<Desc/Clms Page number 1>
"Appareillage générateur d'oscillations".
Cette invention se rapporte aux appareils de télé- mesure et elle a trait notamment à des appareils de ce type comprenant un traducteur de certaines grandeurs physiques en fréquences qui est relativement insensible aux variations des tensions de fonctionnement.
La technique actuelle d'observations météorologiques a recours sur une grande échelle à l'emploi de dispositifs de radio-sondage aéroportés qui sont lâchés dans l'atmos- phère de façon à s'élever jusque dans la stratosphère, et qui transmettent des informations relatives aux conditions météorologiques régnant dans les couches atmosphériques qu'ils traversent, à une station d'observation et d'enre- gistrement située au sol. De tels dispositifscomportent généralement un générateur haute fréquence susceptible d'être modulé, et un oscillateur à autoblocage transfor- mant les variations de résistance d'une résistance varia- ble en variations de la fréquence de modulation du géné-
<Desc/Clms Page number 2>
rateur haute fréquence.
Grâce à divers procédés bien connus, ces résistances sont contrôlées par les conditions ambiantes dominantes, et la fréquence de modulation sert ainsi de moyen de mesure de ces conditions dans une station indicatrice, située à distance et comportant un appareil radio-électrique récepteur accordé de façon à recevoir les émissions du géné- rateur haute fréquence. Les restrictions rigoureuses de poids qui sont imposées à de tels appareils, et la durée d'utilisation relativement courte de ceux-ci, jamais plus de 3 à 4 heures, ont entraîné l'emploi de batteries d'accu- mulateurs comme source d'énergie électrique pour les circuits à tubes à vide qu'ils nécessitent.
Il est bien connu que la tension d'utilisation fournie par les éléments d'une batterie est déterminée par la durée d'emploi de celle-ci, la quantité d'énergie qui a été absor- bée et par la température de cette batterie. Dans les appli- cations des radio-sondes, ces facteurs s'ajoutent les uns aux autres de façon à entraîner des variations considérables de la tension de la batterie pendant un vol, la tension de la batterie tendant à diminuer après qu'une charge ait été appliquée penoant un certain temps et, de plus, la diminu- tion de la température ambiante depuis + 40 C au niveau du sol jusqu'à - 40 C en altitude accroit encore la diminution de latension.
Du fait que les oscillateurs à autoblocage présentent l'avantage de ne consommer que très peu d'énergie, ils furent utilisés primitivement pour la transformation des variations de résistance en variations de fréquence. Cependant, il est bien connu que la fréquence produite par ces oscillateurs est très sensible aux variations de la tension d'alimentation, ce qui a eu pour résultat d'introduire de sérieuses erreurs
<Desc/Clms Page number 3>
dans les valeurs enregistrées à la station de mesure.
En outre, dans un procédé de modulation en fré- quence du générateur haute fréquence la tension plaque de la lampe oscillatrice a été modulée en reliant la plaque de celle-ci à une source de courant par une résistance éga- lement traversée par les impulsions de courant absorbées par l'oscillateur à autobocage durant ses périodes actives.
Bien que cette disposition soit acceptée dans les appareils existants, on verra qu'un autre montage doit être réalisé pour l'oscillateur à autoblocage et l'oscillateur de la por- teuse si ces deux dispositifs doivent fonctionner de la façon la plus stable, la plus sûre et la plus efficace.
En conséquence, l'objet principal'de la présente in- vention est de réaliser une disposition nouvelle d'oscilla- teur à autoblocage qui soit stable vis-à-vis de la tension.
Un autre objet de la présente invention est de réa- liser un nouvel appareil radioélectrique de télémesure dont la caractéristique de conversion résistance-fréquence pré- sente un rendement et une stabilité améliorés.
Ces objets et caractéristiques et d'autres encore de la présente invention ressortiront plus clairement de la description détaillée qui suit et ainsi que des dessins y annexés, étant bien entendu que ceux-ci ne sont donnés qu'à titre d'exemple nullement limitatif.
Sur ces dessins:
La figure 1 est un schéma représentant un appareil de radio sondage suivant l'invention.
La figure 2 est une représentation graphique des conditions de tension que l'on obtient dans un oscillateur à autoblocage classique.
<Desc/Clms Page number 4>
La figure 3 est une représentation graphique des conditions de tension existant dans le circuit d'un oscil- lateur perfectionné à autoblocage, et
La figure 4 est une représentation graphique ser- vant à expliquer les conditions de fonctionnement rencontrées dans les oscillateurs à autoblocage et qui fait apparaître l'effet des mesures de correction.
En se reportant maintenant à la figure 1 des dessins, , on y voit un tube 10 à deux sections triodes utilisées res- pectivement en oscillateur et comme moyen de couplage ayant une extrémité de son filament 12 connectée à la borne posi- tive 14 de la batterie 16 par une résistance de chute 18 et l'autre extrémité du filament 12 connectée au châssis de l'appareil ou ruasse, ainsi qu'il sera désigné ci-après. La. borne négative de la source 16 est aussi reliée à la masse.
La partie du tube 10 fonctionnant en oscillateur à autoblo- cage comporte une plaque 20 qui est connectée par un enrou- lement primaire 22 d'un transformateur d'oscillation 24 et par une résistance 26 à la borne positive d'une source de tension plaque 28 dont la borne négative est reliée 'à la masse. L'extrémité de la résistance 26 correspondant à la plaque est reliée à la masse par un condensateur 30. La fréquence d'oscillation auxiliaire de l'oscillateur à auto- blocage est contrôlée par un condensateur 32 connecté entre la plaque 20 et la grille de contrôle 34, et par un conden- sateur 36 connecté entre la grille de contrôle 34 et le fila- ment 12. Le transformateur d'oscillation 24 comporte en outre un enroulement secondaire 38 connecté entre la grille de contrôle 34 et un condensateur 40.
La fréquence de rela- xation des circuits de l'oscillateur à autoblocage décrits plus loin sous ce nom est contrôlée par la grandeur de la résistance montée en shunt sur le condensateur de grille 40.
<Desc/Clms Page number 5>
Les éléments sensibles aux conditions physiques, dont la résistance doit être transformée en fréquences, sont insérés dans ce circuit shunt de façon à réaliser le contrôle désiré de la fréquence de modulation. Les divers éléments de mesure sont connectés dans le circuit grille par un circuit comprenant une résistance fixe 4 en série avec une résistance variable d'étalonnage 44, qui est connectée aux contacts de repère haut du dispositif de commutation 46. Une résistance 48 connecte lesdits con- tacts de repère haut aux contacts de repère bas dudit com- mutateur 46 et la borne de repère bas est à son tour con- nectée au contact arrière normalement fermé 50 du relais 52 par une résistance 54 sensible à la température.
De même, une résistance 56 sensible à l'humidité du type à pellicule déliquescente est connectée entre la borne de repère bas et une borne dite d'humidité reliée au contact avant 58 du relais 52. La résistance 56 est shuntée par une résistance fixe 60 de façon à limiter la marge possible des variations de résistance produites par les variations d'humi- dité. Les perturbations dues à la commutation dans le circuit de relais sont éliminées par une résistance 62 connectée en parallèle avec l'enroulement d'excitation du relais 52.
Un index conducteur 64, relié à la masse en 66, est entraîné le long du dispositif de commutation 46 en fonction des déplacements d'un élément anéroide 68. Ainsi les divers éléments de mesure sont successivement placés en position de commande de l'oscillation de relaxation de l'oscillateur à autoblocage ou de la fréquence de répétition lorsque le ra- dio-sonde porté par ballon s'élève dans l'atmosphère vers des régions de moindre pression. Les barrettes représentées sont conductrices, et les espaces compris entre ces barrettes
<Desc/Clms Page number 6>
sont non conducteurs.
Par conséquent, lorsque l'index 64 demeure entre lesbarrettes conductrices, la résistance 54 sensible à la température est insérée dans le circuit grille, contrôlant aussi la fréquence de relaxation, et, lorsque les barrettes intermédiaires au-dessous du 60e contact, sont en prise, le relais 52 estexcité de façon à placer la ré- sistance 56 sensible à l'humidité en position de contrôle de l'oscillateur à autoblocage. Durant le passage de l'index sur chaque groupe de 5 barrettes, soit l'ensemble des ré- sistances 42, 44 et 48, soit les résistances 42 et 44 seules, contrôlent la fréquence de répétition de l'oscillateur à au- toblocage afin que celui-ci délivre des fréquences de repère hauteset basses destinées à l'étalonnage des appareils au sol.
L'enveloppe du tube 10 comprend aussi une section triode destinée au couplage comportant une grille de con- trôle 70 et une plaque 72. La grille de contrôle 70 est soudée à la grille de contrôle 34 dé l'oscillateur à auto- blocage et la plaque 72 est connectée par une résistance relativement faible 74, à la borne positive de la source de tension plaque 28. L'extrémité de cette résistance, coté plaque est shuntée vers la masse par un condensateur de fuite haute fréquence 76 et est connectée par une self de choc 78 à la ligne résonnante de plaque 80 d'un oscilla- teur contrôlé par lignes résonnantes.
La ligne de plaque 80 et la ligne de grille 82 qui lui est associée ont une longueur électrique effective de charge d'une -.demi-longueur onde à la fréquence de fonction- nement. La self de choc 78 est reliée sensiblement à un noeud de tension avec l'antenne 84 connectée à une extrémi- té de la ligne à un ventre de tension et avec la plaque 86 du tube 88 connecté à l'autre ventre de tension.
<Desc/Clms Page number 7>
La ligne de grille 82 a un ventre de tension relié à la ligne 80 par un condensateur d'accord 90 et l'autre ventre de tension relié à la grille de contrôle 92, le noeud de tension central étant le point de connexion auquel est reliée une self de choc 94 dont l'autre extrémité est reliée à la masse par une résistance variable 96.
Le tube oscillateur triode 88 est du type à cathode chauffé indirectement, comportant une cathode 98 connectée à une extrémité du filament 100 qui est alimenté à travers les selfs de choc 102 et 104 par la source 16. Les courants haute fréquence dans les circuits de chauffage sont fortement réduits par un condensateur 106 branché en parallèle sur la source 16 et par un condensateur de découplage 13 monté en parallèle sur le filament 12 du tube 10. Le principe de fonctionnement de cet appareil sera immédiatement évident aux hommes de l'art.
Le tube oscillateur 88, avec les lignes résonnantes 80 et 8, engendre de l'énergie électrique de haute fréquence rayonnée par l'antenne 84, le tube oscilla- teur 88 recevant dans ce but l'énergie électrique nécessaire à son oscillation par l'intermédiaire de la résistance 74.
La partie du tube 10 correspondant à l'oscillateur à auto- blocage fonctionne de façon intermittente, les oscillations se poursuivant jusqu'à ce qu'un courant de grille suffisant produise une tension de polarisation telle qu'elle provoque l'interruption du fonctionnement. A ce moment, les oscilla- tions cessent jusqu'à ce que la charge du condensateur 40 ait été dérivée par le réseau de résistances qui lui est asso- cié plur réduire la polarisation à une valeur telle que les oscillations se rétablissent de nouveau d'elles-mêmes, le cycle de fonctionnement recommençant alors de nouveau.
<Desc/Clms Page number 8>
Pour faciliter l'exposé, la période durant laquelle sont engendrées dans le transformateur d'oscillations 24 les oscillations auxiliaires sera appelée la période active, et la période durant laquelle le circuit est en repos en attendant que la charge du condensateur 40 s'écoule sera appelée la période passive.
Pendant la période passive du cycle de l'oscillateur à autoblocage, aucun courant ne passe vers la plaque 72 de la partie du tube 10 correspondant au couplage, mais durant la présence d'oscillations auxiliaires sur la grille de contrôle 34, la grille de contrôle 70 est amenée dans la région positive de façon à produire une impulsion de courant plaque dont la longueur est égale à la longueur de l'inter- valle actif du cycle de fonctionnement de l'oscillateur à autoblocage.
Cette impulsion produit une chute de tension correspondante dans la résistance 74, modifiant la tension plaque de fonctionnement du tube oscillateur 88 de façon à modifier sa fréquence et à réaliser la modulation nécessaire pour la transmission du signal à la station d'observation au sol. '
Pour la discussion qui va suivre, il est intéressant d'avoir une idée des grandeurs relatives de quelques-uns des éléments critiques. Avec un tube du type commercial 6 N 4, comme oscillateur haute fréquence 88, fonctionnant à environ 400 Mes, on a trouvé qu'une valeur de 470 ohms est satisfai- , sante pour la résistance 74 shuntée par un condensateur 76 de 100 pfd.
Avec ce circuit on a utilisé comme oscillateur à autoblocage et comme moyen de couplage un tube 10, du type 3 A 5 ayant une fréquence d'oscillation auxiliaire de 2 Mes et une fréquence de répétition de 195 c/s, lorsque l'extrémité
<Desc/Clms Page number 9>
basse tension de la résistance 44 est reliée à la masse.
Une résistance de 50. 000 ohms fut utilisée pour la résis- tance plaque 26, celle-ci étant shuntée par un condensa- teur 30 de 0,07 Mfd, et une capacité d'environ 0,085 Mfd fut utilisée pour le condensateur de grille 40. Avéc ces paramètres, une source de tension 28 de 90 volts fut utilisée et des tensions de 6,3 et 3,0 volts étaient respec- tivement appliquées aux filaments des tubes 6 N 4 et 3 A 5.
La période active du fonctionnement de l'oscillateur à au- toblocage était d'environ 200 micro-secondes, et ne variait pas beaucoup avec la fréquence de répétition ou avec la tension de fonctionnement. On remarquera que dans ces con- ditions, la constante de temps du circuit plaque de l'oscil- lateur à relaxation était de 3.500 micro-secondes, et que celle du circuit plaque de l'oscillateur haute fréquence était d'environ 0,05 micro-seconde. Par conséquent les excursions de la tension plaque du tube oscillateur 88 reproduisent de façon très précise l'impulsion de 200 micro-secondes qui se produit pendant la période active de l'oscillateur à autoblocage, bien que la tension plaque de l'oscillateur à autoblocage change relativement lente- ment.
Dans l'oscillateur à autoblocage classique dans le quel la résistance 26 est égale à zéro ou si non le condensateur 30 est de l'ordre de quelques centainesde pfd. permettant une action de découplage seulement pour la fréquence des oscillations auxiliaires, une diminution de la tension d'alimentation plaque résulte en une augmen- tation de la fréquence de répétition.
Selon l'invention,
<Desc/Clms Page number 10>
il a été prouvé que si l'on utilise à la place de la ré- sistance 26 un élément ayant une valeur égale à au moins un tiers de l'impédance apparente, de la partie du tube correspondant à l'oscillateur à autoblocage, mesurée lorsque la polarisation de la grille de contrôle est réglée juste au-dessous de celle qui est nécessaire à la suppression des oscillations, et que si l'on utilise un condensateur associé 30 de valeur telle qu'il donne une constante de temps du circuit plaque d'au moins trois fois celle de la partie active du cycle de l'oscillateur à autoblocage, la grandeur de la modification de fréquence résultant d'une variation de tension appliquée, sera réduite.
L'utilisation d'une constante de temps d'au moins cinq fois celle de la partie active du cycle de l'oscillateur à autoblocage donne des résultats encore meilleurs alors que l'on ne remarque qu'une légère amélioration pour des accroissements encore supérieurs de la constante de temps du circuit plaque de l'oscillateur à autoblocage. Un accroissement supérieur de la valeur du condensateur 30 n'améliore pas sensiblement la stabilité et, lorsque la constante de temps du circuit plaque est augmentée de plus de cent fois la partie active du cycle de l'oscilla- teur à autoblocage, la stabilité tend de nouveau à être ré- duite. Ni la résistance anodique ni la constante de temps ne sont particulièrement critiques tant qu'elles se trouvent à l'intérieur des larges marges qui furent spécifiées ci- dessus.
Par exemple, dans le cas considéré, la valeur mi- nimum de la résistance anodique serait d'environ 5. 000 ohms alors que l'on utilise en réalité 50.000 ohms et cela pour permettre l'utilisation d'un condensateur relativement petit
<Desc/Clms Page number 11>
afin d'assurer la constante de temps nécessaire au circuit plaque, qui est ici égale à 17,5 fois la partie active du cycle de l'oscillateur à autoblocage, de façon à permettre sans altérer la stabilité une grande variation des paramè- tres que l'on rencontre dans la production.
Il est utile de revoir la théorie des oscillateurs à autoblocage pour comprendre les raisons d'existence de ces restrictions et les avantages résultant de l'utilisa- tion de ces circuits. Le graphique de la figure repré- sente les conditions de fonctionnement que l'on rencontre dans la forme de réalisation classique d'oscillateurs à autoblocage dans laquelle la résistance plaque est absente.
La tension plaque est constante comme indiqué par la ligne continue 108, tandis que le potentiel de grille oscille pé- riodiquement entre la valeur de départ 110 et la valeur d'arrêt 112 le long de la courbe 114. Lorsque la tension de grille décroissante, variant le long de la courbe 114, atteint la valeur Edépart, les oscillations auxiliaires sont engendrées donnant lieu à un courant grille qui charge le condensateur 40 jusqu'à ce que la tension grille atteigne Earrêt indiqué par la ligne en traits interrompus 112, auquel instant les oscillations auxiliaires sont arrêtées et le cycle se répète de lui-même. Pendant les brèves pé- riodes actives de l'oscillateur à autoblocage, le courant plaque circule en une série d'impulsions 116.
Toutefois, ces impulsions n'influencent pas la tension plaque de fonc- tionnement du fait de l'absence d'impédance entre la source de tension plaque et les bornes d'alimentation plaque. Dans la plupart des oscillateurs de ce type, la fréquence est contrôlée en premier lieu par la durée de la partie passive du cycle de l'oscillateur à auto-blocage, celle-ci étant
<Desc/Clms Page number 12>
beaucoup plus grande que la partie active.
En appliquant l'équation de Righi et en négligeant les périodes actives puisqu'elles sont si courtes, la fréquence de relaxation est donnée par la relation:
EMI12.1
Comme R et C sont constants, il ressort de l'équation de Righi que toute variation de fréquence doit être provoquée par une variation du rapport de Earrêt à Edépart'
Des essais statiques ont confirmé cette hypothèse comme cela sera indiqué en se référant aux courbes de la figure 4, où les tensions d'alimentation plaque en volts sont portées le long de l'axe des abcisses et où les ten- sions grille sont représentées par des ordonnées négatives.
Ces courbes illustrent la forme générale des caractéristiques que l'on rencontre, mais il doit être bien entendu que leurs valeurs numériques précises varieront de circuit à circuit et de tube à tube. La caractéristique 118 donne la variation de la valeur à laquelle la polarisation doit être réduite pour permettre aux oscillations de débuter, pour différentes tensions plaque. Cette caractéristique est une ligne droite qui coupe l'axe des abcisses pour une valeur de la tension plaque d'environ trois volts. La caractéristique 118 donne la valeurde Edépart pour toute tension plaque désirée.
La caractéristique 120 donne la tension de polarisation nécessaire pour supprimer ou arrêter les oscillations en fonc- tion de la tension plaque, c'est une droite qui coupe l'axe des abcisses pour une tension plaque de l'ordre de huit volts.L'écart des points d'intersection avec l'axe des abcisses est la chose importante à déduire de ces deux caractéristiques, car c'est
<Desc/Clms Page number 13>
cet écart qui donne naissance à la caractéristique tension- fréquence de l'oscillateur à autoblocage. Du fait de la différence des points d'intersection, le rapport Earrêt/ départ diminue de façon continue avec la tension plaque, devenant nul pour une tension plaque de huit volts et cela pour les courbesreprésentées.
Ainsi la distance entre les points d'intersection doit inévitablement donner naissance à un coefficient tension-fréquence. Pour obtenir une sta- bilité parfaite, les points d'intersection doivent se super- poser car alors, et alors seulement, le rapport Earrêt / Edëpart est indépendant de la tension plaque.
De l'examen des courbes 118 et 120 de la figure 4, il ressort que l'inclusion de moyens permettant de diminuer la tension plaque au moment de l'arrêt des oscillations, d'une quantité variable par rapport à la tension plaque existante lors de la naissance des oscillations, offre la possibilité de déplacer le point d'intersection de la courbe Earrêt vers la gauche, l'amenant ainsi vers le point d'intersection de la courbe Edépart. L'on peut aisément diminuer la tension plaque au moment de l'interruption des oscillations en ajou- tant une résistance dans le circuit d'alimentation plaque de la plaque de l'oscillateur. Ceci, toutefois, n'a pour effet que d'accroître la fréquence des oscillations ou fait de la diminution du rapport Earrêt/Edépart et n'améliore pas la stabilité, en fait, il y a même altération de celle-ci.
L'utilisation d'un condensateur de plaque monté en shunt, de capacité suffisante, donne cependant la stabilité désirée.
Il semble que ceci est dû au fait que lorsque le condensateur est suffisamment important pour donner une constante de temps supérieure à trois fois la période active de l'oscillateur à
<Desc/Clms Page number 14>
autoblocage, la partie entière de blocage de la série d'oscillations doit être alimentée sensiblement entière- ment par l'énergie emmagasinée dans le condensateur. Cette énergie emmagasinée est donnée par la relation 1/2 CE - 1/2 CE21 si bien que le condensateur de plaque doit osciller dans une marge de tension variable de façon à fournir la charge nécessaire au condensateur de grille.
Ceci ressort de la courbe 122 de la figure 4 qui montre la relation qui existe entre l'énergie en watt seconde, nécessaire pour anener le condensateur de grille 40 à la polarisation de blocage, pour différentes tensions plaque. Cette courbe est tracée à partir de la relation:
EMI14.1
Dans l'oscillateur dont il s'agit, on a observé que le ren- dement du transfert d'énergie qui s'effectue entre les con- densateurs de plaque et de grille est de 20%.
La courbe 124 représente la variation du potentiel du condensateur de plaque 30 nécessaire pour fournir l'énergie requise pour charger le condensateur du circuit grille jusqu'à la valeur Barrit* Cette courbe a été tracée à partir de la relation
EMI14.2
La variation nécessaire du potentiel du condensateur de plaque ne varie pas linéairement avec la tension plaque, mais diminue lorsque la tension décroît et ceci, donne, on l'a constaté, la correction de Earrêt nécessaire pour réaliser un rapport Earrêt/édépart constant. Ceci peut être prouvé graphiquement par la construction de la courbe
<Desc/Clms Page number 15>
dynamique Earrêt 126 que l'on trace de la manière indiquée ci-dessous. Pour une abcisse de 80 volts, l'on constate que la variation lue sur la courbe 124 est 27,25 volts.
On soustrait cette variation de la tension a'alimentation plaque, ce qui donne 52,75 volts, et sur la courbe statique Earrêt 120 on trouve pour 5,75 volts la polarisation de grille nécessaire du blocage qui est de 15,5 volts. Puis en portant cette valeur sur l'ordonnée correspondant à l'abcisse 80, on trouve le point 15 qui représente le premier point de la courbe dynamique Earrêt 126. Les au- tres points de la courbe 126 sont obtenus d'une façon sem- blable en lisant la variation de tension du condensateur de plaque sur la courbe 124 et en déterminant grâce à cette variation le point correspondant de la courbe dynamique Earrêt à partir de la courbe statique Earrêt 124.
En tra- çant une ligne passant par les points ainsi obtenus, la courbe 126 apparaît et son point d'intersection coïncide avec celui de la courbe Edépart 118. Ceci montre que pour la condition de marche dynamique, le rapport Earrêt/Edépart est constant et indépendant de la tension d'alimentation plaque. La courbe Edépart 118 reste inchangée pour la con- dition dynamique car la tension plaque s'élève sensiblement jusqu'à la valeur de la tension d'alimentation pendant la partie passive du cycle de fonctionnement de l'oscillateur à autoblocage.
Cependant, même si la constante de temps du circuit plaque peut être suffisamment accrue pour que cette condition ne soit plus strictement satisfaite, on continue à constater un fonctionnement toujours amélioré jusqu'à ce que la valeur du condensateur de plaque se soit accrue à tel point qu'elle diminue la variation de tension
<Desc/Clms Page number 16>
du condensateur de plaque de façon que la compensation nécessaire ne puisse être assurée. Ceci commence à devenir notable lorsque la constante de temps du circuit plaque est 100 fois supérieure à la partie active du cycle de fonction- nement de l'oscillateur à autoblocage.
En plus de la nécessité de contr8ler la constante de temps, il est en outre nécessaire que la résistance qui se trouve dans le circuit plaque dé l'oscillateur à autoblocage soit suffisamment grande pour provoquer une chute de tension appréciable. Cette condition est satisfaite lorsque cette résistance a une grandeur égale à au moins un tiers de celle de la résistance de l'oscillateur à autoblocage, lue sur la courbe 128 de la figure 4, qui donne la relation entre la tension d'alimentation plaque et le courant plaque qui circule lors de l'interruption de l'oscillation.
Les potentiels d'oscillation observés dans le circuit de la figure 1 peuvent être vus sur la figure 3 où la courbe 130 représente le po- tentiel plaque aux bornes du condensateur 30, en fonction du temps et où la courbe 132 montre les variations simultanées du potentiel grille aux bornes du condensateur 40. La fré- quence de blocage est quelque peu accrue, mais ceci est fa- cilement compensé par un nouveau réglage du condensateur de grille 40, et le circuit de la figure 1 a en outre l'avantage que le rapport Earrêt/Edépart est sensiblement constant.
Comme auparavant,lesimpulsions 133 du courant plaque passent durant la partie active du cycle de fonctionnement de l'os- cillateur à autoblocage.
Avec le tube et le circuit en question, la résistance du tube déterminée à partir de la courbe 128, soit en utili-
<Desc/Clms Page number 17>
sant sa pente ou la relation simple E/I, est d'environ 15. 000 ohms ce qui nécessite une résistance minimum du circuit plaque de 5. 000 ohms. Si, comme il était d'usage antérieurement, on rendait cette résistance commune avec le circuit plaque de l'oscillateur haute fréquence dans le but de lui injecter des impulsions de modulation, il est clair que le rendement de l'appareil en souffrirait con- sidérablement, car on désire que les impulsions soient cour- tes, bien définies et qu'il n'y ait que peu ou pas de perte dans la tension plaque fournie à l'oscillateur haute fré- quence. C'est pourquoi cette ancienne et simple méthode de couplage doit être abandonnée.
En utilisant une triode de couplage indépendante, on supprime les conséquences indésirables d'une connexion directe entre l'oscillateur à autoblocage et l'oscillateur haute fréquence car une faible résistance de couplage 74 peut être utilisée, la- quelle améliore considérablement le rendement de l'appareil.
Ceci permet également d'utiliser un très petit condensa- teur de découplage haute fréquence de façon à donner aux impulsions de commande une forme pointue telle que celle qui est atteinte avec une charge de courte constante de temps.
La description qui précède a rendu clair l'essentiel de l'invention, et il sera évident aux hommes de l'art que beaucoup de modifications et 'applications peuvent être effectuées sans changer l'esprit de l'invention ni sortir de son domaine.
<Desc / Clms Page number 1>
"Oscillation generator apparatus".
This invention relates to telemetry devices and it relates in particular to devices of this type comprising a translator of certain physical quantities into frequencies which is relatively insensitive to variations in operating voltages.
The current technique of meteorological observations makes use on a large scale of the use of airborne radio sounding devices which are released into the atmosphere so as to rise into the stratosphere, and which transmit relative information. to the meteorological conditions prevailing in the atmospheric layers which they pass through, to an observation and recording station located on the ground. Such devices generally comprise a high frequency generator capable of being modulated, and a self-locking oscillator transforming the variations in resistance of a variable resistance into variations in the modulation frequency of the generator.
<Desc / Clms Page number 2>
high frequency rator.
Thanks to various well-known methods, these resistors are controlled by the prevailing ambient conditions, and the modulation frequency thus serves as a means of measuring these conditions in an indicator station, located at a distance and comprising a receiving radio-electric device tuned in a manner to receive transmissions from the high frequency generator. The stringent weight restrictions imposed on such devices, and the relatively short period of use thereof, never more than 3 to 4 hours, have resulted in the use of accumulator batteries as a source of energy. electrical energy for the vacuum tube circuits they require.
It is well known that the operating voltage supplied by the cells of a battery is determined by the duration of use of the latter, the quantity of energy which has been absorbed and by the temperature of this battery. In applications of radio probes, these factors add up to one another to cause considerable variations in battery voltage during flight, with battery voltage tending to decrease after a charge has been applied. been applied for a while and, moreover, the decrease in ambient temperature from + 40 C at ground level to -40 C at altitude further increases the decrease in voltage.
Due to the fact that self-locking oscillators have the advantage of consuming very little energy, they were originally used for the transformation of resistance variations into frequency variations. However, it is well known that the frequency produced by these oscillators is very sensitive to variations in the supply voltage, which has resulted in the introduction of serious errors.
<Desc / Clms Page number 3>
in the values recorded at the measuring station.
In addition, in a method of frequency modulation of the high frequency generator, the plate voltage of the oscillating lamp was modulated by connecting the plate of the latter to a current source by a resistor also crossed by the pulses of current absorbed by the self-locking oscillator during its active periods.
Although this arrangement is accepted in existing devices, it will be seen that another assembly must be made for the self-locking oscillator and the oscillator of the carrier if these two devices are to operate in the most stable manner, the safest and most efficient.
Accordingly, the main object of the present invention is to provide a novel self-locking oscillator arrangement which is voltage stable.
Another object of the present invention is to provide a novel radio telemetry apparatus, the resistance-to-frequency conversion characteristic of which exhibits improved efficiency and stability.
These objects and characteristics and still others of the present invention will emerge more clearly from the detailed description which follows and as well as from the appended drawings, it being understood that these are given only by way of non-limiting example.
On these drawings:
FIG. 1 is a diagram showing a radio sounding apparatus according to the invention.
Figure 2 is a graphical representation of the voltage conditions that one obtains in a conventional self-locking oscillator.
<Desc / Clms Page number 4>
Figure 3 is a graphical representation of the voltage conditions existing in the circuit of an improved self-locking oscillator, and
FIG. 4 is a graphical representation used to explain the operating conditions encountered in self-locking oscillators and which shows the effect of the corrective measures.
Referring now to Figure 1 of the drawings, there is shown a tube 10 with two triode sections used respectively as an oscillator and as a coupling means having one end of its filament 12 connected to the positive terminal 14 of the battery 16 by a drop resistor 18 and the other end of the filament 12 connected to the frame of the device or bank, as will be designated below. The negative terminal of source 16 is also connected to ground.
The self-locking oscillator portion of tube 10 has a plate 20 which is connected by a primary winding 22 of an oscillation transformer 24 and by a resistor 26 to the positive terminal of a plate voltage source. 28, the negative terminal of which is connected to ground. The end of resistor 26 corresponding to the plate is connected to ground by a capacitor 30. The auxiliary oscillation frequency of the self-locking oscillator is controlled by a capacitor 32 connected between the plate 20 and the grid. control 34, and by a capacitor 36 connected between the control grid 34 and the filament 12. The oscillation transformer 24 further comprises a secondary winding 38 connected between the control grid 34 and a capacitor 40.
The cutoff frequency of the self-locking oscillator circuits described later under this name is controlled by the magnitude of the resistor shunted across gate capacitor 40.
<Desc / Clms Page number 5>
Elements sensitive to physical conditions, whose resistance must be transformed into frequencies, are inserted into this shunt circuit in order to achieve the desired control of the modulation frequency. The various measuring elements are connected in the grid circuit by a circuit comprising a fixed resistor 4 in series with a variable calibration resistor 44, which is connected to the high mark contacts of the switching device 46. A resistor 48 connects said cones. - High tag contacts the low tag contacts of said switch 46 and the low tag terminal is in turn connected to the rear normally closed contact 50 of relay 52 by a temperature sensitive resistor 54.
Likewise, a moisture sensitive resistor 56 of the deliquescent film type is connected between the low mark terminal and a so-called moisture terminal connected to the front contact 58 of relay 52. Resistor 56 is bypassed by a fixed resistor 60. so as to limit the possible margin of resistance variations produced by variations in humidity. Disturbances due to switching in the relay circuit are eliminated by a resistor 62 connected in parallel with the energizing winding of the relay 52.
A conductive index 64, connected to ground at 66, is driven along the switching device 46 as a function of the movements of an aneroid element 68. Thus the various measuring elements are successively placed in the position for controlling the oscillation of relaxation of the self-locking oscillator or repetition rate as the balloon-borne radio probe rises through the atmosphere to regions of least pressure. The bars shown are conductive, and the spaces between these bars
<Desc / Clms Page number 6>
are non-conductive.
Therefore, when the index 64 remains between the conductive strips, the temperature sensitive resistor 54 is inserted into the gate circuit, also controlling the relaxation frequency, and, when the intermediate strips below the 60th contact, are engaged. , the relay 52 is energized so as to place the humidity sensitive resistor 56 in the control position of the self-locking oscillator. During the passage of the index on each group of 5 bars, either the set of resistors 42, 44 and 48, or the resistors 42 and 44 alone, control the repetition frequency of the self-locking oscillator in order to that it delivers high and low reference frequencies intended for the calibration of ground devices.
The casing of the tube 10 also includes a triode section for coupling comprising a control grid 70 and a plate 72. The control grid 70 is welded to the control grid 34 of the self-locking oscillator and the control grid. plate 72 is connected by a relatively low resistance 74, to the positive terminal of the plate voltage source 28. The end of this resistor, on the plate side is shunted to ground by a high frequency leakage capacitor 76 and is connected by a shock choke 78 to the plate resonant line 80 of an oscillator controlled by resonant lines.
The plate line 80 and the grid line 82 associated with it have an effective electric length of charge of one half wavelength at the operating frequency. The shock choke 78 is connected substantially to a voltage node with the antenna 84 connected at one end of the line to a voltage belly and with the plate 86 of the tube 88 connected to the other voltage belly.
<Desc / Clms Page number 7>
The gate line 82 has one voltage belly connected to line 80 by a tuning capacitor 90 and the other voltage belly connected to the control gate 92, the central voltage node being the connection point to which is connected. a shock choke 94, the other end of which is connected to ground by a variable resistor 96.
The triode oscillator tube 88 is of the indirectly heated cathode type, comprising a cathode 98 connected to one end of the filament 100 which is supplied through the shock chokes 102 and 104 by the source 16. The high frequency currents in the heating circuits are greatly reduced by a capacitor 106 connected in parallel to the source 16 and by a decoupling capacitor 13 mounted in parallel on the filament 12 of the tube 10. The principle of operation of this apparatus will be immediately obvious to those skilled in the art.
The oscillator tube 88, with the resonant lines 80 and 8, generates high-frequency electrical energy radiated by the antenna 84, the oscillator tube 88 for this purpose receiving the electrical energy necessary for its oscillation by the. intermediate resistance 74.
The portion of tube 10 corresponding to the self-locking oscillator operates intermittently, oscillations continuing until sufficient gate current produces a bias voltage such as to cause operation to be interrupted. At this point, the oscillations cease until the charge on capacitor 40 has been shunted by the network of resistors associated with it to reduce the polarization to a value such that the oscillations recover again. themselves, the operating cycle then starting again.
<Desc / Clms Page number 8>
For ease of explanation, the period during which the auxiliary oscillations are generated in the oscillations transformer 24 will be called the active period, and the period during which the circuit is at rest while waiting for the charge of the capacitor 40 to elapse will be called the active period. called the passive period.
During the passive period of the self-locking oscillator cycle, no current flows to the plate 72 of the part of the tube 10 corresponding to the coupling, but during the presence of auxiliary oscillations on the control grid 34, the control grid 70 is brought into the positive region so as to produce a plate current pulse the length of which is equal to the length of the active interval of the operating cycle of the self-locking oscillator.
This pulse produces a corresponding voltage drop in resistor 74, modifying the operating plate voltage of oscillator tube 88 so as to modify its frequency and achieve the modulation necessary for the transmission of the signal to the ground observation station. '
For the discussion which follows, it is interesting to have an idea of the relative magnitudes of some of the critical elements. With a tube of the commercial type 6 N 4, as high frequency oscillator 88, operating at about 400 Mes, it has been found that a value of 470 ohms is satisfactory for resistor 74 shunted by a capacitor 76 of 100 pfd.
With this circuit, a tube 10, of the 3 A 5 type, having an auxiliary oscillation frequency of 2 Mes and a repetition frequency of 195 c / s, was used as a self-locking oscillator and as a coupling means, when the end
<Desc / Clms Page number 9>
low voltage of resistor 44 is connected to ground.
A 50,000 ohm resistor was used for the plate resistor 26, this being shunted by a 0.07 Mfd capacitor 30, and a capacitance of about 0.085 Mfd was used for the gate capacitor 40. With these parameters, a voltage source 28 of 90 volts was used and voltages of 6.3 and 3.0 volts were applied to the filaments of tubes 6 N 4 and 3 A 5, respectively.
The active period of operation of the self-locking oscillator was about 200 microseconds, and did not vary much with the repetition frequency or with the operating voltage. Note that under these conditions, the time constant of the plate circuit of the relaxation oscillator was 3,500 microseconds, and that of the plate circuit of the high frequency oscillator was about 0.05. microsecond. Therefore, oscillator tube plate voltage excursions 88 very accurately reproduce the 200 microsecond pulse that occurs during the active period of the self-locking oscillator, although the plate voltage of the self-locking oscillator changes relatively slowly.
In the conventional self-locking oscillator in which the resistance 26 is equal to zero or if not the capacitor 30 is of the order of a few hundred pfd. allowing a decoupling action only for the frequency of the auxiliary oscillations, a decrease in the plate supply voltage results in an increase in the repetition frequency.
According to the invention,
<Desc / Clms Page number 10>
it has been proved that if one uses instead of the resistor 26 an element having a value equal to at least one third of the apparent impedance, of the part of the tube corresponding to the self-locking oscillator, measured when the polarization of the control gate is set just below that necessary to suppress oscillations, and if an associated capacitor 30 of a value such as to give a plate circuit time constant is used by at least three times that of the active part of the cycle of the self-locking oscillator, the magnitude of the frequency change resulting from a change in applied voltage, will be reduced.
The use of a time constant of at least five times that of the active part of the cycle of the self-locking oscillator gives even better results while only a slight improvement is noticed for even higher increases of the time constant of the plate circuit of the self-locking oscillator. Increasing the value of capacitor 30 more does not significantly improve stability, and when the plate circuit time constant is increased by more than one hundred times the active part of the self-locking oscillator cycle, stability tends to increase. again to be reduced. Neither the anode resistance nor the time constant are particularly critical as long as they are within the wide margins which were specified above.
For example, in the case considered, the minimum value of the anode resistor would be around 5,000 ohms, whereas in reality 50,000 ohms are used and this to allow the use of a relatively small capacitor.
<Desc / Clms Page number 11>
in order to ensure the time constant necessary for the plate circuit, which is here equal to 17.5 times the active part of the cycle of the self-locking oscillator, so as to allow without altering the stability a large variation of the parameters that one meets in production.
It is useful to review the theory of self-locking oscillators to understand the reasons for these restrictions and the advantages resulting from the use of these circuits. The graph of the figure shows the operating conditions encountered in the conventional embodiment of self-locking oscillators in which plate resistance is absent.
The plate voltage is constant as indicated by the solid line 108, while the gate potential periodically oscillates between the start value 110 and the stop value 112 along the curve 114. As the gate voltage decreases, varying along the curve 114, reaches the value EStart, the auxiliary oscillations are generated giving rise to a gate current which charges the capacitor 40 until the gate voltage reaches the stop indicated by the dashed line 112, at which time the auxiliary oscillations are stopped and the cycle repeats itself. During the brief active periods of the self-locking oscillator, the plate current flows in a series of pulses 116.
However, these pulses do not influence the operating plate voltage due to the absence of impedance between the plate voltage source and the plate supply terminals. In most oscillators of this type, the frequency is controlled in the first place by the duration of the passive part of the cycle of the self-locking oscillator, this being
<Desc / Clms Page number 12>
much larger than the active part.
Applying Righi's equation and neglecting the active periods since they are so short, the relaxation frequency is given by the relation:
EMI12.1
As R and C are constant, it emerges from Righi's equation that any variation in frequency must be caused by a variation in the ratio from Earrêt to Edépart '
Static tests have confirmed this hypothesis as will be indicated by referring to the curves of figure 4, where the plate supply voltages in volts are plotted along the abscissa axis and where the grid voltages are represented by negative ordinates.
These curves illustrate the general shape of the characteristics that are encountered, but it should be understood that their precise numerical values will vary from circuit to circuit and from tube to tube. Characteristic 118 gives the variation in the value to which the bias must be reduced to allow the oscillations to start, for different plate voltages. This characteristic is a straight line which intersects the abscissa axis for a plate voltage value of about three volts. Feature 118 gives the value of Start for any desired plate voltage.
Characteristic 120 gives the bias voltage necessary to suppress or stop the oscillations as a function of the plate voltage, it is a straight line which intersects the abscissa axis for a plate voltage of the order of eight volts. deviation of the points of intersection with the abscissa axis is the important thing to deduce from these two characteristics, because it is
<Desc / Clms Page number 13>
this difference which gives rise to the voltage-frequency characteristic of the self-locking oscillator. Due to the difference in the points of intersection, the Stop / Start ratio decreases continuously with the plate voltage, becoming zero for a plate voltage of eight volts and that for the curves shown.
Thus the distance between the points of intersection must inevitably give rise to a voltage-frequency coefficient. To obtain perfect stability, the points of intersection must overlap, because then, and only then, the Earrêt / Edëpart ratio is independent of the plate voltage.
From the examination of curves 118 and 120 of FIG. 4, it emerges that the inclusion of means making it possible to decrease the plate tension when the oscillations stop, by a variable amount compared to the existing plate tension during of the origin of the oscillations, offers the possibility of moving the point of intersection of the Earrêt curve to the left, thus bringing it towards the point of intersection of the Eépart curve. The plate voltage can easily be reduced when the oscillations are interrupted by adding a resistance in the plate supply circuit of the oscillator plate. This, however, only has the effect of increasing the frequency of the oscillations or decreases the Ear-Stop / Start ratio and does not improve the stability, in fact, there is even an alteration of it.
The use of a shunt mounted plate capacitor of sufficient capacity, however, gives the desired stability.
It seems that this is due to the fact that when the capacitor is large enough to give a time constant greater than three times the active period of the oscillator at
<Desc / Clms Page number 14>
self-locking, the entire locking part of the series of oscillations must be supplied substantially entirely by the energy stored in the capacitor. This stored energy is given by the relationship 1/2 CE - 1/2 CE21 so that the plate capacitor must oscillate within a variable voltage margin so as to provide the necessary charge to the gate capacitor.
This emerges from the curve 122 of FIG. 4 which shows the relationship between the energy in watt seconds, required to bring the gate capacitor 40 to the blocking bias, for different plate voltages. This curve is plotted from the relation:
EMI14.1
In the oscillator in question, it has been observed that the efficiency of the energy transfer which takes place between the plate and grid capacitors is 20%.
Curve 124 represents the variation in the potential of the plate capacitor 30 required to supply the energy required to charge the capacitor of the gate circuit up to the value Barrit * This curve has been drawn from the relation
EMI14.2
The necessary variation of the potential of the plate capacitor does not vary linearly with the plate voltage, but decreases when the voltage decreases and this, as it has been observed, gives the Earêt correction necessary to achieve a constant Earrêt / dstart ratio. This can be proved graphically by the construction of the curve
<Desc / Clms Page number 15>
dynamic Earrêt 126 which is plotted as shown below. For an abscissa of 80 volts, it can be seen that the variation read on curve 124 is 27.25 volts.
We subtract this variation from the plate supply voltage, which gives 52.75 volts, and on the static curve Earrêt 120 we find for 5.75 volts the necessary grid bias of the blocking which is 15.5 volts. Then by plotting this value on the ordinate corresponding to the abscissa 80, one finds the point 15 which represents the first point of the dynamic curve Earrêt 126. The other points of the curve 126 are obtained in a similar way. This can be done by reading the voltage variation of the plate capacitor on the curve 124 and by determining thanks to this variation the corresponding point of the Earrêt dynamic curve from the Earrêt static curve 124.
By drawing a line passing through the points thus obtained, the curve 126 appears and its point of intersection coincides with that of the Edépart curve 118. This shows that for the dynamic running condition, the Earrêt / Edépart ratio is constant and independent of the plate supply voltage. The start curve 118 remains unchanged for the dynamic condition because the plate voltage rises substantially to the value of the supply voltage during the passive part of the operating cycle of the self-locking oscillator.
However, even if the time constant of the plate circuit can be increased enough so that this condition is no longer strictly satisfied, one continues to see an always improved operation until the value of the plate capacitor has increased to such an extent. that it decreases the voltage variation
<Desc / Clms Page number 16>
of the plate capacitor so that the necessary compensation cannot be ensured. This begins to become noticeable when the time constant of the plate circuit is 100 times greater than the active part of the duty cycle of the self-locking oscillator.
In addition to the need to control the time constant, it is further necessary that the resistance in the plate circuit of the self-locking oscillator be large enough to cause an appreciable voltage drop. This condition is satisfied when this resistance has a magnitude equal to at least one third of that of the resistance of the self-locking oscillator, read on curve 128 of figure 4, which gives the relation between the plate supply voltage and the plate current which flows when the oscillation is interrupted.
The oscillation potentials observed in the circuit of figure 1 can be seen in figure 3 where curve 130 represents the plate potential across capacitor 30, as a function of time and where curve 132 shows simultaneous variations of the gate potential across capacitor 40. The blocking frequency is somewhat increased, but this is easily compensated for by re-tuning gate capacitor 40, and the circuit of Figure 1 has the further advantage that the Earrêt / Edépart ratio is more or less constant.
As before, the plate current pulses 133 are passed during the active portion of the operating cycle of the self-locking oscillator.
With the tube and circuit in question, the resistance of the tube determined from curve 128, either by using
<Desc / Clms Page number 17>
Whether its slope, or the simple E / I relationship, is approximately 15,000 ohms which requires a minimum plate circuit resistance of 5,000 ohms. If, as was previously customary, this resistor were made common with the plate circuit of the high frequency oscillator in order to inject it with modulation pulses, it is clear that the efficiency of the apparatus would suffer greatly. This is sorely because it is desired that the pulses be short, well defined and that there is little or no loss in the plate voltage supplied to the high frequency oscillator. This is why this old and simple method of coupling must be abandoned.
By using an independent coupling triode, the undesirable consequences of a direct connection between the self-locking oscillator and the high frequency oscillator are eliminated because a low coupling resistor 74 can be used, which greatly improves the efficiency of the device. 'apparatus.
This also allows a very small high frequency decoupling capacitor to be used so as to give the drive pulses a sharp shape such as that achieved with a short time constant load.
The foregoing description has made the gist of the invention clear, and it will be evident to those skilled in the art that many modifications and applications can be made without changing the spirit of the invention or departing from its scope.