CH615789A5 - - Google Patents

Description

La présente invention concerne un dispositif d'asservissement en phase d'un oscillateur de précision, notamment d'un oscillateur à quartz par un oscillateur de référence. Des oscillateurs à quartz asservis en phase sur une fréquence de référence extrêmement stable à long terme, et provenant d'un étalon de fréquence à césium par exemple, sont utilisés dans plusieurs domaines, par exemple dans le domaine des télécommunications et dans le domaine de la mesure du temps. En effet, l'oscillateur à quartz thermostaté de haute qualité est actuellement la source de fréquence la plus stable disponible sur le marché pour des temps d'observation allant jusqu'à quelques centaines de secondes. La dérive lente de la fréquence (vieillissement) nécessite de temps en temps une recalibration de la fréquence de l'oscillateur à quartz. Lçs instabilités de fréquence d'un étalon de fréquence à césium, par exemple, sont plus petites que celles de l'oscillateur à quartz pour des temps d'observation plus longs que quelques centaines de secondes. Le diagramme de la fig. 1 représente les caractéristiques principales de l'oscillateur à quartz et de l'étalon à césium. Pour des temps d'observation t compris entre environ 1 s et 100 s, l'oscillateur à quartz dont la caractéristique est représentée, en traits mixtes, par la courbe Q, présente une stabilité de l'ordre de 10 ~12. Pour des temps d'observation t inférieurs à environ 100 s, l'étalon à césium est moins stable, ce qui est représenté par la courbe Ecs. Sur la fig. 1, on voit que les instabilités de fréquence d'un étalon atomique sont plus petites que celles de l'oscillateur à quartz pour des temps d'observation t plus longs que quelques centaines de secondes. Par conséquence, la constante de temps d'asservissement d'un oscillateur à quartz par l'oscillation de référence de l'étalon atomique devrait être de l'ordre de 100 à 500 s pour tirer profit des avantages des deux sources de fréquence.

Un asservissement analogique susceptible de maintenir l'oscillation de l'oscillateur à quartz en phase avec l'oscillation de l'étalon doit avoir un gain considérable pour être capable de corriger la dérive lente de la fréquence du quartz due au vieillissement de celui-ci. Cependant, il est extrêmement difficile et pratiquement impossible de réaliser une boucle d'asservissement en mode analogique ayant en même temps le gain nécessaire et une constante de temps d'un ordre de grandeur de quelques centaines de secondes.

D'autre part, une boucle d'asservissement en mode digital ne permet pas un réglage de l'oscillateur à quartz par pas suffisamment fins pour que la déviation de phase entre l'oscillation de l'oscillateur à quartz et l'oscillation de l'étalon reste toujours dans les limites voulues. Les mémoires digitales à capacité très élevée, avec des sorties de 12 bits par exemple, permettent un réglage de 4000 pas, ce qui est insuffisant pour obtenir une gamme de réglage totale suffisante pour régler l'oscillateur à quartz pendant des années et pour obtenir en même temps un réglage assez fin.

La présente invention a pour but d'obtenir un asservissement pratiquement continu et une correction de la dérive lente de fréquence de l'oscillateur à quartz dans une gamme très large, tout en combinant d'une manière optimale les caractéristiques et avantages de l'oscillateur à quartz et de l'étalon atomique. Le dispositif selon l'invention, qui comprend deux boucles d'asservissement connectées en parallèle, la première de ces boucles étant en mode digital et la seconde en mode analogique, la boucle digitale comportant un compteur-mémoire bidirectionnel de commande susceptible d'être positionné par le signal d'erreur de phase dudit détecteur de phase, le dispositif comprenant aussi un circuit sommateur pour former la somme des signaux de sortie desdites boucles d'asservissement, est caractérisé par le fait que la boucle d'asservissement analogique comporte un circuit à gain variable ajustable.

Par la combinaison de l'effet de deux boucles d'asservissement, en soi connu du brevet US 3882412, on obtient des conditions d'asservissement optimales. La boucle digitale permet de corriger la dérive lente de la fréquence de l'oscillateur à quartz par des pas relativement grossiers et dans une gamme très large,

tandis que la boucle en mode analogique permet d'effectuer l'asservissement fin entre les pas de la boucle d'asservissement digitale. En cas de défaut de l'étalon, le compteur-mémoire de la boucle en mode digital mémorise la fréquence de l'oscillateur à quartz à la valeur atteinte de façon que cet oscillateur continue à osciller à la fréquence correcte. Une telle mémorisation d'une valeur de correction agissant sur l'oscillateur à quartz serait

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le filtre intégrateur 4 est remis à zéro. Les mêmes opérations se répètent comme indiqué sur la fig. 3 pendant la période Tn de fonctionnement normal. Cette figure indique que la tension de sortie DA est corrigée, par exemple augmentée ou diminuée, par pas. Entre ces pas, un réglage fin de l'oscillateur à quartz est effectué par la boucle analogique dans laquelle 1/100 environ de la tension FI est transmis par l'atténuateur 5 et le sommateur 6 à l'oscillateur à quartz. Cet oscillateur est donc constamment réglé d'une manière fine. Les pas de la tension DA sont par exemple de l'ordre de 2,5 mV. Pour 4000 pas du compteur 20, il résulte une gamme de réglage d'environ 10 V.

L'atténuation considérable du signal de sortie du filtre intégrateur 4 présente des avantages particuliers. Grâce à cette atténuation, la constante de temps de la boucle en mode analogique est très élevée, c'est-à-dire qu'on profite au mieux des caractéristiques particulières des deux sources de fréquence. D'ailleurs, la mesure par les comparateurs 7 à 9 peut être effectuée à un niveau de tension de 250 mV par exemple.

Lorsqu'on arrive vers la fin de la capacité du compteur 20, on ajuste le trimmer de l'oscillateur à quartz dans le sens voulu et on remet le dispositif d'asservissement dans son état d'initialisation représenté sur le dessin. Le compteur-mémoire 20 est de nouveau ajusté à une valeur convenable qui peut être située à la moitié de la capacité totale de ce compteur. Lorsqu'on connaît la direction de la dérive systématique de fréquence de l'oscillateur à quartz, on peut également choisir un état initial de compteur 20 permettant ensuite de faire une correction considérable dans le sens nécessaire.

En cas d'absence du signal étalon fe, le détecteur de niveau 24 transmet un signal A au générateur de séquence 23 par lequel les sorties a et b sont bloquées de façon que les générateurs 21 et 22 soient arrêtés. Aucune correction n'est ainsi effectuée et le compteur-mémoire 20, associé au convertisseur 10, mémorise la dernière tension de correction nécessaire à l'oscillateur.

Un système de génération de fréquence à redondance élevée peut être réalisé à l'aide de deux oscillateurs à quartz, le deuxième étant asservi en phase au premier, qui est lui-même asservi sur la phase de l'étalon à césium. Un système de ce genre est représenté 5 sur la fig. 4, sur laquelle on voit l'oscillateur à quartz 1 et l'étalon . à césium 2 qui correspondent aux éléments 1 et 2 représentés sur la fig. 2. Le système d'asservissement 30 correspond au système représenté sur la fig. 2. Le deuxième oscillateur à quartz 31 est asservi sur la phase du premier oscillateur à quartz 1 au moyen io d'un système d'asservissement 32 qui correspond au système d'asservissement tel que représenté sur la fig. 2. Les sorties des deux oscillateurs à quartz sont additionnées vectoriellement uniquement par des éléments passifs, ce qui est possible grâce au déphasage nul ou minime entre eux. Lors d'une absence de la fré-15 quence étalon, les oscillateurs continuent à être en phase et leurs fréquences correspondent, au moment de l'interruption de l'oscillation étalon fe, à la dernière correction de la partie digitale de l'asservissement du premier oscillateur à quartz. En cas d'absence du signal de l'oscillateur à quartz 1, le deuxième oscillateur à 20 quartz 31 continue de façon semblable à fonctionner sur la dernière correction. Un tel système a une grande fiabilité et une stabilité composée des oscillateurs à quartz et des étalons à césium.

25 La commutation des circuits représentée sur la fig. 2 à la fin de la phase d'initialisation Ti peut se faire manuellement, mais elle est normalement commandée automatiquement. La commutation peut être déclenchée par un temporisateur non représenté ajusté à un temps fixe pendant lequel la phase d'initialisation est certaine-30 ment terminée, c'est-à-dire le compteur-mémoire 20 ajusté, ou bien la commutation peut être déclenchée lorsque la tension à la sortie du comparateur 9 oscille entre 0 et 1 pendant la phase d'initialisation, indiquant ainsi que les tensions DA et FI ont la même valeur, à la résolution du convertisseur 10 près.

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impossible avec un asservissement analogique pur. D'autre part, comme la boucle en mode analogique ne nécessite qu'un gain suffisant pour effectuer le réglage fin entre deux pas de la boucle en mode digital, il est possible de réaliser une boucle en mode analogique dont la constante de temps est suffisamment longue pour profiter d'une façon optimale des avantages et caractéristiques des deux sources de fréquence. Le gain de la boucle d'asservissement en mode analogique peut être modifié, ce qui permet d'ajuster le compteur-mémoire de la boucle en mode digital lors d'une phase d'initialisation relativement courte, après laquelle le gain dans la boucle en mode analogique est réduit à une valeur à laquelle on obtient facilement une constante de temps de la grandeur désirée.

L'invention va maintenant être décrite à l'aide du dessin qui représente deux formes d'exécution du dispositif d'asservissement selon l'invention et deux diagrammes explicatifs.

La fig. 1 est un diagramme représentant la stabilité des deux sources de fréquence en question en fonction du temps d'observation.

La fig. 2 est un schéma de la première forme d'exécution du dispositif d'asservissement.

La fig. 3 est un diagramme explicatif du fonctionnement du dispositif selon la fig. 2, et la fig. 4 est un schéma-bloc d'une deuxième forme d'exécution.

Le dispositif représenté sur la fig. 2 comporte un oscillateur à quartz 1 dont la fréquence de sortie fs est transmise à un système non représenté. L'oscillateur à quartz est asservi sur un étalon à césium 2 qui fournit une oscillation étalon à une fréquence étalon fe. Les fréquences fe et fs sont transmises aux entrées d'un comparateur de phase 3; le signal de sortie de ce comparateur de phase est transmis à un filtre intégrateur 4, la sortie de ce filtre intégrateur 4 étant reliée à l'entrée d'un atténuateur 5 à deux niveaux. Dans un premier état, la sortie de l'atténuateur est à un niveau 1, dans un deuxième état de l'ordre de 1/100. Le signal de sortie de l'atténuateur 5 est transmis à l'une des entrées d'un sommateur 6 dont la sortie est reliée à l'entrée de correction de l'oscillateur à quartz 1.

La sortie du filtre intégrateur 4 est reliée à l'une des entrées de trois comparateurs de tension 7, 8 et 9. Les autres entrées des comparateurs 7 et 8 sont alimentées par des tensions de consigne de même valeur, mais de polarité opposée, + UD respectivement —UD. L'autre entrée du comparateur 9 est reliée à la sortie d'un convertisseur digital-analogique ou numérique-analogique 10. Un commutateur 11 permet de relier la deuxième entrée du sommateur 6 alternativement à une tension de consigne, par exemple la masse, ou à la sortie du convertisseur 10.

Les sorties des comparateurs 7 à 9 sont reliées à l'une des entrées des portes 12 à 14, un inverseur 16 étant branché entre le comparateur de tension 9 et la porte 15. Les sorties des portes 12 et 14, respectivement des portes 13 et 15, sont branchées aux entrées d'une porte OU 17, respectivement d'une porte OU 18. La sortie de la porte 17 est reliée à l'entrée additionneur (+) du compteur avant-arrière 20, tandis que la sortie de la porte 18 est reliée à l'entrée soustracteur (—) de ce compteur 20. Les portes 14 et 15 sont commandées par un générateur de fréquence de correction 21, tandis que les portes 12 et 13 sont commandées par un générateur de fréquence de correction 22. La fréquence du générateur 21 est plus élevée que celle du générateur 22, ce qui est indiqué par des impulsions sur les lignes de sorties de ces générateurs.

Le circuit comporte un générateur de séquence d'enclenchement qui commande la séquence des opérations surtout lors de la phase d'initialisation du dispositif d'asservissement. Un détecteur de niveau 24 fournit un signal de sortie A lors de l'absence du signal étalon de la fréquence fe. Ce signal A permet de commander le générateur de séquence 23 et bloque toute opération qui pourrait modifier le signal de correction transmis à l'oscillateur à quartz 1.

Le dispositif d'asservissement est représenté dans son état d'initialisation où le commutateur 11 relie l'une des entrées du sommateur 6 au potentiel de consigne 0. Le générateur 21 est activé par la sortie a du générateur de séquence 23. Une série d'impulsions est ainsi transmise aux portes 14 et 15. La fréquence étalon et la fréquence de sortie de l'oscillateur à quartz sont transmises au comparateur de phase 3. Selon le signe et la valeur du déphasage entre ces fréquences, le comparateur 3 produit un signal de sortie, positif ou négatif, qui dépend du déphasage. Ce signal de sortie du comparateur 3 est intégré dans le filtre intégrateur 4 dont le signal de sortie est transmis au comparateur de tension 9. Admettons que le compteur 20 se trouve dans un état intermédiaire, c'est-à-dire qu'il mémorise un nombre de pas qui correspond environ à la moitié de la capacité totale du compteur. Le convertisseur numérique-analogique 10 fournit un signal de sortie qui correspond également environ à la moitié de la tension maximale de correction qui peut être produit par ce convertisseur. Cette tension de sortie DA est comparée dans le comparateur de tension 9 avec la tension de sortie FI du filtre intégrateur 4. Selon le signe de la différence des deux tensions, le comparateur 9 produit un signal de sortie positif ou négatif. Lorsque ce signal est positif, la porte 14 permet de transmettre chaque impulsion provenant du générateur 21 à la porte 17 qui transmet ce signal à l'entrée additionneur du compteur 20. Des impulsions additives supplémentaires sont ensuite transmises par la même voie à la fréquence des impulsions produites par le générateur 21 jusqu'à ce que le nombre mémorisé dans le compteur 20 soit tel que la tension de sortie DA du convertisseur 10 soit égale à la tension FI. Cette opération est représentée sur la fig. 3 où on observe une montée de la tension FI à une valeur déterminée, tandis que la tension de sortie du convertisseur 10 monte pas à pas à la même valeur. Pendant ce temps d'initialisation qui est indiqué sur la fig. 3 par le temps Ti, la tension de sortie FI est transmise par l'atténuateur 5 au sommateur 6 et à l'entrée de correction de l'oscillateur à quartz 1. Cette tension de correction correspond à la tension nécessaire pour corriger la fréquence du quartz exactement à la fréquence étalon et pour maintenir l'oscillation de l'oscillateur 1 en phase avec l'oscillation de la source étalon 2. A la fin de la phase Ti d'initialisation, le générateur 21 est arrêté; pratiquement en même temps, les sorties b, c et d du générateur de séquence 23 sont activées de façon que le générateur 22 soit enclenché, le commutateur 11 est renversé de façon que la sortie du convertisseur 10 avec la tension DA soit transmise au sommateur 6. Après renversement du commutateur, la tension de correction de l'oscillateur 1 étant la somme des tensions DA et FI, la boucle analogique ramène la tension FI à une valeur voisine de zéro. L'effet de correction reste ainsi le même et l'oscillateur à quartz 1 continue à osciller à la fréquence voulue, en phase avec le signal étalon provenant du générateur étalon 2. Les comparateurs de tension 7 et 8 produisent des signaux de sortie d'une valeur 0 et aucune correction n'est effectuée. Cet état est indiqué sur la fig. 3 par le temps Td. La longueur de cet intervalle Td est déterminée par le générateur de séquence 23 et est de l'ordre de quelques secondes. L'état de fonctionnement normal TN commence par la diminution du gain analogique à l'aide de l'atténuateur 5, sortie d du générateur de séquence 24, et l'enclenchement du générateur 22, commandé par la sortie b du même générateur. L'asservissement se fera alors avec une constante de temps longue. A cause de la dérive lente de la fréquence de l'oscillateur à quartz due au vieillissement du quartz, un écart de fréquence et de phase se produit plus tard, écart qui se traduit par une tension de sortie montant à la sortie du filtre intégrateur 4. Lorsque cette tension atteint le niveau UD, le comparateur 7 ou le comparateur 8 selon le signe de la tension FI produit un signal qui autorise une impulsion du générateur 22 à activer, à travers l'une des portes 12 ou 13 et l'une des portes 17 ou 18, l'une des entrées du compteur 20. Ce compteur, et par suite le signal de sortie DA du convertisseur 10, est ainsi adapté. En même temps,

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Claims (11)

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1. Dispositif d'asservissement en phase d'un oscillateur de précision (1) par un oscillateur de référence, comprenant un détecteur de phase (3) connecté auxdits oscillateurs, deux boucles d'asservissement connectées en parallèle, la première de ces boucles (9,10,14-17, 20) étant en mode digital et la seconde (4, 5) en mode analogique, la bouche digitale comportant un compteur-mémoire bidirectionnel (20) de commande susceptible d'être positionné par le signal de phase dudit détecteur de phase (3), le dispositif comprenant aussi un circuit sommateur (6) pour former la somme des signaux de sortie desdites boucles d'asservissement, caractérisé par le fait que la boucle d'asservissement analogique comporte un circuit à gain variable (5) ajustable.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par des moyens de commutation (11, a, 21, 22) pour sélectionner un état d'initialisation et un état de fonctionnement normal.

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par des moyens de commutation automatiques (21, 22, 23, 24, c, 11).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le signal d'erreur de phase (FI) est commun à la boucle d'asservissement en mode analogique et à la boucle d'asservissement en mode digital.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par des moyens de comparaison (7, 8, 9) pour ledit signal d'erreur de phase (FI) à au moins une tension (UD, DA) de référence.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite tension de référence est égale à la tension de sortie (DA) du convertisseur DA (10) en état d'initialisation, et égale à deux tensions fixes (+ UD, — UD) de valeur identique, mais de polarité opposée en phase de fonctionnement normal.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, en état d'initialisation, le contenu du compteur-mémoire bidirectionnel (20) est adaptable jusqu'à ce que le signal d'erreur de phase et le signal de sortie du convertisseur DA soient égaux.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'amplificateur (5) à gain variable possède un gain plus grand ou égal à 1 en état d'initialisation et inférieur à l'unité en état de fonctionnement normal.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que, en phase de fonctionnement normal, le gain inférieur à l'unité est choisi de telle sorte que la constante de temps de la boucle d'asservissement en mode analogique soit élevée, afin que la plage de variation de ladite boucle assure un réglage continu dit fin entre deux pas du réglage dit grossier de la boucle d'asservissement en mode digital.

10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un rapport d'au moins 10 existe entre le gain dudit circuit en état d'initialisation et le gain dudit circuit en état de fonctionnement normal.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'un circuit sommateur compose les signaux de correction émis par les boucles d'asservissement en mode digital et en mode analogique.