Brevet FR2492987A1 — publié le 19820430

DISPOSITIF DE MESURE DE DEPHASAGE ENTRE DEUX SIGNAUX DE MEME FREQUENCE OU DE FREQUENCES MULTIPLES EN PARTICULIER DE FREQUENCES SUPE- RIEURES A 1 M Hz La présente invention concerne un dispositif de nesure de déphasage entre deux signaux périodiques, en parti- culier à des fréquences supérieures à 1 M Hz. Un exemple non limitatif est la mesure du déphasage entre deux signaux utilisés pour l'injection lumineuse sinusoïdale dans laquelle un des signaux constitue une référence de forme sinusoïdale délivrée par le générateur qui assure la modulation de la lumière tandis que l'autre signa, fourni direc- tement par le dispositif photorécepteur, est le plus souvent de faible niveau et perturbé par le bruit du photorécepteur et par- fois par des tensions indésirables. De telles mesures exigent un appareillage possédant à la fois une bonne sensibilité, une bonne détectivité et une bonne sélectivité. Or les appareils existants ne satisfont pas à de telles exigences. En effet, les phasemétres sont des appa- reils précis mais de faible sensibilité et de mauvaise détecti- vité et ne permettent pas de mesure à des fréquences supérieures à 10 M1 Hz; les voltmètres vectoriels peuvent travailler avec une assez bonne sensibilité jusqu'à des fréquences d'environ 1000 Il Hz mais avec une mauvaise immunité au bruit et surtout avec une précision moipdre qui dépend d'ailleurs du niveau rela- /aux fntrees/ tif des tensions appliquees/; les détecteurs synchrones possè- dent une grande sensibilité et une forte détectivité mais ne sont précis que pour des fréquences inférieures à I M- Hz. Le but de la présente invention est de re- médier à ces inconvénients et de fournir un dispositif précis de mesure avec une bonne sensibilité et une bonne détectivité dans une plage de fréquence de 1 à '100} Hz. Il est bien enten- du que cette plage de fréquence est indiquée à titre d'exemple non limitatif et que le dispositif suivant l'invention pourrait s'appliquer à des fréquences différentes, notamment supérieures, par exemple dans le domaine des hyperfréquences. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif simple et précis malgré que le signal dont on veut mesurer le déphasage par rapport à un signal de référence soit de faible niveau et perturbé par des tensions indésirables. Le dispositif suivant la présente invention trouve sa caractéristique essentielle dans le fait qu'il est doté: - de moyens de génération d'un signal pério- dique dont la fréquence est de même ordre de grandeur que la fréquence d'un ou des deux signaux VR1 et VR2 ou du mêne ordre d'un multiple ou sous-multiple de ces fréquences, - de moyens de mélange de ce signal aux deux signaux VR1 et VR2 afin d'obtenir deux signaux V1 et V2 périodiques dont la différence de phase est égale à la diffé- rence de phase entre les signaux VRt et VR2, - de moyens de filtrage des signaux VI et V2 afin de conserver l'une des composantes de chacun des signaux, - de moyens de mesure de la différence de phase entre les signaux V1 et V2. Une autre caractéristique du dispositif suivant l'invention réside dans le fait qu'il comprend des moyens d'amplification des signaux V1 et V2 avant la mesure de leur déphasage. L'amplification se faisant en basse fréquence est plus aisée. Cette amplification peut également être diffé- renciée suivant les signaux. Une autre caractéristique du dispositif suivant l'invention est qu'il est doté de moyesde stabllisa- tion en fréquence des signaux V1 et V2 ce qui permet une sen- sibilité optimale de mesure nalgré l'amplification sélective utilisée. Cette stabilisation est assurée au moyen d'une bou- cle à verrouillage de phase comprenant un oscillateur de réfé- rence qui la pilote, un amplificateur passe-bande, un compara- 3- teur de phase et un circuit passe-bas. Sur les dessins annexes est représentée à titre non limitatif une forme d'exécution de i'objet de il'.n- vention; sur ces dessins: - La figure 1 est un schéma synoptique montrant le principe de fonctionnement du dispositif suivant l'invention, - la figure 2 est un schéma synoptique du dispcsitif suivant i'invention avec des mrcens de stabilisation en fréquence, 24929X7 - la figure 3 est le schéma d'un oscillateur con- mandé en tension, - la figure 4 est le schéma d'un mélangeur, - la figure 5 est le schéma d'un amplificateur sélectif, - la figure 6 est le schéma de l'oscillateur de stabilisation, - la figure 7 est le schéma du circuit passe-bas. gaeSur la figure 1, un oscillateur 1 à fréquence ré- glable délivre un signal sinusoïdal V0, de fréquence fo et de phase 'o. Ce signal est mélangé d'une part avec le signal sinu- soïdal de référence VR1 de fréquence fR et de phase4 1 par l'in- termédiaire d'un mélangeur 2 et d'autre part avec le signal si- nusoïdal perturbé VR2 de fréquence fR et de phasel2 par l'inter- médiaire du mélangeur 3. A la sortie du mélangeur 2, on obtient un signal sinusoïdal Vi après filtrage et amplification dans les circuits 5 et 6, présentant une fréquence F = fO - fR et une pha- se 0 - 1 + 4'. A la sortie du mélangeur 3, on obtient un si- gnal sinusoïdal V2 après filtrage et amplification dans les cir- 29 cuits 5 et 7, présentant une fréquence F = fO - fR et une phase CQ - I + En choisissant convenablement la fréquence fO, on peut obtenir une fréquence F se situant dans le domaine desbasses fréquence et utiliser un phasemètre 8 pour mesurer la différence de phase entre les signaux V2 et VI qui est égale à la différence de phase entre les signaux VR2 et VR1. Un des avantages de ce système réside dans le fait que les tensions d'entrée VR1 et VR2 peuvent être de plus faible amplitude que celle exigée par les phasemètres car l'amplifica- tion à basse fréquence F est plus aisée que celle à large ban- de aux fréquences fR. De plus, une sensibilité optimale peut être obtenue en utilisant une amplification sélective en ayant soin, toutefois, de stabiliser la fréquence fO - fR = F. Ce résultat peut être atteint en utilisant une boucle à verrouillage de phase dans laquelle l'écart de fréquence fO - fR est asservi à un oscillateur pilote de fréquence stable F. C'est ainsi, figure 2 qu'un comparateur de phase 11 reçoit le signal de fréquence F d'un oscillateur pilote 9 et celui, de fréquence fO - fR du mélangeur d'entrée 2 après pas- sage dans un amplificateur passe bande 10. La tension obtenue à la sortie de ce comparateur est soumise à un circuit passe - bas 12. La tension obtenue à la sortie de ce circuit constitue la tension de con- mande de l'oscillateur 1. Cet oscillateur, tel que représenté figure 3 comprend un circuit oscillant LC 13 à condensateur variable 14 dont la manoeuvre permet de placer la boucle en régime de verrouillage. Le maintien de celui-ci est assuré par le signal de sortie du circuit passe-bas 12 commandant les varactors 15 et 16. L'oscillateur comprend également un étage à collecteur commun 17 et deux circuits d'adaptation d'impédance 18 et 19 dont les sorties sont reliées respectivement au mélangeur 2 et au mélangeur 3. En fait, étant donné la plage étendue des fréquences de travail, un seul oscillateur ne pourrait donner satisfaction. En effet, le rapport fR ne doit pas être trop F. important si l'on veut éviter un bruit de phase trop élevé. On utilisera donc au moins deux oscillateurs de ce type par décade. Les mélangeurs 2 et 3 étant identiques, nous nous bornerons à ne décrire que l'un d'entre eux. C'est ainsi, figure 4 on voit un mélangeur équilibré à diodes Schottky dont l'avantage est de présenter un plus faible facteur de bruit que les mélangeurs à composants actifs. Etant donné les valeurs particulièrement élevées que peuvent prendre les fréquences fR et fO, il est nécessaire d'adapteur en impédance les portes d'entrée fo et fR d'o la nécessité des circuits 18 et 19 à la sortie des oscil- lateurs 1. Le signal, à la sortie des mélangeurs doit être fil- tré avant son utilisation afin de ne conserver que le terme de fréquence fO - fR et notamment d'éliminer le terme de fréquence fo + fR. Le filtre passe-bas utilisé est constitué par la résis- tance de source du mélangeur et un condensateur placé aux bor- nes de la sortie de la porte F. Les signaux, maintenant filtrés doivent être amplifiés. Nous utiliserons pour cela des amplificateurs sélectifs tels que décrit sur le schéma de la figure 5. Etant donné le risque de saturation par les tensions indésirables, nous avons choisi un transistor 21 à effet de champ dont le fac- ceur bruit, quoique plus important que celui d'un transistor bipolaire reste dans des limites satisfaisantes. Les composants du circuit d'accord 22 sont identiques à ceux utilisés dans l'oscillateur 9 de référence afin de limiter les conséquences d'un glissement de fréquence. Le signal perturbé étant en général de très faible amplitude, il a paru souhaitable d'ajouter un amrpllfica- teur passe-bande à la suite de l'amplificateur sélectif 7 sur la voie du signal perturbé. Cet amplificateur est réglé pour que les fréquences de coupure soient voisines de F et 3F. 2 2 esaataex Comme nous l'avons vu dans le préambule, il est avantageux de stabiliser en fréquence les signaux de fréquen- ce fO - fR = F. On utilise pour cela une boucle à verrouillage de phase comprenant un oscillateur de référence 9, un amplifi- cateur 10 passe-bande, un comparateur de phase 11, et un circuit passebas 12 auquel on peut ajouter le cas échéant un diviseur ou un multiplieur de fréquence. Cet oscillateur de référence est décrit fi- gure 6. Il comprend trois étages: l'oscillateur 23 proprement dit, un étage amplificateur sélectif 24 et un étage d'adaptation d'impédance 25. Comme on peut le constater, c'est un oscillateur à couplage électronique entre base et émetteur. Le circuit d'ac- /sélectif 24/ cord 26 de l'étage amplifit-e U7 - identique à celui 22 des amplificateurs sélectifs 6 et 7. Cet oscillateur délivre un si- gnal de fréquence F à un comparateur de phase 11 qui n'est au- tre qu'un mélangeur de même structure que celle des mélangeurs 2_ évoqués prëcédemment. Ce comparateur de phase reçoit un signal du mélangeur sur la voie de référence par l'intermédiaire d'un amplificateur passe-bande 10 comprenant deux étages amplifica- teurs en tension et un étage collecteur commun, adaptateur d':npédance. A la sortie du comparateur de phase, le signal est délivré aux oscillateurs commandés en tension 1 à travers un circuit passe-bas que nous allons décrire en rapport avec la figure 7. Le but de ce circuit est d'éliminer les composantes de fréquences 2F délivrées par le comparateur, rais également d'apporter la correction de phase nécessaire au fonc- tionnement stable de la boucle de régime de verrouillage. C'est le rôle du réseau 27. La composante Vo du signal délivré par l'oscillateur 1 est obtenue en appliquant, sur l'entrée inver- seuse d'un aplificateur opérationnel 28, une tension négative d'amplitude réglable. Pour aue Vo soit stable et ne contienne pas de composante indésirable, la tension -V déjà filtrée et stabilisée est appliquée à un circuit stabilisateur 29 à diode zéner 30 et condensateur de filtrage 31. Toutes les tensions d'alimentation à courant continu, sont filtrées et stabilisées avant d'être appliquées aux différents circuits am.plificateurs. et oscillateurs. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux termes de la description qui précède, mais en comprend tou- tes les variantes. Par exemple, le dispositif peut être réalisé de façon à bénéficier d'un fonctionnement automatique. La fré- quence FR du signal VR1 ou VR2 est mesurée par une fréquence mé- tre numérique qui sélectionne directement la ga.me de i'osci!1a- tion 1 nécessaire au bon fonctionnement du dispositif. Un conver- tisseur Numérique/Analogique donnant une tension continue ou lentement variable, fonction de la fréquence FR, permet de posi- tionner l'oscillateur 1 de sorte que les signaux V1 et V2 pré- sentent une fréquence située dans la plage de capture de la boucle à verrouillage de phase {constituée par les moyens 1, 2, 9, 10, 11 et 12). REVENDICATIONS 1/ - Dispositif de mesure de déphasage entre deux signaux VR1 et VR2 de même fréquence ou de fréquences mul- tiples, en particulier de fréquence supérieure à 1 M Hz, carac- térisé par: - des moyens de génération (1) d'un signal périodique dont la fréquence est de même ordre de randeur que la fréquence d'un ou des deux signaux VR1 et VR27au même ordre d'un multiple ou sous-multiple de ces fréquences, - des moyens de mélange (2, 3) de ce signal aux deux signaux VR1 et VR2 afin d'obtenir deux signaux (VI) et (V2) périodiques dont la différence de phase est égale à la dif- férence de phase entre les signaux VR1 et VR2, - des moyens de filtrage (4,5) des signaux (vl) et (V2) afin de conserver l'une des composantes de chacun des signaux, - des moyens de mesure (8) de la différence de phase entre les signaux (Vi) et (V2). 2/ - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (9, 10, 11, 12) de stabilisation de la fréquence des signaux (V1) et (V2) à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase pilotée par un oscillateur de référence (9). 3/ - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (9, 10, 11, 12) de staDilisa- tion de].a fréquence des signaux (V1) et (V2) comprennent l'oscil]ateur (9), un amplificateur passe-bande (10), un compa- rateur de phase (11) et un circuit passe-bas (12). 4/ - Dispositif selon]a revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de génér&tion (1) du signal sinusoïdal comprennent au moins un oscillateur commandé par une grandeur électrique ou mécanique. / - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de génération (1) comprennent au moins deux oscillateurs par décade. 6/ - Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les oscillateurs comprennent un circuit oscillant (13) à condensateurs variables (14) pour cbterir un régime de verrouillage et cdeux varacto.rs (15, 16) pour main- tenir ce régime, un étage à collecteur commun (17) et deux étE-- ges adaptateurs d'impédance (18,19). 7/ - Dispositif selon l'une des revendica- tions 1, 2, 3, 4, 5,ou.6, caractérisé en ce que les moyens de mélange (2, 3) du signal sinusoïdal avec chacun des deux signaux VR1 et VR2 sont des mélangeurs à diodes Schottky. 8/ - Dispositif selon l'une des revendica- tions 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que les mcyens de filtrage (4, 5) des signaux (V1) et (V2) sont des filtres passe-bas constitués par la résistance de source des mélangeurs (2, 3) et par des condensateurs placés entre les bornes de sor- tie de ces mélangeurs. 9/ - Dispositif selon l'une des revendica- tions 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'amplification / - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'amplification (6, 7) des si- gnaux (V1) et (V2) sont constitués, pour le signal (V1), par un amplificateur sélectif (6) à transistors à effet de champ et, pour le signal (V2), par un amplificateur sélectif (7) à tran- sistors à effet de champ suivi par au moins un amplificateur passe-bande. 11/ - Dispositif selon l'une des revendica- tions 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que les moyens de filtrage (4, 5) sont adaptés pour conserver la composante basse fréquence de chacun des signaux (V1) et (V2) et en ce que les moyens de mesure (8) sont constitués par un phasemètre basse fréquence ou un détecteur synchrone.