Oscillateur à quartz à compensation thermique, pour pièce d'horlogerie
Les oscillateurs à quartz présentent toujours une dérive thermique de leur fréquence due aux modifications des propriétés élastiques du quartz se produisant avec les variations de température.
Le calcul montre que, pour les quartz basse fréquence, par exemple de coupe X+5 , la courbe de dérive thermique, représentée à la fig. 1, est une parabole.
Le sommet de cette parabole, ou point d'inversion, peut être choisi d'avance, par exemple 200 C. Dans ce cas, pour un écart de température #t de + 160 C, soit de 4 #f et 360 C, le quartz présente une diminution f de sa fréquence de 1 X 10-5, correspondant à un retard d'environ 1 seconde par jour lorsque l'oscillateur constitue la base étalon d'un instrument de mesure du temps.
Une telle dérive est souvent inadmissible dans la pratique. On peut la diminuer en stabilisant la température par un thermostat, mais cette solution n'est pas toujours applicable car elle entraîne une forte augmentation de l'encombrement de l'instrument et de sa consommation en courant, tout en le rendant beaucoup plus fragile.
Ces inconvénients peuvent être éliminés en utilisant des moyens purement électriques de compensation.
Considérons le schéma de base d'un oscillateur à quartz, représenté à la fig. 2: A est un amplificateur, z un déphaseur et CA la capacité d'accord du quartz; le dispositif de limitation d'amplitude n'a pas été représenté puisque n'ayant aucun effet direct sur la fréquence.
La compensation peut se faire en agissant sur CA
Af tg#, où - représente le tg < p ou sur , puisque Aff = 2Q' s où Q représente le coefff- cient de qualité du quartz, de valeur Q = nR.L, où
R
L et R sont respectivement la self et la résistance série du quartz.
La compensation par variation de CA peut être réalisée en utilisant une capacité variable entraînée par un bilame thermosensible, ou à l'aide d'une Varicap .
c'est-à-dire une capacité sensible à une tension continue de polarisation. L'inconvénient de ces solutions réside dans le fait que, d'une part, la capacité avec bilame doit être une pièce mécanique de précision, de réglage délicat, et d'autre part dans le fait que la Va- ricap nécessite une tension de polarisation très stable et trop élevée pour des oscillateurs autonomes devant fonctionner sur une batterie à I ou 2 éléments.
La compensation par variation de ç peut donner de bons résultats mais conduit à un circuit compliqué.
De plus, la compensation dépend alors du facteur Q qui peut présenter une grande dispersion dans un même lot de quartz, ce qui est un inconvénient du point de vue pratique.
Le but de la présente invention est de fournir un oscillateur à quartz sensiblement thermocompensé, mettant en oeuvre des moyens ne présentant pas les inconvénients des solutions susmentionnées.
L'oscillateur suivant l'invention est caractérisé par le fait que son circuit comprend une capacité variable formée d'une capacité fixe et d'un amplificateur variable lui-même constitué par un amplificateur fixe et par un atténuateur variable, ce dernier étant formé d'un réseau de résistances fixes et de thermistances, le tout de manière que l'oscillateur soit au moins partiellement thermiquement compensé.
Il est à remarquer qu'un montage présentant une capacité variable et comportant un condensateur de valeur fixe et un amplificateur dont le gain est variable à l'aide d'un atténuateur variable est connu en soi.
Toutefois, les montages susmentionnés utilisent l'effet Miller et fonctionnent avec une tension d'alimentation relativement élevée, de l'ordre de plusieurs fois celle qu'utilise l'oscillateur à quartz suivant la présente invention.
Dès lors, dans le présent oscillateur, il n'est pas possible d'utiliser deux transistors complémentaires montés en série, comme c'est le cas dans les montages susmentionnés, du fait que la tension entre les deux bases serait, dans ce cas, supérieure à la tension d'alimentation, et qu'il deviendrait alors impossible de polariser les transistors.
On connaît également des oscillateurs à quartz à compensation thermique pour pièces d'horlogerie, dans lesquels un condensateur dont la valeur est fonction de la tension appliquée à ses bornes est connecté en séries avec le quartz.
Dans de tels oscillateurs, pour obtenir une variation suffisante de la capacité de compensation,dite Varicap , il faut appliquer des tensions de plusieurs volts, d'une part, et, d'autre part. la Varicap est, elle-même, sensible à la température, ce qui diminue la précision de la compensation. Dans la solution proposée, par contre il est possible de travailler avec une tension d'alimentation de l'ordre du volt et les effets de la température sur les circuits actifs peuvent être rendus négligeables.
Dans le dessin:
La fig. 1 est un diagramme de la dérive thermique d'un quartz de coupe X+50.
La fig. 2 est un schéma représentant le circuit d'un oscillateur à quartz de type courant.
La fig. 3 est un schéma représentant le circuit d'une première forme d'exécution de l'oscillateur à quartz objet de l'invention.
La fig. 4 est un schéma représentant le circuit d'un oscillateur à quartz du type connu, Colpitts-Pierce.
La fig. 5 est un schéma d'un simulateur de capacité.
La fig. 6 est un schéma d'un amplificateur de gain variable.
La fig. 7 est un diagramme de compensation.
Les fig. 8 à 12 sont des schémas de variantes d'un détail de l'oscillateur suivant l'invention.
Les fig. 8a à 12a sont des diagrammes de compensation correspondant aux variantes des fig. 8 à 12, respectivement.
La fig. 13 est un schéma représentant le circuit d'une seconde forme d'exécution de l'oscillateur à quartz suivant l'invention, et
La fig. 14 est le schéma d'une dernière variante.
Dans l'oscillateur de la fig. 3, qui constitue une forme d'exécution de l'objet de l'invention, le bloc désigné par CP est l'équivalent d'un oscillateur Colpitts
Pierce, tel que représenté à la fig. 4, mais dans lequel une des capacités C1 et C2 montées en parallèle avec l'amplificateur Grn, à savoir la capacité C9, a été remplacée par un simulateur de capacité Ci du type de celui représenté à la fig. 5, comprenant un amplificateur de gain G et une capacité C reliant l'entrée à la sortie de cet amplificateur. L'impédance d'entrée Zi d'un tel dispositif est celle d'une capacité Ci de valeur C1--C(l-G)
Cette capacité, qui a une borne à la masse, varie avec le gain G.
Or, un amplificateur de gain variant en fonction de la température peut être réalisé en associant un amplificateur de gain constant Go à un alternateur Gt dépendant de la température, comme indiqué à la fig. 6. Dans ce cas, G-Q.G1.
Dans l'oscillateur de la fig. 3, le bloc G1 constitue un atténuateur formé de résistances fixes R et de thermistancess NTC rx. L'atténuation Gt=V2/V,, dont le diagramme est représenté à la fig. 7, a une allure très sensiblement parabolique dans un domaine de température de l'ordre de soe C, de sorte que l'atténuateur G convient pour la compensation de la dérive d'un quartz, cette dérive étant elle-même parabolique, comme représenté à la fig. 1.
II est à remarquer qu'en agissant sur R on obtient la coïncidence des points d'inversion du quartz et du réseau atténuateur Gt, alors qu'en agissant sur Go on ajuste le gain nécessaire à une compensation correcte.
En principe on peut réaliser une compensation parfaite en trois points, à savoir -At, o, -rAt; pour les autres points, I'écart est en général très faible.
Cet oscillateur peut fonctionner avec des tensions d'alimentation très basses, de l'ordre de I V et un courant de l'ordre de 100A.
Les fig. 8 à 12 indiquent des réalisations possibles d'atténuateurs à l'aide de résistances fixes R et de thermistances NTC rN et/ou PTC rt,. Les fig. 8a à 12a sont des diagrammes des atténuations G1 produites par chacun des atténuateurs des fig. 8 à 12, respectivement.
Dans chacun des cas, I'atténuation Gt=V2/Vl est sensiblement parabolique dans un domaine de température de l'ordre de 500 C. Un montage en pont permet de déplacer la courbe V/V, de telle manière que V2/V,=o pour At=o.
Daris les fig. 1 1 et 12, les facteurs m et n peuvent être des nombres positifs quelconques; ils influencent la courbure de la parabole, qu'il est avantageux de tenir aussi élevée que possible, mais il n'influence pas le sommet ou point d'inversion. A cet égard, le réseau de la fig. 12 avec m=l et n n=2 est particulièrement inté- ressant.
Le point d'inversion des atténuateurs des fig. 8 et 9 peut être déplacé en modifiant le rapport rE,/rN; pour les atténuateurs des fig. 10, 11 et 12, il faut modifier le rapport R/r,.
La fig. 13 représente un oscillateur similaire à celui de la fig. 3, mais où la self et le transformateur ont été éliminés, une diode D servant à limiter l'amplitude d'oscillation. Cet oscillateur a ainsi l'avantage d'être moins encombrant que celui de la fig. 3. Il comprend, comme dans la première forme d'exécution, une partie CP équivalant à un oscillateur à quartz du type Colpitts-Pierce dont un des condensateurs a été remplacé par un simulateur de capacité Ci. Ce dernier comporte, comme dans la première forme d'exécution, un condensateur fixe C, un amplificateur fixe G0 et un atténuateur variable G1 constitué par un réseau de résistances R et de thermistances rN assurant sa variation parabolique en fonction des variations de température.
Il est à remarquer que l'oscillateur suivant l'invention est de préférence réalisé par une modification d'un oscillateur du type Colpitts-Pierce plutôt que d'un oscillateur plus courant tel que celui représenté à la fig. 2, du fait que le simulateur de capacité utilisé (fig. 5) doit avoir une de ses extrémités à la masse, ce qui empêche de le brancher directement, comme l'est le condensateur
CA dans le circuit de la fig. 1.
Dans la variante de la fig. 14, un transformateur est utilisé qui permet de réaliser un circuit oscillateur où le quartz Q a une de ses extrémités à la masse, ce qui permet de relier une capacité de compensation à effet
Miller CC directement à cette borne du quartz.
L'avantage de cette disposition réside dans le fait que la fréquence de l'oscillateur est modifiée à l'aide d'une capacité en série avec le quartz et non pas par la modification de certaines caractéristiques du circuit d'entretien.
L'oscillateur suivant l'invention a l'davantage de permettre une compensation thermique très poussée, voire totale, sans toutefois que les moyens de compensation dépendent du facteur de qualité Q du quartz et nécessitent des schémas compliqués, et tout en maintenant faible la consommation en courant.
Quartz oscillator with thermal compensation, for a timepiece
Quartz oscillators always exhibit a thermal drift in their frequency due to changes in the elastic properties of quartz occurring with temperature variations.
The calculation shows that, for low frequency quartz, for example of cut X + 5, the thermal drift curve, shown in fig. 1, is a parable.
The top of this parabola, or inversion point, can be chosen in advance, for example 200 C. In this case, for a temperature difference #t of + 160 C, that is to say 4 #f and 360 C, the quartz has a decrease f in its frequency of 1 X 10-5, corresponding to a delay of approximately 1 second per day when the oscillator constitutes the standard base of a time-measuring instrument.
Such a drift is often inadmissible in practice. It can be reduced by stabilizing the temperature with a thermostat, but this solution is not always applicable because it results in a large increase in the size of the instrument and its current consumption, while making it much more fragile.
These drawbacks can be eliminated by using purely electrical means of compensation.
Let us consider the basic diagram of a quartz oscillator, represented in fig. 2: A is an amplifier, z is a phase shifter and CA is the quartz tuning capacity; the amplitude limitation device has not been shown since it has no direct effect on the frequency.
Compensation can be done by acting on CA
Af tg #, where - represents tg <p or sur, since Aff = 2Q 's where Q represents the quality coefficient of quartz, of value Q = nR.L, where
R
L and R are respectively the self and the series resistance of the quartz.
The compensation by variation of CA can be carried out using a variable capacity driven by a thermosensitive bimetallic strip, or using a Varicap.
that is to say a capacitance sensitive to a DC bias voltage. The disadvantage of these solutions lies in the fact that, on the one hand, the capacity with bimetallic strip must be a mechanical part of precision, delicate adjustment, and on the other hand in the fact that the Varicap requires a voltage of very stable polarization and too high for autonomous oscillators which must operate on an I or 2 cell battery.
Compensation by variation of ç can give good results but leads to a complicated circuit.
In addition, the compensation then depends on the Q factor which can have a great dispersion in the same batch of quartz, which is a drawback from a practical point of view.
The object of the present invention is to provide a substantially thermocompensated quartz oscillator, employing means which do not have the drawbacks of the above-mentioned solutions.
The oscillator according to the invention is characterized in that its circuit comprises a variable capacitor formed by a fixed capacitor and a variable amplifier itself constituted by a fixed amplifier and by a variable attenuator, the latter being formed by 'a network of fixed resistors and thermistors, all in such a way that the oscillator is at least partially thermally compensated.
It should be noted that a circuit having a variable capacity and comprising a fixed value capacitor and an amplifier whose gain is variable using a variable attenuator is known per se.
However, the above-mentioned arrangements use the Miller effect and operate with a relatively high supply voltage, of the order of several times that used by the quartz oscillator according to the present invention.
Therefore, in the present oscillator, it is not possible to use two complementary transistors connected in series, as is the case in the above-mentioned assemblies, since the voltage between the two bases would, in this case, higher than the supply voltage, and it would then become impossible to bias the transistors.
Thermally compensated quartz oscillators are also known for timepieces, in which a capacitor whose value is a function of the voltage applied to its terminals is connected in series with the quartz.
In such oscillators, to obtain a sufficient variation of the compensation capacity, called Varicap, it is necessary to apply voltages of several volts, on the one hand, and, on the other hand. Varicap is itself sensitive to temperature, which reduces the accuracy of compensation. In the proposed solution, on the other hand, it is possible to work with a supply voltage of the order of a volt and the effects of temperature on the active circuits can be made negligible.
In the drawing:
Fig. 1 is a diagram of the thermal drift of an X + 50 cut quartz.
Fig. 2 is a diagram representing the circuit of a current type quartz oscillator.
Fig. 3 is a diagram showing the circuit of a first embodiment of the quartz oscillator object of the invention.
Fig. 4 is a diagram representing the circuit of a quartz oscillator of the known type, Colpitts-Pierce.
Fig. 5 is a diagram of a capacity simulator.
Fig. 6 is a diagram of a variable gain amplifier.
Fig. 7 is a compensation diagram.
Figs. 8 to 12 are diagrams of variants of a detail of the oscillator according to the invention.
Figs. 8a to 12a are compensation diagrams corresponding to the variants of FIGS. 8 to 12, respectively.
Fig. 13 is a diagram representing the circuit of a second embodiment of the quartz oscillator according to the invention, and
Fig. 14 is the diagram of a last variant.
In the oscillator of fig. 3, which constitutes an embodiment of the object of the invention, the block designated by CP is the equivalent of a Colpitts oscillator
Pierce, as shown in fig. 4, but in which one of the capacities C1 and C2 mounted in parallel with the amplifier Grn, namely the capacity C9, has been replaced by a capacity simulator Ci of the type of that shown in FIG. 5, comprising a gain amplifier G and a capacitor C connecting the input to the output of this amplifier. The input impedance Zi of such a device is that of a capacitor Ci of value C1 - C (l-G)
This capacity, which has a terminal to ground, varies with the gain G.
However, a gain amplifier varying as a function of temperature can be produced by associating a constant gain amplifier Go with a temperature-dependent alternator Gt, as shown in FIG. 6. In this case, G-Q.G1.
In the oscillator of fig. 3, the block G1 constitutes an attenuator formed by fixed resistors R and thermistors NTC rx. The attenuation Gt = V2 / V ,, whose diagram is shown in fig. 7, has a very substantially parabolic appearance in a temperature range of the order of soe C, so that the attenuator G is suitable for compensating for the drift of a quartz, this drift being itself parabolic, as shown in fig. 1.
It should be noted that by acting on R we obtain the coincidence of the points of inversion of the quartz and the attenuator network Gt, while by acting on Go we adjust the gain necessary for correct compensation.
In principle, perfect compensation can be achieved at three points, namely -At, o, -rAt; for the other points, the difference is generally very small.
This oscillator can operate with very low supply voltages, of the order of I V and a current of the order of 100A.
Figs. 8 to 12 indicate possible realizations of attenuators using fixed resistors R and thermistors NTC rN and / or PTC rt ,. Figs. 8a to 12a are diagrams of the attenuations G1 produced by each of the attenuators of FIGS. 8 to 12, respectively.
In each case, the attenuation Gt = V2 / Vl is substantially parabolic in a temperature range of the order of 500 C. A bridge arrangement makes it possible to move the V / V curve, so that V2 / V, = o for At = o.
Daris figs. 1 1 and 12, the factors m and n can be any positive number; they influence the curvature of the parabola, which it is advantageous to keep as high as possible, but it does not influence the vertex or point of inversion. In this regard, the network of FIG. 12 with m = l and n n = 2 is particularly interesting.
The inversion point of the attenuators in fig. 8 and 9 can be moved by modifying the ratio rE, / rN; for the attenuators of fig. 10, 11 and 12, the R / r ratio must be modified.
Fig. 13 shows an oscillator similar to that of FIG. 3, but where the inductor and the transformer have been eliminated, a diode D serving to limit the amplitude of oscillation. This oscillator thus has the advantage of being less bulky than that of FIG. 3. It includes, as in the first embodiment, a part CP equivalent to a quartz oscillator of the Colpitts-Pierce type, one of the capacitors of which has been replaced by a capacity simulator Ci. The latter comprises, as in the first embodiment, a fixed capacitor C, a fixed amplifier G0 and a variable attenuator G1 constituted by a network of resistors R and thermistors rN ensuring its parabolic variation as a function of temperature variations.
It should be noted that the oscillator according to the invention is preferably produced by a modification of an oscillator of the Colpitts-Pierce type rather than a more common oscillator such as that shown in FIG. 2, because the capacity simulator used (fig. 5) must have one of its ends at ground, which prevents it from being connected directly, as is the capacitor
CA in the circuit of fig. 1.
In the variant of FIG. 14, a transformer is used which makes it possible to produce an oscillator circuit where the quartz Q has one of its ends to ground, which makes it possible to connect a capacitance of compensation with effect
Miller CC directly at this terminal of the quartz.
The advantage of this arrangement lies in the fact that the frequency of the oscillator is modified by means of a capacitance in series with the quartz and not by the modification of certain characteristics of the maintenance circuit.
The oscillator according to the invention has the advantage of allowing very high thermal compensation, even total, without however that the compensation means depend on the quality factor Q of the quartz and require complicated schemes, and while keeping consumption low while running.