Projets:Lab:2011:SA-Scotty:SLIM-PDM

SLIM-PDM rev C Module détecteur de phase

Description Technique

SLIM-PDM, Module détecteur de phase, PCB de taille –A

Faites un « clic droit » avec votre souris et sélectionnez « Enregistrer la cible sous… » pour télécharger le fichier :

a. SKSLIM-PDM rev C, Schémas de la carte de PLL 1, format ExpressPCB.

b. LAYSLIM-PDM rev C, Dessin du circuit, format ExpressPCB. Utilisez ce fichier pour situer l’emplacement des composants. Ne surtout pas utiliser pour passer commande auprès d’ExpressPCB.

c. PLSLIM-PDM rev C, Liste des composants (BOM) du module.

d. PWB-PDM rev A, Dessin du circuit, format ExpressPCB. Utilisez ce fichier pour situer l’emplacement des composants. Ne surtout pas utiliser pour passer commande auprès de ExpressPCB.

Le SLIM-PDM est un convertisseur phase/tension sur 360°, spécifiquement conçu pour fonctionner à 10,7 MHz, mais capable de remplir sa fonction jusqu’à 30 MHz. Les entrées sur J1 et J2 peuvent être des signaux sinusoïdaux ou carrés, avec un niveau de puissance situé entre -20 et + 18 dBm pour les signaux sinusoïdaux et entre 10 mVpp et 5Vpp en signaux carrés. L’impédance nominale est de 50 Ohms, mais peut être changée pour n’importe quelle autre valeur.

La sortie J3 délivre une tension continue proportionnelle à la différence de phase entre les signaux d’entrée respectivement injectés sur J1 et J2. Cette sortie 0 à 5 V doit être chargée avec 100 kΩ ou plus. L’appréciation de déphasage « réaliste » couvre de 20 à 340 degrés avec une marge d’erreur inférieure à 0,1 degré. Le SLIM-PDM nécessite une alimentation située entre 7 et 15 V, pour un courant appelé d’environ 50 mA.

Option d'alimentaton du SLIM-PDM dans le montage de l’extension VNA

Le détecteur de phase possède une alimentation 5 Vcc pouvant servir à alimenter le module convertisseur A/N SLIM-ADC. Cette option améliore la précision de la lecture de phase.

Plan de repérage du SLIM-PDM

SKSLIM-PDM, Schéma du SLIM-PDM

Si le détecteur de phase est utilisé pour alimenter en 5 V un autre module (donc le convertisseur A/N), installez FBx et FB2. En cas d’utilisation d’une alimentation 5 V externe pour alimenter le détecteur tout entier, installez FBx et FB2 et n’installez pas U1 (c’est l’option recommandée). Si une alimentation externe est ajoutée pour N’alimenter QUE L’ETAGE FINAL du détecteur de phase, n’installez que FB2 (et pas FBx).

Description du circuit détecteur de phase

Le signal de référence appliqué sur J1 et tamponné et remis en forme par U2 et U3, puis appliqué à l’entrée de U4. Ce dernier peut sortir un signal « normal » ou inverse de 180° par simple reception d’une commande externe. Le signal de sortie de U4 (front montant positif, première impulsion) fait basculer U9 qui change l’état de sa sortie qui passe à « 1 ». Cette sortie sera automatiquement remise à zéro, ce qui crée un signal « one shot » (un « monostable ») de 10 nanosecondes. La sortie de U9 (front montant positif) pilote U5 et change son état à « 0 ». La sortie de U5 reste stable à ce niveaut tant que le circuit intégré ne reçoit pas un signal « Clear » sur sa broche 6.

Le signal arrivant sur l’entrée J2 est bufferisée et remis en signal carré par U6 et U7. La sortie de U7 (front montant, première impulsion, dite impulsion de déclanchement) commande U8 et change sa sortie à « 0 ». Laquelle est immédiatement repositionnée à « 1 », créant ainsi une impulsion monostable de 10 nanosecondes. La sortie de U8 (front descendant de déclanchement) initialise U5 pour être certain que son état de sortie est positionné à « 1 ». La sortie de U5 reste stable à « 1 » tant que le circuit ne reçoit pas le signal d’horloge suivant sur sa pinoche 1.

Notez que U2 et U6 sont des amplis buffers à basse consommation, auto-polarisés et pouvant recevoir aussi bien des signaux carrés que sinus. Ne les remplacez pas par un autre composant sans vous être assuré de ses caractéristiques de consommation.

La sortie sur U5 est un signal formé de trains d’impulsions dont le rapport cyclique est dépendant du temps durant lequel la broche 1 du U5 est à « 0 ». Ce rapport cyclique représente le rapport de phase entre les deux signaux présents sur ses entrées. La sortie de U5 est couplée à une cellule d’intégration résistance/ condensateur qui filtre les signaux carrés haute fréquence, délivrant ainsi une tension continue située entre 0 et 5 V. La valeur de la tension dépend de la phase des deux signaux d’entrée. Ce signal continu est baptisé « Phase Volts » et sort sur J3. Le filtre d’intégration n’est pas à basse impédance, en raison de la valeur de la résistance qui le constitue (10 k). C’est pourquoi toute charge reliée à J3 doit être elle aussi à haute impédance pour éviter de trop charger la sortie (ndt et ainsi écrouler le signal). La charge idéale devrait se situer au moins à 100k. La résistance d’entrée de 1 MΩ, typique d’un Voltmètre numérique ou de l’entrée du convertisseur A/ N convient parfaitement à la sortie du détecteur de phase.

Zones d’incertitude et de non linéarité du SLIM-PDM

Dans un détecteur parfait, et si les deux signaux d’entrée étaient en phase à 0 degrés, la tension de sortie serait de 0 V exactement. Si les deux signaux étaient hors phase de 360°, la sortie serait de +5V. Comme il n’existe pas de différence entre un signal à 0° et un autre à 360°, un détecteur de phase perd les pédale et ne sais pas s’il doit sortir une tension nulle ou maximum. C’est là un état « indéterminé » qui génèrerait une sortie excessivement bruyante. Ajoutons qu’un détecteur de phase est affecté par une zone de travail non linéaire, absence de linéarité provoquée par plusieurs facteurs : la durée des deux impulsions contrôlant U5, la vitesse interne de U5, les temps de montée et de descente des signaux d’entrée et de sortie... Cette zone d’indétermination et de non-linéarité est appelée « zone morte », ou dead zone. Elle est située à 20° de part et d’autre des points ou les signaux sont en phase (0 et 360°).

C’est la raison pour laquelle U4 inverse la phase du signal de référence de 180° dès que le détecteur s’approche de la « zone morte ». Cette inversion peut être retranchée au résultat final si U4 a été piloté pour « inverser ». Cependant, en raison des temps de propagation internes à U4, cette inversion ne se produit pas très exactement à 180°. Elle s’en approche, mais cette marge doit être mesurée et substituée au point théorique d’inversion à 180°.

Conversion phase/tension

Assumons pour un instant que le détecteur de phase soit parfait, qu’il n’y ait pas de zone morte et que la plage dynamique soit de 360°. Si le signal de référence est le seul signal présent à l’entrée du détecteur de phase, la sortie de U5 devrait demeurer à « 0 ». Lorsque le signal d’entrée est appliqué, U5 sera forcé de changer sa sortie à « 1 » et l’y laissera tant qu’il n’aura pas reçu l’impulsion suivante du signal de référence.

Disons maintenant que le signal d’entrée est décalé de 1 degré par rapport au signal de référence. Ce dernier va déclencher U5 et le faire passer à « 0 ». Ensuite, passé 1 degré, le signal d’entrée va à son tour forcer U3 à « 1 », niveau qui sera conservé tant que ne sera pas arrivé la prochaine impulsion du signal de référence. Et cela n’arrivera pas avant l’écoulement des 359 autres degrés. La sortie de U5 sera donc un signal carré avec un rapport cyclique tel qu’il sera « bas » durant1/360eme du temps et « haut » durant les 359/360emes du temps. La valeur intégrée de la tension « Phase Volt » sera égale a (360-1)/360 x 5.0V, ou 359/360 x 5V, soit 4,98611 Volts.

Si, en revanche, le signal est décalé de 10 degrés par rapport à la référence, le premier front montant de la référence va faire basculer U5 à « 0 » durant le temps équivalent à ces 10 degrés, puis la sortie de U5 repassera à 1 durant l’écoulement des 350 prochains degrés. A sortie sur U5 sera donc de (360-10)/360 x 5.0V, soit 4,8611 Volts

Dans les deux cas, la tension de sortie est proportionnelle au temps que U5 demeure à l’état « haut » par rapport au temps qu’il passe au niveau zéro. Les calculs suivants sont utilisés pour déterminer la tension de sortie à attendre :

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 1 degrés, alors la tension sera de (360-1)/360 x 5,0V = 4,98611 Volts

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 10 degrés, alors la tension sera de (360-10)/360 x 5,0V = 4,8611 Volts

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 45 degrés, alors la tension sera de (360-45)/360 x 5,0V = 4,375 Volts

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 72 degrés, alors la tension sera de (360-72)/360 x 5,0V = 4,000 Volts

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 90 degrés, alors la tension sera de (360-90)/360 x 5,0V = 3,750 Volts

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 180 degrés, alors la tension sera de (360-180)/360 x 5,0V = 2,500 Volts

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 270 degrés, alors la tension sera de (360-270)/360 x 5,0V = 1,250 Volts

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 288 degrés, alors la tension sera de (360-288)/360 x 5,0V = 1,000 Volts

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 315 degrés, alors la tension sera de (360-315)/360 x 5,0V = 0,625 Volts

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 350 degrés, alors la tension sera de (360-350)/360 x 5,0V = 0,1389 Volts

Si le signal comparé est décalé par rapport à la référence de 359 degrés, alors la tension sera de (360-359)/360 x 5,0V = 0,01389 Volts

Comme le SLIM-PDM n’est pas parfait et est affecté par une « zone morte », les données prises en compte et situées en deçà de 45 ° et au-delà de 315° sont sujettes à une certaine marge d’erreur.

Les calculs ci-dessus partent du principe que la tension appliquée sur U5 est très exactement de +5,0V. Cela n’est jamais le cas, et ce point est important. Dans la formule, il faut substituer la valeur exacte de la tension mesurée sur la pin 8 de U5 au 5 V utilisé. Cette valeur, dans la réalité, sera située entre +4,90 and +5,10 Volts, variation due à l’imprécision du régulateur de tension (U1) ou à la référence de tension externe appliquée sur P2.

Utilisation du module détecteur de phase

Le SLIM-PDM peut être utilisé indépendamment comme simple convertisseur phase/tension. Si c’est le cas, il doit être calibré pour cet usage. L’utilisateur doit savoir que s’il utilise un signal d’entrée sinusoïdal, celui-ci doit être d’une amplitude stable pour que les résultats soient précis. Dans le cas contraire, le buffer (U2 et U6) génèrerait une légère erreur de conversion AM/PM. Les variations de température affectent également la précision de la mesure.

Lorsque le SLIM-PDM est intégré dans un système plus vaste, les mêmes considérations sont à prendre en compte, ce que j’ai fait lorsque j’ai conçu ce module pour la partie VNA du MSA la tension de sortie du détecteur de phase est couplée directement au convertisseur tension/numérique, qui constitue le convertisseur Phase/Numérique, s’affranchissant de l’algorithme de conversion de tension. Le rattrapage d’erreurs de phase du module convertisseur est réglé au niveau système –par logiciel- plutôt que directement dans le module.

Modification du SLIM-PDM-revA

Les modifications suivantes proposent d’améliorer la precision de mesure de phase du module. Les utilisateurs qui peuvent se satisfaire d’une précision de +/-1 degré peuvent s’abstenir d’effectuer les opérations des points 1 à 4. Cette suite d’opération permet de tabler sur une précision de +/- 0,1° pour le détecteur et +/- 0,2° pour l’ensemble de l’appareil.

Photos du SLIM-PDM-revA et modifications

La première photo montre le SLIM-PDM-revA sans modification (pcb rev 0), et la seconde photo montre les endroits où les pistes doivent être coupées pour y ajouter des composants.

MOD 1 : rectification de l’erreur provoquée par le flip-flop 74 de Fairchild. Le chronodiagramme interne de U5 est affecté si le signal d’horloge présent sur sa broche 1 est au niveau « haut » et que la pin 6 reçoit un signal « clear ».

a. Coupez la piste entre U4-4 et U5-1 (voir le « X » sur la photo, au-dessus du condensateur).

b. Installez une capa de 10 pf en série entre U4-4 and U5-1 (capa marquee par un « x »)

c. Installez une résistance de 1k entre U5-1 et la masse.

Cette modification crée une « surtension » de déclanchement de U5. Cette modif est plus simple que d’ajouter un autre monostable.

MOD 2 : pour diminuer la paradiaphonie passant par les pistes d’alimentation communes, il faut séparer la ligne 5V commune partant de U1 en plusieurs lignes d’alimentation séparées.

a. Coupez la piste +5V entre la jonction de R3, R4, R6, R8. La piste entre R3 et R4 est gardée intacte, et la piste entre R6 et R8 est gardée intacte également. C’est la courte longueur située entre ces deux jonctions qui doit être coupée. (voir le « X » sur la photo)

b. Ajoutez un fil entre C5 (+5V) et la piste de junction R6-R8 (--5V)? Cette modification améliore l’isolation entre le circuit de remise en forme du limiteur et l’autre circuit de remise en forme de la Référence.

MOD 3 : améliore la linéarité du buffer du circuit de référence U2 et U3

a. Enlevez R2. Ressoudes R2 verticalement sur U3-4. Ajoutez un fil de l’extrémité libre de R2 ver la piste réunissant C12 et R1 (là précisément ou R2 a été enlevée).

b. Coupez la piste +5 V entre la jonction de R3 et C7. (voir « X »)

c. Ajoutez une capa de 0,1uf de R3 (U3-5) vers la masse sur C10.

d. Installez une résistance de 10 Ohms au point chaud de C7. Montez la debout, soudez un fil entre l’extrémité libre de la 10 Ohms et C5 (+5v). voir "5v ------"

Cette modification isole U2 de U3, ce qui a pour conséquence une meilleure linéarité de U2.

MOD 4 : Permet d’alimenter le circuit de detection de phase (U5) depuis le module SLIM-ADC. Cette modification apporte une plus grande précision du VNA. Cette modification porte sur deux modules, le détecteur de phase et le convertisseur A/N.

I. Modification du SLIM-PDM

a. installez FB1 et C19. Le montage de P2 est optionnel.

b. Coupez la piste 5 V entre C5 et la perle ferrite FB1. Voir le « X »

c. Installez une capa de 10 uf entre FB1 et la masse à U5-4

II Modification du SLIM-ADC-16 d. Si un fil est connecté entre SLIM-PDM-P2-2 et SLIM-ADC-P1-2, enlevez-le.

e. Installez U1 (enlevez le jumper sur U1 s’il a été installé)

f. Percez un trou à côté de U1-1. Dégagez le plan de masse autour du trou coté piste pour éviter tout risque de court-circuit.

g. Passer un fil fin dans le trou allant du point de prélèvement du 5V situé sur U1-1 au connecteur SLIM-PDM-P2-2

Maintenant, le SLIM-ADC-16 fournit l’alimentation au flip-flop (U5) du détecteur de phase (consommation attendue de 1,6 mA)

Réalisation

PDM, module détecteur de phase SLIM-PDM rev C

Ce SLIM-PDM est utilisé uniquement en mode VNA. Comme mentionné précédemment (voir les modifications suggérées au chapitre « Convertisseur A/N 16 bits SLIM-ADC-16 »), si l’alimentation du module de détection de phase est utilisé comme référence de tension pour le convertisseur A/N, deux ferrites FBx et FB2 doivent être installées. Les deux condensateurs de 22 pf (C24 et C25) sont là pour améliorer la stabilité des déclencheurs «one shot» (U8/U9)

Test Unitaire

Ce chapitre aborde les opérations de test du module détecteur de phase SLIM-PDM. Il permet également de tester le bon fonctionnement et la plage de fréquence du générateur de Tracking/VNA. Pour tester ce module, les éléments suivants sont nécessaires

• Une alimentation extérieure
• Un ordinateur, son câble de liaison parallèle, son moniteur
• Un Voltmètre en position « continu »
• Le module Carte de Commande
• Le module convertisseur A/N
• Le module Maitre Oscillateur
• Le module détecteur log
• Le module détecteur de phase
• Le module DDS 1
• Le module DDS 3
• Le module PLL 1
• Le module PLL 3
• Le module Mélangeur 2
• Le module Mélangeur 4
• Le module Filtre à Quartz
• Le logiciel spectrumanalyzer.tkn ou spectrumanalyzer.bas

Configuration de test

1. Connectez les alimentations et vérifiez le câblage de la Carte de Commande. L’oscillateur maître, le détecteur log, le convertisseur A/N, le détecteur de phase, les mélangeurs 2 et 4, les PLL 1 et 3, les DDS 1 et 3 doivent être connectés.

2. Raccordez le connecteur J1 , sortie du module Maître Oscillateur au connecteur J1 du module DDS 1

3. Raccordez le connecteur J3 , sortie du module Maître Oscillateur au connecteur J1 du module DDS 3.

4. Raccordez le connecteur J4 , sortie du module DDS 1, au connecteur J1 de la PLL 1

5. Raccordez le connecteur J4 , sortie du module DDS 3, au connecteur J1 du module PLL 3.

6. Raccordez le connecteur J2 , sortie du module détecteur log au connecteur J1 du module A/N. inter Video sur «Mid ».

7. Raccordez le connecteur de sortie du filtre à quartz au connecteur J1 du module détecteur log.

8. Raccordez le connecteur J2 , sortie du module mélangeur 2 au filtre à quartz.

9. Raccordez le connecteur J2 , sortie du module PLL 3 au connecteur J1 du module mélangeur2.

10. Raccordez le connecteur J3 , sortie du module PLOL3 au connecteur J3 du module mélangeur 4.

11. Raccordez le connecteur J2 , sortie du module PL3 3 au connecteur J1 du module mélangeur 4.

12. Raccordez le connecteur J2 , sortie du module Mixer 4 au connecteur J1 du module détecteur de phase

13. Raccordez le connecteur J3 , sortie du module détecteur log au connecteur J2 du module détecteur de phase

14. Raccordez le connecteur J3 , sortie du module détecteur de phase au connecteur J2 du module A/N

15. Raccordez le connecteur J3 , sortie du module PLL 1 au connecteur d’entrée de l’atténuateur coaxial .

16. Raccordez le connecteur de sortie de l’atténuateur coaxial au connecteur J3 du module mélangeur 2.

17. Mettez sous tension la Carte de Commande. Elle doit fournir +10 V aux différents SLIM.

Test

1. Lancez le logiciel MSA. La fenêtre principale va s’ouvrir, un balayage va être lancé en mode Analyseur de Spectre. La trace affichée n’a aucune signification.

2. Arrêtez le balayage.

3. Si le détecteur de phase est installé, passez en mode VNA-Transmission. Sinon, passez en mode Analyseur de spectre avec générateur de Tracking.

4. Arrêtez le balayage

5. Ouvrez la fenêtre des paramètres de balayge et modifiez les réglages suivants :

a. Fréquence centrale à 600 (MHz)

b. Span (largeur de balayage) à 1200 (MHz)

c. Wait à 50

6. Cliquez sur « OK » pour fermer la fenêtre des paramètres.

7. Cliquez sur "Restart".

8. Le tracé d’amplitude doit être de -11 dBm, +/- 2 dB de 0 MHz à au moins 1000 MHz. Au-delà, le tracé s’écroule selon la limite de fréquence de PLL 1 ou PLL 3. Le tracé de phase peut indiquer n’importe quelle valeur (en degrés). Le niveau du déphasage vs fréquence dépend de la longueur des câbles de test. S’ils sont strictement de la même longueur, vous ne noterez aucun changement de phase vs fréquence.

Note : les tensions mesurées ci-après ne sont valable que lorsque des signaux sont présents sur les deux entrées du détecteur de phase, c’est-à-dire en mode VNA (transmission ou réflexion).

9. Mesurez et verifies la tension sur les points suivants. Notez-les sur votre sortie imprimante de la documentation.

a. P1-2 / R11 = +10 Volts, +/- 0,1 Volt.

b. U1-3 = +9,50 Volts, +/- 0,1 Volt.

c. Courant = (Tension mesurée en a. - Tension mesurée en b.)/10 ohms = 50 mA., +/- 5 mA.

d. U5-2, U5-7, U5-8, U2-5, U6-5 = +5,0 Volts, +/-0,1 Volt

e. U3-5, U7-5 = 25 mV de moins que la tension mesurée à l’étape d, +/- 5 mV.

f. U4-5 = 15 mV de moins que la tension mesurée à l’étape d, +/- 2 mV.

g. U9-2, U9-7, U9-8 = 18 mV de moins que la tension mesurée à l’étape d, +/- 2 mV.

h. U8-2, U8-7, U8-8 = 18 mV de moins que la tension mesurée à l’étape d, +/- 2 mV.

i. U2-1, U6-1 = +2,50 Volts, +/- 0,1 Volt.

10. Si vous disposez d’un oscilloscope d’au moins 20 MHz de bande passante, mesurez les points suivants :

a. J1 = 200 mVpp, +/- 50 mv

b. J2 = 40 mV, +/- 10 mv

Ce point achève la procédure de test du module détecteur de phase. Il est conseillé de conserver cette configuration de test telle que si vous souhaitez enchaîner sur le test du filtre à cavités coaxiales