Brevet FR2122510A1 — publié le 19720901

La présente invention se rapporte à des convertisseurs de tension en fréquence et elle a trait plus particulièrement, mais non exclusivement, à des perfectionnements aux oscillateurs com Mandés par tension et connus sous l'abréviation V.C.OO ("voltage controlled oscillators"). L'invention a pour but d'améliorer la linéarité et 1 stabilité d'oscillateurs commandés par tension. L'invention a en outre pour but d'améliorer la linéarité et la stabilité d'oscillateurs commandés par tension lorsque la fréquence de sortie est fonction de la tension d'entrée. L'invention concerne un convertisseur de tension en fréquence dont la fréquence de sortie est fonction d'un circuit de réaction de sortie relié par l'intermédiaire dlun convertisseur de fréquence en tension à la source de. tension à convertir, la différence entre la tension de réaction et la tension à convertir étant appliquée au convertisseur par l'intermédiaire de moyens d'amplification0 L'invention concerne en outre un circuit de conversion de tension en fréquence dans lequel la fréquence de sortie d'un oscillateur commandé par tension est fonction de la tension à convertir et d'une tension de réaction produite en totalité ou-en partie à partir de ladite fréquence de sortie, ledit circuit de conversion constituant en partie une boucle fermée de contreréaction agissant essentiellement sur la fréquence de sortie de l'oscillateur commandé par tension afin de maintenir ladite ten sion de réaction à la grandeur et au signe requis pour une conversion stable et linéaire de ladite tension à convertir. Un tel circuit confère une plus grande linéarité et une plus grande stabilité à la fréquence de sortie de l'oscillateur commandé par tension que dans le cas d'un oscillateur commandé par tension fonctionnant en boucle ouverte. L'invention consiste en outre à introduire un décalage de tension ou de fréquence dans le circuit de conversion en fréquence fonctionnant suivant une boucle fermée. L'invention consiste en outre à introduire un générateur de fonction dans le circuit à boucle fermée, comme indiqué plus haut, lorsque la fréquence de sortie de l'oscillateur commandé par tension est une fonction autre qu'une conversion linéaire de la tension de commande, par exemple lorsque la fréquence de sortie est une fonction du carré de la tension de commande. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui montrent à titre d'exemples non limitatifs quelques modes de réalisation de l'invention. Lafigure 1 est un schéma synoptique d'un oscillateur commandé par tension agencé en boucle fermée de contre-réactionO La figure 2 représente un circuit particulier correspondant au schéma synoptique de la figure 1. La figure 3 représente un schéma de circuit similaire à celui de la figure 1 mais avec décalage de tension0 La figure 4 représente un schéma synoptique similaire à celui de la figure 1, mettant en évidence un premier procédé de décalage de fréquence0 La figure 5 représente un schéma synoptique comme sur la figure I mettant en évidence un second procédé de décalage de fréquence0 La figure 6 représente un schéma synoptique comme sur la figure 1 comprenant un générateur d'une fonction Dans le cas idéal où le gain différentiel "A" d'un amplificateur opérationnel est égal à l'infini, oe , la fréquence de sortie f est complètement indépendante de la fonction de transfert, r de l'oscillateur commandé par tension V.C.O. ("voltage controlled -oF o111ator"). Il est possible d'obtenir des amplificateurs opérationnels comportant un gain différentiel en boucle ouverte, qui est égal à plusieurs dizaines de milliers, ce qui permet de se rapprocher étroitement de la valeur idéale en pratique. Un fonctionnement suivant ce mode à boucle fermée autocorrectrice permet d'obtenir une configuration extr8mement stable et la réponse est généralement fonction de l'équation de système pour un convertisseur de fréquence en tension, désigné par le symbole F.V.C. Wfrequency to voltage converter").Dans un convertisseur F0V.C. linéaire, la tension est égale au produit de la constante de conversion k par la fréquence0 Sur la figure 1, une tension d'entrée Vin est comparée à une tension de sortie V d'un d'unoenvertisseur de fréquence en tension F0V.C. (C), dont le signal d'entrée est transmis à partir d'une sortie f d'un oscillateur commandé par tension V.C.O (B), une tension d'entrée Vc de l'oscillateur V.C.O. (B) étant obtenue à la sortie d'un amplificateur opérationnel (A)o On a représenté un système dans lequel les deux grandeurs et k ont le même signe0 il est nécessaire d'avoir une concordance des entrées de l'ampli- ficateur opérationnel A pour maintenir une commande de contreréaction lorsque les signes de et de k sont différents. On va maintenant définir les équations du système en référence à la figure 1. La tension de sortie V c de l'amplificateur opérationnel (A) est donnée par la relation Vc = A (Vin - Ve) ...................................... (1) où V désigne la tension de sortie du convertisseur F.V.C. e La fréquence de sortie f de l'oscillateur commandé par tension (B) est donnée par f = f0 + Vc ............................................ (2) où f0 désigne la fréquence de sortie pour V c = 0 tandis que y désigne la fonction de transfert de l'oscillateur V.C.O. La tension de sortie Ve du convertisseur de fréquence en tension F.V.C. (C) est donnée par V e = kf (3) où k désigne la constante de conversion du convertisseur FsV.C. Par analyse, on obtient en introduisant V c tiré de l'équation (1) dans l'équation (2 > f = fo + A (Vin - Ve).....................................(4) en introduisant V e tiré de l'équation (3) dans l'équation (4): f = f0 + pA (Vin - kf) O (5) V. Lorsque A tend vers l'infini, f tend vers Vin .... (7) En pratique l'oscillateur V.C.O. a une fréquence minimale fm et, lorsque Vin est compris entre O et kfm et tend vers cette valeur, l'amplificateur opérationnel est saturé Cette condition est éventuellement contre-balancée par l'utili- sation soit d'une tension de décalage ou de compensation V0, comme indiqué sur la figure 3, où Vin est ajouté à la tension de décalage ou de compensation dans un amplificateur (D) à gain égal à l'unité, avant que la différence d'amplitude entre Ve et (Vin + VO) soit amplifiée dans l'amplificateur opérationnel (A), VO étant supérieur ou égal à kfm, ou à une fréquence de décalage fk, comme indiqué sur les figures 4 et 5 qui montrent que VO est supérieur ou égal à kfm (fig. 3) est supérieur ou égal à fm (fig. 4 et 5). Sur la figure 4, une fréquence de décalage fk est soustraite de la fréquence de sortie de l'oscillateur V.C.O. (B) dans une unité de soustraction (E) et la différence de fréquence est convertie en une tension Ve tandis que sur la figure 5, une fréquence de décalage Sk fournie par une unité à fréquence d'horloge normalisée (G) est convertie en une tension dans un second convertisseur F.V.C. (fi) ou V est égal à kfk et est additionné à la sortie convertie de l'oscillateur VCOe (B) dans un amplificateur F (à gain égal à l'unité afin d'obtenir une tension de réaction Ve. Un autre système utilisant un convertisseur F.V.C. établissant un décalage ou une compensation constituée par une tension fixe VO peut titre employé, auquel cas l'équation concernant ce convertisseur F.V.C. devient V kf - VO Cela permet, par un choix approprié des composants du système, de traiter directement des signaux bidirectionnels et d'incorporer un convertisseur F.V.C. présentant une constante de conversion k de valeur supérieure;; Un autre système a été représenté sur la figure 6 et il permet la génération d'une fréquence f qui est une fonction complexe de Vin par addition d'un générateur de fonction (J) à la boucle de réaction0 En utilisant un générateur de fonction V g G 1(Vi), on obtient alors Ce système conserve l'avantage d'un fonctionnement en boucle fermée. Sur la figure 2, on a représenté un circuit utilisé dans la détermination initiale du système, les trois premiers transistors du convertisseur F.V.C. (C) étant commandés comme des interrupteurs saturés qui sont commutés à la fréquence du signal de sortie de l'oscillateur V.C.O. (B). Le signal de sortie de forme d'onde carrée de ces transistors alimente un condensateur C1. Les transistors 4 et 5 transfèrent la charge emmagasinée dans le condensateur C1 dans le condensateur C2 afin de maintenir une tension proportionnelle à la fréquence d'entrée du convertisseur F.V.C. aux bornes de R1 e t C2c il est à noter que, dans les schémas synoptiques, la fréquence de sortie f de l'oscillateur V.C.O. est également la fréquence d'entrée du convertisseur F.V.C ou unité de soustraction de fréquence tandis que, dans l'exemple particulier utilisé sur la figure 2, un étage-tampon (M) est branché entre 11 entrée du convertisseur F.V.C, et la sortie de l'oscillateur V*C.OO Cet étage, inutile en pratique, est incorporé pour qu'un contrôle de signal de sortie de l'oscillateur VCoOo n'affecte pas le signal transmis par cet oscillateur au convertisseur F.V.C. Pendant des essais, l'oscillateur commandé par tension V.C. O. a été soumis à une variation de température produisant un glissement de fréquence- de 5 % dans la configuration à boucle ouverte. On n'a pas enregistré de fluctuations détectables lorsque la variation de température a été appliquée au même oscillateur V.C. O. dans la configuration à boucle fermée, Bien que les systèmes représentés comportent un amplificateur opérationnel, on peut utiliser un amplificateur à terre virtuelle (désigné dans les pays an06-saxons par "virtual earth amplifier") pour fournir la tension de commande à un oscillateur V.C.O, Lorsqu'on utilise un amplificateur à terre virtuelle, il est nécessaire d'effectuer une inversion du signal de sortie soit dans le convertisseur F.V.C., soit dans la ligne de réaction entre le convertisseur F.V.C. et l'amplificateur, afin que le signal à convertir soit ajouté par l'intermédiaire d'un réseau de résistances, au signal de sortie inversé du convertisseur F.V.C0, ce convertisseur ayant tendance à maintenir le signal de réaction à une grandeur égale, mais à un signe opposé, au signal à convertir Vin. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples décrits et représentés ; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art suivant les applications envisagées et sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention REVENDICATIONS 1. Convertisseur de tension en fréquence, caractérisé en ce que la fréquence de sortie est fonction d'un circuit de réaction de sortie relié par l'intermédiaire d'un convertisseur de fréquence en tension à la source de tension à convertir, la différence entre la tension de réaction et la tension à convertir étant appliquée au convertisseur par l'intermédiaire de moyens d'amplification, 2. Convertisseur de tension en fréquence suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une tension de décalage ou de compensation est appliquée à la tension à convertir. 3. Circuit de conversion de tension en fréquence, caractérisé en ce que la fréquence de sortie d'un oscillateur commandé par tension est une fonction de la tension à convertir et d'une tension de réaction produite en totalité ou en partie à partir de ladite fréquence de sortie, ledit circuit de conversion constituant en partie une boucle fermée de contre-réaction agissant essentiellement sur la fréquence de sortie de l'oscillateur commandé par tension afin de maintenir ladite tension de réaction à la grandeur et au signe requis pour une conversion linéaire et stable de la tension à convertir. 4e Circuit de conversion. de tension en fréquence suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite tension de réaction est la tension de sortie du convertisseur de fréquence en tension0 5. Circuit de conversion de tension en fréquence suivant la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que la tension de réaction est une conversion linéaire de la fréquence de sortie de l'oscillateur commandé par tension0 60 Circuit de conversion de tension en fréquence suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'une tension de décalage ou de compensation est ajoutée à la tension à convertir avant amplification à laide de la tension de réaction0 7.Circuit de conversion de tension en fréquence suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ladite tension de décalage ou de compensation est ajoutée à la tension à convertir dans un amplificateur de gain égal à l'unité. 8. Circuit de conversion de tension en fréquence suivant la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce qu'un décalage de fréquence est exercé sur la tension de réaction. 9. Circuit de conversion de tension en fréquence suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la fréquence de décalage est soustraite de la fréquence de sortie de ltoscillateur commandé par tension dans une unité de soustraction de fréquence avant la conversion effectuée dans une unité de conversion de fréquence en tension pour obtenir ladite tension de réaction. 10. Circuit de conversion de tension en fréquence suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'une tension de décalage ou de compensation est ajoutée au signal de sortie du convertisseur de fréquence en tension pour produire ladite tension de réaction 11. Circuit de conversion de tension en fréquence suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la tension de décalage ou de compensation et la tension de sortie du convertisseur de fréquence en tension sont additionnées dans un amplificateur de gain égal à l'unité. 12. Circuit de conversion de tension en fréquence suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la tension de décalage est produite par conversion a une fréquence d'horloge normalisée en une tension dans un second convertisseur de fréquence en tension. 13. Circuit de conversion de tension en fréquence suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la fréquence de sortie de l'oscillateur coamandé par tension est une fonction, autre qu'une conversion linéaire, de la tension de commande, 14. Circuit de conversion de tension en fréquence suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'un générateur de fonction est branché dans la boucle de réaction pour produire ladite fréquence de sortie de 1'oscillateur commandé par tension. 15. Circuit de conversion de tension en fréquence suivant l'une des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que la tension de réaction et la tension à convertir sont amplifiées dans un amplificateur opérationnel. 16. Circuit de conversion de tension en fréquence suivant l'une des revendications 1 à 15 caractérisé en ce que la différence entre ladite tension de réaction et ladite tension à convertir est amplifiée par un amplificateur à terre virtuelle.