Brevet FR2123496A1 — publié le 19720908

La présente invention se rapporte à un dispositif pour indiquer des relations de fréquence et/ou de phase entre des signaux et en particulier u un aispositif fournissant un signal de sortie fonction de la différence de fréquence et/ou de phase entre deux signaux d'entrée. Les détecteurs ou uiscriinaters de fréquence et de pnase ont des utiliations nombreuses dans le domaine des transmissions et dans diverses applications industrielles. Par exemple, des boucles de verrouillage de phases ou des filtres dralignement sont utilisés couramment dans les systèmes de transmissions et dans les applications de synthèse de fréquence. La détermination de la relation entre les deux signaux, soit en phase, soit en fréquence, a été réalisée dans la technique antérieure de diverses manières.Les dispositifs utilises sont souvent complexes et sont en outre incapables de réaliser la aiscrimination entre les multiples et sousmultiples d'une fréquence particulière. r conséquence, on obtient une indication fausse sur la relation de fréquence ou de phase. Des discriminateurs auxiliaires, tels ceux employés en démodulation PH ont été utilisés pour tenter d'éliminer ces indications fausses, mais ont eu un succès limité.En outre, la gamme dynamique limitée de ces discriminateurs auxiliaires limite sérieusement la gamme dynamique d'une boucle d'aligne:ent par exemple et empêche l'acquisition et le verrouillage dans un délai raisonnable. I1 est donc nécessaire de disposer d'un discriminateur de fréquence et de phase ayant des capacités d'acquisition et de verrouillage dans une gamme dynamique étendue et ne fournissant pas d'indications ambi gues ou fausses sur la relation temporelle entre deux signaux. L'invention a pour but de réaliser un discriminateur de fréquence et/o- > ae pnase à large gamme. l'invention a également pour but de fournir une indication non alubigüe de la relation de fréquence et phase entre deux signaux. L'invention a en outre pour but de réaliser des discriminateurs de fréquence et de phase syncnrones et asynchrones et possédant de larges gammes uynamiques. hn bref, un mode de réalisation de l'invention consiste à utiliser un premier et un second comparateur binaire du type bistable fonctionnant de façon asynchrone, afin de produire des signaux de sortie indiquant la différence de temps entre deux signaux d'entrée. La durée des signaux de sortie de chacun des comparateurs binaires mesure la différence de fréquence et/ou de phase entre les deux signaux. Dans un autre mode de réalisation, on utilise un discriminateur de fréquence et de phase synchrone ayant sensiblement les mê- mes caractéristiques que le ciscriminateur asynchrone. Ce discriminateur syncnrone comprend des comparateurs binaires du type bistable qui sont synchronisés par des impulsions d'horloge fournies par une source commune, et il bonne des indications du temps relatif d'apparition des deux signaux d'entrée. La durée des signaux de sortie des comparateurs constitue une mesure de la différence de fréquence et/ou de phase entre les deux signaux d'entrée. 'autres avantages et caractéristiques de l'invention appa raîtront à la lecture de la description suivante donnée en référen- ce aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un senéma du circuit électrique d'un discriminateur asynchrone suivant l'invention - les figures 2 et 7 donnent des formes d'ondes caractéristiques tension-temps intervenant dans le système de la figure 1. - la figure 4 est un schéma du circuit d'un ctiscriminateur asynchrone suivant un autre mode de l'invention. - les figures 5 et 6 donnent les formes d'ondes caractéristiques tension-temps intervenant dans le système de la figure 4. On a représenté à titre d'exemple dans la figure 1 un discriminateur asynchrone de fréquence et/ou de phase IO. I1 comprend principalement un générateur d'impulsions ou multivibrateur monostable 11 par exemple qui fournit un signal de sortie de durée fixée lorsqu'il est amorcé par une impulsion d'entrée transmise par la ligne d'entrée I2. Le générateur 11 a pour fonction de produire un signal de "blocage" coïncidant au moins avec le flanc avant d'une impulsion d'entrée apparaissant dans la ligne I2, mais ne réagissant pas à des impulsions parasites ultérieures avant la fin de la durée du signal de sortie du générateur.La sortie du générateur 11 est reliée à l'entrée d'un autre générateur monostable I7 fournissant deux signaux de sortie complémentaires I4 et I4 respectivement aux comparateurs binaires avance I5 et de "retard" I6. Un troisième générateur monostable I7 reçoit un second signal d'entrée sur une ligne I8 et fournit deux signaux de sortie complémen taires I9 et I9 respectivement aux comparateurs d"'avance" I5 et de "retard" I6. Les générateurs 13 et 17 fournissent des impulsions de courte durée en rapport avec ia fréquence d'entrée des signaux apparaissant aux lignes 12 et IS. je plus, le générateur ll est rglé de manière que sa largeur d'impulsion de sortie empêche un second signal parasite apparaissant sur la li-,ne 12 de modifier le signal de sortie de ce générateur 11. Ceci évite les ambiguités aux sorties des comparateurs I5 et I6. Le comparateur asynchrone d'avance I5 comprend des entres d'excitation 21 et de retour à l'état initial ou "remise à zéro" 22 reliées respectivement à la sortie complémentaire T9 du généra- teur I7 et à la sortie I4 du générateur I3. Le comparateur asynchrone de retard I6 comprend des entrées d'excitation 23 et de remise à zéro 24 reliées respectivement à la sortie compîmentaire 14 du générateur I3 et à la sortie 19 au générateur I7. L'entrée d'excitation d'un comparateur est reliée un réseau différentiateur 25 comprenant par exemple une résistance et un condensateur dont le point de jonction est relié à l'entrée d'une porte NON-ET 26.La porte 26 possédant une seule entrée fonctionne en inverseur et sa sortie est reliée à une seconde porte NON-ET 27. Un signal d'autorisation d'excitation est appliqué la deuxième entrée de la porte 27, reliée à une sortie du comparateur de retard I6. La sortie de la porte 27 est reliée 9 une des entrées d'un réseau de verrouillage 28 comprenant deux portes NON à coupiage croisé et produisant des signaux de sortie complémentaires. Le signal obtenu à la première sortie est désigné par "AVANCE" et celui de la deuxième sortie par "AVANCE".Le comparateur d'avance I5 comprend en outre un second réseau différentiateur 29 comportant un condensateur et une résistance par exemple, le condensateur étant relié à l'entrée de remise à zéro 22 et le point de jonction des deux compos;nts étant relié à une des entrées du réseau de verrouillage 28. Le comparateur asynchrone de retard I6 comprend des éléments similaires à ceux du comparateur d'avance I5. Les signaux de sor tie du comparateur I6 sont désignés par "RETARD" et et"RETARD, le signal "RETARD" étant appliqué à entrée d'excitation 30 du compa- rateur d'avance I5. L'entrée d'excitation 31 du comparateur de retard I6 reçoit le signal AVANCE sortant du comparateur d'avance I5. Les comparateurs I5 et I6 fournissent des signaux de sortie binaires représentant le temps relatif d'apparition des signaux d'entrée sur les lignes I2 et 18 et leurs différences de fréquence et/ou de phase. Par exemple, lorsqu'une impulsion apparaît sur la ligne en retard par rapport à une impulsion sur la ligne I2, le comparateur de retard I6 produit des signaux de sortie complémentaires ayant chacun une largeur d'impulsion sensiblement égale à 1A différence ae fréquence et/ou de phase entre les signaux d'entrée. Pendant cet intervalle, le signal "AVANCE" du comparateur I5 est un O binaire. D'autre part, lorsque l'impulsion sur la ligne I8 est en avance" par rapport à l'impulsion sur la ligne I2, le comparateur d'avance I5 fournit des signaux de sortie complémentaires ayant chacun une largeur a'impulsion sensiblement égale à la différence de fréquence et/ou de phase entre les signaux d'entrée. Le signal de sortie "RETARD" du comparateur I5 a pendant ce temps l'état 0. La manière dont s'effectuent les comparaisons d'avance et de retard sera décrite ci-dessous en référence aux figures 2 et 3. La figure 2 illustre un premier signal de tension d'entrée I2' et un second signal de tension d'entrée I8' appliqués respec- tivement aux lignes I2 et I8 du mode ae réalisation de la figure 1. Le signal d'entrée I2' excite le générateur monostable 11 qui produit un signal 11' obligeant à son tour le générateur I3 à produire des signaux I4, I4', le signal I4' ayant la forme indiquée sur la figure 2. Le signal I8' produit des signaux I9' et I9' à la sortie ou générateur I7. A l'instant tQ, le signal I4' est appliqué à l'entrée d'excitation 23 du comparateur de retard I6 et est différencié dans le réseau 39. La partie négative de la forme d'onde différenciée est inversée par l'élément 36 et appliquée à la porte NON-ET 37. Le signal AVANCE est appliqué à la borne d'excitation 31. Puisque les deux signaux d'entrée de la porte 37 sont des "1", le signal ae sortie est un "O" faisant modifier par le réseau de verrouillage 38 les états du système de sorte que le signal "RETARD" prend la valeur 1 et le signal "RETARD" la valeur 0. A l'instant tl, le signal passe ae la valeur 1 à la valeur 0. Ce signal est appliqué à l'entrée de remise à zéro 22 du comparateur d'avance 15. Toutefois puisque le réseau de verrouillage du comparateur I5 était remis à zéro avant ce moment, le signal de sortie "AVANCE" du comparateur 15 conserve la valeur 0. Cela indique que l'impulsion apparaissant sur la ligne I8 n'est pas en avance par rapport à l'impulsion apparaissant sur la line 12. h l'instant t2, le signal différencié appliqué à la porte NON-ET 26 est empêché de faire commuter le signal de sortie "AVAN CE" du comparateur d'avance de la valeur 0 à la valeur 1 par la présence d'un état O à sa borne d'excitation 30. Cela résulte de la commutation préalable des signaux "RETARD" à la valeur 1, et "RETARD" à la valeur O. Toutefois à l'instant t3, la commutation de 1 à O de l'entrée ae remise à zéro 24 oblige le réseau de verrouillage à revenir à sa condition initiale.Néanmoins l'appari- tion d'un signal "RETARD" de valeur binaire 1 entre t0 et t3 fournit une indication de la différence entre les instants d'apparition des signaux d'entrée et indique en outre, dans ce cas particulier, que le signal d'entrée transmis par la liane 18 par exemple est en retard par rapport au signal d'entrée transmis par la ligne I2. On peut utiliser les signaux de sortie des comparateurs d'avance et de retard pour modifier par exemple la fréquence d'un oscillateur commandé par tension. On peut également utiliser le dis- criminateur de fréquence et/ou de phase IO dans d'autres aoplica- tions, par exemple pour régler la fréquence d'un moteur ou d'un générateur, pour cnanger la vitesse d'un véhicule, pour enregistrer la fréquence "åoppler" d'un système cie mesure de vitesse par radar, et pour de nombreuses autres applications. Le mode de réalisation de la figure 1 fournit également un signal de sortie représentant l'apparition d'un signal d'entrée dans la ligne I8 en avance par rapport au signal d'entrée dans la ligne I2. La figure 3 représente des formes d'ondes caractérisant cette condition. Les formes d'ondes 141' et IC' correspondent res pectivement aux sorties des générateurs monostables 13 et I7. Le signel 19' apparaît avant le signal 14'. Le signal 19' détermine la proauction par le comparateur d'avance I5 d'un signal de sortie "AVANCE" de valeur binaire 1 qui est maintenu jusqu'à ce que le signal I4' ramène le réseau de verrouillage 28 dans son état initial. Le signal ae sortie "AVANCE" est maintenu ae t0 à t3, cet intervalle correspondant sensiblement à la différence de fréquence et/ou de phase entre les signaux I4' et I9'. La différence réelle de temps entre les deux signaux d'entrée n'est pas exactement égale à la durée de l'intervalle t0 a t car le signal produit par l'un ou l'autre des comparateurs comprend la largeur de l'impulsion arrivant plus tard.Cette faible différence de temps réel et la différence de phase entre les impulsions peuvent etre réduites au minimum en aonnant aux impulsions produites par les générateurs 13 et I4 des largeurs aussi proches que possible de la gamme envisagée de fréquences à mesurer. Par exemple, si on doit mesurer des fréquences de l'ordre de cycles ou de kilocycles, des largeurs d'impulsions de l'ordre de microsecondes auront un effet insignifiant sur la différence de temps entre deux signaux. En conséquence, les impulsions de sortie des comparateurs d'avance et de retard sont sensiblement égales à la différence de temps entre les signaux d'entrée. Une indication plus précise de la différence de temps entre deux signaux est obtenue en utilisant des techniques de soustraction de signaux binaires. tn employant par exemple des éléments logiques convenables, la largeur de l'impulsion en retard peut être retranchée des largeurs d'impulsions des signaux de sortie des comparateurs d'avance et de retard. La figure 4 représente, titre d'exemple, un autre mode de réalisation d'un discriminateur de fréquence et/ou de phase 40 à fonctionnement synchrone. I1 comprend un générateur monostable d'impulsions 41 remplissant une fonction de blocage comme décrit précédemment. Les sorties compléentaires du générateur 41 sont reliées aux entrées dtexcitation et de remise a zero d'une bascule bistable 42 dont les sorties d'excitation et de remise à zéro sont reliées à une seconde bascule bistable 43. La sortie d'excitation de la bascule 42 et la sortie de remise à zéro de la bascule 43 sont reliées a une porte NON-ED 44 dont la sortie est reliée à une porte NON-z 45. Une deuxième entrée de la porte 45 est reliée à la sortie de remise a zéro d'une bascule bistable 46 et une troisième entrée est reliée à la porte 47. La porte 47 est reliée à la sortie d'une porte NON-ET 48 dont les deux entrées sont reliées respectivement à la sortie de remise à zéro d'une bascule bistable 49 et à l'entrée d'excitation de cette bascule. Les entrées d'excitation et de remise à zéro de la bascule 49 sont reliées à une ligne d'entrée 50 afin de recevoir l'un des ceux signaux d'entrée. L'autre signal d'entrée est appliqué à la ligne 51 reliée à l'entrée du générateur monostable 41.La sortie de la porte 48 est également reliée à une porte NON-ET 52 dont les deux autres entrées sont reliées respectivement à la sortie ae remise e zéro d'une bascule bistable 53 et 0 la porte NON-T 54. Chacune des bascules 42, 43, d6, 49 et 52 est reliée à un générateur d'impulsions d'horloge 55 assurant la commande synenrone du discriminateur 40. La bascule 42 sert à assurer la synchronisation des événements asynchrones apparaissant dans la ligne 51 avec les impulsions d'horloge et les bascules 43 et 4s fournissent des impulsions de commande ayant la largeur d'une impulsion d'horloge. Le fonctionnement du discriminateur synenrone 40 va être décrit en référence aux formes d'ondes tension-temps des figures 5 et 6. La figure 5 représente par exemple un train d'impulsions d'horloge 60 commençant à l'instant t0 et se répétant aux instants tl, t2, t3... tn Si,à un instant compris entre tOet tl, un signal d'entrée 51' apparaît dans la ligne d'entrée 5I et si, à un instant compris entre t2 et t3, un signal d'entrée 50' apparaît dans la ligne 50, on obtient à la sortie de la porte NON-". 54 un signal 54'. De façon analogue, on obtient à la sortie de la porte 47 un signal 47' à l'instant t2. L'apparition de ces deux signaux fait passer à l'état 1 la bascule 53 à l'instant tl et la remet à zéro à l'instant t La figure 5 représente le signal de sortie "R-TARI)" de la bascule 53 et le signal de sortie "AVM4CE" de la bascule 46. I1 est clair que le signal apparaissant dans la ligne 50 est en retard par rapport au signal apparaissant dans la ligne 51 et que la largeur d'impulsion du signal "RETARD" de la bascule 53 mesure cette différence de fréquence et/ou de phase. Si on inverse les signaux d'en- trée, on obtient une impulsion analogue à la sortie 1,AVANCE" de la bascule 46.En conséquence, le discriminateur synchrone 40 fonctionne sensiblement de la même manière que le aiscriminateur asynchrone IO, mais suivant un mode synchrone. La figure 6 illustre un état du détecteur 40 où la coïncidence d'impulsions est réalisée. Les impulsions apparaissent en coin- cidence aux entrées 50 et 51 entre les instants t3 et t4. Ces impulsions déterminent des signaux 54' et 47' =e la sortie des portes 54 et 47. Ces signaux déterminent l'apparition des signaux "AVANCE" et "RETARD" de valeur binaire O > 13 sortie des bascules 46 et ri6. tn conséquence, on voit ,ue la co ncldence entre les signaux d'en trée est indiquée par des états binaires O dans les deux lignes de sortie "AVMCE" et "R4TARi)". Cette condition n' existe que lors de la coïncidence des signaux d'entrée et à aucun autre moment. Les spécialistes se renaent aisément compte que l'invention offre de nombreux avantages par rapport aux discriminateurs de temps et de pnase connus précédemment. lar exemple, des signaux de sortie ambigus ou jaux dus à un verrouillage d'harmoniques ou de sous-harmoniques sont évités dans le système de l'invention par ltétablissement d'états binaires O aux sorties "AVANCE" et "RETARD" uniquement lorsque les fréquences et les phases des signaux d'entrée sont sensiblement identiques. En outre, les discriminateurs de fréquence et/ou de phase suivant l'invention ont une gamme dynamique étendue lorsqu'ils sont utilisés en association avec un oscillateur commandé par tension. Lorsqu'il est utilisé d'une autre manière, le discriminateur te temps et de phase suivent l'invention produit un signal de sortie indiquant avec précision la différence ae fréquence et/ou de phase entre deux signaux d'entrée. P outre, en utilisant un signal de référence connu qui est appliqué à une entrée du discriminateur, on obtient des mesures de fréquence et de pnase par rapport à ce signal de référence. REVENDICATIONS I- Discriminateur pour mesurer la différence de fréquence et/ou de phase entre deux signaux d'entrée, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens pour fournir un signal de sortie s, chaque fois que le peler signal d'entrée se produit plus tôt que le second, des seconds moyens pour fournir un signal de sortie à chaque fois que le premier signal se produit plus tard iue le second, et en ce que chacun desdits signaux de sortie est sensiblement proportionnel à la différence de fréquence et/ou de phase entre lesdits signaux d'entrée. 2- Discriminateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des troisièmes moyens pour arrêter des signaux parasites provenant de l'un au moins des premiers ou des se conds moyens. 3- Discriminateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers et seconds moyens comprennent chacun un comparateur binaire bistable sensible auxdits signaux d'entrée pour produire un signal binaire de sortie dont la durée d'impulsion est proportionnelle à la différence de fréquence etjou de phase entre lesdits signaux d'entrée. 4- Discriminateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit comparateur binaire comprend un réseau de verrouillage amené à un premier état binaire par l'un desdits signaux d'entrée et ramené à un second état binaire, par l'autre signal d'entrée. 5- Discriminateur suivant la revendicatio 4, caractérisé en ce que ledit réseau de verrouillage comprend des portes logiques reliées en croix et fonctionnant de manière asynchrone. 6- Discriminateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit réseau de verrouillage comprend des bascules bistables fonctionnant de manière synchrone. 7- Discriminateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un générateur d'iîpulsions dthorlo,:e et un circuit pour synchroniser lesdits signaux d'entrée avec les impulsions d'horloge produites par ledit générateur. 8- Discriminateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il apprend en outre un circuit pour fournir un signal d'autorisation de déclenchement auxdits premiers moyens à partir d'une sortie desdits seconds moyens et un circuit pour fournir un signal d'autorisation de déclencnement auxdits seconds moyens à partir d'une sortie desdits premiers moyens. 9- Discriminateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier et un second générateur monosta- ble d'impulsions réagissant cnacun à l'un desdits signaux d'entrée pour fournir des signaux de sortie compîmentaires de durée d'impulsion choisie. IO- Discriminateur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits premiers et seconds moyens comprennent chacun un comparateur binaire bistable réagissant auxdits signaux d'entrée pour produire un signal binaire de sortie dont la durée d'impulsion est proportionnelle à la différence de fréquence et/ou de phase entre lesdits signaux d'entrée.