Brevet FR2011710A1 — publié le 19700306

La présente invention se rapporte à 'un un~möntage d''ås'servisse- ment en phase et plus particulièrement à un système utilisant un oscillateur à déplacement de fréquence commandé par des signaux numériques d'erreurs de phase de façon à suivre la phase d'un signal entrant. Dans de nombreux cas, il est nécessaire soit de restituer soit de suivre la phase d'un signal entrant. Des exemples typiques résident dans la restitution de signaux pilotes de tonalité dans des systèmes de transmission de données et dans des démodulateurs à asservissement en phase dans des systèmes à modulation de fréquence. Des systèmes classiques utilisent une boucle asservie en phase dans laquelle le signal d'entrée qui peut contenir du bruit ou des signaux parasites ainsi que le signal voulu, est, appliqué à un multiplicateur ou détecteur de phase qui reçoit, à titre de second signal d'entrée, le signal de sortie d'un oscillateur continuellement variable, commandé par une tension. Le multiplicateur ou détecteur de phase fournit un signal de sortie qui est proportionnel à l'erreur de phase entre le signal d'entrée et le signal de sortie de l'oscillateur commandé par une tension, ou une certaine fonction de cette erreur de phase telle que son sinus. Ce signal d'erreur de phase passe ensuite à travers un filtre passebas de façon à éliminer toutes les composantes autres que la composante continue indiquant la différence de phase.Le signal d'erreur de phase filtré est ensuite amplifié par un amplificateur de courant continu et appliqué de façon à commander la fréquence de l'oscillateur commandé par une tension, cette fréquence étant de préférence une fonction linéaire de la tension continue de commande provenant du filtre passe-bas. Bien qu'un tel système soit efficace, il'présente des inconvénients importants. En premier lieu, l'oscillateur commandé par une tension utilise des "varicaps" ou capacités variables ou d'u- tres organes connus qui tentent de commander l'oscillateur, si possible linéairement. Toutefois, on a éprouvé de grandes difficultés à commander l'oscillateur d'une manière linéaire. En outre, même si le problème de-linéarité est résolu, très souvent l'excursion de fréquence de lroscillateur commandé par une tension par volt du signal de commande d'entrée n'est pas suffisamment grande pour produire un fonctionnement satisfaisant En outre, le fonc tionnement de l'oscillateur commandé par une tension est souvent soit instable soit quelquefois même excessivement stable, par exemple quand un cristal est utilisé. Un autre problème se pose par suite de l'exigence concernant le niveau de la tension de commande qui doit être appliquée à l'oscillateur commandé par une tension Le gain en boucle fermée de boucles typiques d'asservissement en phase rend généralement nécessaire un amplificateur de courant continu à gain élevé, présentant un gain aussi élevé que 30.000. Toutefois, les amplificateurs typiques de courant continu à gain élevé posent des problè- mes de dérive, d'instabilité, etc.... Conformément à l'invention, on résoud ces problèmes et d'autres problèmes les systèmes connus pratiquement en remplaçant l'oscillateur commandé par une tension, continuellement variable, incorporé dans une boucle -classique d'asservissement en phase par un oscillateur à déplacement de fréquence susceptible de passer d'une fréquence à une autre brusquement, mais avec une phase continue, Un détecteur de signe couplé à la sortie du filtre-passe-bas détecte le moment où l'erreur de phase dépasse un petit ~seuil dans l'un ou l'autre sens et commande l'oscillateur à déplacement de fréquence en fonction de cet excès. Les avantages d'une telle configuration sont nombreux. Tout d'abord, la nécessité d'un amplificateur de courant continu à grand gain est éliminée. En outre, l'oscillateur complexe' 'commandé par unie tension continuellement variabl-e est remplacé par un simple oscillateur à deux fréquences. L'exigence de la linéarité est éliminée et, pour un fonctionnement à bande étroite, on peut utiliser un oscillateur à cristal sans que le problème d'une stabilité excessive ne se pose. L'invention se propose en conséquence de fournir : d'asservissement - un nouveau montage d'asservissement en phase/qui utilise un oscillateur à déplacement de fréquence pouvant engendrer l'une ou l'autre fréquence parmi au moins deux fréquences ; - au moins une boucle d'asservissement en phase qui élimine les problèmes de la linéarité et de la sensibilité-, ainsi'que la nécessité d'un amplificateur de courant continu à gain élevé. D'autres carattéristiques- et-- avantages de la présente inven tion ressortiront de la description qui va suivre, faite en retard des dessins annexés et dannant à titre explicatif mais nullement limitatif des formes de réalisation conformes à l'invention. Sur ces dessins - la figure 1 est un schéma d'ensemble d'une boucle d'asservissement en phase classique comprenant un oscillateur commandé par une tension ; et - la figure 2 est un schéma d'ensemble d'un montage à asservissement en phase construit conformément aux principes de 1 'in- vention. On va se référer maintenant aux dessins et plus particulièrement à la figure 1 qui représente un schéma simplifié d'une boucle classique 10 d'asservissement en phase. Un signal d'entrée a(t) dont la phase doit être restituée ou suivie, et qui peut contenir du bruit ou des signaux parasites ainsi que le signal voulu, est appliqué par l'intermédiaire d'un conducteur 11 à un multiplicateur ou détecteur de phase 12 qui reçoit, par l'intermédiaire d'un conducteur 13, à titre de second signal d'entrée, le signal de sortie b(t) d'un oscillateur 14 commandé par une tension variable continuellement. Le détecteur de phase 12 fournit un signal de sortie c(t) qui est proportionnel à l'erreur de phase ou à une certaine fonction de l'erreur de phase telle qu'un sinus.Ce signal d'erreur de phase est appliqué à un filtre passe-bas 15 qui peut être simplement un réseau à résistance -et capacité dont le signal de sortie e(t) est un signal en courant continu indiquant la différence entre les phases des signaux a(t) et b(t). Le signal de sortie du filtre passe-bas 15 est appliqué, par l'intermédiaire d'un amplificateur de courant continu 16 à gain élevé à l'oscillateur 14 commandé par une tension pour en commander la fréquence. Lors du fonctionnement on suppose que le signal d'entrée a(t) est représenté par l'équation suivante : a(t) = Asin(#ot + #i) (1) et que le signal b(t) est représenté par l'équation : b(t) = Bcos( (wot + #o) (2) Le détecteur de phase 12, qui fonctionne en dispositif générateur de produit, fournit un signal de sortie c(t) qui est représenté par l'équation : c(t) = ABsin(#ot + #i)cos(#ot + "o) = 1/2AB[sin(2 #ot + #i + #o) + sin(#i - #o)]. (3) Ainsi qu'il est évident, le signal de sortie du détecteur de phase 12 contient un terme proportionnel à la différence entre les phases des signaux d'entrée. Le filtre passe-bas 15 élimine effectivement le second harmo nique 2#o, en laissant passer seulement la composante continue sin(#i - #o). Si la différence (#i - #o) est faible, comme cela se produit habituellement, sin(#i - #o) peut être remplacé simplement par (e1 - 0) puisque sin e s'approche de e quand e tend vers zéro.Par conséquent, le signal de sortie e(t) du filtre passebas 15 peut être exprimé par l'équation suivante : e(t) = 1/2ABsin(#i - #o) = Km(#i - #o) (4) = Km#e où Km est une constante et #e est l'erreur de phase. L'oscillateur 14 commandé par une tension présente une variation de fréquence de Ko radians par seconde par volt appliqué de la tension commandée. Par conséquent, si le gain de l'amplifica teur 16 est A, la variation de fréquence ## de l'oscillateur 14 peut être représentée par l'équation suivante :: ## = AKoe(t) (5) En égalant les deux expressions de e(t) des équations (4) et (5), on obtient soit On va considérer un exemple typique d'asservissement en phase d'un signal de 1.800 cycles par seconde à variations de + 5 cycles par seconde, pour lequel un asservissement en phase à moins de 1 degré est souhaité, En remplaçant par ces valeurs les quantités correspondantes figurant dans l'équation (7), on obtient Des détecteurs de produits classiques, tels que le détecteur de phase 12, peuvent avoir des valeurs Km approximativement ég - les à 0,1 ou à une valeur inférieure à cause des considérations pratiques de surcharge, etc....Lorsqu'on utilise un oscillateur à cristal qui sert à assurer la stabilité et dont la fréquence est démultipliée pour donner une fréquence de sortie de 1.800 cycles par seconde, on pe3t supposer que K0 a une valeur de l'ordre de 0,1 cycle par seconde par volt soit : K = 2s (0,1) = 0,6. Ainsi, en substituant ces valeurs aux quantités correspondantes dans l'équation (10) et en tirant A, on obtient Ainsi qu'il a été exposé précédemment, un amplificateur ayant un gain si élevé présente des difficultés considérables en pratique à cause de l'instabilité, de la dérive, etc... On va se référer maintenant à la figure 2 ; conformément à l'invention, on résoud ces problèmes en éliminant la nécessité de l'amplificateur de courant continu 16 et de l'oscillateur 14 continuellement variable, commandé par une tension. L'oscillateur 14 est remplacé par un oscillateur à déplacement de fréquence simple 17 qui peut engendrer deux fréquences choisies de façon à entourer la fréquence d'entrée prévue. L'oscillateur 17 doit pouvoir passer brusquement dune fréquence à une autre avec une phase continue. Avec un tel arrangement, le signal de sortie du filtre passebas 15 est appliqué- à un détecteur de signe 18 qui a pour effet de déterminer si l'erreur de phase dépasse un petit seuil dans l'un ou l'autre sens. Le signal de sortie du détecteur de signe 18 qui peut être, le plus simplement possible, un basculeur qui est amené d'un état à l'autre par le signal de sortie du filtre passebas 15, est appliqué à un commutateur 19 qui commande la fréquence de l',oscillateur 17. Le commutateur 19 est toujours du type tout ou rien ou manipulé, de sorte que l'oscillateur 17 fonctionne sur l'une ou-l'autre de ces deux fréquences. Si la phase du signal de sortie de l'oscillateur 17 est en retard sur la phase du signal d'entrée engendré sur le conducteur 11, le commutateur 19 contraint l'oscillateur 17 à passer à la fréquence supérieure sur laquelle il reste jusqu'au moment où sa phase rattrape la phase du 'signal d'entrée- engendré sur le conducteur 11.Quand la phase du signal de sortie de l'oscillateur à déplacement de fréquence est en avance sur la phase du signal d'entrée engendré sur le conducteur Il d'une quantité prédéterminée, le commutateur 19 fait passer l'oscillateur 17 à lafréquence in inférieure à laquelle il reste jusqu'au moment où le signal d'entrée engendré sur le conducteur 11 rattrape la phase de l'autre signal. De cette manière, la phase du signal engendré sur le conducteur 13 diffère de la phase du signal d'entrée engendrë-sur le conduc teur 11 d'une quantité inférieure à une quantité prédéterminée. On peut apprécier maintenant les av-antages du présent sys tème. On élimine non seulement la nécessité d'un amplificateur de courant continu à gain élevé mais encore l'oscillateur complexe continuellement variable, commandé par une tension, ainsi que la condition de linéarité qui lui est-imposée. En outre, pour un fonctionnement à bande étroite, par exemple dans la restitution d'un signal pilote, on peut utiliser un oscillateur à cristal à titre d'oscillateur à déplacement de fréquence 17 sans que le problème de raideur inhérente se pose. I1 va de soi que l'invention nta été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'elle est sua- ceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIQNS 1. Montage d'asservissement en phase pour synchroniser la phase d'un signal de référence sur la phase d'un signal d'entrée, ce montage d'asservissement en phase étant caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur à déplacement de fréquence pouvant passer d'une première fréquence à une seconde fréquence avec une phase continue pour engendrer ledit signal de référence, lesdites fréquences étant choisies de façon à entourer la fréquence prévue du signal d'entrée, et un moyen de déplacement de fréquence réagissant au signal d'entrée et au signal de référence en faisant passer l'oscillateur d'une fréquence parmi lesdites première et seconde fréquences a l'autre sous la commande de la différence entre les phases desdits signaux. 2. Montage d'asservissement en phase selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de déplacement de fréquence comprend un moyen qui réagit au signal d'entrée et au signal de référence en multipliant ces signaux l'un par l'autre. 3. Montage d'asservissement en phase selon la Revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de déplacement de fréquence comprend un filtre passe-bas qui réagit aux signaux multipliés en fournissant un signal en courant continu proportionnel à l'erreur de phase entre ces signaux. 4. Montage d'asservissement en phase selon la Revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de déplacement de fréquence comprend un moyen qui réagit au signal en courant continu pour déterminer si l'erreur de phase dépasse une valeur prédéterminée dans l'un ou l'autre sens et pour engendrer un signal parmi deux signaux identifiant respectivement ces deux conditions. 5. Montage d'asservissement en phase selon la Revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de déplacement de fréquence comprend un moyen qui réagit aux deux signaux susdits en faisant passer ltoscillateur d'une fréquence choisie parmi les première et seconde fréquences à l'autre chaque fois que Irerreur de phase dépasse ladite valeur prédéterminée. 6. Montage-drasservissement en phase selon la Revendication 5, caractérisé en ce que l'oscillateur passe à la fréquence supérieure quand la phase du signal de référence est en retard sur la phase du signal d'entrée 2 et passe a' la fréquence inférieure quand la phase du signal de référence est en avance sur la phase du. signal d'entrée. 7. Montage d'asservissement en phase selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de déplacement de fréquence comprend un détecteur de phase. 8. Montage d'asservissement en phase selon la Revendication 1,-caractérisé en ce que le moyen de déplacement de fréquence comprend un moyen qui réagit au signal d'entrée et au signal de référence en déterminant si la différence entre les phases de ces signaux dépasse une valeur prédéterminée dans l'un ou l'autre sens et en faisant passer l'oscillateur d'une fréquence parmi les première et seconde fréquences à l'autre chaque fois que ladite différence dépasse ladite valeur prédéterminée. 9. Montage d'asservissement en phase-selon la Revendication 8, caractérisé en ce que l'oscillateur passe à la fréquence supérieure quand la phase du signal de référence est en retard sur la phase du signal d'entrée et passe à la fréquence inférieure quand la phase du signal de référence est en avance sur la phase du signal d'entrée.