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Dernière mise à jour : 12/05/2013
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 coûteuses, 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. A noter toutefois que l'amateur peut profiter de la précision de signaux de référence hautement stables (signal GPS, horloge étalon France Inter), en y verrouillant un oscillateur fait maison. On parle dans ce cas de boucle à verrouillage de phase (PLL), grâce à laquelle l'oscillateur se synchronise sur le signal de référence, avec l'option de changer de fréquence par la même occasion (par exemple pour générer un 10 MHz à partir d'un signal de fréquence moindre). J'ai aussi déjà vu des réalisations d'oscillateurs synchronisés sur le pilote 19 kHz d'émissions radio diffusées dans la bande FM 88-108 MHz, partant du postulat que ledit pilote 19 kHz était extrêmement stable. Malheureusement, beaucoup de codeurs stéréo génèrent leur 19 kHz avec un simple quartz, et certains même ne s'en encombrent pas et se contentent d'un simple circuit RC (véridique, j'en ai dépanné) !Des modules à quartz prêt à l'emploi
Il n'est pas si évident que ça de réaliser un oscillateur à quartz qui démarre à coup sûr. Et il est parfois bien pratique de trouver des oscillateurs à quatrz intégrés dans un boîtier "compatible DIL14" qui s'alimentent sous une tension de +5 V et démarrent du premier coup. Même si leur précision annoncée n'est "que" de 0,01% à 25 °C (pour 2 ou 3 euros pièce, on ne va pas non plus demander la lune). Il m'arrive d'en utiliser, le plus souvent pour du prototypage (8,192 MHz pour ne citer que cette valeur). J'ai d'ailleurs récement fait un petit tri dans les modules dont je disposais, qui pour la plupart avaient plus de 20 ans.
Ce type d'oscillateur existe aussi en format CMS mais je n'y ai pas encore goûté. Alors ma foi, je m'amuse avec ces gros pavés hors de leur temps.
Valeurs lues à la mise sous tension. Au bout de 30 minutes de chauffe, la fréquence du module 50 MHz était descendue à 50,000020 MHz.