Brevet FR2227681A1 — publié le 19741122

On connaît le procédé consistant à déclencher par voie électrique des oscillations mécaniques propres d'un corps solide, par exemple d'un diapason, d'un cristal oscillateur ou oscillateur céramique, ou meme des oscillations électromagnétiques de résonance d'un résonateur à cavité et à utiliser ces oscillations, par exemple pour le contrôle de la stabilité de fréquence de circuits oscillants électriques. Des diapasons et cristaux#oscillateurs, mis en oscillation électriquement, sont utilisés par exemple comme mouvements d'horlogerie possédant une bonne constante de temps, des résonateurs à cavité servent par exemple dans des horloges atomiques pour interagir avec des atomes de métaux alcalins excités optiqueiaent dans une cellule à gaz. En ce qui concerne ces oscillations déclenchées électriquement de lloscillateur à corps solide ou à cavité, il s'agit d'oscillations propres dont la fréquence dépend des dimensions du corps solide ou de la cavité, ainsi que des caractéristiques mécaniques du corps solide ou des propriétés diélectriques de la cavité. On sait que tout oscillateur de ce genre, et notamment le quartz pour oscillateurs, manifeste à la longue une variation progressive de sa frésuence d'oscillation propre, d'où il résulte que la constance à long terme de -la fréquence d'oscillation électrique qui doit être contrôlée par ltoscilla- teur est altérée. Ce phénomène est appelé vieillissement.La question de son origine exacte nta pas encore été approfondie en détail, mais on peut supposer que, dans le cas par exemple du cristal oscillateur, le vIeillissement est dû en partie à des aménagements dans la structure cristalline interne, mais surtout à des modifications chimiques au niveau de la surface du cristal. Un n'a pas encore trouvé jusqu'ici un moyen pour arrêter le vieillissenent d'un cristal oscillateur. le but de l'invention est d'exploiter un oscillateur à corps solide ou à cavité de telle sorte que l'influence du vieillissement sur la fréquence commandée par lloscillaoeur soit aussi faible que possible. Pour atteindre ce but l'invention se fonde sur des faits qui étaient jUsqUici inconnus ou, tout au moins, avaient été négligés, à savoir que la variation de fréquence relative, due au vieillissement, n'est pas la même à différentes fréquences auxquelles un oscillateur, et notamment un cristal oscillateur, peut être actionné.En d'autres termes (et pour s'exprimer en valeurs numériques fortement exagérées) lorsqu'une certaine fréquence à laquelle peut être excité le quartz a varié par exemple de 1% au bout de quelques temps sous l'effct du vieillissement, il se peut qu'une autre fréquence, à laquelle le cristal de quartz en question peut être également excité, ait varié par exemple de 2% dans le même temps. Or, d'après l'invention, le but défini ci-dessus est atteint par le fait qu'on fait osciller simultanément ltoscil- lateur à au moins deux fréquences différdates et qu'on mélange électroniquement les oscillations dans un rapport de mélajige déterminé pour obtenir un signal oscillant de sortie à une troisième fréquence. Par le mélange des fréquences dans un rapport approprié, on peut parvenir, au moins approximativement à ce que les différentes influences de wrieillissement des des fréquences de sortie s'annulent exactement Gans la fréquence composée. Une exploitation de l'oscillation avec deux ou plusieurs oscillations simultanées de fréquences différentes est possible en particulier lorsque les oscillations sont daus le rapport mutuel d'une harmonique à l'oscillation fondamentale ou à une autre harmonique. En particulier, on peut exciter un quartz pour oscillateurs de sorte qu'il oscille simultanément àla troisième et à la cinquième harmoniques de son oscillation fondanentale. Dans le cas de résonateurs à cavité, une excitation à différentes fréquences d'oscillation peut être également produite par l'établissement simultané de dif#érents modes d'oscillation. D'après l'invention, un montage pour l'exécutioA, du procédé se compose d'au moins deux circuits oscillants électriques qui sont couplés au nême oscillateur, en particulier à un cristal de quartz, et dont les sorties sont raccordées à un mélangeur de fréquences. En particulier, le montage peut être réalisé sous forme de circuit générateur d'oscillations, auquel cas il est monté, dans chaque circuit oscillant, un '#tnplifica- teur à réaction qui peut être commun aux u deux circuits oscillants De préférence, les deux circuits oscillants sont réglés chacun sur une harmonique de l'oscillation fonda=n.envale de l'oscillateur. De préférence, le mélangeur de fréquence est agencé de sorte qu'il réunisse les oscillations des deux circuits oscillants de fréquence fi et f2 en une oscillation de fréquence f3 qui est une combinaison linéaire. f3 = afî + bf2 de ces fréquences, le rapport des termes de la somme étant au moins approximativement égal au rapport réciproque négatif des coefficients de vieillissement correspondants des deux oscillations. L'invention est ci-après expliquée de façon plus détaillée en référence au dessin annexé qui représente un schéma de montage pour l'exécution du procédé de l'invention. Un cristal oscillateur 1 a été représenté sous la forme d'un disque circulaire qui correspond à la forme la plus couramment adoptée dans les modèles du conlmerce. Il peut être mis en oscillations mécaniques, par effet piézoélectrique, au moyen d'électrodes plates auxquelles est appliquée une tension électrique alternative. AUX électrodes plates 2 es raccordée une première boucle de courant qui se compose dlun circuit oscillant 3 et d'un amplificateur 4.Les tensions alsernatives induites au niveau des électrodes plates par l'oscillation mécanique du quartz déclenchent dans le circuit oscillant 3, au cas où elles sont en résonance avec celui-ci, des oscillations qui sont à leur tour amplifiées par l'amplificateur 4 et couplées réactivenent aux électrodes plates 2. Le dispositif fonctionne comme un générateur d'oscillations. Par ailleurs, il est raccordé aux électrodes plates 2 une autre boucle de courant qui se compose d'un circuit oscillant 5 et d'un amplificateur 6. Les deux circuits oscillants 3 et 5 sont réglés sur des fréquences différentes, de sorte que le quartz 1 puisse fonctionner simultanément avec des oscillations de deux fréquences différentes, et notamment avec son oscillation fondamentale (mécanique) et une harmonique de celle-ci ou avec deum harmoniques de l'oscillation foanentale. Les deux amplificateurs 4 et G peuvent être également remplacés par un seul amplificateur, commun aux deux circuits oscillants. Les oscillatlons électriques sont prélevées en axent cu en aval de l'amplificateur 4 ou 6 et sont acheminées ve un étage mélangeur de fréquences qui compose de façon connue en soi, à partir des deux oscillations électriques, une oscillatien d'une troisième fréquence. Par exe#ple, chacune des deux fréquences peut etre multipliée ou divisée par un certain facteur a ou b' d ls un multiplicateur 7 ou 8, puis la somme ou la différence peut être formée à partir de ces multiples de fréquence dans un étage sommateur 9 et être prélevée e tant que fréquence f3 à la sortie 10. On peut facilement calculer le rapport dans lequel les fréquences des deux circuits oscillants doivent être mél=gées entre elles afin que les influences du vielîlisseent se co#.pen- sent essentiellement. A cet effet, on peut adniettre que la fréquence fi d'une oscillation à laquelle fonctionne le cristal oscillateur varie avec le temps par vieillissement de sorte que l'on ait, au bout de quelques temps, la fréquence f'1 =fi (1 + kit) (i) où ki est le coefficient de vieillissement qui peut être par exemple déterminé expérimentalement pour le cristal de quartz considéré.La loi de vieillisse#ent linéaire, supposée cidessus, est simplifiée : dans la pratique, le vieillissement suit une loi exponentielle, de sorte que l'influence du vieillissement diminue avec le temps. Mais pendant la première année de service, au cours de laquelle le vieillissement Joue encore un rôle assez grand, la relation linéaire admise ci-dessus représente une bonne approximation. En ce qui concerne la seconde fréquence à laquelle fonc tionne également le cristal oscillateur, on a alors f12 = f2 (1 + k2t) (2) L'hypothèse de la présente invention, confirmée par la pratique, est que ki et k2 sont différents, c'est-à-dire que les deux fréquences ont varié proportionnellement de maniè- re différente au bout d'un certain temps de vieillissement. L'étage mélangeur mélange les deux fréquences fi et f2 pour former une troisième fréquence f3 qui est une combinaison linéaire f3 = afi + bf2 (3) des deux fréquences, avec des coefficients a et b qui sont quelconques au départ. Au bout d'un temps de vieillissement t, f2 d'est modifié en f'3 = af1' + bf2' = afi = bf2 = akitfi = bk2tf2 = f3 + akitfi + bk2tf2 (4) Si l'on veut que le vieillissement n'ait aucune influence sur f3, c'est-à-dire que f3' = ff, il faut que ak1fl = -bk2f2 (5) Etant donné qu'on connaît kl, k2, f1 et f2, on peut facilement calculer le rapport nécessaire de a à b. A titre d'exemple, on supposera que le quartz est axcité à la troisième et à la cinquième harmoniques de son os cillation fondamentale, dont les fréquences sont approximativement dans le rapport f1 : f2 = 3 : 5. En outre, on supposera à titre d'exemple simplifié que l'influence du vieillissement sur la troisième harmonique est le double de l'influence sur la cinquième harmonique, c'est-à-dire que kI = 2k2. De l'équation (5), il résulte alors que a : b = -5 : 6. On peut donc exclure pratiquement l'influence du vieillissement si l'on compose par exemple la fréquence f à partir de Naturellement, il en va de manière correspondante pour des multiples ou des rations, de la fréquence f5 ainsi obtenue. Comme on l'a déjà indiqué, les considérations précédentes ont été simplifiées et une compensation parfaitement exacte du vieillissement ne sera pas possible dans la pratique. Tou- tefois, les écarts par rapport à la relation linéaire de vieillissement (1) ou (2) prise comme hypothèse et l'influence du vieillissement qui en résulte 5u1 la fréquence mixte f3 ne seront que très petits et, en tout cas, inférieurs de plusieurs ordres de grandeur à l'influence qu'il fallait accepter jusqu' ici du vieillissement sur la fréquence d'un cristal oacillateur. Au total, par la présente invention s'il n'est pas possible d'atteindre une compensation exacte du vieillissement, on peut néanmoins parvenir à une diminution de son influence d'au moins le facteur 10, et probablement davantage encore, ce qui se traduit par une amélioration notable et par un élargissement considurable du domaine d'applications de cristaux oscillateurs et de circuits électriques commandés par cristaux oscillateurs. Des variantes de l'exemple de réalisation décrit sont possibles dans le cadre de l'invention. Par exemple, il est possible et avantageux dans certaines circonstances de faire osciller le cristal oscillateur à plus de deux harroniques et de mélanger celles-ci pour obtenir ta fréquence finale. Au lieu de fonctionner en tant qu'oscillateur, le quartz peut aussi servir de filtre passif, et à la place de la simple addition de fréquence décrite, on peut utiliser un système de synthèse de fréquences plus compliqué; selon ce qui est par exemple pratiqué dans des horloges a' quartz ou des horloges atoniques. Par ailleurs, le cristal oscillateur 1 peut être remplacé par un corps oscillant 'céramique, également excité piézoélectriquement, ou par exeiiple par un diapason ou une lame oscillante mis en oscillation par interaction magnétique, ou encore par un résonateur à cavité qui oscillée, non pas mécani- quement, mais électromagnétiquement. - EVENDIChTIOliS -: 1 - Procédé pour l'exploitation d'un oscillateur excité électriquement, et notamment d'un cristal oscillateur, caractérisé en ce qu'on fait osciller simultanément l'oscillateur à au moins deux fréquences différentes et qu'on mélange électroniquement les oscillations dans un rapport déterminé pour produire une oscillation d'une troisième fréquence. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les oscillations de L'oscillateur déclenchées simultanément sont dans le rapport mutuel d'une harmonique à l'oscillation fondamentale ou à une autre harmonique. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on fait osciller simultanément l'oscillateur dans la troisième et la cinquième harmoniques de son oscillation fondamentale. 4 - Montage pour l'exécusion du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins deux circuits oscillants (3, 5) réglés sur différentes fréquences sont couplées à un oscillateur, et notamment un 'cristal oscillateur (1), et en ce qu'une sortie de chaque circuit oscillant est raccordée à un mélangeur de fréquences (7, 8, 9). 5 - Montage selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux circuits oscillants (3, 5) sont accordés chacun sur une harmonique de l'oscillation fondamentale de 1 'oscillateur (1). 6 - Montage selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme de circuit -géné- rateur d'oscillations et en ce qu'un amplificateur à réaction (4, 6) est adjoint à chaque circuit oscillant (3, 5). 7 - Montage selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le mélangeur de fréquence (7, 8, 9) réunit les oscillations des deux circuits oscillants (3, 5) de fréquences fi et f2 en une oscillation de fréquence f3 qui est une combinaison linéaire f3 = afi + bf2 de ces fréquences, le rapport des termes de la somme étant égal au rapport réciproque négatif -k2/kî des coefficients de vieillissement correspondants des deux oscillations de quartz.