Brevet FR2674995A1 — publié le 19921009

DISPOSITIF AUTOMATIQUE D'ASSERVISSEMENT DE PHASE D'UN CIRCUIT La présente invention se rapporte à un dispositif automatique d'asservissement de phase d'un circuit. On connaît d'après la demande de brevet français 88 15411 un dispositif d'asservissement de phase utilisé en particulier pour une chaîne d'amplification en classe C Ce dispositif comporte une ou plusieurs boucles d'asservissement. L'ajustement des temps de propagation entre chaîne directe et chaîne de retour y est effectué manuellement Ce dispositif fonctionne très bien, mais le pré-positionnement des boucles d'asservissement doit y être effectué manuellement, ce qui ne permet pas une interchangeabilité totale du circuit à asservir en phase. La présente invention a pour objet un dispositif d'asservissement de phase d'un circuit, dispositif permettant un pré- positionnement automatique, qui soit capable de converger en pratiquement toutes circonstances, qui assure un asservissement même en cas de variations très lentes et monotones de pertur- bations de phase, sur une très large gamme de fréquences, avec un temps de verrouillage de la correction des perturbations très court. Le dispositif conforme à l'invention comprend une boucle, dite "lente", comportant en cascade une ligne à retard, un amplificateur, un déphaseur, un inverseur 0/180 , un filtre et un dispositif de détection et de dépassement de seuils de phase et de contrôle d'inverseur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 est un schéma synoptique de principe d'un dispositif d'asservissement conforme à l'invention; la figure 2 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention; la figure 3 est un schéma synoptique d'une variante du dispositif conforme à l'invention; les figures 4 à 6 sont des schémas équivalents de diverses parties du dispositif de l'invention; et la figure 7 est un schéma synoptique d'un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention. Le système d'asservissement de phase de l'invention est de préférence constitué de deux boucles d'asservissement, une boucle rapide et une boucle lente La boucle rapide assure la correction des perturbations rapides du type transitoires et bruits de phase dont les variations sont prises en compte, dans le cas d'un traitement Doppler, et donc indésirables Elle doit donc être très rapide afin de conserver une bande de correction la plus large possible, d'autre part, elle doit être suffisamment stable au sens de l'amortissement pour ne pas générer elle-même des pulsations parasites Dans le même ordre d'idées, elle doit être peu bruyante afin de ne pas ramener plus de bruit de phase qu'elle n'en corrige La boucle lente a pour fonction de permettre à la boucle rapide de fonctionner dans les meilleures conditions possibles Elle doit égaliser les retards entre chaîne directe et référence de façon à assurer la convergence de la boucle rapide Elle doit aussi égaliser la phase de façon à ramener la moyenne de la différence de phase en milieu de la caractéristique de rattrapage de la boucle rapide, afin de procurer à cette dernière la plage de correction et l'efficacité maximum. La boucle lente assure ainsi les meilleures conditions de fonctionnement à la boucle rapide pour la plus large plage possible de valeurs de perturbation et de retard de propagation de la chaîne directe 1 Elle garantit parallèlement l'interchangeabilité des éléments de la chaîne directe Cependant, le fonctionnement de la boucle lente ne doit pas être perçu par le traitement Doppler, et donc sa constante de temps doit être très supérieure à la plus grande récurrence analysée par le traitement. Le système d'asservissement est constitué tout d'abord d'une boucle rapide BR comprenant un déphaseur de boucle rapide 2, une chaîne directe 3, un coupleur 4, un mesureur de déphasage 6, un filtre de boucle rapide 7, et un amplificateur de boucle rapide 8. La phase d'entrée O e (p) est corrigée de AO à l'aide du déphaseur de boucle rapide 2, dans la chaîne directe La chaîne directe 3 est modélisée en caractéristiques de phase par un retard de propagation x et une perturbation t I(p) La phase de sortie de la chaîne directe 3 est prélevée à l'aide d'un coupleur 4 La différence entre la valeur mesurée en sortie de la chaîne directe 3 et la consigne est effectuée au moyen d'un mesureur de phase 6 Ce signal d'erreur est ensuite filtré à l'aide d'un filtre de boucle rapide 7 de fonction de transfert F(p) Ce signal est ensuite amplifié par l'amplificateur de boucle rapide 8 On a modélisé l'ensemble: mesureur de déphasage 6, filtre de boucle rapide 7, amplificateur de boucle rapide 8 par une fonction de transfert F(p), un gain K et un retard de propagation t'" On peut éventuellement injecter un signal de préposition- nement afin d'améliorer les performances de la boucle rapide Le signal de correction de la boucle rapide est enfin réinjecté dans la chaîne directe à l'aide du déphaseur de boucle rapide 8. La consigne de la boucle rapide est générée au niveau de l'ensemble coupleur 1, ligne à retard 5, déphaseur boucle lente 9, inverseur 0/1800 et mesureur de déphasage 6. La phase d'entrée D (p) est prélevée en entrée de la chaîne directe de façon à générer le signal dé consigne Ce signal est différé dans le temps d'un retard -r' à l'aide d'une ligne à retard 5 Il est ensuite déphasé au travers du déphaseur de boucle lente 9 et de l'inverseur 0/189 10 L'ensemble LRV comprenant la ligne à retard 5, le déphaseur de boucle rapide 9 et l'inverseur 0/180 10 constitue une ligne à retard variable. Enfin l'ajustement du retard utilisé pour générer la consigne est contrôlé par la boucle lente constituée de l'ensemble déphaseur de boucle lente 9, inverseur 0/1800 10, filtre de boucle lente 11, amplificateur de boucle lente 12 et de son dispositif de détection et contrôle 13. Pour cette boucle lente, la correction à effectuer est l'égalisation des temps de propagation entre la chaîne directe et le trajet du signal de consigne dans la boucle rapide Pour cela on utilise la phase de sortie q S(p) comme signal de consigne de la boucle lente et on asservit le signal en sortie de l'inverseur 0/1800 sur cette phase au moyen de la boucle lente L'écart de phase ainsi obtenu en sortie du mesureur de déphasage 6 est tout d'abord filtré à l'aide du filtre de boucle lente 11 puis amplifié par l'amplificateur de boucle lente 12 Le signal ainsi obtenu est réinjecté dans l'ensemble LRV de ligne à retard variable au moyen du déphaseur de boucle lente 12 Comme, avec des performances légèrement dégradées, on peut verrouiller cette boucle en phase à 2 k Tt radians près, la ligne à retard variable comporte une ligne à retard 5 fixe et un déphaseur de boucle lente 9 de dynamique finie Le dispositif de détection et de contrôle 13 détermine l'état du déphaseur de boucle lente 9 d'après la valeur du signal de contrôle de celui-ci issu de l'amplificateur de boucle lente 12 A partir de cette information, le dispositif détection et contrôle 13 génère deux actions ponctuelles dans le temps Si le déphaseur arrive en butée, ce qui correspond à un rattrapage de phase proche de + ou II radians, le dispositif 13 déphase le signal de + ou II radians à l'aide de l'inverseur 0/1800 10 Simultanément, il force la valeur du déphasage introduit par le déphaseur de boucle lente 9 à O en agissant sur le filtre de boucle lente 11 La boucle lente s'asservit donc sur la même phase qu'avant l'action du dispositif de détection et de contrôle 13 mais à 211 radians près et en ayant ramené le déphaseur de boucle lente 9 en milieu de caractéristique. Le fait d'asservir à 2 k TI radians près (k entier) de la valeur idéale ne dégrade l'efficacité de la boucle lente que si la fréquence du signal d'entrée dont la phase est e(p) change rapidement sur une large bande de fréquences L'efficacité de la boucle rapide n'est pas forcément dégradée mais sa dynamique de rattrapage est plus limitée du fait qu'elle doit rattraper à la fois la perturbation t I(p) introduite par la chaîne directe 3 et les sauts de phase dus aux actions conjuguées de l'agilité de fréquence en entrée et de la différence de temps de propagation entre la chaîne directe 3 et la consigne de la boucle rapide asservie à 2 k TI près. On va maintenant décrire de façon détaillée le dispostif 13 de détection et de contrôle qui assure la convergence à 2 k 11 près de la boucle lente, et permet ainsi au dispositif d'asservissement d'obtenir une efficacité maximale de la correction effectuée par la boucle rapide. On notera que la boucle lente peut fonctionner de façon autonome, sans la boucle rapide. On a représenté en figure 2 les détails de réalisation du dispositif 13, ainsi que les éléments du dispositif d'asservissement nécessaires aux explications. La boucle lente doit s'asservir à 2 kl T près sur la phase de consigne de boucle lente QS(P); )S(P) = O e(P) + AM moyen + ' moyen La phase d'entrée O (p) est prélevée au moyen du coupleur 1 Cette phase d'entrée est différée d'un retard t' équivalent au retard de propagation T de la chaîne directe 3 Le mesureur de déphasage 6 génère un signal d'erreur qui est filtré et amplifié à l'aide du filtre de boucle lente 11 et de l'ampli- ficateur de boucle lente 12 Le signal résultant est réinjecté sous la forme d'un déphasage AM dans le déphaseur de boucle lente 9 Si ce déphasage Mx vient à approcher les butées du déphaseur, le dispositif de détection et contrôle 13 entre en action. Cette action est mise en oeuvre par trois sous-ensembles 13 a à 13 c que comporte le dispositif 13 Le sous-ensemble 13 a, du type comparateur, détecte si le déphasage AP excède des valeurs limites X Dmax, Pmin fixées à la dynamique du déphaseur (moins une certaine marge de sécurité) Le signal logique ainsi généré est éventuellement synchronisé avec un signal extérieur à la boucle lente au moyen du dispositif 13 b Le signal résultant est utilisé pour la remise à zéro de la valeur intégrée par le filtre de boucle lente 11 Conjointement, on bascule un dispositif de type flip-flop 13 c qui pilote l'inverseur 0/180 10 La bascule 13 c peut également recevoir, si nécessaire, un signal de synchronisation. Il résulte de l'injection du signal d'erreur dans le déphaseur 9 et de l'action du dispositif 13 sur l'inverseur 10 que la boucle lente s'asservit sur la valeur de consigne, avant l'action du dispositif 13 (à 21 I radians près), le déphaseur 9 étant positionné en milieu de caractéristique. Selon la variante représentée en figure 3, la boucle lente peut fonctionner de façon autonome (sans boucle rapide) La voie principale comprend: le déphaseur 9, l'inverseur 0/180 10 et la chaîne directe 3 (qui est susceptible d'être soumise à des perturbations A) Un coupleur 1 prélève la phase d'entrée et est relié par une ligne à retard (retard T') au mesureur de phase 6, qui est relié par ailleurs au coupleur de sortie' 4 Le signal d'erreur du mesureur de phase 6 est envoyé, via le filtre de boucle 11, à l'amplificateur de boucle lente 12 dont la sortie est reliée au déphaseur 9 et au dispositif de détection et de contrôle 13 Ce dispositif 13 est relié au filtre 11 et à l'inverseur 10, et peut recevoir éventuellement un signal de synchronisation. On notera que, dans le cas de l'utilisation d'une boucle rapide et d'une boucle lente, dans la boucle rapide le filtre 7 de boucle rapide peut soit être un composant spécifique, soit résulter des caractéristiques de limitation de la bande passante des composants utilisés par d'autres circuits de la boucle Le déphaseur de boucle rapide peut être soit analogique (à déphasages continus), soit numérique à déphasages discrets, soit une combinaison des deux Le traitement mis en oeuvre par le filtre 7 de boucle rapide et l'amplificateur 8 de boucle rapide peut être soit analogique, soit numérique, soit une combinaison des deux, et ce traitement peut se faire en mode échantillonné/bloqué On peut lui adjoindre éventuellement un signal de prépositionnement. On remarquera également que dans la boucle rapide, l'ordre des éléments 7 et 8 est arbitraire La boucle lente est constituée par: le coupleur 1, la ligne à retard 5, le déphaseur 9, l'inverseur 0/180 , le filtre 11, l'amplificateur 12 et le dispositif de détection et de contrôle 13 Dans cette boucle, le filtre 11 peut soit être un composant spécifique, soit résulter des caractéristiques de limitation de la bande passante des composants utilisés pour d'autres circuits de la boucle Le déphaseur 9 peut être soit analogique à variation continue des déphasages, soit numérique à variation discrète des déphasages, soit une combinaison des deux L'inverseur 0/1800 peut être soit un déphaseur, soit un inverseur logique L'ordre des éléments 5, 9 et 10 est arbitraire 1 Le traitement mis en oeuvre par: le filtre 11, et l'amplificateur 12 peut être analogique ou numérique, ou une combinaison des deux, ou bien encore en mode échantillonné/bloqué. L'ordre des éléments de la chaîne de boucle lente filtre 11 et amplificateur 12 est arbitraire. Ainsi, le dispositif selon l'invention s'asservit auto- matiquement à 2 kfl radians près sur la phase du signal d'entrée sans que l'on ait à procéder à un ajustement manuel ou à un ajustement cas par cas Dans ce dispositif, le circuit 13 assure la convergence à 2 kfl radians près de la boucle lente Ce circuit 13 génère à partir de l'information de l'état du déphaseur 9 des actions ayant pour finalité la convergence de la boucle lente La première action consiste à introduire un déphasage supplémentaire de + ou 180 par commande de l'inverseur 10 La seconde action consiste à forcer ponctuellement à zéro la valeur intégrée par le filtre 11 La résultante de ces deux actions est que la boucle lente s'asservit à 2 EI radians près sur la phase de milieu de caractéristique du déphaseur 9 En d'autres termes, le dispositif de l'invention tend à égaliser automatiquement les délais de propagation entre chaîne à asservir (comportant l'élément 3) et chaîne de consigne (boucle lente). Le dispositif de l'invention peut être mis en oeuvre par exemple pour le contrôle de la fonction de transfert en phase d'une chaîne d'amplification à composants à état solide ou à tube (Magnétron, Klystron,), pour un déphaseur asservi, dans un dispositif de modulation/démodulation de phase, pour la formation de faisceaux à déphaseurs asservis, etc. Dans un exemple de réalisation, mis en oeuvre dans une chaîne d'émission classe C, en bande S présentant les caractéristiques suivantes: agilité de fréquence de l'ordre de %, retard de propagation de l'ordre de 40 ns, rotation de phase pendant l'impulsion émise de l'ordre de 1000 (mode d'émission pulsé), on a obtenu, avec le dispositif de l'invention: conver- gence automatique de la boucle lente garantie à 100 %, gain de correction sur les transitoires de phase de l'ordre de 14 d B sur toute la bande, temps d'asservissement de la boucle rapide (délais de propagation compris) de l'ordre de 200 ns, temps de montée de la bande rapide de l'ordre de 80 ns, bande passante de la boucle rapide d'environ 5 M Hz, et gamme d'amplitude de correction de la boucle rapide pour un temps de verrouillage dégradé d'un facteur 4: environ 1700. On a représenté en figure 4 le schéma équivalent de la chaîne directe Il comporte, entre le coupleur d'entrée 1 et le coupleur de sortie 4, la chaîne directe 3 présentant un retard -c et le déphaseur 2, apportant un déphasage de A@ L'ordre des éléments 2 et 3 est sans importance. Le schéma équivalent de la boucle rapide de la figure 5 comprend: le mesureur de phase 6, l'amplificateur de boucle rapide 8 (de retard -' et de gain K) et le filtre de boucle rapide 7 (de fonction de filtrage F). Le schéma équivalent de boucle lente, représenté en figure 6, comprend l'amplificateur 12 de boucle lente (de gain K) et le filtre 11 (de fonction de filtrage F'). On a représenté en figure 7 le bloc-diagramme de principe d'une variante du dispositif de l'invention, selon laquelle la boucle lente agit sur le facteur de correction global, du fait que certains de ses éléments sont insérés dans la chaîne directe. Dans ce circuit de la figure 7, la chaîne directe comprend, entre le coupleur d'entrée 1 et le coupleur de sortie 4, le déphaseur de boucle lente 7, l'inverseur 0/180 10, le déphaseur de boucle rapide 7 et la chaîne directe 3 Entre les coupleurs 4 et 1, on branche le mesureur de phase 6 et la ligne à retard 5 La sortie du mesureur de déphasage 6 est reliée d'une part à une boucle rapide comportant le filtre 7 et l'amplificateur 8, et d'autre part à la boucle lente comportant le filtre 11 et l'amplificateur 12 et aux entrées de l'inverseur 10 et du filtre 11. il R E V E N D I C A T I O N S 1 Dispositif automatique d'asservisseiftent de phase d'un circuit, dispositif du type comportant au moins une boucle d'asservissement en dérivation sur le circuit à asservir ( 3), caractérisé par le fait qu'il comprend une boucle dite "lente" comportant une ligne à retard ( 5), un amplificateur ( 12), un déphaseur ( 9), un inverseur 0/1800 ( 10), un filtre ( 11) et un dispositif ( 13) de détection de dépassement de seuils de phase et de contrôle d'inverseur. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif de détection et de contrôle comprend un circuit ( 13 a) de détection de dépassement de seuils de phase relié à la sortie ( 12) de l'amplificateur de la boucle "lente", et relié à l'entrée d'une bascule ( 13 c) commandant l'inverseur 0/1800. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un circuit de synchronisation ( 13 b) sur signal extérieur est inséré entre le circuit de détection ( 13 a) et la bascule ( 13 c). 4 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un mesureur de déphasage ( 6) est disposé entre la sortie ( 4) du circuit à asservir et la ligne à retard ( 5) et est relié à l'entrée de la boucle "lente". Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le filtre résulte des caractéristiques de limitation de bande passante des composants utilisés par d'autres circuits de la boucle. 6 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est 'associé à une boucle d'asservissement "rapide" ( 2, 7, 8) assurant la correction des perturbations rapides du type transitoire et bruits de phase. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que des éléments ( 9, 10) de la boucle "lente" sont insérés dans le circuit asservi.