Brevet FR2113931A1 — publié le 19720630

* / 71 40496 ' 2113931 / / L'invention concerne un dispositif pour la régulation de la fréquence d'un oscillateur oscillant librement, et notamment d'un oscillateur modulé en fréquence, par rapport à une fréquence de référence stable au moyen d'une boucle de régla-5 ge,- dispositif dans lequel il est prévu deux étages mélangeurs auxquels est appliquée l'une des fréquences, de préférence la fréquence de référence, respectivement avec une différence de phase de 90°, tandis que l'autre fréquence, de préférence celle de l'oscillateur à oscillation libre, est appliquée en concor— 10 dance de phase aux étages mélangeurs. Dans de nombreux cas d'application, llinstabi-lité de la fréquence d'oscillateurs à oscillation libre, suscep- -tibles d'être modulés en fréquence, est suff i s animent grande, même en cas de dimensionnement approprié, pour qu'une régulation au-15 tomatique de fréquence* soit nécessaire. On connaît à cette fin des dispositifs à boucle de régulation de fréquence, qui utilisent un discriminateur composé de bobines et de condensateurs, lequel délivre, lors d'un écart par rapport à la fréquence de consigne, une tension continue de régulation, polarisée en consé-20 quence, à l'organe de réajustement de l'oscillateur et réajuste celui-ci à la fréquence de consigne. L'instabilité de fréquence de tels dispositifs est essentiellement due aux variations de température des bobines et condensateurs et se situe aux environs —3 de 10 dans la gamme de température comprise entre 10° et 50° C. 25 Par comparaison avec une fréquence très stable, produite par exemple par un oscillateur commandé par quartz, on peut parvenir à une précision plus poussée, supérieure d'un ordre de grandeur environ. Un dispositif de ce genre est décrit dans "Bell System Technical Journal", nov. 1961, pp. 1595 à 1597» l'oscillation de 30 l'oscillateur à réajuster étant comparée périodiquement avec celle d'un oscillateur commandé par quartz. On connaît par ailleurs des circuits à moindre instabilité de fréquence dans lesquels, en vue de la régulation de fréquence ou de phase, l'oscillation d'un oscillateur est d'abord transposée dans une 35 gamme de fréquence plus basse au moyen d'une oscillation"de conversion stabilisée par quartz et la fréquence convertie est appliquée au discriminateur. On connaît également le procédé consistant à utiliser deux mélangeurs auxquels l'une des oscillations est 40 appliquée en concordance de phase et l'autre avec un déphasage 71 40496 2 2113931 de 90°» de sorte qu'il est possible de différencier un écart de fréquence positif ou négatif, lorsque des dispositifs appropriés d'évaluation sont connectés à la suite des mélangeurs. Un tel montage est par exemple décrit et représenté dans la demande de 5 brevet allemand mise à l'inspection publique sous le n° 1 257 891. Partant d'un tel système l'invention a pour but d'évaluer les fréquences différentielles à la suite des mélangeurs, de manière à obtenir une bonne stabilité de la fréquen-10 ce centrale de l'oscillateur à réajuster, aussi bien dans le cas où il n'est pas modulé qu'en cas de forte modulation de fréquence^ comme cela est par exemple nécessaire pour une exploitation par canaux multiples dans une liaison par câble hertzien à modulation de fréquence. 15 Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce au fait qu'un organe intégrateur est monté après la sortie de l'un des étages mélangeurs et un organe différentiateur après la sortie de l'autre, et que les tensions de sortie de ces deux organes sont appliquées à un circuit qui évalue leur différence 20 de phase et dont la tension de sortie redressée est appliquée à l'organe de réajustement de l'oscillateur. Un circuit d'évaluation avantageux selon l'invention est composé d'un étage d'addition de tension et d'un étage de soustraction, à chacun desquels sont appliquées les deux 25 tensions de sortie et dont les tensions de sortie redressées sont dirigées vers un autre étage qui forme la différence entre elles, les tensions différentielles étant enfin appliquées, de préférence par l'intermédiaire d'un amplificateur de tension continue et -d'un passe-bas, à l'organe de réajustement de fréquence de l'os-30 cillateur à oscillation libre. Pour la suppression de l'oscillation de référence et de celle de l'oscillateur, il est avantageux de monter, à la suite des deux étages mélangeurs, des passe-bas dans le trajet des signaux fournis par leurs tensions de sortie. 35 Pour élever le niveau des tensions de sortie des deux étages de mélange, il est avantageux de monter des amplificateurs, en particulier en connexion avec les organes produisant des déphasages (élément différentiateur ou intégrateur). Pour l'obtention de la symétrie en particulier, 40 il est avantageux de donner à la constante d« tw- * ~ " 71 40496 3 2113931 différentiateur la même valeur qu'à celle de l'organe intégrateur. De préférence, les organes différentiateur? et intégrateur sont formés par des circuits RC. 5 • Les étages additionneur et soustracteur sont opportunément constitués par les deux transistors d'un amplificateur différentiel, l'un des signaux étant appliqué dissymétri-quement à 1,'amplificateur différentiel et l'autre étant superposé au courant d'émetteur commun. 10 Du fait que les oscillations différentielles en aval des deux mélangeurs sont différenciées dans un trajet de signal et intégrées dans l'autre trajet de signal, et du fait que' la même constante de temps est utilisée approximativement à cet égard, il résulte cet avantage que les deux oscillations diffé— 15 rentielles ont, même pour de grands écarts de fréquence, une différence de phase indépendante de la fréquence de 0° environ ou 180°, selon que la fréquence fs de l'oscillateur oscillant librement est supérieure on inférieure à la fréquence de référence fv. Il en résulte un comportement analogue à celui d'un dis-20 criminateur, dont la symétrie est maintenue et avec lequel la h. tension du discriminateur s'abaisse lentement en cas de grands écarts de fréquence, sans qu'il en résulte d'autres points de perturbation où la tension de sortie du discriminateur s'annule. L'invention est ci-après expliquée de façon 25 plus détaillée, avec les avantages qui s*y rattachent, à l'aide* d'une forme de réalisation donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé. La figure 1 est la schéma de principe du dispositif de régulation de fréquence selon l'invention. Une fré-30 quence de référence fv relativement stable, par exemple commandée par quartz, est produite dans l'oscillateur 01. Des parties de la tension de sortie de l'oscillateur sont appliquées, par l'intermédiaire des circuits RC et RL qui produisent un déphasage de 45°, à deux étages mélangeurs semblables Ml et M2. Deux tensions 35 UV1 et UV2, déphasées entre elles de 90°, sont produites par les circuits RC et RL. Dans les mélangeurs M1 et M2, ces tensions sont transposées avec les oscillations US de fréquence fs de l'oscillateur 02 oscillant librement et appliquées en concordance de phase aux deux mélangeurs. 40 C'est ce qui est représenté sur la figure 2 en 71 40496 i. 2113931 Tin disgramme vectoriel. Si fs ^ fv, l'oscillation différentielle est déphasée en avant de 90^ dans la branche 1 ; si fs fv, elle est en retard de phase de 90°• Le vecteur US tourne avec la fréquence différentielle fs - fv, en supposant fixes les vecteurs 5 UV, UV1, UV2. L'oscillateur 02 oscillant librement sur la figure 1 comporte de préférence un dispositif de modulation de fréquence, tel qu'indiqué par le bloc désigné par Mod sur la figure. En outre, cet oscillateur est équipé d'un dispositif de 10 réajustement de fréquence, tel que représenté par le symbole d'une diode varactor. La tension de sortie des deux convertisseurs de fréquence est tout d'abord envoyée à travers deux passe-bas semblables TP1. Les deux tensions UD1 et UD2 déphasées l'une par rapport à l'autre de 90° sont disponibles à la sortie de ces 15 passe-bas. La fréquence des deux tensions est égale à la différence de fréquence (fs - fv = fD). La tension UD1 est en avance de phase de 90° sur la tension UD2 lorsque fs est supérieure à fv et elle est en retard de 90° lorsque fs est inférieure à fv (voir figure 2). Ce phénomène est connu en soi. La tension UD2 20 est alors différenciée, par un circuit RC (DG) , avec la fréquence fg, c'est-à-dire qu'en cas de basse fréquence différentielle (c'est-à-dire fD^^fg), elle subit un déphasage en avant de presque 90°, ce qui fait que la tension U2 portée sur le schéma est en avance de phase de 90° sur la tension UD2. Par. contre, la ten-25 sion UD1 est intégrée par un circuit RC (jGl), c'est-à-dire qu'en cas de haute fréquence différentielle (c'est-à-dire quand fD fg), U1 subit un déphasage en arrière de presque 90° par rapport à la tension UD1. Par contre, en cas de basse fréquence différentielle, UD1 est en concordance de phase avec U1. Inversement, 30 avec l'élément différentiateur DG-, la tension UD2 est en concor- -dance de phase avec la tension U2 en cas de fréquence différentielle élevée. Pour parvenir à une bonne symétrie et à une forte pente du discriminateur, il convient de choisir des constantes de temps et, par suite, des fréquences limites fg égales pour l'élé-35 ment différentiateur et pour l'élément intégrateur, de sorte que la fréquence dont le déphasage est de 45° soit la même dans les deux branches. Par l'utilisation simultanée d'un élément différentiateur et d'un élément intégrateur, on parvient donc à un déphasage additionnel de 90°, indépendant de la fréquence, entre kO les tensions U1 et U2. Ainsi, les tensions U1 et U2 sont en copV 71 40496 2113931 concordance de phase pour une fréquence différentielle positive (fs^ fv) et en opposition de phase pour une fréquence différentielle négative (fs ^ fv), la différence de phase étant pratiquement indépendante de la grandeur de la fréquence différaatielle 5 fs•- fv. Pour mieux comprendre ces phénomènes, on a représenté sur la figure 3 le comportement de phase des tensions indiquées pour, différentes fréquences fs dont les grandeurs relatives sont indiquées sur la figure. La tension alternative TJ1 est constante aux 10 basses fréquences différentielles et elle décroît de 3 dB jusqu'à la fréquence limite de l'élément intégrateur XG1. Par contre, la tension alternative TJ2 augmente en cas de basses fré—" quences différentielles de 6 dB environ par octave et," à la fréquence limite de l'élément différentiateur, elle atteint une 15 valeur qui se situe à*3 dB au—dessous de la valeur maximale. Il est fourni, par la phase des deux tensions, un critère univoque indiquant si l'oscillateur 02 a une fréquence supérieure ou inférieure à la fréquence de référence 01. Par ailleurs, la grandeur des tensions, lorsque celles-ci sont comparées entre elles, 20 fournit un critère indiquant dans quelle mesure le décalage de », fréquence de l'oscillateur oscillant librement a été considéré en valeur absolue. Si, à la suite du système jusqu'ici décrit, on monte un dispositif approprié d'évaluation pour ces critères, on peut obtenir une caractéristique de discriminateur d'où il 25 est possible de dériver un critère de réajustement pour 1*organe de correction de l'oscillateur 02 à la fréquence correcte de consigne» Les dispositifs montés à la suite des points U1 et U2 du circuit de la figure 1 en fournissent un exemple. 30 Les tensions U1 et U2 sont tout d'abord am plifiées avec le même facteur dans les deux amplificateurs V. Par ailleurs, il est prévu un étage additionneur AS et un étage soustracteur SS, à chacun desquels sont appliquées les deux oscillations différentielles en provenance des amplificateurs. 35 Les deux oscillations sont additionnées dans l'étage additionneur et soustraites l'une de l'autre dans l'étage soustracteur. Si la fréquence fs est supérieure à la fréquence de référence fv, l'étage additionneur délivre une tension qui croît jusqu'à la différence de fréquence fg. Inversement, dans le même cas, l'é-ta-40 ge soustracteur délivre une tension qui décroît jusqu'à la C0PY - 71 k0k96 6 2113931 fréquence différentielle fg. Les deux tensions alternatives sont alors redressées et débarrassées des composantes de tension alternative par filtrage dans les organes intégrateurs JG2. Les tensions de sortie résultant du redressement sont couplées mutu-5 ellement avec les polarités indiquées sur le schéma, ce qui donne lieu à la tension différentielle Us. Cette tension différentielle se comporte de la même manière que la tension de sortie d'un discriminateur, la distance des fréquences "de bosse" à la fréquence zéro du discriminateur étant égale à la fréquence limite 10 commune fg des éléments JG1 et DG. La courbe du discriminateur est reproduite sur la figure 4. Sur cette figure, on a porté en ordonnées la tension de sortie Us, tandis que la différence de fréquence fs - fv a été portée en abscisses. L'amplification et le redressement des tensions U1 et U2 ne s'effectuent que jusqu'à 15 une fréquence différentielle inférieure fu, donnée par la constante de temps des condensateurs de couplage des amplificateurs, comme indiqué sur la caractéristique du discriminateur. Par un dimensionnement approprié, elle peut être placée suffisamment bas (par exemple 100 Hz) pour que l'allure irrégulière de la carac-20 téristique du discriminateur n'introduise pratiquement plus aucune perturbation à proximité du point zéro (par exemple avec une distance "de bosse" fg de 500 kHz). Cette caractéristique du discriminateur offre les avantages déjà mentionnés dans le préambule du présent mémoire en ce qui concerne sa largeur et sa symé-25 trie, de sorte qu'il est possible d'en tirer une tension de réajustement de fréquence correspondante. A cette fin, comme on peut le voir en outre sur la figure 1, la tension Us est d'abord appliquée à un amplificateur de tension continue GV, puis, par l'intermédiaire d'un passe-bas TP2 pour supprimer les composantes 30 de modulation, elle est dirigée vers l'élément de réajustement de l'oscillateur 02. L'ensemble du circuit se comporte donc comme un discriminateur à très faible inconstance de fréquence, à forte pente et à bonne symétrie, dont le point zéro ne se déplace guère, 35 même en cas de forte modulation de fréquence de l'oscillateur à réajuster. Dans ces conditions, le redressement de la valeur moyenne s'oppose à ce que les tensions partielles du discriminateur se règlent sur les valeurs de pointe des déviations de fréquence en cas de modulation de fréquence. De la sorte, il est 40 même possible de rendre la distance de bosse du discriminateur 71 40496 7 2113931 un peu plus petite que l'excursion maximale en cas de modulation de fréquence, ce qui se traduit par un gain en pente et en précision du point zéro, sans que l'instabilité de fréquence augmente lors de la modulation de fréquence. tion est représenté sur la figure 5» Sur cette figure, tin oscillateur de référence, stabilisé au moyen d'un quartz, est-désigné par 01. Le signal d'oscillateur engendré parvient aux deux étages mélangeurs Ml et M2, équipés chacun de deux diodes. A l'un des 10 étages mélangeurs M1, le signal est appliqué p^r l'intermédiaire du circuit RC (R10, C9)» tandis qu'il parvient à l'autre étage mélangeur M2 par l'intermédiaire du circuit RL (R11, L2). Les capacités CIO et G11 servent de condensateurs blocs. La tension de sortie de l'oscillateur 02 qui oscille librement parvient en 15 concordance de phase aux deux étages mélangeurs M1 et M2. A l'étage mélangeur M1 fait suite l'élément intégrateur JG1, qui est ici formé essentiellement par la capacité CT4 et le montage en parallèle de R13 avec les résistances internes du circuit. Dans l'exemple d'exécution, Cl.4 aurait une valeur 330 pF et la 20 résistance parallèle totale serait de 1 kûenviron, A l'étage mélangeur M2 fait suite l'élément différentiateur DG, composé essentiellement de Cl6 et de la résistance d'entrée de l'amplificateur Tek avec le diviseur de tension R15» RI6, Dans l'exemple de réalisation ici considéré, C16 a une valeur de 33 pF et la 25 résistance totale d'entrée de l'amplificateur s'élève à 10 kû environ, Les deux tensions Ut et U2 sont alors dirigées vers' les étages amplificateurs et séparateurs V, formés par les transistors Ts3 et Ts4. Les transistors Ts5, Tsr6 et Ts7 forment les étages additionneur et soustracteur AS et SS. A cette fin, les 30 transistors Ts6 et Ts7 sont montés comme des amplificateurs différentiels et leurs émetteurs reçoivent le courant de collecteur du transistor Ts5. Etant donné que Ts4 et Ts5 n'inversent pas la phase, le signal U2 apparaît sans inversion de phase en tant que signal S2 aux émetteurs des transistors Ts6 et Ts7» et étant 35 donné que ces deux transistors travaillent en montage à base commune pour ce signal, le signal S2 apparaît également sans inversion de phase aux collecteurs de Ts6 et Ts7. Par contre, le transistor Ts6 forme un montage à émetteur commun pour le signal SI. En conséquence, le signal S1 apparaît avec une phase inversée 40 au collecteur de Ts6, d'où il résulte que la soustraction de ST 5 Un exemple de réalisation détaillé de l'inven— 71 40496 8 2113931 et S2 y est exécutée. Par C20, R27, S1 parvient enfin à l'émetteur de Ts7 et, étant donné que S1 ne subit aucune inversion de phase à 1 ' émetteur deUaô et que Ts7 travaille en montage à base commune pour S1, S1 et S2 apparaissent en concordance de phase dans 5 le circuit de collecteur de Ts7, d'où il résulte que l'addition est effectuée. Les autres composants de ces étages sont dimen-sionnés de telle sorte qu'il en résulte une bonne symétrie du discriminateur. Par le potentiomètre R3^, il est possible de compenser les petites dissymétries du circuit, de sorte que le point 10 zéro du discriminateur coïncide avec la fréquence fv de l'oscillateur de référence. Les transistors Ts8 et Ts9 servênt de nouveau, pour les tensions additionnées et soustraites, d'étages séparateurs et amplificateurs. Suivent ensuite les redresseurs Gr, ici 15 formés par les diodes Gr6 à Gr11. Les résistances R39» R40 (10 kQ ) sont dimensionnées, en combinaison avec les condensateurs C25» C26 (5 pf) de façon à atteindre un redressement de valeur moyenne. Les éléments intégrateurs JG2 sont formés par les résistances Rkl, R42 et les condensateurs C27, C28. Le redresse-20 ment de la valeur moyenne s'oppose à ce que les tensions partielles du discriminateur se règlent sur las valeurs maximales des déviations de fréquence lors de la modulation de fréquence. Il est ainsi possible de rendre la distance "de bosse" du discriminateur plus petite qué l'excursion maximale du modulateur, d'où 25 il résulte un gain en pente et en précision du point zéro, sans que l'instabilité de fréquence augmente en cas de modulation de fréquence. S'agissant de fréquences qui sont nettement supérieures à la fréquence de bosse du discriminateur, un passage au redressement de pointe est produit par les petits condensateurs de 30 charge C25, C26 (5 pF environ). Cela offre l'avantage que la tension du discriminateur s'abaisse plus lentement lorsque la fréquence différentielle s'élève. L'un des deux condensateurs C25 est variable, de sorte que même dans les gammes se situant en dehors des fréquences de bosse, la symétrie de la courbe du dis-35 cirminateur peut être réglée, indépendamment de la symétrie à l'intérieur des deux bosses. Les deux tensions partielles sont soustraites par couplage en opposition série, puis sont appliquées symétriquement aux transistors TsIO et Ts11 qui forment l'amplificateur de tension continue GV. La sortie commune est formée par 40 la ligne P. La tension de sortie qui y apparaît est appliquée le 71 40496 9 2113931 cas échéant par l'intermédiaire d'un passe-bas TP2 (figure 1) et d'un amplificateur de courant continu, à l'organe de réajustement dans l'oscillateur 02. Au moyen du potentiomètre R52, il est enfin possible, en raison du couplage de courant continu, de régler 5 également la tension de polarisation moyenne pour l'élément de réajustement de fréquence du modulateur, lequel est formé par une diode varactor dans l'exemple d'exécution. La tension d'alimentation, d'où jest aussi dérivée la tension de polarisation, est désignée par UBat. 10 Dans l'exemple d'exécution .considéré, la fré quence de milieu fv du discriminateur était de 70 MHz et les fréquences de bosse se situaient aux environs de + 0,5 MHz. 71 40496 10 2113931 R E V EN DICATIONS 1. Dispositif pour la régulation de la fréquence d'un oscillateur oscillant librement, et notamment d'un oscillateur modulé en fréquence, par rapport à une fréquence 5 stable de référence au moyen d'une boucle de régulation, du type dans lequel il est prévu deux étages mélangeurs auxquels l'une des fréquences, de préférence la fréquence de référence est appliquée respectivement avec une différence de phase de 90° > tandis que de l'autre fréquence, de préférence celle de l'oscillateur 1© à oscillation libre, lui est appliquée en concordance de phase, caractérisé par le fait qu'un organe intégrateur est monté après la sortie de l'un des étages mélangeurs et un organe après la sortie de l'autre, et que les tensions de sortie des deux organes sént appliquées à un circuit qui évalue leur différence et dont 15 la tension de sortie redressée est appliquée à l'élément de réajustement de l'oscillateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit d'évaluation est composé d*un étage additionneur de tension et d'un étage soustracteur, à cha- 20 cun desquels sont appliquées les deux tensions de sortie et dont les tensions de sortie redressées sont dirigées vers un autre étage qui forme leur différence, les tensions différentielles étant enfin appliquées, de préférence par l'intermédiaire d'un amplificateur de tension continue et d'un passe-bas, à l'élément 25 de réajustement de la fréquence de l'oscillateur à oscillation libre. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'à la suite des deux étages mélangeurs,, des passe—bas sont montés dans le trajet des signaux fournis par 30 leurs tensions de sortie. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1,2 ou 3» caractérisé par le fait que les tensions dé sortie des deux étages mélangeurs sont appliquées séparément à des amplificateurs intercalés à la suite des organes provoquant un déphasage 35 (élément différentiateur ou intégrateur). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3' ou 4, caractérisé par le fait que la constante de temps de l'organe différentiateur est égale à celle de l'organe intégrateur. **0 6. Dispositif selon l'une des revendications 71 40496 2113931 2, 3« ^ ou 5» caractérisé par le fait que les organes différentiateur et intégrateur sont formés par des circuits RC. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2, 3» 5 ou 6, caractérisé par le fait que les étages addi- 5 t.ionneur et soustracteur sont constitués par les deux transistors d'un amplificateur différentiel, l'un des signaux étant appliqué dissymétriquement à l'amplificateur différentiel et l'autre étant superposé au courant d'émetteur commun. 8. Dispositif selon l'une des revendications 10 1,2, 3» 5» 6 ou 7, caractérisé par le fait que le redressement pour la tension de somme ou de différence est exécuté sous forme de redressement demi-onde avec des éléments intégrateurs montés à la suite pour la formation de la valeur moyenne de tension continue. lu.