L’intérêt majeur des horloges radio-pilotées est la simplicité de leur miseen oeuvre : plus nécessaire de lesremettre à l’heure, finis les pro-blèmes sempiternels de remise àl’heure d’été ou d’hiver. La précisionabsolue d’une horloge à quartz bienétalonnée serait, normalement, lar-gement suffisante, mais, avec l’hor-loge à radiopilotée, finie la mise àl’heure.Une horloge radiopilotée à affichageà cristaux liquides (LCD) typique necomporte plus aujourd’hui, en règlegénérale, que 2 circuits intégrésépaulés par quelques composantspassifs. Les circuits intégrés enquestion sont un récepteur et unmicrocontrôleur chargé du décodagedes signaux horaires et de la com-mande de l’affichage. Les possibili-tés de l’horloge radiopilotée dépen-dent ainsi, outre de la qualité de l’an-tenne et de l’étage HF amont, de ceque sait faire le logiciel. C’est lui quidétermine la durée de vie de la piled’alimentation et le confort d’utilisa-tion et, partant, l’accueil que luiréservera un client potentiel etl’exactitude de l’heure affichée. Pourpeu que la programmation soit faiteintelligemment, l’horloge radiopilo-tée est à même de dériver l’informa-tion de code horaire complète mêmedans le cas de signaux incomplets,

INFORMATIONS

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Les horloges radiopilotées modernesConstruction et fonctionnement

Le développement des horloges à pilotage radio a fait des progrès tels cesdernières années que la majorité des ménages possède une horloge de cetype. Cela est indubitablement dû à une chute constante des prix corollaired’une intégration de plus en plus élevée du récepteur et d’une puissance sanscesse croissante du microcontrôleur utilisé au coeur de ce type d’horloges.

Le microcontrôleur

L’alimentation de la plupart des horlogesradiopilotées se fait par pile. Ceci expliqueque l’un des objectifs prioritaires de l’ingé-nieur de développement de ce type d’appli-cations est le choix d’un microcontrôleur tra-vaillant à la tension d’alimentation la plus

ce qui permet, lorsque la réceptiondevient trop faible, d’éviter un déco-dage erroné.

La réception du code horaireIl existe, sur le marché des semi-conducteurs, en fait, 2 concepts deréception des signaux grandesondes à modulation d’amplitude telsque les émettent les stations émet-trices de code horaire pour la trans-mission de l’information en ques-tion : on connaît ainsi, d’une part leprincipe du récepteur hétérodyne àsensibilité et différentiation élevéeset de l’autre, en raison de la fré-quence d’émission relativementfaible, le principe le plus couram-ment utilisé du récepteur direct.Les récepteurs direct ont 2 avan-tages indéniables : il se contented’une électronique périphérique peucomplexe, de 2 à 4 condensateurs et1 quartz typiquement, et se caracté-rise par une consommation de cou-rant très faible, ce qui en justifie l’uti-lisation dans les montres-poignet etautres applications alimentées parpiles. On peut s’attendre, dans unavenir proche, à une poursuite de laréduction de la consommation durécepteur, à un abaissement pro-gressif de la tension d’alimentationet à une amélioration de la sélecti-vité, un élément crucial pour la sen-sibilité face aux parasites.Les fabricants d’horloges peuvent,par la mise en oeuvre de différentsmodèles de récepteurs travaillantselon le même principe, battre tantle marché européen émetteur FDC-77 de Mainflingen travaillant à77,5 kHz que le marché japonais(émetteur JG2AS situé à proximitéde Tokyo et trafiquant sur 40 kHz)que le marché anglais (par le biaisdes émetteurs WWVB de Fort COl-lins et MSF à Rugby, émetteurs quitravaillent tous 2 sur 60 kHz).La quasi-totalité des horloges radio-pilotées sont dotées de récepteursdes marques Temic (U4226B,figure 1) ou HKW-Elektronik(UE6002, figure 2). En ce quiconcerne leur principe, les circuitsintégrés du marché sont du type àrécepteur direct avec lesquels on afiltrage et amplification du signald’antenne. Ces récepteurs se carac-térisent par le fait que l’amplifica-

teur HF et le filtre sont pilotés à lamême fréquence, la fréquence deréception.La sélectivité est obtenue à l’aided’un ou de deux quartz. On dispose,à la sortie du récepteur, d’un signalrectangulaire qui suit la modulationd’amplitude de l’émetteur.

INFORMATIONS

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1 20 NC

19 NC

18 NC

17 NC

16

15

14

13

12

11

2

3

4

5

6

7

8

9

10

77.5kHz2)

77.5kHz

+VCC

Ferrite Antennafres = 77.5 kHz

C16.8 nF

C233 nF

C310 nF

TC0

PON 3)

SL 1)

U4226B

Microcomputer

Display

Control lines

Keyboard

1) If SL is not used, SL is connected to VCC2) 77,5 kHz crystal can be replaced by 10 pF3) If IC is activated, PON is connected to GND

010028 - 11

Figure 1. Schéma de principe et application du U4226B de Temic (Atmel).

Figure 2. Schéma de principe et application du UE6002 de HKW-Electronik.

faible possible et consommant le moins decourant possible. Le microcontrôleur 4 bits deSeiko-Epson (figure 3), spécialement déve-loppé pour ce type d’applications répond par-faitement au cahier des charges défini. Le

« porte-fanion » de toute une familleest le E00C6S37, microcontrôleurayant les caractéristiques tech-niques suivantes :– ROM de 1 K

– RAM de 80 quartets (nibble =mot de 4 bits)

– 4 entrées / 4 sorties– Circuit de commande LCD

pour affichage à26 segments/4 communs

– 1 Timer, 1 Timer chronomètre– sortie résonateur 2 kHz– Seuil de surveillance de tension

de pile 1,2 V– Tension d’alimentation entre 0,9

et 2,0 V– Consommation de courant

typique de 2,5 µA à 32,768 kHz

Ces microcontrôleurs n’étant pasprévus pour des applications ama-teur mais uniquement destinés à laproduction en série, ils ne sont pasdisponibles à l’unité; il n’existe pasd’outils de développement bon mar-ché à leur intention et ne sont pasnon plus disponibles en version OTP(One Time Programmable = compo-sant à unique programmation). Leprogramme terminé est envoyé aufabricant qui les implémente sous laforme de masque sur la puce, pro-cessus qui dure de l’ordre de4 semaines. En raison de la com-plexité du processus de fabricationconcerné, un tel masque coûte unepetite somme rondelette, de l’ordrede 25 000 FF. Comme il est impos-sible de corriger le programmeimplanté dans le composant enquestion, il va sans dire que le déve-loppement du logiciel doit être faitavec soin, sachant que toute erreurimpliquant une modification auniveau du produit fini se traduit parune reconception coûteuse et entemps et en argent. Pour des raisonsde coût, les puces fournies sans boî-tier sont collées à même le circuitimprimé et reliées aux pistes par lebiais de conducteurs extrêmementfins. On enrobe ensuite les pucesd’une résine époxy avant de durcircette dernière masse par un passageau four.Citons au nombre des tâches à rem-plir par le microcontrôleur d’une hor-loge radiopilotée les fonctions sui-vantes :– Pilotage de l’affichage– Interrogation des touches– Surveillance de la tension de la

pile– Surveillance de l’heure de réveil

(alarme)– Décodage du signal radio

INFORMATIONS

26 Elektor 10/2001

Figure 3. Schéma de principe du microcontrôleur E0C6S37 de Seiko Epson.

Figure 4. Schéma d’une horloge radiopilotée moderne travaillant avec DCF77.

C322n

CDEM

(Post Amp) (RF Amp)

C2100n

C16n8

CD3

R1

QD1

QD2

100k

100k

VDD

VDD

STOP

CAGC

010028 - 12

GND3PON

VCC

IA2

IA1

CD1 CD2 O1 O2 IC

Q1

AntennaL1

C51.8n - 6.8n

GND2GND1C6

C44.7µF

VDD

Comparator

PeakDetectorGain

ControlBias

RF Amp Post Amp

C2 C3 C4 C5

15p

X1

32,768kHz

C1

S1

E5130

IC3

10

3

7

1

6

2

4

8

5

9

M2

M1

M

M

+1V5

T1

BC848

T2

BC848

R1

47Ω

Bz1

2kHz T4

BC808

La1

+1V5

X2

77,503kHz

6n8

R8

15

0Ω

R7

22

0k

R4

10

0Ω

C10

3n3

C9

220n

UE6002

IC1

10 15

12

11

19

17

13

14

16

7

1

8

2

3

4

6

5

C7

22nC8

47n

C6

4µ7

ANT.

T5

BC848

D1

CQY36N

R5

10

0Ω

TEST2600

T3

+1V5

4µ7

BT

1V5

E0C6S37

RESET

IC2

OSC2

OSC1

TEST

SEG0

SEG1

SEG2

SEG3

P00

001

P01

P02

P03

002

003

VL3 VS1

R03

K01

R01

R00

R02

VL2

VL1

45

60

59

46

47

48

13

31

57

50

18

19

20

21

55

54

56

12

11

CA

CB

49

2

1

4

6

7

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broche 12 : le paramétrage interne du récep-teur radio est maintenu à la dernière valeur,ce qui élimine ainsi, efficacement, tous lesparasites intrinsèques connus.Un bâtonnet de ferrite doté d’une bobine ser-vant d’antenne et le condensateur C10 for-ment un système syntonisé sur 77,5 kHz.La première étape précédant l’utilisationeffective de l’horloge consiste à la mise enplace de la pile. Ceci démarre le microcontrô-leur chargé de la gestion de l’horloge, ce com-posant commandant la mise des aiguilles enposition de départ, position reconnue à l’aidede la barrière lumineuse. On a ensuite misesous tension du récepteur radio de manière àcapter les signaux de code horaire émis parl’émetteur de code. Il faut, pour que le micro-contrôleur puisse mettre les aiguilles à laposition correspondant à l’heure du moment,qu’il reçoive 2 tampons horodateurs completsen provenance de l’émetteur, ce qui dure del’ordre de 2 minutes. Il procède ensuite à unecomparaison des 2 séries de données horaireset déclenche, si elles sont concordantes, lamise à l’heure des aiguilles. S’il se trouveconfronté à des données incomplètes à lasuite, par exemple, d’une réflexion de signal,de problèmes de réception dus à une stationtrafiquant sur une fréquence proche ou à unorage à proximité, les aiguilles resteront àune heure donnée jusqu’à ce qu’il y ait récep-tion correcte des données. Lors du contrôlede l’heure sur une horloge radiopilotée enfonctionnement, la réception cesse là pourêtre reprise ultérieurement. Si l’horlogeaffiche l’heure correspondant aux donnéeshoraires reçues, ce qui est le cas la plupart dutemps, le récepteur est à nouveau coupéimmédiatement. En cas de non concordanceentre l’heure affichée par les aiguilles et letampon horodateur reçu, le système procé-dera à une analyse de séries de donnéesadditionnelles pour corriger l’affichage. C’esttrès précisément ce qui se passe lors du pas-sage de l’heure d’hiver à l’heure d’été etinversement.

(010028)

– Commande des aiguilles– Surveillance de la position des

aiguilles– Commande du résonateur– Aide lors de tests de fonctionne-

ment en cours de production

Une horloge radiopilotéetypiqueLe schéma représenté en figure 4 estcelui d’une horloge radiopilotée ducommerce classique dotée d’ai-guilles et ne comportant pas d’affi-chage LCD. Contrairement à ce quise passe dans le cas d’une horloge àquartz ordinaire où l’utilisateur doitmettre les aiguilles à la position cor-respondant à l’heure, cette opérations’effectue automatiquement dans lecas d’une horloge radiopilotée. Il fautpour cela que le microcontrôleurconnaisse la position des aiguilles àcet instant. Cette position est déter-minée à l’aide d’une barrière lumi-neuse qui émet, par le biais de ladiode IR d’émission S1, de la lumièreinfrarouge à travers les engrenages.Les engrenages comportent des ori-fices de sorte que les signaux IR arri-vent, pour des positions parfaite-ment définies des aiguilles, sur lephototransistor T3.La position correspondant à midi(2 aiguilles sur le 12) constitue laposition de référence à partir delaquelle sont comptés les pas à fairefaire aux aiguilles. En cours de fonc-tionnement on vérifie, au moins unefois par jour, à l’aide de la barrièrelumineuse, que les aiguilles se trou-vent bien aux positions correspon-dant à l’heure du moment. Il peut sefaire, en raison de tolérances méca-niques, que les aiguilles ne se trou-vent pas à la position qu’ellesdevraient avoir (consigne), ce quisera corrigé lors du passage aux« heures de référence ».Le circuit de commande E5130attaque les bobines des 2 moteurspas-à-pas chargés du déplacementdes aiguilles des secondes et desminutes/heures. Ce circuit intégréest un circuit de commande demoteur pas à pas spécialisé capablede fournir aux bobines le courantnécessaire à une tension d’alimenta-tion la plus faible possible et avec lemoins de pertes possibles. Le réso-nateur Bu1 génère, par le biais d’un

double étage constitué par les tran-sistors T1 et T2, un signal d’alarmede 2 kHz à niveau croissant (fonctionde crescendo). On commence parattaquer T2 seul, étape au cours delaquelle le courant traversant le réso-nateur, et partant le niveau sonore,est limité par R1. Au bout dequelque 10 s, T1 ponte R1 de sorteque l’on a le niveau sonore maximal.Il est intéressant de noter que lacommande des transistors se faitsans résistance de base, ce quiimplique que l’on compte sur larésistance aux courts-circuits desétages de sortie CMOS interne dumicrocontrôleur. Les touches etautres organes de commande sontconnectés directement au microcon-trôleur vu que ce dernier est doté derésistance de forçage au niveau haut(pull up) internes.Comme le montre le schéma, on faitappel à différentes sorties segments,SEG0 à SEG3, pour la commande del’électronique. Cela est dû au fait quele microcontrôleur peut choisir, autravers d’une fonction de masque,les fonctions du circuit de com-mande d’affichage. On dispose ainsi,si nécessaire, de 26 sorties addition-nelles.Le pilotage et l’interrogation durécepteur radio se fait par l’intermé-diaire de 3 lignes. La première, cellearrivant à la broche 8, fournit lesignal DCF que le microcontrôleurdevra traiter. La ligne arrivant à labroche 11 sert à la mise en et hors-circuit du récepteur, ceci en vue deréduire la consommation de courant.De par leur principe, les moteurs pasà pas chargés du déplacement desaiguilles d’une horloge analogiquesont une source importante de para-sites. Ceci explique qu’il ne soit pasquestion d’effectuer un pas lors dudécodage d’une impulsion du télé-gramme de code horaire. Les hor-loges radiopilotées dotées d’uneaiguille des secondes se doivent par-tant de synchroniser parfaitement cepas avec la série de bits reçue pouréviter une prise en compte erronéedu télégramme à la suite de para-sites internes. Le programme doitéliminer tous les parasites captéspendant la durée d’un pas du moteur(entre 30 et 60 ms) et la durée d’os-cillation qui suit (de l’ordre de500 ms). Cette fonction est remplie,entre autres, par le biais de la

INFORMATIONS

2710/2001 Elektor

Adresses Internetwww.vishay.com/products/optoelectronics/

www.atmel-wm.com

www.epson-electronics.de/download/

down4bit.htm#E0C6S37

www.hkw-elektronik.de

www.temic-semi.com/hn/broadcas/

broadcas.htm