FR2552954A1 - Component for a temperature-compensated oscillator and oscillator containing it - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a component for a temperature-compensated oscillator and an oscillator containing it. The component comprises, within the same package 3, 4, a quartz crystal 1 of low thermal drift, intended to constitute the frequency reference of a master oscillator and a lithium tantalate crystal 2 intended to constitute, by virtue of its high thermal drift, a temperature reference with a view to the said compensation. The two crystals 1, 2 have dimensions such that they exhibit substantially equal thermal masses. The oscillator includes a circuit for controlling the phase shift of the master oscillator, the compensation being produced with the aid of a memory storing the correction to be applied as a function of the frequency of the lithium tantalate crystal.

Description

COMPOSANT POUR OSCILLATEUR COMPENSE EN
TEMPERATURE ET OSCILLATEUR LE COMPRENANT
La présente invention a pour objet un composant pour oscillateur compensé en température ainsi qu'un oscillateur le comprenant.OSCILLATOR COMPENSATION COMPONENT
TEMPERATURE AND OSCILLATOR COMPRISING IT
The present invention relates to a temperature-compensated oscillator component and an oscillator comprising it.

Dans la demande de brevet français 83.11257 déposée le 6 juillet 1983 par la Demanderesse, il a été proposé d'associer un oscillateur à résonateur piézo-électrique utilisé comme résonateur capteur à un oscillateur pilote afin d'obtenir une compensation thermique. Pour que le fonctionnement de la compensation soit correctement assuré, il faut que les résonateurs de l'oscillateur pilote et de l'oscillateur capteur soient à des températures aussi voisines que possible, c'est-à-dire soient connectés thermiquement l'un à l'autre. In the French patent application 83.11257 filed July 6, 1983 by the Applicant, it has been proposed to associate a piezoelectric resonator oscillator used as a sensor resonator to a pilot oscillator to obtain a thermal compensation. For the operation of the compensation to be correctly ensured, the resonators of the pilot oscillator and of the sensor oscillator must be at temperatures as close as possible, ie they must be thermally connected to one another. the other.

La présente invention a pour objet un perfectionnement à cette connexion thermique. The present invention relates to an improvement to this thermal connection.

Celui-ci consiste à disposer sous un même boîtier, éventuellement sous vide, un cristal de quartz de faible dérive thermique destiné à constituer la référence de fréquence de l'oscillateur, et un cristal de tantalate de lithium (fonctionnant en mode partiel 3) destiné à constituer, grâce à sa dérive thermique élevée, typiquement -40 10-6/OC une référence de température en vue de ladite compensation, et à donner aux deux cristaux des dimensions telles qu'ils présentent des masses calorifiques sensiblement égales. This consists of placing under the same housing, possibly under vacuum, a quartz crystal of low thermal drift intended to constitute the frequency reference of the oscillator, and a lithium tantalate crystal (operating in partial mode 3) for to form, due to its high thermal drift, typically -40 10-6 / OC a temperature reference for said compensation, and to give the two crystals dimensions such that they have substantially equal heat masses.

Les deux cristaux peuvent, en première approximation, présenter des volumes sensiblement égaux. The two crystals may, as a first approximation, have substantially equal volumes.

Selon une variante, les deux cristaux sont superposés et sont montés chacun sur deux supports assurant leur découplage mécanique, I'un des cristaux étant de diamètre supérieur à l'autre. According to a variant, the two crystals are superimposed and are each mounted on two supports ensuring their mechanical decoupling, one of the crystals being of greater diameter than the other.

L'invention concerne également un oscillateur comportant un tel composant et comprenant un oscillateur pilote dont le résonateur est le cristal de quartz, ainsi qu'un oscillateur capteur thermo métrique dont l'élément sensible est consitué par ledit cristal de tantalate de lithium, et une boucle de contre-réaction pour compenser la dérive thermique de l'oscillateur de référence à l'aide des variations de fréquence de l'oscillateur thermométrique. The invention also relates to an oscillator comprising such a component and comprising a pilot oscillator whose resonator is the quartz crystal, as well as a thermo metric sensor oscillator whose sensitive element is constituted by said lithium tantalate crystal, and a feedback loop to compensate for the thermal drift of the reference oscillator using frequency variations of the temperature oscillator.

Il peut comporter un compteur produisant en sortie une valeur numérisée de la fréquence de l'oscillateur thermométrique, une mémoire dans laquelle sont mémorisées les valeurs de la compensation à appliquer à l'oscillateur pilote pour chaque valeur donnée par le compteur, un circuit de commande recevant séquentiellement les signaux de sortie du compteur et appelant dans la mémoire la valeur de compensation correspondante, afin de la produire à sa sortie, et un convertisseur numérique-analogique recevant à son entrée ladite valeur de compensation correspondante et dont la sortie commande un circuit de déphasage de l'oscillateur pilote. It may comprise a counter producing at output a digitized value of the frequency of the thermometric oscillator, a memory in which are stored the values of the compensation to be applied to the pilot oscillator for each value given by the counter, a control circuit sequentially receiving the output signals of the counter and calling the corresponding compensation value into the memory, to produce it at its output, and a digital-to-analog converter receiving at its input said corresponding compensation value and whose output controls a control circuit. phase shift of the pilot oscillator.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les figures qui représentent:
- la figure 1, une vue en coupe d'un composant selon un mode de réalisation de l'invention;
- la figure 2, une vue en perspective du composant de la figure 1, après enlèvement du capot de son boîtier ; et
- la figure 3, un mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention.The invention will be better understood on reading the description which will follow, given by way of non-limiting example, in conjunction with the figures which represent:
- Figure 1, a sectional view of a component according to one embodiment of the invention;
- Figure 2, a perspective view of the component of Figure 1, after removing the cover of its housing; and
FIG. 3, an embodiment of an oscillator according to the invention.

Selon les figures 1 et 2, le composant selon l'invention est constitué par un boîtier comportant une embase 3 et un capot 4, et dans lequel sont disposés un cristal de quartz 1 à faible dérive thermique et un cristal de tantalate de lithium 2. According to FIGS. 1 and 2, the component according to the invention consists of a housing comprising a base 3 and a cover 4, and in which are arranged a quartz crystal 1 with a low thermal drift and a lithium tantalate crystal 2.

Le cristal de quartz 1 est porté par deux supports 5 destiné à le découpler mécaniquement, et notamment à absorber les retraits thermiques différentiels entre le cristal I et l'embase 3. The quartz crystal 1 is carried by two supports 5 intended to decouple it mechanically, and in particular to absorb the differential heat withdrawals between the crystal I and the base 3.

A la figure 2, un des supports 5 est en contact électrique avec une électrode 10 disposée sur la face supérieure du cristal 1, I'autre support étant en contact électrique avec une électrode (non visible) disposée à la face inférieure du même cristal 1.  In FIG. 2, one of the supports 5 is in electrical contact with an electrode 10 disposed on the upper face of the crystal 1, the other support being in electrical contact with an electrode (not visible) disposed on the underside of the same crystal 1 .

De la même façon, le cristal de tantale de lithium 2 est porté par deux supports 7, dont un est en contact avec une électrode 11 disposée à la face supérieure du cristal 2, et dont l'autre est en contact avec une électrode (non visible) disposée à la face inférieure du même cristal 2. Les supports 5 et 7 sont soudés sur l'embase 3 et sont de ce fait en contact électrique avec des picots, respectivement 6 et 8. In the same way, the lithium tantalum crystal 2 is carried by two supports 7, one of which is in contact with an electrode 11 disposed at the upper face of the crystal 2, and the other of which is in contact with an electrode (not visible) disposed on the underside of the same crystal 2. The supports 5 and 7 are welded to the base 3 and are therefore in electrical contact with pins, respectively 6 and 8.

Les cristaux 1 et 2 sont superposés et les supports 5 et 7 sont décalés angulairement de 90". Pour faciliter le montage, le cristal, ici 2, placé le plus près de l'embase 3 a un diamètre légèrement inférieur à l'autre. The crystals 1 and 2 are superimposed and the supports 5 and 7 are angularly offset by 90. To facilitate assembly, the crystal, here 2, placed closest to the base 3 has a diameter slightly smaller than the other.

La compensation de température sera d'autant plus efficace que la température du cristal de tantalate de lithium 1 sera plus voisine de celle du cristal de quartz 1. Selon l'invention, on choisit les dimensions des deux cristaux de telle sorte qu'ils présentent approximAtivement la même masse calorifique. Ils suivront alors de la même façon les variations de température auxquelles sera soumis le boîtier, à savoir avec le même temps de réponse. Ceci évite d'avoir à mettre en place un pointage thermique élaboré entre les cristaux 1 et 2. The temperature compensation will be all the more effective if the temperature of the lithium tantalate crystal 1 will be closer to that of the quartz crystal 1. According to the invention, the dimensions of the two crystals are chosen so that they exhibit approximately the same heat mass. They will then follow in the same way the temperature variations to which the case will be subjected, namely with the same response time. This avoids having to put in place a thermal pointing developed between the crystals 1 and 2.

En première approximation, on peut se contenter, de donner aux deux cristaux le même volume, ceci correspondant à peu près à des masses calorifiques égales. As a first approximation, we can content ourselves with giving the two crystals the same volume, this corresponding to about equal calorific masses.

On remarquera par ailleurs qu'il faut tenir compte dans l'évaluation de la masse calorifique de chaque cristal, non seulement du cristal proprement dit, mais également des électrodes déposées sur celui-ci. It should also be noted that the evaluation of the heat content of each crystal must be taken into account not only of the crystal itself, but also of the electrodes deposited thereon.

Selon la figure 3, un oscillateur pilote 20 dont le résonateur est le cristal de quartz 1 à faible dérive thermique, comporte un circuit de commande de déphasage 21, par exemple une diode à capacité variable, dite Varicap, disposée de manière connue en soi. According to FIG. 3, a pilot oscillator 20 whose resonator is the quartz crystal 1 with a low thermal drift, comprises a phase-shift control circuit 21, for example a variable capacitance diode, called Varicap, disposed in a manner known per se.

L'entrée de ce circuit reçoit un signal de compensation d'un circuit de commande 26 à travers un convertisseur numérique-analogique 27. The input of this circuit receives a compensation signal from a control circuit 26 through a digital-to-analog converter 27.

Le signal de compensation est élaboré de la manière suivante. The compensation signal is elaborated as follows.

Un oscillateur 22 dont le résonateur est le cristal de tantalate de lithium 2 délivre à sa sortie des signaux de fréquence F1. Le cristal de tantalate de lithium 2 une dérive thermique important, sa variation relative de fréquence étant typiquement de 40 10-6/4C, ce qui permet d'utiliser l'oscillateur 22 comme capteur thermique
Les signaux de frequence F1 sont appliqués à un diviseur 23 afin de diviser la fréquence dans un rapport n > , 1. Le signal de fréquence Fl/n est introduit dans un compteur 24 dont la sortie est introduite à une des entrées d'un circuit de commande 26, par exemple un micro-processeur.An oscillator 22 whose resonator is the lithium tantalate crystal 2 delivers at its output signals of frequency F1. The lithium tantalate crystal 2 has a large thermal drift, its relative frequency variation being typically 40 10-6 / 4C, which makes it possible to use the oscillator 22 as a thermal sensor
The signals of frequency F1 are applied to a divider 23 in order to divide the frequency in a ratio n> 1. The signal of frequency F1 / n is introduced into a counter 24 whose output is introduced to one of the inputs of a circuit control 26, for example a microprocessor.

Une mémoire 25 mémorise en fonction de la fréquence Fl/n les valeur à appliquer au circuit de - déphasage de l'oscillateur de référence, de manière à faire varier la fréquence de 1'oscillateur pilote 20 d'une valeur telle que les dérives thermiques soient compensées. A memory 25 stores, as a function of the frequency F1 / n, the values to be applied to the phase shift circuit of the reference oscillator, so as to vary the frequency of the pilot oscillator 20 by a value such that the thermal drifts are compensated.

Le circuit de commande 26 lit dans le compteur 24 la valeur de la fréquence Fl/n à un instant donné, et appelle dans la mémoire 25 la valeur de compensation correspondante, et à produire à sa sortie ledit signal de compensation. The control circuit 26 reads from the counter 24 the value of the frequency F1 / n at a given instant, and calls the corresponding compensation value into the memory 25, and produces at its output the compensation signal.

La sortie S de l'oscillateur pilote Fo compensé en température est utilisée également comme base de temps du dispositif de compensation. Pour ce faire, un diviseur de fréquence 28 divise la fréquence Fo dans un rapport n' et les impulsions présentes à sa sortie sont appliquées au compteur 24, de telle sorte que celui-ci fournit à sa sortie des signaux échantionnés à la fréquence FO/n'.  The output S of the temperature compensated pilot oscillator Fo is also used as the time base of the compensation device. To do this, a frequency divider 28 divides the frequency Fo in a ratio n 'and the pulses present at its output are applied to the counter 24, so that the latter supplies at its output signals which are exchanged at the frequency FO / not'.

Le dispositif décrit ci-dessus n'est donné qu'à titre d'exemple. The device described above is given only as an example.

Il va de soi que l'on pourrait également mettre en oeuvre d'autres schémas, notamment ceux décrits dans la demande de brevet français 83.11257 précitée. It goes without saying that one could also implement other schemes, including those described in the aforementioned French patent application 83.11257.

Claims (7)

R EVEN DlCATlON SR EVEN DlCATlON S 1. Composant pour oscillateur compensé en température, caractérisé en ce qu'il comporte, sous un même boîtier (3, 4), un cristal de quartz (1) de faible dérive thermique, destiné à constituer la référence de fréquence d'un oscillateur pilote (20) et un cristal de tantalate de lithium (2) utilisé en mode partiel 3 destiné à constituer, grâce à sa dérive thermique élevée, une référence de température en vue de la compensation de l'oscillateur pilote (20) et en ce que les deux cristaux (1, 2) ont des dimensions telles qu'ils présentent des masses calorifiques sensiblement égales. 1. Component for temperature compensated oscillator, characterized in that it comprises, under a single housing (3, 4), a quartz crystal (1) of low thermal drift, intended to constitute the frequency reference of an oscillator pilot (20) and a lithium tantalate crystal (2) used in partial mode 3 intended to constitute, by virtue of its high thermal drift, a temperature reference for the compensation of the pilot oscillator (20) and in that that the two crystals (1, 2) have dimensions such that they have substantially equal heat masses. 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux cristaux (1, 2) présentent des volumes sensiblement égaux. 2. Component according to claim 1, characterized in that the two crystals (1, 2) have substantially equal volumes. 3. Composant selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit boîtier (3, 4) est sous vide. 3. Component according to one of claims 1 or 2, characterized in that said housing (3, 4) is under vacuum. 4. Composant selon une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que les deux cristaux (1, 2) sont superposés et sont montés chacun sur deux supports (5, 7) assurant leur découplage mécanique, 4. Component according to one of claims 1 or 3, characterized in that the two crystals (1, 2) are superimposed and are each mounted on two supports (5, 7) ensuring their mechanical decoupling, I'un des cristaux (1) étant de diamètre supérieur à l'autre (2).One of the crystals (1) being of greater diameter than the other (2). 5. Oscillateur compensé en température, caractérisé en ce qu'il comporte un composant selon l'une des revendications précédentes, en ce qu'il comporte un oscillateur pilote (20) dont le résonateur est le cristal de quartz (1), et un oscillateur capteur thermométrique (22) dont l'élément sensible est constitué par le cristal de tantalate de lithium, et une boucle de contre-réaction pour compenser la dérive thermique de l'oscillateur de référence à l'aide des variations de fréquence de l'oscillateur thermométrique. 5. temperature-compensated oscillator, characterized in that it comprises a component according to one of the preceding claims, in that it comprises a pilot oscillator (20) whose resonator is the quartz crystal (1), and a thermometric sensor oscillator (22) whose sensitive element consists of the lithium tantalate crystal, and a feedback loop to compensate for the thermal drift of the reference oscillator by means of the frequency variations of the thermometric oscillator. 6. Oscillateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un compteur (24) produisant en sortie une valeur numé risée de la fréquence (F1)- de loscillateur capteur thermométrique (22), une mémoire (25) dans laquelle sont mémorisées des valeurs de la compensation à appliquer à l'oscillateur pilote (20) pour chaque valeur donnée par le compteur (24), un circuit de commande (26) recevant séquentiellement les signaux de sortie du compteur (28) et appelant dans la mémoire (25) la valeur de compensation correspondante, afin de la produire à sa sortie et un convertisseur numérique-analogique (26) recevant à son entrée ladite valeur de compensation correspondante et dont la sortie commande un circuit (21) de déphasage de l'oscillateur pilote (20). 6. Oscillator according to claim 5, characterized in that it comprises a counter (24) outputting a digital value of the frequency (F1) of the thermometric sensor oscillator (22), a memory (25) in which are storing values of the compensation to be applied to the pilot oscillator (20) for each value given by the counter (24), a control circuit (26) sequentially receiving the output signals of the counter (28) and calling into the memory (25) the corresponding compensation value, in order to produce it at its output, and a digital-to-analog converter (26) receiving at its input said corresponding compensation value and whose output controls a phase shift circuit (21) of the oscillator driver (20). 7. Oscillateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compteur (24) est associé à un diviseur de fréquence (23).  7. Oscillator according to claim 6, characterized in that the counter (24) is associated with a frequency divider (23).
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