Brevet FR2549656A1 — publié le 19850125

Oscillateur à quartz compensé en température La présente invention se rapporte à un oscillateur à quartz très stable, compensé en température, pour compenser la variation de la fréquence due à la température de l'oscillateur. En général, la fréquence d'un élément résonant comme dans un résonateur à quartz variera selon sa température. 10 Cela est appelé une caractéristique fréquence-température Un tel oscillateur est du type à compensation de température qui annule la variation de fréquence selon la caractéristique fréquencetempérature, et du fait de sa variation de température. La figure 1 donne un schéma bloc qui est connu comme 15 un oscillateur conventionnel compensant la température Dans le circuit montré sur la figure 1, le chiffre de référence 1 désigne un résonateur à quartz coupé AT ayant unecaractéristique fréquence-température indiquée, par exemple, par la courbe cubique de la figure 2; et le chiffre de référence 2 montre 20 un circuit oscillateur pour faire osciller le résonateur à quartz Le chiffre de référence 3 montre une diode à capacité variable en série avec le résonateur à quartz 1 Le chiffre de référence 3 montre un circuit de compensation de la température adapté à produire une tension de compensation 25 pour compenser la variation de la fréquence d'oscillations du résonateur à quartz 1 selon la caractéristique fréquence-température La tension de compensationau circuit de compensation de température 4 est appliquée par une résistance 5 à une diode à capacité variable 3 Il faut noter que la tension de compensation doit compenser une variation de la fréquence des oscillations due à la température de l'oscillateur à du quartz La caractéristique fréquence- température/résonateur à quartz 1 prend une forme cubique avec des valeurs extrêmes X et Y comme on peut par exemple le voir sur la figure 2 Un agence35 ment de circuit complexe est nécessaire pour rendre plate la caractéristique fréquence-température. La figure 3 donne un schéma bloc montrant une forme d'un circuit conventionnel de compensation de la température pour compenser une caractéristique de fréquence-température du type courbe cubique Une tension d'entrée Vi entre les bornes d'alimentation en courant 6 et 7 est appliquée à un circuit en série composé de premier et second éléments sensibles-à la température 8 et 9 dont les valeurs résistives varient selon la température ambiante Un troisième élément sensible à la température 10 est relié en parallèle au second élément sensible à la température et il a des bornes de sortie 11 et 12 Une tension de compensation Vo entre les bornes de sortie 11 et 12 est appliquée à la diode à capacité variable 3, par exemple, sur la figure 1. La capacité de la diode 3 varie selon la tension entre les bornes de sortie 11 et 12 La capacité de la diode à capacité variable 3 diminue avec l'augmentation du niveau de la tension appliquée et ainsi la fréquence des oscillations glisse vers un niveau supérieur de fréquence Si, par ailleurs, la tension appliquée diminue, la capacité de la diode à 20 capacité variable 3 augmente et ainsi la fréquence des oscillations glisse vers un niveau inférieur de fréquence. La figure 4 montre un schéma détaillé des éléments respectifs sensibles à la température 8, 9 et 10 de la figure 3 Le premier élément sensible à la température 8 comprend une combinaison en série d'une résistance 15 et du circuit en parallèle d'une résistance 13 avec une thermistance 14 Le second élément 9 sensible à la température comprend un circuit en série d'une résistance 16 et d'une thermistance 17; et le troisième élément sensible à la température 10 comprend un circuit en parallèle d'une résistance 18 et d'une thermistance 19. Le premier élément sensible à la température 8 force la tension de compensation Vo à varier principalement sur une plage comprise entre la valeur extrême X et la valeur extrême 35 Y correspondant à une plage moyenne de la caractéristique fréquence-température De même, le second élément sensible à la température 9 force la tension de compensation Vo à varier principalement sur une plage en-dessous de la valeur X; et le troisième élément sensible à la température 10 force la tension de compensation Vo à varier principalement sur une plage au-delà de la valeur extrême Y De cette façon, il y a compensation de la variation de fréquence En regardant aux bornes de sortie 11 et 12, le premier élément sensible à la température 8 relié en série entre la borne d'alimentation 6 et la borne de sortie 11 force la tension de compensation Vo à augmenter avec l'augmentation de sa température qui correspond à un taux de changement négatif de la fréquence entre les valeurs extrêmes X et Y du résonateur à quartz De même, les second et troisième éléments sensibles à la température 9 et 10 reliés en parallèle entre les bornes de sortie 11 et 12 forcent la 15 tension de compensation Vo à diminuer avec l'augmentation de sa température, ce qui correspond à un taux de changement négatif de la fréquence sur les deux plages de température, dont l'une est plus basse que la valeur extrême X et dont l'autre est plus haute que la valeur extrême Y. Le changement de la valeur résistive de l'élément 8 sensible à la température devient dominant dans la plage médiane entre les valeurs extrêmes X et Y sur la courbe fréquence- température, tandis que le changement de la valeur résistive du second élément sensible à la température 9 devient dominant sur la plage inférieure à la valeur extrême X. Sur la plage médiane de température entre les valeurs extrêmes X et Y de la figure 3, la valeur résistive R( 3) du troisième élément sensible à leur température 10 est établie 30 pour être bien plus importante que la valeur résistive R( 2) du second élément 9 sensible à la température, c'est-à-dire qu'elle est établie pour satisfaire à R( 3) >> R( 2) Sur la figure 4, la valeur résistive r( 16) de la résistance 16 est établie pour être bien supérieure à la valeur résistive TH( 17) 35 de la thermistance 17, c'est-à-dire que l'on a r( 16) " TH( 17). Sur la plage moyenne de température, par conséquence, la variation du premier élément sensible à la température 8 devient dominante par rapport à la tension de compensation Vo. Sur la plage de température inférieure à la valeur extrême X, la valeur résistive R( 3) du troisième élément sensible à la température 10 de la figure 3 est établie pour être bien supérieure à la valeur résistive R( 2) du second élément sensible à la température 9, c'est-à-dire qu'elle est établie pour satisfaire à R( 3) >> R( 2) Sur la figure 4, la valeur résistive R( 3) de la résistance 13 est établie pour 10 être bien plus faible que la valeur résistive TH( 14) de la thermistance 14, c'est-àdire qu'elle est établie pour obtenir r( 13) température 9 devient dominante par rapport à la tension de 15 compensation Vo. Même si la valeur résistive r( 16) de la résistance 16 est établie pour être bien supérieure à la valeur résistive TH( 17) de la thermistance 17 (c'est-à-dire r( 16) >> TH( 17)) afin de forcer la compensation de température à 20 être effectuée sur la plage de température supérieure à la valeur extrême Y, il sera difficile d'obtenir la relation r( 16) >> R( 3) Le taux de changement de la valeur résistive par rapport à la température du troisième élément sensible à la température 10 est si fortement affecté par la résistance 25 16 que l'allure de changement de la valeur résistive par rapport à la variation de température du troisième élément 10 sensible à la température diminue A partir de cela, il s'ensuit qu'une courbe souhaitée de tension de compensation de la température à obtenir sur une plage de température supérieure à la valeur extrême Y est très fortement affectée par le second élément sensible à la température 9 Le troisième élément sensible à la température 10 qui sert à diminuer la tension de compensation Vo avec l'augmentation de sa température est influencé par le premier élément sen35 sible à la température 8 qui sert à augmenter la tension de compensation Vo Il est par consequent nécessaire que, pour effectuer une compensation de température sur la plage de température supérieure à la valeur extrême Y, le coefficient de température de la résistance (habituellement) indiqué comme étant la constante B) de la thermistance 19 soit considérable5 ment plus important que ceux des thermistances 14 et 17. Le circuit conventionnel de compensation de la température de la figure 4 peut produire une tension souhaitée de compensation Vo pour une courbe cubique en choisissant avec précision les paramètres et les valeurs de thermistances 14, 10 17 et 19 et des résistances 15, 13, 16 et 18 des premier, second et troisième éléments sensibles à la température 8, 9 et 10, respectivement Comme les éléments 8, 9 et 10 sensibles à la température souffrent d'une interférence mutuelle, les valeurs résistives et les coefficients de température de résistance des thermistances respectives 14, 17 et 19 sont restreints dans une tentative pour obtenir une tension souhaitée de compensation Vo Il est par conséquent presque impossible d'obtenir une courbe souhaitée de tension de compensation en particulier sur la plage des hautes tempéra20 tures Pour les résistances sensibles à la température, on peut utiliser non seulement une thermistance ayant un coefficient négatif de température mais également une résistance à semi-conducteur sensible à la température ayant un coefficient positif de température, mais ces éléments sont 25 démodés. La présente invention a par conséquent pour objet un oscillateur compensé en température pouvant facilement produire une compensation de la température pour un oscillateur à quartz en utilisant un résonateur à quartz ayant une caractéristique fréquence-température selon la courbe cubiqueet pouvant établir une courbe souhaitée de compensation de la température sur une plage supérieure à une valeur extrême en particulier du côté haute température de la courbe cubique. Selon l'invention, on prévoit un oscillateur compensé 35 en température permettant d'obtenir précisément et facilement une courbe souhaitée de compensation de la température de forme cubique sur une plage de température, en particulier une plage haute température, d'un résonateur à quartz. Selon l'invention, on prévoit un oscillateur compensé en température qui comprend des bornes d'alimentation en courant reliées pour recevoir une tension continue; des premier et second éléments sensibles à la température reliés en série entre les bornes d'alimentation en courant; un circuit en série d'une résistance et d'un troisième élément sensible à la température qui est connecté en parallèle au 10 second élément sensible à la température; une diode à capacitÉ variable connectée en série à un résonateur à quartz dans le pour faieen sorte que la tension / troisième élément sensible à la température lui soit appliquée en tant que tension de compensation; ainsi qu'un oscillateur contenant le résonateur à quartz et la diode à capacité variable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre faite en se référant aux dessins schématiques annexes dans lesquels: la figure 1 montre un schéma bloc d'une forme d'un oscillateur compensé en température; la figure 2 est un graphique montrant un exemple de la courbe température-fréquence d'un résonateur à quartz; la figure 3 est un schéma bloc d'une forme d'un 25 circuit conventionnel de compensation de la température; la figure 4 donne un schéma bloc montrant un oscillateur conventionnel compensé en température avec des détails des éléments sensibles à la température dans le circuit de compensation de la température de la figure 3; 30 la figure 5 est une schéma bloc montrant un oscillateur de compensation de température selon un mode de réalisation de l'invention; la figure 6 est un graphique montrant la variation de la tension de compensation de l'oscillateur de la figure 35 5; la figure 7 est une vue montrant la courbe de variation d'une tension de compensation par rapport à la température de l'oscillateur compensé en température de la figure 5. Un oscillateur compensé en température selon un mode de réalisation de l'invention sera expliqué ci-après en se référant aux dessins joints. La figure 5 donne un schéma bloc d'un oscillateur compensé en température selon un mode de réalisation de l'invention Sur la figure 5, les chiffres de référence 20 et 21 montrent des bornes d'alimentation en courant auxquelles 10 est appliquée une tension continue stabilisée Vi, par une source de courant (non représentée) Entre les bornes 20 et 21 d'alimentation en courant est connecté un circuit en série de premier et second éléments sensibles à la température 22 et 23 dont les valeurs résistives varient selon la température 15 ambiante Le premier élément sensible à la température 22 détecte principalement la température sur la plage médiane d'une courbe de température de forme cubique et le second élément sensible à la température 23 détecte principalement la température dans sa région de basse température Un circuit 20 en série d'une résistance 24 et d'un troisième élément sensible à la température 25, qui détecte principalement la température sur une région de haute température, est connecté aux bornes du second élément sensible à la température 23 Une tension au troisième élément sensible à la température 25 est délivrée, 25 en tant que tension de compensation, par des bornes de sortie 26 et 27 La tension de compensation Vo est appliquée par une résistance 28 à une diode à capacité variable 29 pour contrôler la capacité électrostatique de la diode 29 La diode à capacité variable 29 est reliée en série à un résonateur à 30 quartz 30 qui, à son tour, est connecté en série à un circuit oscillateur 31. Un circuit de compensation de température tel qu'indiqué schématiquement sur la figure 5 comprend une résistance 24 et des premier, second et troisième éléments sensibles à la température 22, 23 et 25 Sur la figure 5, les premier, second et troisième éléments sensibles à la température 22, 23 et 25 sont semblables par leur agencement et leur fonctionnement, à l'agencement des éléments correspondants de la figure 4 Dans le circuit de compensation de la température de la figure 5, la résistance 24 est connectée entre les second et troisième éléments sensibles à la température 23 et 25 Avec r( 24) représentant la valeur résistive de la résistance 24, la tension de compensation sur la figure 5 est donnée par: Vo = Vi R( 2) R( 3) (A) R( 1) R( 2)+R( 2) R( 3)+R( 3) R( 1)+r( 24) lR(l)+ R( 2)l o les valeurs résistives des premier, second et troisième éléments sensibles à la température sont désignées respectivement par R( 1), R( 2) et R( 3) La tension de compensation Vo 15 des circuits conventionnels de compensation de température que l'on peut voir sur la figure 3 peut être exprimée cidessous: Vo = Vi R( 2) R( 3) (B) Vo = Vi R( 1) R( 2)+R( 2) R( 3)+R( 3) R( 1) 20 En comparanton voit que l 'équation (A) est différentede 1 'équation (B) par le fait que le terme r( 24)lR( 1) +R( 2)ls'ajoute au dénominateur de l'équation (A) Si l'on a lR( 1)+R( 2)l > 1 sur la plage souhaitée, alors la tension de compensation Vo dans 25 l'équation (A) est plus faible que la tension de compensation Vo dans l'équation (B) sur la plage souhaitée de température. Les premier, second et troisième éléments sensibles à la température 22, 23 et 25 ont leur courbe de température de résistance négative Avec l'augmentation de la température, 30 l'effet du terme r( 24) lR( 1)+R( 2)l sur la tension de compensation Vo devient prédominant et ainsi la tension de compensation Vo diminue fortement. Une température, qui représente une valeur extrême du côté haute température de la tension de compensation Vo 35 par rapport à la température de la figure 6, peut être modifiée selon la valeur résistive r( 24) de la résistance 24 de la figure 5. Dans le circuit conventionnel de compensation de température de la figure 3, la valeur résistive r( 24) de la résistance 24 de la figure 5 correspond au cas o elle est égale à zéro, et la température représentant la valeur extrême est décalée vers une basse température avec augmentation de la valeur résistive r( 24). La figure 7 montre la courbe de température avec 10 la valeur r( 24) de la résistance 24 obtenue en multipliant une valeur résistive spécifique r( 24) = Ro (>> O) par un coefficient en tant que paramètre, en notant que les éléments respectifs sensibles à la température 22, 23 et 25 dans le circuit de compensation de température de la figure 5 se composent chacun d'une résistance et d'une thermistance comme le montre la figure 4 On peut voir à partir de cela que, dans l'agencement de circuit correspondant au circuit conventionnel de compensation de température de la figure 3, c'est-à-dire comme dans le cas de r( 24) = 0, aucune valeur 20 extrême n'est atteinte à une haute température même à une température de 90 C Avec une augmentation de la valeur résistive r( 24) à 0,20 Ro, 0, 50 Ro, 0,90 Ro,, la température représentant la valeur extrême diminue à 77 C, 65 C, 60 C, respectivement. Le choix approprié de la valeur résistive r( 24) permet un glissement de la valeur extrême d'une haute température à une basse température de la courbe caractéristique Par suite, la courbe de tension du circuit de compensation de température par rapport à la température peut prendre une forme cubique sur la plage de température souhaitée. Le choix approprié de la quantité de variation de la valeur résistive par rapport à la variation de la température de l'élément sensible à la température permet 35 une variation A Vo/At, un gradient de la courbe de température/tension en particulier sur une plage de haute température Ainsi, on peut avoir une grande liberté de conception permettantune courbe caractéristique température/tension au-delà de cette plage de température. Revendications 1 Oscillateur compensé en température adapté à appliquer une tension de compensation à une diode à capacité variable reliée en série avec un résonateur à quartz pour compenser une variation d'une fréquence d'oscillation, caractérisé en ce que ledit oscillateur compensé en température comprend des bornes d'alimentation 10 en courant ( 20, 21) connectées pour recevoir une tension continue; des premier et second éléments sensibles à la température ( 22, 23) connectés en série entre lesdites bornes d'alimentation en courant; un circuit en série d'une résistance ( 24) et d'un troisième élément sensible à la température ( 25) qui est relié en parallèle audit élément sensible à la température; une diode à capacité variable ( 29) reliée en série à un résonateur à quartz ( 30)pour faire en sorte qu'une tension aux bornes du troisième élément sensible à la température lui soit appliquéeen tant que tension de compensation; et un circuit oscillateur comprenant le résonateur à quartz et la diode à eapacité variable. 2 Oscillateur compensé en température selon la revendication 1, caractérisé en ceque ledit résonateur à quartz a une caractéristique fréquence-température selon une courbe cu25 bique; ledit premier élément sensible à la température accomplit le réglage de compensation de la température sur une plage moyenne de température entre les valeurs extrêmes adjacentes de ladite courbe cubique; ledit second élément sensible à la température accomplit un réglage de compensation de température sur une plage de température plus faible que l'une desdites valeurs extrêmes qui est du côté basse température; et ledit troisième élément sensible à la température accomplit un réglage de compensation sur une plage de température supérieure à celle desdites valeurs 35 extrêmes qui est du côté haute température. 3 Ocillateur compensé température suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier, second et troisième éléments de compensation de la ? 54 5 ll température comprennent chacun une thermistance et une résistance. 4 Oscillateur compensé en température selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier élément sensible à la température comprend un circuit en série d'une résistance et d'un circuit en parallèle d'une thermistance et d'une résistance; ledit second élément sensible à la température comprend un circuit en série d'une thermistance 10 et d'une résistance; et ledit troisième élément sensible à la température comprend un circuit en parallèle d'une résistance et d'une thermistance. Oscillateur compensé en température selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de -15 l'une des valeurs extrêmes adjacentes qui est du côté haute température est établie selon la valeur d'une résistance entre les second et troisième éléments sensibles à la température.