Brevet FR2437731A1 — publié le 19800425

L'invention concerne les oscillateurs à cristal, notamment les oscillateurs à quartz, compensés en température et désignés couramment par T.C.X.0. dans la littérature. Un T.C.X.0. comporte essentiellement un circuit électronique et un quartz associé à une capacité série qui varie en fonction de la température de manière telle que la fréquence de résonance de l'ensemble reste dans des limites étroites fixées tant que sa température ne sort pas d'un intervalle défini, par exemple - 40 + 800C. La capacité variable est une diode à capacité variable en fonction de la tension appelée varactor. Sa tension de commande est fournie à partir d'une tension d'entrée fixe (ou dont la variation en fonction de la température est connue avec précision) par un diviseur de tension résistif comportant des résistances et des thermistances et dont le rapport de division varie de manière adéquate en fonction de la température. Ce diviseur donne ainsi la tension de correction nécessaire à maintenir à une valeur quasi constante la fréquence de résonance quartz-varactor c'est le "réseau de compensation". Le quartz et le varactor présentent des dispersions dans leurs caractéristiques, malgré les précautions prises lors de leur fabrication ; aussi l'étude de l'ensemblequartz-varactor qui constitue la partie essentielle du T.C.X.0. est-elle indispensable pour obtenir une bonne compensation en fonction de la température. Le quartz est l'élément le plus difficile à réaliser et la reproductibilité de ses caractéristiques pose un problème important. A titre d'exemple : pour travailler dans l'intervalle de température ( - 40, + 800C), il apparaît que, parmi les quartz de coupe AT, c'est le quartz taillé à 4'30" du quartz 0 qui est le mieux adapté. Si l'on utilise ce quartz, une imprécision de coupe de f 1'30" donne une dispersion théorique de la variation relative de fréquence maximum, F/F max., de + 5.10 6 environ et une dispersion des points d'inversion de f 50C. Le varactor a une capacité donnée par la relation C - Cp Cj (1 + V )-n J ou C est la capacité totale du varactor C la capacité parasite due à sa structure p C sa capacité de jonction J V le potentiel appliqué à son électrode de commande P le potentiel de contact caractéristique du type de varactor n un exposant fixe caractéristique du type de varactor. Les varactors sont offerts sur le marché avec des garanties suffisantes en ce qui concerne la précision des constantes Cp P et n. Par contre, la capacité de jonction, Cj, est très dispersée, de l'ordre de + 50%. Les effets J de cette dispersion peuvent être considérablement diminués en ajustant la tension de fonctionnement V. Du fait de la dispersion des caractéristiques de ses constituants l'ensemble quartz-varactor est difficilement reproduit avec précision, et pour chaque ensemble quartz-varactor il est nécecessaire d'adapter le réseau de compensation afin d'obtenir la précision requise pour un oscillateur compensé en température. Cette adaptation entraine de nombreuses et onéreuses opérations de mesure et de calcul à l'ordinateur.Pour toutes ces raisons il est très difficile de fabriquer des T.C.X.0. en série. Pour fabriquer en série des T.C.X.0., il faudrait pouvoir les équiper de circuits de compensation prédéterminés.Avec la conception actuelle il faudrait ajuster les tensions de fonctionnement des varactors, puis trier les quartz et les classer en plusieurs catégories à l'intérieur desquelles la dispersion de la fréquence relative, A F/F, resterait inférieure ou égale à 10-6. Par ce biais en réaliserait, de manière laborieuse et onéreuse, des T.C.X.0. dont la dérive en fréqeunce entre - 40 C et + 800C pourrait être inférieure ou égale à une valeur comprise entre + 2.10 6 et f 5.10-6. L'invention a pour but un oscillateur compensé en température ne présentant pas les inconvénients des oscillateurs connus et permettant une fabrication de série. L'invention a pour objet un oscillateur compensé en température comportant, outre un circuit électronique, un cristal, un varactor et un réseau de compensation, un potentiomètre de réglage de la fréquence alimenté par une alimentation continue stabilisée en tension et ayant son curseur relié à une borne du varactor dont l'autre borne est reliée au réseau de compensation, et un élément capacitif ajustable en parallèle sur le varactor, et dont le réseau de compensation est un réseau de compensation type ayant une caractéristique variation de la tension appliquée au varactor en fonction de la température correspondant à celle d'un circuit oscillant constitué par un circuit électronique, un cristal, un varactor et un élément capacitif ajustable, ladite caractéristique étant représentative d'une fabrication de série. L'invention a également pour objet un oscillateur compensé en température, dans lequel l'élément capacitif est un varactor relié à l'alimentation continue stabilisée en tension par l'intermédiaire d'un potentiomètre de réglage de pente de la caractéristique. Le schéma électrique équivalent du quartz est le schéma classique qui comprend un circuit série comportant une résistance R1, une inductance L1 et un condensateur C1 avec, en parallèle sur ce circuit, un condensateur C0 R1 est la résistance équivalente L1 est l'inductance équivalente C1 est la capacité dynamique du quartz C est la somme de la capacité statique du quartz et de la capacité des o connexions. La pulsation de résonance tir du quartz seul est donnée par l'équation L1 C1 L > 2 - 1 = O L1 C1 Lor2 ~ 1 = O Pour un circuit comprenant le quartz et un condensateur en série, on a la relation C étant la capacité du condensateur en série. 2 En remplaçant dans cette dernière équation L1 C1 par 1/UJ r2 , on, Si l'on utilise un varactor à la place du condensateur, on obtient, en remplaçant la capacité C par celle du varactor On démontre également, en étudiant l'ensemble quartz-varactor, qu'à une variation de tension varactor dV correspond une variation relative de fréquence donnée par l'équation - (n + 1) dW C1 n C. (1 + P dV w - (C + 2P Cj 2P ' J On en déduit, da /dV étant la pente de la courbe représentant, à une température donnée, la variation relative de fréquence en fonction de V En y remplaçant C par sa valeur, on trouve Dans les seconds membres des équations (1) et (2), C,, Cp, P et n sont des constantes identiques ou quasi identiques pour tous les quartz ou tous les varactors de même type associés au même circuit électronique, considérés à une température donnée ; c1 et C j sont des constantes qui dépendent respectivement du quartz (en tant qu'individu) et du varactor associé. Par contre, V, tension appliquée au varactor, est une quantité que l'on peut faire varier à volonté. Cette possibilité permet - du fait de la relation (1), de faire varier le rapport G , c'est-àdire d'assurer, à une température donnée, le calage de la fréqeunce de résonance du circuit quartz-varactor. - du fait de la relation (2), d'ajuster à une température donnée à une valeur déterminée. On fle peut évidemment obtenir ces deux résultats simultanément. Or, il est souhaitable que ces deux ajustements soient assurés, à la température ambiante par exemple, une fois le T.C.X.O. terminé car les dispersions existantes tant sur C1 (capacité dynamique des quartz) que sur C. (capacité J de la jonction des varactors) sont importantes et doivent être compensées. Pour atteindre ce résultat, l'invention prévoit d'une part l'adjonction à l'ensemble quartz-varactor d'un dispositif de réglage de la fréqeunce constitué par un potentiomètre alimenté par une alimentation continue stabilisée en tension, le curseur du potentiomètre étant relié à une borne du varactor dont l'autre borne est reliée au réseau de compensation.. et, d'autre part, un élément capacitif ajustable en parallèle sur le varactor, tel que par exemple un second varactor, dont on fait varier la capacité en faisant varier sa tension de fonctionnement en l'alimentant par l'alimentation continue stabilisée en tension par l'intermédiaire d'un potentiomètre, ledit second varactor servant au réglage de la pente L'invention prévoit également l'emploi d'un réseau de compensation type pour une fabrication de série, le réseau de compensation type étant déterminé une fois pour toutes pour tous les oscillateurs de la série. L'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation d'un oscillateur compensé en température et illustré par la figure unique. La figure unique représente le schéma d'un oscillateur selon l'invention. Un quartz 1 et un premier varactor 2 sont en série et reliés à un circuit électronique 3 de tout type connu. Un point commun au premier varactor et au circuit électronique est relié par une résistante 4 à un réseau de compensation type 5, réseau qui est constitué de manière connue de résistances et de thermistances afin de compenser les variations de fréquence en fonction de la température, dans une gamme de températures donnée, par exemple de - 40 C à + 800C ; le réseau de compensation type est alimenté par une source d'alimentation continue 6 dont la tension est stabilisée. Un point commun au quartz et au premier varactor est relié par une résistance 7 au curseur d'un potentiomètre de réglage de la fréquence 8 alimenté par la source de tension continue 6.Un deuxième varactor 9 est en parallèle sur le premier varactor ; les anodes des varactors sont reliées entre elles par un condensateur 10 ; les cathodes des varactors sont reliées entre elles par un condensateur 11. Le second varactor a sa cathode reliée à la masse par une résistance 12, et son anode reliée par une résistance 13 au cureeur d'un poten tiomètre de réglage de pente 14 alimenté par la source de tension continue 6. Le potentiomètre de réglage de la fréquence 8 sert au réglage de la fréquence de l'oscillateur, conformément à l'équation (1), en permettant d'ajuster la tension appliquée au premier varactor 2. Le potentiomètre de réglage de pente 14 sert à régler à une température donnée, 260C par exemple, la pente de la courbe représentant la variation de tension appliquée au premier varactor 2 en fonction de la température, conformément à l'équa- tion (2) ; ce réglage est obtenu en faisant varier la tension appliquée au second varactor, donc sa capacité. A cause des dispersions des caractéristiques des quartz et des varactors, de leur variation en fonction de la température et aussi de la variation des caractéristiques du circuit électronique 3 en fonction de la température, la caractéristique V = F (T), à fréquence constante, est différente d'un oscillateur à un autre ; la caractéristique V = F (T) est une courbe tension appliquée au premier varactor 2 en fonction de la température. Pour une fabrication donnée, on peut donc relever les courbes V = F (T) d'un certain nombre d'oscillateurs réalisés selon le schéma de la figure unique, mais ne comportant pas de réseau de compensation. On obtient ainsi une famille de courbes.Pour déterminer ces courbes, à fréquence constante, la fréquence est maintenue constante à l'aide du potentiomètre de réglage de la fréquence 8, et on règle, à la température de 260C, la tension appliquée au deuxième varactor 9 à l'aide du potentiomètre de réglage de la pente 14 de manière à ce que la capacité du deuxième varactor soit égale à la valeur moyenne de la gamme de variation de la capacité du varactor en fonction de la tension. On obtient ainsi une famille de courbes ayant toutes une allure générale de cubique et une pente maximale à 260C ; de manière plus précise on trace les courbes V = F (T), à fréquence constante, c'est-à-dire la variation de tension appliquée au premier varactor à partir de la valeur de la tension à la température de 260C, de sorte que toutes les courbes V = F (T) de la famille de courbes passent par le point à 260C, température pour laquelle toutes les courbes ont leur pente maximum et sont quasi linéaires. Le réseau de compensation type de la figure unique est classique il est prévu pour que la tension appliquée au premier varactor 2 varie, en fonction de la température, comme l'une des courbes de la famille, par exemple comme la courbe moyenne qui est donc celle du réseau de compensation type. La détermination d'un réseau de compensation type à partir d'une courbe A Vm = F (T) est classique et peut donc être faite par les différentes méthodes connues utilisées pour la compensation des oscillateurs à quartz ne comportant qu'un varactor. Le réseau de compensation type étant, selon l'invention, déterminé une fois pour toutes pour tous les oscillateurs d'une même fabrication, il faut donc régler chaque oscillateur pour que sa courbe t V = F (T ) soit identique à celle du réseau de compensation. Le réglage se fait de préférence à la température de 260C mais, compte tenu de l'allure des courbes aV = F (T), on peut sans inconvénients procéder au réglage à une température différente, par exemple comprise entre 200C et 260C, qui correspond à celle des ateliers. L'oscillateur, qui comprend le réseau de compensation type, est réglé en fréquence à l'aide du potentiomètre 8, la tension appliquée au deuxième varactor ayant une valeur telle que la capacité du deuxième varactor soit au milieu de sa gamme de variation. La fréqeunce étant réglée, on fait varier, par le potentiomètre 14, la tension appliquée au deuxième varactor 9 de manière à obtenir, pour l'ensemble circuit électronique 3, quartz 1, varactors 2 et 9, c'est-à-dire l'oscillateur sans le réseau de compensation type, une courbe dv = F (T) ayant une pente égale à celle du réseau de compensation type ; autrement dit, cela revient à superposer la courbe dudit ensemble oscillateur à la courbe A Vm choisie pour la détermination du réseau de compensation type. Cette superposition est obtenue, au besoin, par deux ou trois itérations successives, c'est-à-dire en ajustant par les potentiomètres 8 et 14 la fréquence et la pente de la courbe Av = F (T) de l'oscillateur. La superposition de la courbe de l'oscillateur et de la courbe d vu étant m obtenue à la température de réglage, cette superposition demeure lorsque la température varie, grâce au réseau de compensation type dont la courbe caractéristique est identique à la courbe ss Vm L'invention permet donc une fabrication de série des oscillateurs, avec un réseau de compensation type ; la précision de ces oscillateurs, en fréquence, est de l'ordre de 2.10-6, c'est-à-dire pratiquement du même ordre que celle que l'on obtient avec des oscillateurs pour chacun desquels on a calculé un réseau de compensation, opération longue et onéreuse car les valeurs des résistances et thermistances sont différentes d'un réseau de compensation à un autre. REVENDICATIONS 1/ Oscillateur à cristal, compensé en température, comprenant essentiellement un circuit électronique, un cristal et un varactor en série, et un circuit de compensation, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément capacitif ajustable en parallèle sur le varactor et que le réseau de compensation est un réseau de compensation type déterminé à partir d'une courbe variation de la tension appliquée au varactor en fonction de la température correspondant à un circuit oscillateur constitué par un circuit électronique, un cristal, un varactor et un élément capacitif ajustable, ledit réseau de compensation type étant représentatif d'une fabrication de série. 2/ Oscillateur à cristal selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend également un potentiomètre de réglage de la fréquence, alimenté par une alimentation continue stabilisée en tension, ayant un curseur relié à une borne du varactor dont une autre borne est reliée au réseau de eompensation. 3/ Oscillateur à cristal selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'élément capacitif ajustable est un varactor alimenté, par l'intermédiaire d'un potentiomètre, par une alimentation continue stabilisée en tension.