Brevet FR2138404A1 — publié le 19730105

La présente invention se rapporte aux oscillateurs à cristal à régulation de fréquence en fonction de la température. Ces oscillateurs se composent essentiellement d'un amplificateur dont la sortie est connectée à l'entrée à travers un circuit comportant un cristal piézo-électrique oscillant, le gain du système avec la boucle de réaction ainsi constituée étant supérieur à l'unité pour satisfaire aux conditions d'auto-oscillation; la régulation de fréquence en fonction de la température est obtenue en connectant en série avec le cristal, un condensa- teur de valeur convenable dont la capacité est variable en fonction d'une tension électrique appliquée à ses armatures, et en créant cette tension électrique, habituellement désignée sous le nom de Hsignal de compensation", dans un circuit comprenant un élément sensible à la température. Cependant, un tel dispositif ne permet pas d'obtenir une bonne régulation de fréquence, soit dans le cas où la gamme de températures est large, soit dans le cas fréquent où le cristal oscillant a été taillé selon une coupe particulière avantageuse suivant certains aspects, connue sous le nom de ATy coupe pour laquelle la dérive thermique f de la fréquence f du cris f tal affecte la forme d'une courbe algébrique du 3e degré. Dans ce dernier cas il est nécessaire de créer un signal de compensation variant également suivant une fonction du 3e degré, solution conduisant à des circuits de compensation correspondanX difficiles et quelquefois impossibles à réaliser, par suite de la précision élevée exigée pour le signal de compensation à obtenir, et des caractéristiques particulières exigées de certains composants, tels que les éléments sensibles à la température ou thermistances. La présente invention concerne un dispositif ne présentant pas ces inconvénients. I1 comporte d'une part un circuit créant un signal de compensation variant selon une loi algébrique du second degré et d'autre part un circuit de réaction auquel le signal de compensation est appliqué, comprenant essentiellement un cristal oscillant et deux éléments présentant chacun une capacité variable en fonction dudit signal. Plus précisément, l'invention concerne un oscillateur à cristal à régulation de fréquence dans un grand domaine de températures, constitué dtune part d'un circuit oscillant en forme de boucle de réaction, comprenant un amplificateur, un cristal piézoélectrique oscillant et des éléments doués de réactance variable en fonction de grandeurs ou signaux électriques, et da tre part dtun circuit de régulation, comportant des éléments dont une grandeur électrique caractéristique dépend de la température délivrant une grandeur ou signal électrique de régulation, caractérisé en ce que au moins deux desdits éléments doués de réactance sont connectés audit circuit de régulation, leurs ré- actances respectives étant commandes par ledit signal électrique de régulation. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après, en s'appuyant sur les figures annexées, où la Figure I représente une partie du circuit de l'oscillateur à cristal faisant l'objet de l'invention La figure 2 représente un diagramme donnant les variations dtune tension de compensation applicable au circuit de la figure i La figure 3 représente un circuit créant une tension de compensation conforme au diagramme de la figure 2. Les figures 4, 5 et 6 représentent des variantes d'une partie du circuit de ltoscillateur à cristal faisant l'objet de 1, invention. La figure 1 reprdsente, selon un mode de réalisation, une partie du circuit de l'oscillateur à cristal faisant l'objet de l'invention, à savoir, ainsi qu'il a été indiqué plus haut, le circuit oscillant à boucle de réaction proprement dit, Il comporte essentiellement un amplificateur 1, représenté schématiquement sans ses sources d'alimentation pour simplification, dont ltentrée 2 et la sortie 3 sont connectées ensemble par l'intermédiaire d'un cristal 4 comportant des électrodes 5 et 6, et de deux éléments 7 et 8 dont les capacités respectives Ci et a2 dépendent de tensions électriques appliquées entre deux de leurs électrodes.Ces éléments sont habituellement des condensateurs désignés sous le nom de varicaps, mais peuvent titre également constitués par tout composant électrique pouvant présenter une capacité variable en fonction d'une tension électrique, tel qu'un transistor par exemple. Dans le cas des condensateurs du type varicap, les tensions de commande de variation de capacité, tensions dites de polarisation, sont directement appliquées entre les armatures, et dans le mode de réalisation de la figure 1 sont par conséquent appliquées entre les points 10 et Il pour le condensateur C1 et i1 et 12 pour le condensateur C2 .En pratique, pour que les sources de tension de polarisation, dont l'impédance propre est habituellement basse, ne troublent pas le fonctionnement du circuit oscillateur à boucle de réaction, qui constitue un circuit habituellement d'impédance élevée, les tensions de polarisation sont appliquées aux conglensateurs à travers des résistances de forte valeur t7 et 18 , les sources de tension étant connectées entre les points 13 et 14 d'une part, 14 et 15 d'autre part. Le fonctionnement d'un tel dispositif est le suivant Si l'on applique entre 10 et 12 une tension électrique V de valeur fixe, et entre Il et 12 une tension variable E , les deux tensions créées aux bornes des condensateurs Ci et C2 seront respectivement (V-E) et E Si l'on fait varier la température du cristal entre deux limites extrtmes corrospondant aux limites d'utilisation, par exemple entre - 150 et + 70 , et qu'on désire obtenir une fréquence constante délivrée par ltoscillateur et égale à 4 , cette fréquence étant par exemple choisie comme étant celle ob enue v pour la tension E = q on vérifie, par des mesures confirmées par le calcul, qu'il est possible de trouver, pour toute valeur de la température du cristal comprise entre ces limites, au moins une valeur de la tension E telle que la fréquence reste constante. La figure 2 représente les valeurs de cette tension E sous forme d'un diagramme schématique, en fonction de la température Q du cristal. Pour obtenir ces valeurs, on a mesuré point par point, entre -150 et +700 par exemple, les valeurs à donner à E , nécessaircs pour obtenir une fréquence constante de l'os- cillateur constitué selon la figure 1. L'examen de l'ensemble de courbes obtenu permet de noter d'abord qu'il existe deux valeurs possibles de E pour obtenir, à la meme température, la même fréquences fsitaées sur les deux courbes Et et E2 . On notera ensuite que ces courbes sont algébriquemenf du 3e degré. On notera par ailleurs que, au voisinage des valeurs exactes correspondant aux deux courbes Eî et E2 , existent deux zones représentées en hachures, dans lesquelles toute valeur choisie de E assure une précision donnée sur la fréquence, typiquement par #f exemple une erreur relative f = 1.10-6 . On notera d'autre part, ce qui constitue une particularité avantageuse de l'invention, que les valeurs de E ainsi définies par les zones hachurées correspondent à des écarts de tension électrique notables, donc à de faibles précisions à assurer, aisément réalisables par conséquent, sur ces tensions. Ainsi, tout circuit créant un signal de compensation en fonction de la température applicable à ltoscillateur à boucle de réaction de la figure 1, signal dont la valeur soit comprise dans les zones hachurées du diagramme de la figure 2, réalisera un oscillateur à haut degré de régulation de fréquence. Mais une autre particularité avantageuse de l'invention simplifie notablement la création dudit signal de compensation. En effet, comme il est indifférent de créer la tension de compensation en choisissant l'une ou l'autre des courbes E1 et 22 il est possible de créer la tension E en suivant la loi de vairation de l'arc de courbe 30 par exemple de la courbe supérieure E1 jusqu'à une température donnée, et l'arc de courbe 33 de la courbe inférieure E2 au-delà de cette température. On a représenté un exemple d'une telle courbe en 36 sous forme de points en forme de croix. Or cette courbe est sensiblement d'allure parabolique, c'est-à-dire du second degré seulement; il est plus aisé de réaliser des circuits créant, en fonction de la température, une tension variant suivant une telle fonction. La figure 3 représente un circuit électrique assurant la création d'une tension électrique variant selon une loi algébrique du second degré, tension utilisable comme signal de compensation par application au circuit oscillant en boucle de l'oscillateur conforme à l'invention. il se compose d'une source de tension continue 20 , et d'une chaîne d'éléments connectés en série entre les deux pôles de la source 20 , à savoir deux thermistances T1 et T2 , et un ensemble de deux résistances R1 R2 montées en potentiomètre, la seconde thermistance T2 étant soumise à une tension ajustable par le potentiomètre constitué de ces deux ré- sistances R1 R2. Un pont diviseur R3 et R4 , également connecté entre les deux pôles de la source 20 fixe le potentiel de la borne 13. et Les points de raccordement 13,/15, avec le circuit oscillant en boucle de l'oscillateur ont donc des potentiels fixes en fonction de la température, et le point 14, soumis aux variations de résistance des thermistances T1 et 22 , a un potentiel variable. Si lton calcule théoriquement, ou si l'on mesure point par point, en fonction de la température, la tension E existant entre les bornes 14 et 15 du circuit de la figure 3 , on obtient pour un ajustement convenable du pont diviseur R1 R2 , une courbe de variation comprise dans la zone hachurée du diagramme de la figure 1 , sensiblement identique à la courbe, figurée en croix, qu'il est nécessaire d'obtenir comme loi de variation, ainsi qu'on l'a déjà expliqué, pour la tension de compensation à appliquer au circuit oscillant en boucle de l'oscillateur. Ainsi, le dispositif constitué d'une part, par un circuit oscillant en boucle comportant deux varicaps en série, et d'autre part par un circuit à deux thermistances générateur d'un signal de compensation, suivant les figures 1 et 3 constitue bien un oscillateur à cristal à régulation de fréquence élevée en fonction de la température. La figure 4 représente une variante du dispositif selon l'invention, concernant seulement la constitution du circuit oscil lant en boucle. Les varicaps C1 et C2 Y sontconnectés en parallèle et non plus en série comme dans la figure 2 , mais le fonctionnement du circuit y est le même. Cependant pour permettre l'application séparée des tensions de polarisation nécessaircs sur chacune des deux varicaps, le branchement en parallèle est réalisé avec interposition d'un condensateur Cp , qui se comporte, au point de vue des tensions alternatives, comme un court-circuit conducteur, et au point de vue des tensions continues, comme un élément d'isolement. Les figures 5 et 6 représentent deux autres variantes du dispositif selon l'invention concernant sculement la constitution du circuit oscillant en boucle, dans les deux cas illustrés par les figures 3 et 4, à savoir les branchements respectivement en série et en parallèle des varicaps C1 et C2 . Dans les deux cas, il peut être difficile d'obtenir un contrôle de fréquence à sensibilité élevée par variation de ces capacités si la self propre du cristal est élevée. il est possible d'obtenir dans ce cas un contrôle de fréquence à sensibilité élevée en ajoutant au circuit une auto-inductance L , connectée en série avec leamplificateur A dans le circuit oscillant en boucle. La figure 7 représente, sous forme d'un diagramme, la loi de variation de la fréquence mesurée en fonction de la température sur un oscillateur à cristal réalisé selon l'invention. Cette courbe met en évidence une variation f de la fréquence f délivrée inférieure aux limites habituelles désirées de + 1.10 6 , pour un écart de température compris entre -750 et + 700. De tels résultats constituent une amélioration notable par rapport à ceux obtenus sur des oscillateurs à cristal réalisés selon l'art connu, et permettent notamment la réalisation de générateurs de fréquences à haute stabilité dans une large gamme de températures. BEVE1ODICBTIONS Oscillateur à cristal à régulation de fréquence dans un grand domaine de températures, constitué dlune part d'un circuit oscillant en forme de boucle de réaction, comprenant un amplifi q cateur + cristal piézoélectrique oscillant/et des éléments doués de réactances électriques, dont certaines variables en fonction de grandeurs ou signaux électriques, et d'autre part d'un circuit de régulation, comportant des éléments T1 ,T2dont une grandeur électrique caractéristique dépend de la température, délivrant une grandeur ou signal électrique de régulation, caractérisé en ce que au moins deux desdits éléments doués de réactance sont dos capacités o connectées audit circuit de régulation, leurs capacités respectives étant commandées par ledit signal électrique de régulation. 2. Oscillateur à cristal suivant la revendication 1, carac térisé par le fait que les deux éléments doués de capacité sont connectés en série. 3. Oscillateur à cristal suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux éléments doués de capacité sont connectés en parallèle, un condensateur étant de plus connecté en série avec l'un desdits éléments 4. Oscillateur à cristal suivant la Revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de régulation comprend une source de tension électrique continue, une chaine d'éléments connectés en série entre les deux pôles de ladite source, cette chaîne comportant deux thermistances dont l'une est shuntée par une résistance, ces termistances étant connectées en série à travers une résistance intermédiaire; et comprenant une borne de sortie du signal de régulation reliée au point commun de ladite résistance intermédiaire et de la thermistance non shuntée. 5. Oscillateur à cristal suivant la Revendication 4, caractérisé en ce que les deux éléments doués de capacité ont leur point de connexion commun en tension continue connecté à la borne de sortie du circuit de régulation et leurs deux autres extrémités respectivement connectées aux deux pôles de ladite source de tension électrique continue, les connexions étant réalisées à travers des résistances de valeur élevée. 6. Oscillateur à cristal suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite boucle de réaction comprend des éléments doués d'auto-inductance ou selfs. 7. Générateur de fréquences caractérisé en ce qu'il comporte unroscillateur à cristal suivant la Revendication 1.