Brevet FR2341980A1 — publié le 19770916

La présenteinvention concerne des oscillateurs à cristal et plus particulièrement des oscillateurs de ce genre stabilisés à l'égard de la température. On sait que les cristaux de quartz ont des propriétés qui sont fonction de la température et par conséquent les oscillateurs à cristal de quartz dans lesquels les cristaux ne sont pas compensés en fonction de la température, présentent à leur tour des propriétés qui dépendent de cette température. Pour pouvoir fournir une fréquence de fonctionnement définie avec précision dans une large gamme de températures, il est donc nécessaire de prendre des mesures pour compenser les variations de propriétés des cristaux en fonction de la température. On peut faire varier la fréquence d'un circuit . oscillateur à cristal de quartz en faisant varier une réactance en série ou parallèle avec le cristal. Il est bien connu de compenser les variations de température dans les oscillateurs à cristal en utilisant une réactance thermo-sensible dont les caractéristiques sont adaptées aux caractéristiques du cristal afin d'obtenir la stabilité de fréquence désirée. Dans une disposition connue on branche un condensateur variable en fonction de la température en série avec le cristal de quartz. Dans une autre disposition connue on connecte, en série avec le cristaux, une diode à capacité variable dite"varactor", cette diode étant elle-même branchée en parallèle sur un circuit résistancethermistance.La réactance de la diode à capacité variable dépend de la tension appliquée cette diode par ce circuit. On a trouvéffique chaque unité de cristal de quartz a une caractéristique fréquence-température unique qui rend difficile la conception de circuits de compensation en fonction de la température qui soient suffisamment souples pour pouvoir être appliqués à la plupart sinon à la totalité des cristaux. aux La présente invention a pour but de remédier / ou d'atténuer les problèmes rencontrés avec les solutions connues. A cet effet cet oscillateur à cristal de quartz comprenant un circuit oscillateur, un cristal de quartz et des moyens pour régler la fréquence de l'oscillateur, est caractérisé en ce qu'il comporte un circuit sensible à la température pour délivrer un signal représentant cette température et un générateur de fonction de transfert adapté de manière à fournir2 aux moyens de réglage de la fréquence, un signal de compensation en température qui soit dépendant du signal représentant la température, la réponse du générateur de fonction de transfert aux variations du signal représentant la température étant adaptée à la caractéristique de température de l'oscillateur à cristal de quartz de manière à obtenir une caractéristique fréquence-température de l'oscillateur désirée. L'invention a également pour objet un procédé pour compenser en température un oscillateur à cristal de quartz comprenant un circuit oscillateur, un cristal de quartz, des moyens pour régler la fréquence de l'oscillateur et un circuit sensible à la température adapté de manière à délivrer un signal représentant cette température, caractérisé en ce que l'on prévoit un générateur da fonctionde transfert pour recevoir le signal représentant: la température et pour appliquer, aux moyens de réglage de la fréquence, un signal de compensation en température, on fait fonctioner l'oscillateur à cristal de quartz dans une enceinte à température contrôlée dans laquelle on fait varier cette température dans une gamme prédéterminée, et on programme le générateur de fonction de transfert de manière qu'il réponde au signal représentant la température, pout toute température particulière comprise dans cette gamme, de manière à maintenir une caractéristique fréquence-température désirée pour l'os cillateur. La caractéristique fréquence -température désirée pour l'oscillateur peut être telle que la fréquence de cet oscillateur soit pratiquement indépendante de la température. Les moyens de réglage de la fréquence comprennent de préférence une diode à capacité variable. Le générateur de fonction de transfert comporte de préférence une mémoire programmable connectée au circuit sensible à la température par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique/numérique et à la diode à capacité variable par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique/analogique. Le convertisseur analogique/numérique fournit ainsi un nombre discret d'échelons de température pour chacun desquels la mémoire est programmée de manière à fournir, à la diode à capacité variable, un signal de compensation particulier. La mémoire peut être programmée en sélectionnant initialement les signaux de compensation qui assurent la caractéristique fréquence-température désirée et en prévoyant ensuite un interface entre la mémoire et l'entrée des moyens de réglage de la fréquence. Suivant une variante on peut commander le convertisseur numérique/analogique au moyen tu'un commutateur jusqu'à ce qu'une fréquence désirée à une température particulière soit obtenue, et ensuite on peut utiliser la sortie du commutateur en tant qu'entrée appliquée à la mémoire. On peut obtenir une programmation automatique de la mémoire si l'on compare la sortie de l'oscilîateur avec une fréquence désirée et si la mémoire est programmée séquentiellement jusqu'à ce que la sortie du comparateur se trouve à la valeur 0. On peut utiliser un comparateur de phase pour comparer la fréquence de sortie de l'oscillateur avec la fréquence désirée. Le circuit sensible à la température peut comprendre par exemple un réseau de résistanceset thermistancesou bien encore il peut utiliser les propriétés,variables en fonction de la température, de transitions, c'est-à-dire le courant de fuite ou les variations de la tension de la jonction bas e/émetteur d'un transistor. On décrira ci-apress à titre drexemplesnon limitatif', diverses formes d'exécution de la présente invention en référence au dessin annexé sur lequel: La figure I est un diagramme illustrant la variation de la fréquence en fonction de la température dans trois unités à cristal différentes. La figure 2 est un schéma d'un oscillateur à cristal comprenant un circuit de compensation en température utilisant une diode à capacité variable. La figure 3 est un diagramme illustrant la caractéristique tension-température exigée pour le circuit de la figure 2 afin d'obtenir un signal de sortie à fréquence indépendante de la température lorsque le circuit oscillateur a une caractéristique telle que la caractéristique intermédiaire parmi les trois caractéristiques représentées sur la figure 1 La figure 4 est un schéma d'une forme d'éxécution de la présente invention La figure 5 représente un montage destiné au calibrage d'une forme d'exécution de la présente invention. La figure 6 illustre un autre procédé de calibrage d'une forme d'exécution de l'invention. La figure 7 illustre un montage permettant de calibrer automatiquement une forme d'exécution de l'invention. Si on se réfère à la figure 1 on y voit les caractéristiques fréquencetem pérature de trois unités à cristal de quartz à coupe AT. Les caractéristiques représentées sont des exemples typiques de nombreuses caractéristiques que l'on peut rencontrer avec des cristaux fabriqués par des procédés identiques. Bien que chacune des trois courbes représentées soit continue, il peut arriver que dans certains cristaux la caractéristique soit discontinue. Le montage illustré sur la figure- 2 est conçu pour compenser en fonction de la température un oscillateur comportant une unité à cristal de quartz présentant une caractéristique telle qu'illustrée sur la figure 1. Un circuit résistance/thermistance 1 fournit une tension de compensation à une diode 2 à capacité variable laquelle est connectée, en série avec une unité à cristal de quartz /un circuit oscillateur 4. La tension fournit par le circuit I dépend de la température de la façon illustrée sur la figure 3, afin de maintenir la fréquence du circuit oscillateur pratiquemment constante. Le montage de la figure 2 est bien connu et donne des résultats acceptables à condition que la caractéristique tension-température du circuit 1 soit adaptée à la caractéristique fréquence-température de l'unité à cristal 3.Ceci est très difficile à obtenir en pratique car il n'y a pas deux unités à cristal de quartz qui présentent la mêre caractéristique et il était par conséquent nécessaire dans le passé de fabriquer un circuit différent pour chaque unité à cristal ou au moins de rejeter de nombreuses unités à cristal dont les caractéristiques fréquence-température s'écartent trop d'une caractéristique moyènne à laquelle le circuit est adapté. Si on se réfère maintenant à la figure 4 on y voit une forme d'exécution de la présente invention illustrée schématiquement dans laquelle un circuit du type résistance/thermistance 1 peut être adapté à la caractéristique d'une unité à cristal 3 Ainsiqulil est représenté le circuit 1 et une diode à capacité variable 2 sont connectés entre eux par l'intermédiaire d'un générateur de fonction de transfert 5. Le circuit 1 comprend des thermistances 6 et 7 et des résistances 8 et 9 connectées suivant une configuration connue et il délivre un signal de sortie Vo qui est fonction de la température. Le générateur de fonction de transfert 5 délivre un signal de sortie S qui est fonction du signal dépendant de la température.Le circuit 1 e! le cristal 3 sont adaptés en faisant en sorte que le générateur de fonction de transfert 5 "tire" la fréquence du circuit oscillateur 4 vers une fréquence désirée à une température particulière indiquée par le signal Vo. Le générateur de fonction de transfert est illustré dlune manière plus détaillée sur la figure 5. Si on se réfère à cette figure on y voit des éléments constitutifs correspondant à ceux des figure s 2 et 4 et auxquels sont affectés les mêmes numéros de référence. Le générateur de fonction de transfert comprend un convertisseur analogique/numérique 10, une mémoire 1 1 et un convertisseur numérique/analogique 12. Le convertisseur analogique/numérique 10 transfor.me la tension analogique VO en un signal numérique codé en binaire qui est appliqué à la mémoire 11. Cette mémoire délivre un signal numérique sous forme binaire lequel est appliqué au convertisseur numérique/analogique 12, le signal ainsi appliqué à ce convertisseur dépendant du contenu de la mémoire 11. Les contenus de la mémoire 11 sont déterminés et ainsi le générateur de fonction de transfert est calibré en fonction de la température, en plaçant la totalité de I'oscillateur à l'intërieur d'une enceinte 13 à température contrlée et en faisant fonctionner ltoscillateur tandis que lton fait varier la température à llintérieur de de enceinte dans une gamme prédéterminée.Un signal de compensation S qui, pour une température donnée, produit la fréquence désirée de l'oscillateur, est appliqué par l'intermédiaire d'un interface 14, à la mémoill. En faisant en sorte que la totalité du circuit oscillateur soit placé à l'intérieur de l'enceinte à température contrôlée, on peut compenser les propriétés de l'ensemble de I'oscillateur qui sont fonction de la température, en plus des propriétés du cristal 3 variant également en fonction de la température .Bien que le signal de compensation S soit du type à échelons ou paliers au lieu d'être continu, on peut obtenir une précision suffisante permettant d'atteindre la compensation désirée, en réduisant la dimension des échelons de température auxquels le convertisseur- analogique/numérique 10 est sensible Si on se réfère . maintenant à la figure 6, on y voit un montage semblable à celui de la figure 5. L'interface L4 est remplacé par un commutateur 15 qui est adapté de manière à délivrer un signal de compensation simulé lequel est appliqué au convertisseur numérique/ana logique 12. Grâce à un réglage approprié de ce commutateur, on peut obtenir la fréquence désirée de ltoscillateur pour une température donnée à ltintérieur de enceinte 13.Une fois que l'on a obtenu la fréquence désirée, on peut asppliquer, par l'intermddiaire d'un interrupteur 16, le signal de sortie du commutateur à la mémoirell. L'davantage du montage de la figure 6 est qu'un fabricant d'oscillateur peut utiliser un commutateur unique pour calibrer un grand nombre de circuioscillateurs d'une manière simple et très économique. Une fois que le contenu de la mémoire 11 a été établi, le circuit oscillateur peut naturellement fonctionnerd'une manière totalernent indépendante du commutateur 15. Si on se réfère maintenant à la figure 7 on y voit un montage de calibrage automatique qui est semblable à celui de la figure 5 sauf en ce que l'interface 14 reçoit un signal d'entrée provenant de la sortie du circuit oscillateur 4, par l'intermédiaire d'un comparateur de phase 17, au lieu dele recevoir de la sortie du convertisseurnumérique/analogique 12. Le comparateur de phase 17 reçoit un signal de fréquence à une entrée 18, ce signal provenant d'un synthétiseur de fréquence, et il commande le contenu de la mémoire 11 de telle manière que ses deux signaux d'entrée soient égaux.Ainsi, lorsque la température à l'intérieur de l'enceinte 13 varie dans la gamme de températuresdans laquelle on désire maintenir constante la fréquence de l'oscillateur, la mémoire est programmée automatiquement de manière à maintenir effectivement la fréquence de l'oscillateur constante. Bien que dans les formes d'exécution de la présente invention qui ont été décrites ci-dessus on se soit référé au maintien pratiquemment constante de la fréquence de sortie d'un oscillateur à cristal de quartz, on conçoit aisément que si on le désire, on peut également commander qu'elle la fréquence de sortie de ltoscillateur de manière / dépende de la température suivant une loi prédéterminée, si une telle caractéaristique de dépendance visàyis de la température est exigée. La présente invention peut être adaptée à la fabrication d'oscillateurs commandés en fonction de la tension, d'oscillateurs asservis et d'oscillateurs modulés en fréquence par exemple. Les composants illustrés schématiquement sur le dessin annexé sont bien connus et peuvent être intégrés dans un seul bloc si on le désire. La nature de la mémoire 1l est déterminée par le circuit dans lequel elle stadapte et elle peut être par exemple une mémoire morte MOS. Avec certaines mémoires de ce type le convertisseur numérique/analogique n'a pas besoin d'être isolé de la mémoire. REVENDICATIONS 1 - Oscillateur à cristal de quartz comprenant un circuit oscillateur, un cristal de quartz, des moyens pour régler la fréquence de l'oscillateur, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit sensible à la température pour délivrer un signal représentant cette température et un générateur de fonction de transfert adapté de manière à appliquer, aux moyens de réglage de la fréquence, un signal de compensation en température qui dépend du signal représentant cette température, la réponse du générateur de fonction de transfert aux variations du signal représentant la température étant adaptée à la caractéristique de température de l'oscillateur à cristal de quartz de telle façon que llon obtienne une caractéristique fréquence-température de l'oscillateur désirée. 2 - Oscillateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de réglage de la fréquence comprennent une diode à capacité variable. 3 - Oscillateur suivantlke quelconque des revendication I et 2 caractérisé en ce que le générateur de fonction de transfert comprend une mémoire programmable connectée au circuit - sensible: à la température et aux moyens de réglage de la fréquence. 4 - Oscillateur suivant la revendication 3 caractérisé en ce que la mémoire est connectée au circuit sensible à la température par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique/numérique et aux moyens de réglage de la fréquence par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique/analogique. 5 - Procédé de compensation en température d'un oscillateur à cristal de quartz comprenant un circuit oscillateur, un cristal de quartz, des moyens pour régler la fréquence de l'oscillateur et un circuit sensible à la température adapté de manière à délivrer un signal représentant cette température, caractérisé en ce que l'on prévit un générateur de fonction de transfert recevant le signal représentant la température et délivrant, aux moyens de réglage de la fréquence, un signal de compensationen température, on fait fonctionner l'oscillateur à cristal de quartz dans une enceinte à température contrôlée que lton fait varier dans une gamme prédéterminée et on programme le générateurde fonction de transfert de manière qu'il réponde au signal représentant la température, à n'importe quelle température particulière dans la gamme précitée, de manière à maintenir une caractéristique fréquence-température de l'oscillateur désirée. 6 - Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le générateur de fonction de transfert comprend une mémoire prpgrammée en sélectionnant les signaux de compensation qui assurent les caractéristiques fréquence-température désirées, et en prévoyant ensuite un interface entre la mémoire et l'entrée des moyens de réglage de la fréquence. 7 - Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le générateur de fonction de transfert comprend une mémoire connectée asmoyerlfide réglage de la fréquence par ltintermédiaire dtun convertisseur numérique/analogique, la mémoire étant programmée en commandant, au moyen d'un commutateur, le convertisseur numérique/analogique jusqu'à ce que l'on obtienne une fréquence désirée à une température particulière, et en utilisant ensuite la sortie du commutateur en tant qu'entrée appliquée à la mémoire. 8 - Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le générateur de fonction de transfert comprend une mémoire programmée automatiquement en comparant la sortie de ltoscillateur avec une fréquence désirée et en prograsnmarnt séquentiellement la mémoire jusqu'à ce que la sortie du comparateur soit nulle. 9 - Procédé suivant la revendication 8 caractérisé en ce que lton compare, au moyen d'un comparateur de phase, la fréquence de sortie de l'oscillateur avec la fréquence désirée.