Un diviseur de fréquence est un système
électronique qui permet d'obtenir un signal périodique de
fréquence F2, à partir d'un signal périodique de
fréquence F1, la fréquence F2 étant toujours
inférieure à la fréquence F1. Par exemple, un
diviseur de fréquence par 10 permet d'obtenir un signal de
fréquence 100 KHz à partir d'un signal de
fréquence 1 MHz. Cet article présente quelques
schémas électroniques permettant de
diviser la fréquence d'un signal périodique
rectangulaire par un nombre entier. Certains schémas font appel
à des
composants spécifiques, d'autres se contentent de composants
classiques. Vous verrez entre autre comment utiliser un
potentiomètre pour modifier le facteur de division d'un
diviseur.
Diviseur fixe à composants spécifiques
Il existe des diviseurs de fréquence dont le rapport de
division est fixe mais parfois programmable, par exemple 2, 4, 8, 10,
64, 256 ou 1024. Ce type de composant,
qui se résume en général à
un circuit intégré, est par exemple
utilisé dans les étages d'entrée de
fréquencemètres ou de
compteurs, ou dans des circuits d'asservissement de récepteurs
ou d'émetteur. Citons par exemple le U666B qui présente
un rapport de division fixe de 256, et que j'ai utilisé dans mon
émetteur
FM 002 pour utilisation avec la boucle à verrouillage de
phase (PLL).
D'autres diviseurs plus ou moins anciens existent, en voici quelques
références :
Série uPB15xx
(NEC) :
prédiviseurs 50 MHz à 16 GHz, division par 2, 4, 8, 64,
128 ou 256 SDA2101
(Siemens) = U664B
(Telefunken) :
prédiviseurs 80 MHz à 850 MHz, division par 64 U813 / U833
:
prédiviseurs 1 GHz / 1,3 GHz, division par 64, 128 ou 256
(applications TV, réseau cablé et satellite) SAB6456 :
prédiviseur 1
GHz, division par 64 ou 256 ZL40814 :
prédiviseur
10 GHz à 13 GHz, division par 10 UXM15P :
prédiviseur DC
à 20 GHz, division "binaire" par 2, 4 ou 8, ou division
"multimodulus" par 4, 5, 6, 7, 8 ou 9
Certains prédiviseurs peuvent diviser par un nombre
différent selon leur programmation (programmation qui peut se
résumer à un état logique défini sur une de
leurs pattes), et l'on peut mettre à profit cette
possibilité pour changer le facteur de division pendant
l'opération de division même, ce qui permet d'obtenir des
taux de division difficiles à obtenir autrement.
Diviseur fixe à bascule D ou bascule JK
Ce type de diviseur divise toujours par deux, c'est à dire que
l'on retrouve sur la sortie Out, un signal dont la fréquence est
exactement la moitié de celle du signal appliqué sur
l'entrée In. Si le signal d'entrée est à 1 KHz, le
signal de sortie est à 500 Hz. Le schéma de gauche est un
diviseur par deux réalisé avec une bascule "D" (une
moitié d'un CD4013), et le schéma de droite est un
diviseur par deux réalisé avec une bascule "JK" (une
moitié d'un CD4027).
En mettant
plusieurs bascules de ce type en cascade, on peut obtenir un facteur de
division de 2 puissance n, n étant le nombre de bascules.
Le schéma suivant montre que l'on peut obtenir un facteur de
division de 16 (2 puissance 4) avec quatre bascules D. On pourrait bien
sûr faire de même avec les bascules JK.
En pratique, et quand le taux de division souhaité est
important, on ne s'amuse pas à mettre ainsi en cascade un grand
nombre de bascule. Imaginez la place prise sur le circuit
imprimé, si l'on souhaitait obtenir un facteur de division de
1024. En pratique, il est bien souvent préférable
d'utiliser un circuit intégré spécialisé
dans le comptage, qui intègre déjà un grand nombre
de bascules, mettant ainsi à disposition une ou plusieurs
sorties divisant successivement par 2 (2e1), par 4 (2e2), par 8 (2e3),
par 16 (2e4), par 32 (2e5), etc. C'est le cas par exemple des circuits
intégrés logiques CMOS CD4020, CD4040 ou CD4060.
Diviseur fixe avec un compteur binaire
Division par un nombre
égal
à une puissance de deux
Les compteurs binaires à plusieurs étages (plusieurs
bascules), tels
les circuit CMOS CD4020, CD4040 ou CD4060, permettent d'obtenir un
facteur de division de 2 puissance n, n dépendant
de la sortie du compteur utilisée. Le schéma qui suit
montre trois compteurs différents mais de même famille
dont les entrées
d'horloges sont reliées entre elles. Cette façon de faire
n'est bien
entendu pas obligatoire, c'est juste pour montrer sur un seul
schéma,
que l'on peut employer l'un ou l'autre des compteurs, selon le ou les
taux de division souhaités.
Notez que certains compteurs ne mettent pas à disposition
certaines
sorties, sautant par exemple directement de la sortie Q0 (division par
2) à la sortie Q3 (division par 16). Si une des sorties vous
manque
cruellement pour l'une de vos applications, c'est que le composant
n'est pas celui qu'il vous faut, et il faut en sélectionner un
autre.
Dans certains cas, un seul circuit ne suffit pas, et il faut alors en
ajouter un. C'est le cas classique de la base de temps "1 seconde" (1
Hz) que l'on peut obtenir avec un quartz 32,768 KHz monté avec
un
compteur CD4060, mais dont la sortie de rang le plus
élevé du compteur
délivre un signal de fréquence 2 Hz, et nécessite
donc un diviseur
supplémentaire pour obtenir le signal de 1 Hz souhaité
(voir page Base
de temps 1 Hz).
Division par un nombre
autre qu'une
puissance de deux
Les schémas qui précèdent permettent de diviser
par une puissance de deux, c'est à dire par exemple par 4, par
16 ou encore par 512. Tels quels, ils ne peuvent être
utilisés pour effectuer une division par un nombre qui n'est pas
une puissance de deux. Assurer une division par un nombre tel que 3 ou
35, demande des efforts supplémentaires. En
réalité, et comme bien souvent en électronique, il
existe des solutions simples par le principe, mais parfois
"compliquées" par le nombre de composants demandés. Le
schéma qui suit montre une façon de faire pour diviser un
signal de fréquence F1, par un nombre quelconque compris entre 1
et 255. Le schéma demande juste que l'on sache "lire" un nombre
binaire. Mais avec quelques exemples, ça devrait aller.
Le principe n'est pas compliqué, puisqu'il s'agit de remettre le
compeur U1 à zéro à chaque fois qu'il atteint le
nombre qui correspond au taux de division souhaité. Si par
exemple nous voulons une division par un facteur 3, nous laissons le
compteur compter jusqu'à 3, et arrivé à ce nombre
on le remet à zéro pour qu'il reparte... à
zéro. Nous avons donc une impulsion de remise à
zéro pour trois impulsions appliquées à
l'entrée du compteur. Pour savoir quand le compteur en est
arrivé au nombre 3, on analyse toutes ses sorties et on ne fait
rien tant que la combinaison des sorties actives ne correspond pas au
nombre 3. En binaire, un nombre décimal est obtenu par addition
de plusieurs nombres d'une puissance de deux. 2 puissance 2 (4)
additionné à 2 puissance 4 (16) donne le nombre
décimal 20 (4 + 16). Dit à l'envers : pour obtenir le
nombre décimal 20, on doit additionner 2 puissance 2 (4) avec 2
puissance 4 (16). Pour obtenir un taux de division de 5, il nous faut
procéder selon le même principe : pour obtenir le nombre
décimal 5, on doit additionner 2 puissance 2 (4) avec 2
puissance 0 (1). Si vous regardez de près le schéma
précédent, vous pouvez voir que les sorties Q0 et Q2 du
compteur U1 "passent" à travers les microswitches (DSW1), alors
que toutes les autres sorties sont "bloquées", ou plutôt
non surveillées. De fait, la sortie finale Out présente
un état bas tant que les sorties Q0 et Q2 ne sont pas en
même temps à l'état haut. La sortie Q0 correspond
au nombre 1, et la sortie Q2 correspond au nombre 4. Si on additionne
les deux nombres, nous obtenons le nombre décimal 5. Tel quel,
le circuit est donc configuré en mode diviseur par 5; à
une fréquence d'entrée de 5 KHz correspond une
fréquence de sortie de 1 KHz.
Division par 5 (4 + 1)
Division par 8 (8)
Division par 38 (2 + 4 + 32)
Division par 141 (1 + 4 + 8 + 128)
Un circuit du même type mais étendu à 16 bits
(au lieu de 8) et permettant de diviser jusqu'à 65535, est
présenté à la page Diviseur
fréquence 004.
Pas moyen de faire plus
simple ?
Si vous limitez le taux de division à une valeur
inférieure ou égale à 10, vous pouvez simplifier
considérablement le schéma, puisque qu'un simple compteur
de type CD4017 convient dès lors, comme le montre le
schéma suivant.
Ici, le taux de division dépend de la sortie utilisée,
comme indiqué sur le schéma. Dans tous les cas, sauf pour
la division par 10, la sortie qui suit directement la sortie
utilisée doit être reliée à l'entrée
de remise à zéro MR (patte 15) du CD4017. Si par exemple
vous souhaitez obtenir une division par 6, vous devez utiliser la
sortie Q5 et relier la sortie Q6 sur la borne MR. Pour une division par
10, utiliser la sortie Q9 et relier l'entrée MR à la
masse. Vous souhaitez maintenant une division par 50 ? Alors pourquoi
ne pas utiliser deux circuits CD4017 montés en série,
l'un divisant par 5 et l'autre divisant par 10 ? Une division par 1000
? Trois circuits CD4017 montés en série, qui divisent
tous par 10, et le tour est joué (exemple en page Base de temps 002).
Diviseur variable avec un compteur ou décompteur
prépositionnable
L'utilisation d'un compteur ou d'un décompteur
prépositionnable permet d'assurer un taux de division
qui peut être spécifié
par une simple roue codeuse.
L'exemple suivant montre comment il est possible de spécifier un
taux de division compris entre 1 et 9 avec une seule roue codeuse. Le
nombre affiché sur la roue codeuse correspond exactement au
facteur de division appliqué au signal d'entrée.
Remarques :
- Si la roue codeuse est en position 0, le taux de
division est à son maximum, c'est à dire de 10.
- Le CD4522 ne peut
pas servir pour diviser au delà de 10, mais vous pouvez en
cascader plusieurs pour obtenir des taux de division plus
élevés. Exemples en pages Générateur
HF 002 et Diviseur
fréquence 003 (programmation du taux de division entre 1 et
99999).
Diviseurs spécifiques
Certaines applications nécessitent l'emploi d'un composant
dédié pour une division dont le taux est programmable et
modifiable facilement, dans une large plage de variation, avec des pas
(écarts) réguliers, par exemple 10 KHz ou 100 KHz. C'est
le cas par exemple des diviseurs que l'on associe aux boucles à
verrouillage de phase (PLL), dans un récepteur ou dans un
émetteur (CB, émetteur FM, récepteur satellite,
etc). Il existe beaucoup de diviseurs programmables sur le
marché, du "simple" avec configuration via broches (pattes)
individuelle, au "compliqué" miniature CMS avec programmation
sérielle du taux de division et nécessitant un
microcontrôleur. Parmi les "simples", on peut citer le CD4059,
sommairement décrit à la page CD4059
- Mise en oeuvre, ou
encore les CD45151 et CD45152, dont l'approche peut cependant paraître
un poil
plus nébulleuse pour le débutant.
Diviseur variable associé à une boucle à
verrouillage
de phase
Une boucle à verrouillage de phase (PLL, Phase Lock Loop en
anglais), associée à un diviseur de fréquence,
peut permettre de "multiplier" un signal d'horloge par un
nombre choisi. L'exemple suivant montre une façon d'obtenir
un signal périodique de fréquence comprise entre 300 KHz
et 450 KHz environ, à partir d'un signal de
référence de 100 Hz. On ne procède pas vraiment
à
une multiplication, mais au final, le résultat est le même.
Ce type de montage doit être comparé aux autres
systèmes afin de
déterminer s'il est plus interressant pour une application
donnée, côté plage de fréquence
d'entrée, relation de phase
entre
signal d'entrée et signal de sortie, et facilité de
programmation du
facteur de division. Pour plus de détails concernant l'exemple
donné ici, voir page Générateur
HF 002.
Diviseur fixe avec deux transistors
La division par transistor était très
utilisée il y a quelques dizaines d'années, par
exemple dans les orgues électroniques et
synthétiseurs, pour produire plusieurs gammes (du Do au Si)
à partir d'une seule gamme, avec plusieurs divisions
successives : on produisait les fréquences de base pour les
douze notes les plus aigues, puis chacune de ces fréquences
de base était ensuite divisée par deux pour
produire la note de l'octave inférieure. Par
exemple, le La3 (fréquence 440 Hz), est une octave
au-dessous du La4 (880 Hz) et une octave au-dessus du La2 (220 Hz).
Cette méthode a été progressivement
abandonnée suite à l'arrivée sur le
marché, de circuits intégrés
spécialisés effectuant cette
tache en tenant beaucoup moins de place sur le circuit imprimé (voir page Notes de musiques).
Diviseur variable avec un potentiomètre
De tous les schémas présentés sur
cette page, il s'agit de celui que je trouve le plus rigolo. Il est en
effet peu fréquent de recourir à un
potentiomètre pour modifier le facteur de division d'un
diviseur, et celui qui a pondu ce schéma avait de la suite
dans les idées (je n'aurais jamais eu cette idée
là).
Il
faut reconnaitre que l'idée est séduisante par le
principe et par la
simplicité. Mais il faut reconnaitre aussi que la
précision et le taux
de la division peut varier un peu en fonction de la qualité des
composants utilisés, et notement du condensateur C1 et du
potentiomètre
RV1. Ce type de montage n'est pas conseillé quand une excellente
stabilité du facteur de division est demandée.
Diviseur variable de 1 à 1024 avec un
PIC
J'ai développé un petit diviseur
logique programmable basé sur un PIC 16F84 qui permet
d'appliquer à un signal d'horloge périodique, un facteur
de division compris entre 1 et 1024, facteur déterminé
par l'état de
dix entrées logiques du PIC. Ca ne monte pas très haut en
fréquence mais ça fonctionne.
Un diviseur de fréquence fournit un signal dont la
fréquence de sortie est en rapport avec la fréquence du
signal d'entrée avant division, mais la forme et le rapport
cyclique du signal
d'entrée ne sont que rarement conservés. Bien souvent en
effet, et surtout quand le diviseur est basé sur des bascules,
le rapport cyclique du signal de sortie (le signal divisé) est
de
50%, quelque soit le rapport cyclique du signal d'entrée
à diviser. Il existe bien sûr des astuces pour conserver
la même forme de signal, mais au prix d'une certaine complication
du montage.
