JNC » (jumper normally closed)

- Les condensateurs 10uF 0603

- Les résistances 10k

- Les résistances 4,7k

- Et ainsi de suite jusqu’au dernier composant passif « éloigné » de tout circuit intégré et par ordre décroissant de quantité (R55, 120 Ohms).

- Ajoutez les 3 résistance de pull-up de 3.3k R117, R118 et R119 (face inférieure, tiers inférieur, dans l’alignement de Q2

- Vérifiez que vous n'avez pas oublié de placer un jumper 0 Ohms en lieu et place de L33 et L34

- Soudez les selfs de filtrage L4 à L11. Attention, ces composants sont délicats et très sensibles à la chaleur, procédez avec précaution. Vérifiez à l’Ohmmètre la continuité du circuit après que chaque self ait été posée.

- Installez les LED D2 à D5

- Certaines résistances et condensateurs sortent des tables de valeur conventionnelles. Ces valeurs peuvent être obtenues par mise en parallèle de deux composants

 R11 => 35,7k avec 68k+75k (valeur résultante : 35,66k)
 R19 => 16,2k avec 30k+36k (valeur résultante : 16,36k)
 R34 => 12,1k avec 27k+22k (valeur résultante : 12,12k)
 R12, R91 => 11,5k avec 20k+27k (valeur résultante : 11,49k)
 C84 => 270pf avec xxxxxxxxxxxxx

Offrez-vous une bière, une rasade de perchlorure, une tisane ou un rahat-loukoum selon votre planète d’origine, vous venez d’abattre la partie la moins passionnante de ce montage

Les alimentations

• Installez U3, U16, U8, U19, U12, U17, Q1, D12, (cette dernière sous le pcb, près de DB9) et leur composants passifs périphériques. Il est fortement recommandé de réaliser cette opération sous loupe binoculaire, car le centrage des circuits intégrés est délicat. Trop décalés, et il devient plus difficile d’obtenir de belles remontées de brasure sur un des coté des C.I.. A noter, D1 n’a pas de sens de montage.

Attention : le repère de la broche 1 est matérialisé par un des coté du CI taillé en biseau. Ce biseau est orienté vers le « bas » de la carte, le coté opposé jouxtant les grosses inductances L1, L2 et L3 (voir photo)

• Après application d’une goutte de flux, faites couler un petit point de brasure sur la semelle de chaque régulateur ST1S10 via les trous situés sous ces composants (face inférieur du pcb). Ce rappel de masse est primordial pour la stabilité de la tension de sortie des alimentations. Prenez garde à l’inertie thermique de cette semelle et du plan de masse du pcb. Une panne aux alentours de 330 °C peut faciliter la fusion de la brasure, une température plus élevée serait dangereuse tant pour le composant que pour le support.

Une bonne couche de flux favorisera la propagation de la brasure sous les contacts de L1, L2, L3 et du fusible à réarmement automatique F1.

• Vérifiez la présence de J24. Sans ce jumper, le comportement de la mise en marche de l’alimentation est modifié.
• Installez l’un des deux connecteurs d’alimentation.
• Placez le montage sur une surface isolante, écartez tout générateur de crème de court-jus (pinces précelle, bobine de soudure, tournevis, fer à souder, cutter…)
• Si vous disposez d’une alimentation limitée en courant, réglez là entre 12 et 15V 150 mA maxi
• Branchez l’alimentation, mettez le montage sous tension. Gardez une main sur le bouton marche/arrêt de cette alimentation, coupez immédiatement en cas de fumée bleuâtre, odeur âcre ou flash de lumière… cela arrive aux meilleurs d’entre nous. Si rien ne fume, placez le bord de la main sur les principaux circuits intégrés de l’alimentation, aucun ne doit être chaud (il n’y a aucun débit)
• Avec un voltmètre, mesurez chaque sortie d’alimentation

Côté chaud de L1, L2 et L3 pour 3.3V, 1.2V (tension fpga, PHY, mémoire, ADC/DAC) et 8V (tension P.A.)

      Coté chaud de C25/broche 5  de U17 pour 2.5V (fpga)
      Côté chaud de C88/broche 5 de U19 (10V bias)
      Côté chaud de R91/broche 1 de U12 (10.15V driver ampli op)

En cas d’absence d’une de ces tensions et chaleur anormalement élevée d’un régulateur, soupçonnez la présence d’un court-circuit (goute de soudure, condensateur de découplage mal soudé… ). En aucun cas ne poursuivez la construction du Hermes Lite tant que ce gremlin n’aura pas été tué.

• Une fois cette première série de mesure achevée, reprenez, rail par rail, chaque tension et vérifiez sa présence sur les « pads » (pastilles de brasure) des composants actifs qui seront alimentés .

Exemple : VPA (8V) au bornes 3 et 4 de U14, au point milieu de T3 et sur les drains de Q3 et Q4 si vous avez installé T3 ou avez provisoirement court-circuité par un petit bout de fil tous les points du primaire de l’empreinte du transformateur. Chaque point d’alimentation direct, notamment sur les pads de soudure du fpga et des trois circuits intégrés QFN doivent être vérifiés. 1,2V sur tous les VCCD_PL et VCCINT du fpga et DVDDL du PHY 2.5V sur les VCCA et MSEL du fpga …etc

• En cas d’absence d’une de ces tensions, vérifiez les soudures des jumpers JNC, des ferrites FBx. Ce contrôle nécessite au moins une bonne heure de travail.

Interface Ethernet et Versaclock

• Soudez le quartz 25 MHz.

Pour ce faire, étamez très légèrement les pastilles du PCB et collez un point de soudure sur les contacts du quartz (une couche de flux aidera à maintenir cette soudure sous forme de goutte. Ajoutez une couche de flux sur cet étamage. Positionnez le quartz à l’aplomb de ses empreinte, centré au mieux. Maintenez une pression verticale sur le capotage du composant (pointe de pince précelle par exemple)

A ce stade, deux méthodes :

- Soit vous soudez les contacts du quartz en ajoutant un peu de brasure et en faisant en sorte que la capillarité facilite le déplacement du métal en fusion sous le composant (méthode délicate)

- Soit vous maintenez une légère pression verticale sur le quartz et soumettez le composant à un jet d’air chaud avec une station de reprise. Choisir la buse la plus étroite (4 mm par exemple)

• Tartinez de flux le pad « semelle » du transceiver Ethernet, posez le composant en place, faite TRÈS attention à la position du repère (le point doit se trouver du coté du quartz). Centrez-le à la binoculaire, puis soudez l’un des contacts et pad situé dans un angle. Revérifiez le centrage du composant, l’absence de perte de pas sur les quatre faces. Le moindre décalage exigera une retouche du point de soudure et un déplacement du QFN.

Lorsque tout est bon, collez un second point de soudure sur l’angle diamétralement opposé du composant. Revérifiez une fois de plus l’alignement des contacts et des pads, la bonne position du « point » repère.

• Déposez un cordon de flux sur la périphérie du composant. Branchez une panne tournevis de petite taille (RT4 Weller par exemple), mouillez la panne à l'étain, puis glissez la panne le long de l’ange formé par le bord du QFN et le plat du PCB, en partant d’un côté ne comportant aucun des deux points de soudure précédemment effectué. La brasure doit s’appliquer sans difficulté, sans pont, sur la totalité des points. Ignorez d’éventuels ponts de soudure, ils seront éliminés à la tresse en fin d’opération. Répétez ce travail sur les trois côtés restant, éliminez ensuite les éventuels ponts de soudure, en prenant soin de repasser une panne légèrement étamée sur les contacts. Ne lésinez surtout pas sur le flux.
• soudez les composants périphériques, notamment R134,C36 et C37, C38 et C40, éventuellement FB9 et FB11 si ces ferrites n’ont pas déjà été soudés.
• Branchez à nouveau l’alimentation, connectez une sonde d’oscilloscope sur le côté chaud de C36. Une sinusoïde à 25 MHz doit s’afficher. Dans le cas contraire, vérifiez la brasure des capas talon, tentez de resouder le quartz avec un jet d’air chaud très directif -attention à la présence du transceiver Ethernet, vérifiez en visée rasante et en lumière affleurante la qualité des points de soudure du QFN.
• Répétez strictement la même procédure, avec la même attention, pour l’ensemble oscillateur 38.4 MHz/horloge Versaclock. La seule précaution à prendre et l’orientation de l’oscillateur et son centrage submillimétrique sur l’empreinte (les deux plots centraux ne sont pas utilisés et ne doivent pas entrer en contact avec les pads latéraux). Le repère de l’oscillateur -petit cercle situé dans l’ange inférieur gauche de l’oscillateur- doit pointer en direction de l’emplacement R38.
• Soudez les composants passifs périphériques restants : R39, 41, 42, 45, B63, B57.
• Branchez à nouveau l’alimentation, connectez une sonde d’oscilloscope sur le plot de soudure situé sous B57. Une sinusoïde à 38.4 MHz doit s’afficher. Dans le cas contraire, tentez de resouder l’oscillateur avec un jet d’air chaud très directif -attention à la présence du Veraclock-, vérifiez en visée rasante et en lumière affleurante la qualité des points de soudure du QFN.

ADC/DAC, FPGA et les autres

Les opérations restantes relèvent de la promenade de santé comparées aux deux précédentes. L’AD9866 se brase de la même manière que les circuits Versaclock et PHY. Le repère du circuit intégré doit pointer vers la marque « U7 » et le cercle imprimé sur le masque de soie. Les condensateurs périphériques sont ajouté après coup. Ne pas oublier J10. La semelle de l’AD9866 doit impérativement être soudée pour éviter les risques d’auto-oscillation et améliorer la dissipation thermique de ce circuit. Si vous possédez un dissipateur pour boitier de ce type, collez le à ce stade.

• Le boitier du FPGA est marqué par deux cercles diamétralement opposés. L’un est le point d’injection de la résine époxyde lors de l’encapsulation du circuit intégré, l’autre est le repère de la broche 1… il est primordial de ne pas les confondre. Le « repère » est d’un diamètre plus petit que le point d’injection et doit être positionné sur le repère « U2 » du masque de soie, et en direction de l’empreinte CL4. Lorsque le FPGA est positionné correctement et que la carte est placée à l’endroit, face au monteur (mention « hermes-Lite 2.0-Build7 » lisible ,située en bas, à gauche de la platine), le texte « Altera Cyclon IV » doit être « à l’envers ». Vérifiez bien avec les photos ci-jointes.
• N’oubliez surtout de souder la semelle du FPGA pour éviter certains comportements bizarres des GPIO
• placez U15 et composants périphériques R47, B108
• Placez U9 et composants périphériques R51, R56, R59, R63
• Placez U13 et composants périphériques J23, B94
• Placez U1 et composants périphériques R1,R2, R3
• Placez U14 et composants périphériques. Le repère de la broche 1 est matérialisé par un trait perceptible en lumière rasante. Ce trait doit se trouver du coté de l’inscription « U14 » sur le masque de soie. La résistance shunt (fournie dans le kit) est montée après coup, ainsi que B122 et C18
• Terminez le montage par les derniers composants périphériques : les deux transformateurs, (T2, D1, J17, J19) et (T1, C81), tous les transistors Q2 à Q6, B118 proche de Q6

Nettoyage

A ce stade, aucun composant fragile (transformateurs, relais, connecteurs) n’est installé. Laissez tremper la carte dans un bain d’alcool isopropylique durant une nuit, dans un récipient fermé, le liquide affleurant la face supérieure. Nettoyez énergiquement à la brosse à dent douce les résidus de flux le lendemain, rincez une nouvelle fois à l’alcool, puis brossez à nouveau la carte sous un flux d’eau tiède et de liquide vaisselle. Après un rinçage abondant et un séchage (air comprimé si disponible), la carte est quasiment achevée.

Le Grand Final

• Il ne doit rester à installer que les « gros » composants : T3 à bobiner selon les instructions du schéma et en fonction du type de ferrite binoculaire que l’on possède, le relais K2, le connecteur jack CN4 et le « magjack » Ethernet.

Ceci achève les instructions de montage du SDR proprement dit. Il manque à ce circuit au minimum un filtre passe-bas (N2ADR ou Alexiares_lpf).