Dernière mise à jour : 25/07/2010
Présentation
La précision légendaire des quartz
peut parfois laisser penser que son usage constitue une solution
ultime. S'il est vrai que le quartz permet de réaliser des oscillateurs
dont la précision est excellente, il faut toutefois relativiser
l'excellence en question. La précision que l'on est en droit d'attendre
d'un
oscillateur dépend en effet des besoins. La réalisation d'un
chronomètre précis à la seconde et devant tourner sur quelques minutes
ne demande pas la même précision qu'une horloge tournant 24h/24. Une
base de temps utilisée dans un appareil de mesure tel qu'un
fréquencemètre ou périodemètre professionnel demande une
précision plus
élevée que celle permise par un quartz (par contre pour un besoin
"amateur" le quartz est bien suffisant). Nous verrons ici à quelle
précision on peut s'attendre en
utilisant un quartz standard de 32,768 kHz, largement utilisé pour les
bases de temps de minuteries, chronomètres ou
horloges.
Précision et stabilité d'un quartz
La
précision d'un quartz représente l'écart maximal entre la valeur
de la fréquence de résonnance réelle et celle que l'on attend (qui est
inscrite sur le boitier). Sa stabilité représente sa capacité à
osciller à la même fréquence quelque soit les conditions
d'environnement, notamment la température ambiante. Les fabricants de
quartz ont élaboré plusieurs techniques de fabrication pour améliorer
la stabilité de leurs composants, mais avec pour résultat des prix de
vente bien plus élevés pour des composants de grande précision. Ce qui
ne surprendra bien sûr personne. Si la stabilité d'un quartz est bonne
d'un point de vue instantané et à une température ambiante fixe, on ne
peut plus en dire autant d'un quartz soumis à de larges variations de
température. A une température ambiante de +25 °C, on estime la
stabilité du quartz à quelque +/-20 ppm (ppm = part per million). Côté
pratique et pour une horloge temps réel, cela correspond à une précision d'environ 1,7 seconde par
jour, soit un peu plus de 10 minutes par an. Pour ma part je ne
considère pas cette précision comme catastrophique, surtout si on la
compare à celle de certaines montres mal réglées qu'il faut remettre à
l'heure toutes les semaines. Mais souvenons-nous qu'on parle ici de la
précision à une température ambiante de +25 °C, et que cette précision
diminue fortement quand la température diminue ou augmente dans de
grandes proportions (par exemple -10 °C à +45 °C, et encore on ne parle même pas
de certaines conditions industrielles où la plage de fonctionnement
peut s'étaler entre -40 °C et +85 °C). A des températures extrêmes, la
précision passe de +/-20 ppm à plus de +/-100 ppm et peut même aller
au-delà de +/-150 ppm. A ce stade, on aboutit à une précision de +/-13
secondes par jour ou plus d'une heure par an, ce n'est plus du tout la même
chose.
Usage personnel et usage professionnel
Une précision
de +/-20 ppm ou même de +/-50 ppm reste tout de même très correcte si
on s'en tient à des plages de
température normalement accéptable pour le corps humain. Et pour un
usage "amateur", on ne va que rarement chercher à
aller au-delà de la précision de base. Encore une fois tout dépend de
l'application envisagée. Pour ma part, je me contente de quartz
standard pour réaliser mes horloges 1 Hz, et vous pouvez faire de même.
Pour un usage plus professionnel, il faut se tourner vers des solutions
plus professionnelles et plus couteuses, telle qu'un oscillateur à
quartz intégré, avec ou sans système de correction / compensation de
température. Les systèmes les
plus stables après le quartz sont sans doute les TCXO (oscillateur à
quartz avec compensation de la température) qui intègrent un système de
chauffage avec régulation de température qui permet au quartz de
rester toujours à la même température (par exemple +60 °C) même si la
température ambiante vient à varier dans de grandes proportions.
La précision de tels oscillateurs peut atteindre 3 * 10-7
pourcents. Certains oscillateurs à quartz intégrés comportent un
circuit de
comptage qui ajoute
ou retire des impulsions d'horloge en fonction de la température
ambiante, selon une table de correction qui décrit les caractéristiques
du quartz sur une plage de température donnée. Dans ce cas le quartz et
un capteur de température sont
intégrés dans un même boîtier, mais le quartz n'est pas placé dans une
enceinte thermostatée (ça revient moins cher et ça consomme moins, pour
une grande précision). Là où un quartz standard présente une stabilité
de l'ordre de +/-150 ppm entre -40 °C et +85 °C, un quartz thermostaté
présente une stabilité de l'ordre de +/-7,5 ppm sur la même plage de
température -40 °C à +85 °C. Si on restreint la plage de température
entre 0 °C et +40 °C, on arrive à une précision qui peut descendre à
quelque +/-2 ppm. Ce qui correspond à une dérive potentielle de 1
minute par an. Difficile de faire mieux, à moins bien sûr d'opter pour
un système de réception de signaux horaires (signaux codés DCF77 et
émis en grandes ondes par exemple) et de prier pour que la réception
soit correcte sur les lieux d'utilisation ! Ou encore de se procurer un
générateur de fréquence de référence au césium dont la précision peut
atteindre 1 * 10-14
pourcents ! Cela devient tellement précis qu'on parle d'étalon de
fréquence. Autant dire que le prix de tels appareils n'est pas à la
portée de tout le monde.
Vieillissement du quartz
Un
élement auquel on ne pense pas forcement quand on fabrique des montages
pour soi ou pour ses copains est l'usure des composants dans le temps.
Bien sûr tout ne va pas s'arrêter de fonctionner du jour au lendemain à
cause d'un composant dont le vieillissement à provoqué une dérive
importante d'une de ses caractéristiques principale. Quoique... Pour le
cas d'un oscillateur à quartz, le vieillissement du quartz doit être
pris en compte dès l'instant où il est inséré dans un équipement
professionnel. Ceci est tellement vrai qu'il existe des composants
intégrant en plus du quartz, un registre de vieillissement qui permet
de tenir compte du temps de fonctionnement du composant et de corriger
sa dérive au fur et à mesure qu'il vieillit. Il va de soi qu'on n'est
alors plus dans la cours des "petits joueurs"...
