FR2560466A1 - Procede de reduction de la distorsion harmonique d'un oscillateur a variable d'etat comportant un regulateur de niveau et oscillateur a variable d'etat pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES OSCILLATEURS A VARIABLE D'ETAT COMPRENANT UN AMPLIFICATEUR INVERSEUR 10 SUIVI PAR UN PREMIER 12 ET UN SECOND 14 ETAGES D'AMPLIFICATEURS ET UN ORGANE DE REGULATION NIVEAU 28. SELON L'INVENTION ON AJOUTE A LA SORTIE DE L'OSCILLATEUR UNE PARTIE PREDETERMINEE DU SIGNAL PRESENT A L'ENTREE POUR PRODUIRE UNE SORTIE PRESENTANT UNE AMPLITUDE REDUITE POUR LES HARMONIQUES EN DESSOUS D'UN ORDRE PREDETERMINE. A CET EFFET, L'OSCILLATEUR COMPREND UN ELEMENT A ACTION DIRECTE BRANCHE ENTRE L'ENTREE NON INVERSEE DE L'AMPLIFICATEUR INVERSEUR 10 ET LA SORTIE DU SECOND INTEGRATEUR 14.

Description

"Procédé de réduction de la distorsion harmonique d'un oscillateur

a variable d'etat comportant un regulateur de niveau et oscilla-

teur à variable d'état pour sa mise en oeuvre".

La présente invention concerne des oscillateurs à variable d'état à onde sinusoidale qui comportent un circuit égalisateur destiné à détecter l'amplitude de sortie et à modu- ler le gain d'un paroours de réaction en vue de stabiliser et

de commander l'amplitude de sortie.

Une configuration généralement connue d'oscilla-

teur est l'oscillateur à variable d'état dans lequel le circuit

oscillateur fournit une solution analogique à une équation dif-

férentielle du second degré et il en résulte un signal de sortie sinusoïdal. L'équation différentielle prend la forme suivante: d2V dV a d2 + b d + cV = O dt2- dt

L'amplitude instantanée du signal de l'oscilla-

teur est représenté par le terme V et les constantes a,b et c déterminent la fréquence du signal de l'oscillateur. De tels circuits emploient de manière classique un étage d'amplificateur

inverseur qui est suivi par un premier et un second étagesampli-

ficateursconsêcutifsqui réalisent une intégration, la sortie du premier intégrateur étant renvoyée la fois aux entrées inversée et non inversée de l'étage amplificateur inverseur et la sortie

du second intégrateur étant renvoyée à l'entrée inversée de l'é-

tage amplificateur inverseur. Chacun des étages comprend un am-

plificateur opérationnel présentant des impédances associées d'entrée et de réaction que l'on peut faire varier en vue de produire une oscillation avec différentes fréquences et amplitudes. Tous les oscillateurs néoessitent un circuit de régularisation de niveau pour stabiliser et commander leur amplitude de sortie. La plupart des types de régulateur de

niveau détecte l'amplitude de sortie de l'oscillateur, con-

vertit cette amplitude en un signal de commande continue(avec une certaine ondulation inévitable en alternatif) et module le gain d'un parcours de réaction de la manière nécessaire pour 2.

maintenir l'amplitude de sortie désirée. Malheureusement, l'on-

dulation en alternatif dans le signal de commande crée une distorsion harmonique de la sortie de l'oscillateur du fait du mélange du signal fondamental de réaction d'oscillation avec la composante alternative indésirée du signal de commande. Comme cela est indiqué dans l'article de Hofer "a Comparison of Low Frequency RC Oscillator Topologies" qui a été présenté à la 64ème convention de l'AES, la configuration de l'oscillateur à variable d'état estpar nature, supérieure à d'autres types en ce qui concerne la réjection d'une telle distorsion induite par le régulateur de niveau; cependant il

est désirable d'améliorer encore cette réjection.

Certaines tentatives pour améliorer cette ré-

jection ont été suggérées par Meyer-Ebrecht, Fast Amplitude Control of a Harmonic Oscillator, Proc. IEEE (Lett.), volume , page 736, June 1972; Vannerson and Smith, Fast Amplitude Stabilization of an RC oscillator, IEEE J. Solid State Circuits, volume SC-9, pages 176-179, August 1974; et Vannerson and Smith A low Distortion Oscillator with fast amplitude stabilization,

int. J. Electronics, volume 39, pages 465-472, 1975. Ces ten-

tatives utilisent des circuits d'échantillonnage-blocage ou des circuits de détection à phasesmultiplespour réduire la distorsion. Une autre possibilité est d'utiliser des filtres commutables ou des circuits de changement de gamme du régulateur de niveau pour réduire la composante alternative du signal de commande du régulateur de niveau. Cependant aucune de ces suggestions n'est pas sans présenter des inconvénients et de ce fait aucune

n'offre une solution optimale au problème.

La présente invention permet d'améliorer la réjection de la distorsion induite par le régulateur de niveau dans un oscillateur à variable d'état en fournissant un parcours à action directe destiné à ajouter à la sortie de l'oscillateur principal un signal qui est représentatif du signal de réaction qui a subi une distorsion du fait de la modulation du gain du régulateur de niveau de manière à supprimer les produits de distorsion harmonique dans la sortie produits de distorsion qui 3. ont leur origine dans le signal de commande du régulateur de gain. En combinant une partie du signal de réaction ayant subi

la distorsion, par l'intermédiaire du parcours à action di-

recte, avec la sortie principale de l'oscillateur, il est possible de réduire dans une grande mesure la quantité des harmoniques, en-dessous un certain ordre, qui apparaissent à la sortie. Du fait que les harmoniques dominantes causant la distorsion sont généralement du second au quatrième ordres, l'invention permet de réduire de manière substantielle la

distorsion harmonique totale de la sortie de l'oscillateur.

Par conséquent, c'est un premier but de la présente invention d'améliorer la réjection de la distorsion harmonique totale induite par le régulateur de gain dans un

oscillateur à variable d'état.

<4 C'est un autre objet de l'invention de réaliser

- un tel perfectionnement au moyen d'un parcours à action di-

recte qui ajoute un signal qui est représentatif du signal de réaction ayant subi une distorsion du fait du régulateur de gain à la sortie principale de l'oscillateur. D'autres 0 caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront

de la description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés

sur lesquels: - la Fig. 1 est ami schema d'un oscillateur à variable d'état vlassiqus de tye connu7 qui comporte un circuit de rgulati 'e niveau et qui présente ie ce fait une ditorsionr induite par le régulateur de niveau dans sa sortie, - la FigD 2 est un schema de l'oscillateur à

variable d'état de la figure 1 qui a été modifié conformé-

ment à la présente invention au moyen d'un circuit à action

directe représenté sous forme simplifiée.

- la Fig. 3 est un schéma de l'oscillateur à variable d'état de la figure 1, modifié par un premier exemple de réalisation d'un circuit à action directe conforme

à la présente inverntion.

4. - La Fig.4 est un schéma de l'oscillateur à variable d'état de la figure 1 modifié par un second exemple de réalisation d'un circuit à action directe conforme à la présente invention, et - la Fig. 5 est un tableau montrant des exemples de comparaison de la distorsion harmonique dans les circuits des figures 1 et 2 respectivement pour un oscillateur de réalisation pratique usuelle avec les mêmes valeurs pour les condensateurs et les résistances de l'étage intégrateur et avec un gain

d'étage inverseur égal à 2,5.

La figure 1 représente un oscillateur à variable d'état usuel comportant un circuit régulateur

de niveau. Cet oscillateur utilise un étage amplifi-

-cateur inverseur 10 suivi par un premier et un second étagesamplificateursintégrateursconsécutifs12 et 14 respectivement. La sortie du premier intégrateur 12 est renvoy6e,parl'intermédiaire de la ligne 16 et de

la résistance 18, à l'entrée inversée de l'étage am-

plificateur inverseur 10 et, par l'intermédiaire de la

ligne 20 et de la résistance 22, à l'entrée non inver-

sée 23 de cet étage amplificateur inverseur 10. La sortie du second intégrateur 14 est renvoyée, par l'intermédiaire de la ligne 24 et d'une résistance 26, seulement à l'entrée inversée de l'étage amplificateur

inverseur 10. Chacun de ces étages comprend un ampli-

ficateur opérationnel comportant des impédances d'entrée et de réaction associées correspondantes, comme cela est représenté, ces impédances pouvant être modifiées pour produire une oscillation à des fréquences et des

amplitudes différentes.

Un régulateur de niveau 28 détecte l'amplitude de sortie alternative de l'oscillateur et la convertit en un signal de commande qui est fonction de l'amplitude en alternatif et d'une référence prédéterminée. Ce signal 5.

de commande est essentiellement un signal en courant con-

tinu mais il contient quelques ondulations en alternatif.

Le signal de commande commande un transistor à effet de champ 30 qui module le gain par l'intermédiaire du parcours de réaction 20 et entraZne de ce fait l'augmentation ou la diminution des oscillatio rsde sortie comme cela est requis pour la stabiliser aux environs d'une amplitude fixée. Mais l'ondulation alternative présente dans le signal de commande crée une génération d'harmoniques qui

est dûe au mélange avec le signal d'oscillation fondamen-

tal dans le parcours de réaction 20 ce qui produit une composante de tension de distorsion harmonique Vd sur

l'entrée non inversée 23 de l'étage amplificateur inver-

seur 10. Ces harmoniques indésirables se manifestent dans la sortie de l'oscillateur Vo conformément à la relation suivante: Vo = (1 + 1 Vd A 1n2 dans laquelle n est l'ordre de l'harmonique et A le gain de l'étage inverseur, à savoir( 27) (en supposant R26

que la résistance 22 est beaucoup plus forte que la ré-

sistance du transistor à effet de champ 30 et aue l'on utilise des résistances et condensateurs de même valeur

dans les deux étages intégrateurs).

Pour des raisons de simplification de la des-

cription, on a supposé que les valeurs des résistances et des condensateurs des deux étages intégrateurs sont

les mêmes. Selon une variante de réalisation moins pra-

tique, on utilise des valeurs inégales ce qui a pour effet que l'on aura une valeur différente pour A. La figure 2 décrit le même oscillateur à variable d'état comportant un circuit régulateur de niveau comme dans la figure 1, à l'exception que cette figure 6. comprend un parcours à action directe 32 partant de l'entrée non inversée 23 de l'amplificateur inverseur 10 et allant à la sortie du second intégrateur 14 avec une commande 34 de gain négatif en vue de transférer seulement une partie prédéterminée du signal de distorsion Vd et un étage somma- teur 36 destiné à additionner ladite partie à la sortie

du second intégrateur 14. Du fait de l'introduction du par-

cours à action directe, il est possible de réduire fortement la quantité d'harmoniques indésirables provenant de la composante de tension de distorsion Vd qui apparaissent dans

la sortie de l'oscillateur Vo, en dessous d'un ordre pré-

déterminé, conformément à l'équation suivante: Vo = (1 + 1 +< -( n2AÂDLj Io n2 A z Vd A L 1 A (1_ 1 - n dans laquelle n est l'ordre de l'harmonique, A est le gain de l'étage inverseur eto"est le gain du parcours à action directe,(toujours en supposant que la résistance 22 est bien plus grande que la résistance du transistor à effet

de champ 30).

La figure 5 montre des comparaisons faites à titre d'exemple, en fonction de l'ordre de l'harmonique, des parties de la composante de distorsion harmonique Vd qui se manifestent dans la sortie de l'oscillateur Vo pour les circuits des figures 1 et 2 respectivement. Si l'on suppose que la valeur A du gain de l'étage inverseur qui est de type usuel est de 2,5 dans les deux figures, si on suppose que l'on a les mêmes valeurs de résistances et

de condensateurs dans l'étage intégrateur et si l'on sup-

pose que l'on a une valeur4du gain de parcours direct égale à 0,1 pour le circuit de la figure 2, on peut voir à partir de la figure 5 que le circuit de la figure 2 a pour résultat que seulement une partie très faible de la source de distorsion harmonique Vd se manifeste dans la 7. sortie de l'oscillateur Vo pour des ordres d'harmonique en dessous de 5. Du fait que les harmoniques dominantes dans la distorsion induite par un régulateur de niveau sont généralement du second au quatrième ordres, le circuit de la figure 2 permet de réduire substantiellement la dis-

torsion harmonique totale de la sortie.

Les figures 3 et 4 représentent des-exemples de réalisation en variantes du circuit à action directe conforme à la présente invention. Sur la figure 3, les résistances 38 et 39 et l'amplificateur opérationnel 42 déterminent le gain du parcours à action directe 32. Ces composants, en plus de la résistance 40,déterminent les

valeurs relatives de la sortie provenant du second inté-

grateur 14 et du signal à action directe qui sont ajoutés pour produire la sortie de l'oscillateur Vo, l'entrée de l'amplificateur opérationnel 42 réalisant la fonction de sommation. Sur la figure 4, les résistances 38 et 40 et un noeud de branchement 44 réalisent les mimes fonctions de

détermination du gain de base et de sommation.

La description ci-dessus n'a été fournie qu'à

titre d'exemples illustratifs et nullement limitatifs et il est 4vident que l'n peut y apporter des modifications ou variantes sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. 8.

Claims (1)

REVENDICATIONS 1:) Procédé pour réduire la distorsion harmo- nique dans la sortie d'un oscillateur à variable d'état qui utilise un circuit de régulation de niveau (28) sensible à l'amplitude de la sortie pour ajuster le gain de l'oscillateur à une entrée d'un étage d'amplification de cet oscillateur par variation de l'impédance, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'addition à ladite sortie d'une partie prédéterminée du signal présent à ladite entrée en vue de produire une sortie nette présentant une amplitude réduitepour les harmoniques en dessous d'un ordre prédéterminé. ) Oscillateur à variable d'état comprenant: a) un-amplificateur inverseur (10) compor- tant une entrée inversée, une entrée non inversée (23) et une sortie. b) un premier intégrateur (12) comportant une entrée et une sortie, l'entrée étant reliée à la sortie dudit amplificateur inverseur (10) et la sortie étant reliée par l'intermédiaire d'un premier parcours de réaction (16,18) à la sortie inversée dudit amplificateur inverseur (10), et par l'intermédiaire d'un second parcours de réaction (20,22) à l'entrée non inversée (23) de l'amplificateur inverseur (10).
1. c) un second intégrateur (14) comportant une entrée et une sortie, l'entrée étant reliée à la sortie dudit premier intégrateur (12) et la sortie étant reliée par l'intermédiaire d'un troisième parcours de réaction (24,26) à l'entrée inversée dudit amplificateur inverseur (10) et d) un organe de régulation de niveau (28) relié à la sortie dudit second intégrateur (14) et à l'entrée non inversée (23) dudit amplificateur inverseur (10), destiné à faire varier le gain dudit amplificateur inverseur (10) en fonction de l'amplitude de la sortie dudit second integrateur (14), caractérisé en ce qu'il comprend en outre, un élément à action directe (32,34,36;32,38,39;32,38,44) relié 9. à l'entrée non inversée (23) dudit amplificateur inverseur et à la sortie dudit second intégrateur (14) et destiné à ajouter à la sortie dudit second intégrateur (14) un signal représentatif du signal présent à l'entrée non inversée (23) dudit amplificateur inverseur (10), en produisant de ce fait

   une sortie sur l'oscillateur.

   3 ) Oscillateur selon la revendication 2, ca-

   ractérisé en ce qu'il comprend des éléments de gain (34,38, 39) associés audit élément à action directe en vue d'ajouter

   à la sortie dudit second intégrateur (14) une partie infé-

   rieure à la totalité du signal présent à l'entrée non in-

   versée (23) dudit amplificateur inverseur (10).

   4 ) Oscillateur selon la revendication 3, ca-

   ractérisé en ce que lesdits éléments de gain comprennent une résistance (38) insérée de manière opérationnelle dans ledit élément à action directe entre l'entrée non inversée (23) dudit amplificateur inverseur (10) et la sortie dudit

   second intégrateur (14).

   0) Oscillateur selon la revendication 4, ca- ractêrisé en ce que ledit élément à action directe est reliê à la sortie dudit second intégrateur (14) à un noeud de branchement (44), en comprenant en outre une seconde résistance (40) insérée de manière opérationnelle entre la

   sortie dudit second intégrateur (14) et ledit noeud de bran-

   chement (44).

   6 ) Oscillateur selon la revendication 5, ca-

   ractérisé en ce que ledit noeud de branchement (44) est relié à l'entrée inversée d'un amplificateur opérationnel e42} et en ce qu'une troisième résistance (39) est branchée eniàtre la sortie dudit amplificateur opérationnel et l'entrée

   inversée de ce dernier.