FR2762107A1 - Generateur de tension de haute precision - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un générateur de tension de référence de haute précision.Il comprend un oscillateur (4) commandé en tension présentant une relation fixe et précise entre la fréquence d'un signal d'oscillation et une tension qui lui est appliquée, un oscillateur (6) à fréquence de référence destiné à générer un signal de fréquence de référence, un comparateur (5) de phase destiné à détecter une différence de phase entre le signal d'oscillation de l'oscillateur (4) et le signal de fréquence de référence, un filtre passe-bas (7) destiné à lisser un signal de détection provenant du comparateur de phase, un circuit (8) de réglage de gain destiné à amplifier ce signal, un additionneur (3) destiné à produire une somme de tensions du circuit de réglage de gain et d'une tension de décalage pour l'oscillateur commandé en tension, et une boucle à phase asservie formée par le comparateur, le filtre, le circuit de réglage e l'additionneur pour annuler la différence de phase en régulant la tension de commande appliquée à l'oscillateur commandé en tension.Domaine d'application : instruments d'essai, générateur de tension, et autres appareils à usage général pour la génération d'une tension continue de haute précision.
Description
L'invention concerne un générateur de tension de référence, et plus
particulièrement un générateur de tension de référence de haute précision destiné à être monté dans des instruments d'essai, des générateurs de tension ou des appareils à usage général pour générer une tension continue
de haute précision.
Pour la génération d'une référence de tension de haute précision, on utilise principalement et classiquement trois types de technologie. Le premier type de technologie utilise une pile étalon telle qu'une pile classique de Weston. Jusqu'à peu, la pile étalon était utilisée comme étalon de tension national. La pile étalon génère une tension continue de 1,018636V à 20 C. Cependant, étant donné que le niveau de tension de sortie est sensible à la température ou aux vibrations mécaniques, la pile étalon doit être installée dans un milieu exempt de vibrations, avec une régulation et
une gestion précises de la température.
Le deuxième type de technologie est un générateur de tension de référence utilisant une diode Zener (diode à tension constante). Cette technologie est la plus largement utilisée dans les instruments de mesure de tension, les générateurs de tension et analogues. Cependant, étant donné que les diodes de Zener utilisent un effet d'avalanche dans
la jonction PN des diodes, les tensions résultantes présen-
tent des variations relativement importantes à court terme.
Les diodes de Zener présentent aussi des variations de tension à long terme, par exemple de l'ordre de quelque
millionièmes. Par conséquent, les diodes de Zener ne consti-
tuent pas, parfois, une référence de tension idéale lorsqu'un
niveau de précision plus élevé de la tension est demandé.
Le troisième type de technologie comprend un étalon de tension Josephson utilisant l'effet Josephson. Dans une jonction Josephson, il existe une relation précise entre les tensions continues de sortie et les fréquences d'un signal hyperfréquence qui leur est appliqué. Il est connu dans la technique que la fréquence possède un degré de précision supérieur à celui d'autres unités telles que la tension, la résistance ou analogues. Par conséquent, on peut obtenir des tensions continues de précision correspondant à des fréquences (conversion F/V) en appliquant une fréquence de haute précision à la jonction Josephson. La tension continue résultante possède une précision qui est comparable à celle de la fréquence. Cependant, l'étalon de tension Josephson n'est pas idéal pour des appareils à usage général, car ce dispositif d'étalon de tension est de grande dimension et est coûteux du fait de la nécessité d'un réseau de jonctions Josephson supra-conductrices, d'hélium liquide pour refroidir le réseau de jonctions et d'une structure mécanique relativement imposante, car il fait appel à la technologie
des ondes millimétriques.
Comme expliqué précédemment, les générateurs classiques de tension de référence sont désavantageux
lorsqu'ils sont appliqués à des appareils de faibles dimen-
sions tels que des instruments d'essai. Il existe donc, en pratique, des difficultés à mettre en place dans de tels instruments un générateur de tension de référence pour la génération de tensions continues de haute précision, par
exemple de l'ordre de 0,1 millionième.
Un objet de l'invention est donc de proposer un générateur de tensions de référence capable de générer des tensions de référence de haute précision et convenant à une
utilisation dans des instruments d'essai de faibles dimen-
sions tels que des voltmètres numériques, des générateurs de
tension et d'autres appareils à usage général.
Un autre objet de l'invention est de proposer un générateur de tension de référence capable de générer une tension de référence de haute précision sans nécessiter d'installations spéciales quelconques telles qu'une salle à
température régulée ou une salle protégée des vibrations.
Un autre objet de l'invention est de proposer un générateur de tensions de référence qui est capable de générer des tensions de référence de haute précision à l'aide d'une configuration de circuit de faibles dimensions et de
faible coût.
Le générateur de tension de référence de haute précision est capable de générer une tension continue de référence en utilisant la relation fixe et précise entre une tension de commande appliquée à un oscillateur commandé en tension et une fréquence d'oscillation de l'oscillateur commandé en tension. L'oscillateur commandé en tension est incorporé dans une boucle à phase asservie pour adapter la
phase de la fréquence d'oscillation à la phase d'une fré-
quence de référence.
La première forme de réalisation du générateur de tension de référence comprend un oscillateur commandé en tension qui présente une relation fixe et précise entre une fréquence d'un signal d'oscillation et une tension qui lui est appliquée, un oscillateur à fréquence de référence destiné à générer un signal de fréquence de référence de haute précision et d'une stabilité supérieure à celle de la tension continue de référence devant être générée, un comparateur de phase destiné à détecter une différence de phase entre le signal d'oscillation de l'oscillateur commandé en tension et le signal de fréquence de référence, un filtre passe-bas destiné à lisser un signal de détection provenant du comparateur de phase et présentant la différence de phase, un circuit de réglage de gain destiné à amplifier un signal provenant du filtre passe-bas, un additionneur de tensions destiné à produire une somme de tensions provenant du circuit de réglage de gain et d'une tension de décalage appliquée à l'oscillateur commandé en tension, et une boucle à phase
asservie formée par le comparateur de phase, le filtre passe-
bas, le circuit de réglage de gain et l'additionneur de tensions pour annuler la différence de phase en régulant une tension de commande appliquée à l'oscillateur commandé en tension, la tension de commande étant délivrée en sortie en
tant que tension continue de référence.
L'oscillateur commandé en tension est avantageu-
sement un oscillateur à quartz compensé en température (TCXO) et commandé en tension. L'exemple de l'oscillateur de fréquence de référence est un oscillateur étalon atomique. Un autre exemple de l'oscillateur à fréquence de référence produit le signal de fréquence de référence sur la base d'un signal étalon de référence émis par un satellite artificiel faisant partie du système de positionnement sur la Terre
(système GPS).
Selon un autre aspect de l'invention, le généra-
teur de tension de référence comprend en outre un diviseur de fréquence entre l'oscillateur commandé en tension et le comparateur de phase pour diviser la fréquence du signal d'oscillation provenant de l'oscillateur commandé en tension et appliquer un signal de fréquence divisée au comparateur de phase. Le générateur de tension de référence peut comprendre en outre un filtre passe-bas entre l'addition de tensions et l'oscillateur commandé en tension et un filtre passe-bas entre la sortie de l'additionneur de tensions et une borne de
sortie de la tension continue de référence.
La seconde forme de réalisation du générateur de tension de référence comprend un oscillateur à quartz compensé en température (TCXO) commandé en tension présentant une relation fixe et précise entre une fréquence d'un signal d'oscillation et une tension qui lui est appliquée, un oscillateur à fréquence de référence destiné à générer un signal de fréquence de référence de haute précision et d'une stabilité supérieure à celle de la tension continue de référence devant être générée, un synthétiseur de fréquence destiné à recevoir le signal de fréquence de référence et à générer un signal étalon ayant la même stabilité de fréquence que le signal de fréquence de référence, la fréquence du signal étalon étant établie par des données de fréquence qui lui sont fournies, un comparateur de phase destiné à détecter une différence de phase entre le signal d'oscillation de l'oscillateur TCXO commandé en tension et le signal étalon provenant du synthétiseur de fréquence, un filtre passe-bas
destiné à lisser un signal de détection provenant du compara-
teur de phase et représentant la différence de phase, un circuit de réglage de gain destiné à amplifier le signal provenant du filtre passebas, un additionneur de tensions destiné à produire une somme de tensions provenant du circuit de réglage de gain et d'une tension de décalage appliquée à l'oscillateur TCXO commandé en tension, un convertisseur numérique-analogique (N/A) destiné à produire la tension de
décalage appliquée à l'additionneur de tensions, un disposi-
tif de commande destiné à fournir des données de tension de décalage au convertisseur N/A et les données de fréquence au synthétiseur de fréquence, une boucle à phase asservie étant formée par le comparateur de phase, le filtre passe-bas, le circuit de réglage de gain et l'additionneur de tensions pour minimiser la différence de phase en régulant une tension de commande appliquée à l'oscillateur TCXO commandé en tension, et la tension de commande est délivrée en sortie en tant que
tension continue de référence.
Selon un autre aspect de la seconde forme de réalisation, le générateur de tension de référence comprend en outre une table de correction de linéarité destinée à mémoriser des données de correction pour compenser un défaut
de linéarité dans la relation entre la fréquence de l'oscil-
lateur TCXO et la tension appliquée à cet oscillateur, le dispositif de commande modifiant les données de fréquence appliquées au synthétiseur de fréquence sur la base des données de correction extraites de la table de correction de linéarité.
Selon un autre aspect de l'invention, le généra-
teur de tension de référence comprend un oscillateur commandé en tension qui présente une relation fixe et précise entre une fréquence d'un signal d'oscillation et une tension qui lui est appliquée, un oscillateur à fréquence de référence destiné à générer un signal de fréquence de référence d'une haute précision et d'une stabilité supérieure à celle de la tension continue de référence devant être générée, un comparateur de phase destiné à détecter une différence de phase entre le signal d'oscillation de l'oscillateur commandé en tension et le signal de fréquence de référence, un filtre passe-bas destiné à lisser un signal de détection provenant du comparateur de phase et représentant la différence de phase, un circuit de réglage de gain destiné à amplifier un signal provenant du filtre passe-bas, et une boucle à phase
asservie formée par le comparateur de phase, le filtre passe-
bas et le circuit de réglage de gain pour minimiser la différence de phase en régulant une tension de commande appliquée à l'oscillateur commandé en tension, la tension de commande étant délivrée en sortie en tant que tension
continue de référence.
Conformément à l'invention, le générateur de tension de référence est capable de générer des tensions de référence de haute précision comparable à la précision de la fréquence de l'oscillateur à quartz et convenant à une utilisation dans des instruments d'essai de faible dimension tels que des voltmètres numériques, des générateurs de tension ou d'autres appareils à usage général. Le générateur de tension de référence peut générer la tension de référence
de haute précision sans nécessiter des installations spécia-
les quelconques telles qu'une salle à température régulée ou une salle protégée des vibrations. Le générateur de tension de référence de l'invention peut être configuré sous de faibles dimensions et à faible coût tout en atteignant une
précision de tension de l'ordre de 0,1 millionième.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels:
La figure 1 est un schéma montrant la configura-
tion d'une première forme de réalisation d'un générateur de tension de référence de haute précision selon l'invention;
la figure 2 est un schéma montrant la configura-
tion d'une seconde forme de réalisation d'un générateur de tension de référence de haute précision selon l'invention; les figures 3a à 3c sont des graphiques montrant des caractéristiques d'un oscillateur à quartz thermostaté (TCXO) commandé en tension, destiné à être utilisé dans l'invention; les figures 4a et 4b sont des schémas de circuit montrant un exemple d'une structure d'un oscillateur TCXO commandé en tension devant être utilisé dans l'invention; la figure 5 est un schéma montrant un exemple d'une version modifiée du générateur de tension de haute précision de l'invention; la figure 6 est un schéma montrant un autre exemple d'une version modifiée du générateur de tension de haute précision selon l'invention; la figure 7 est un graphique montrant la relation entre la fréquence d'oscillation et la tension de sortie du générateur de tension de référence de haute précision selon l'invention; la figure 8 est un schéma montrant un autre exemple d'une version modifiée du générateur de tension de référence de haute précision selon l'invention; la figure 9 est un schéma montrant un autre exemple d'une version modifiée du générateur de tension de référence de haute précision selon l'invention; la figure 10 est un schéma montrant un autre exemple d'une version modifiée du générateur de tension de référence de haute précision selon l'invention; et la figure 11 est un schéma montrant un autre exemple d'une version modifiée du générateur de tension de
référence de haute précision selon l'invention.
Dans la présente invention, le générateur de tension de référence de haute précision est obtenu sur la base d'une technique de conversion d'une fréquence en une tension (F/V). On décrira la première forme de réalisation de l'invention en référence à la figure 1. La figure 1 est un schéma montrant une configuration du générateur de tension de référence de haute précision. Les figures 3a à 3c montrent des caractéristiques d'un oscillateur à quartz compensé en température (TCXO), commandé en tension, destiné à être utilisé dans le générateur de tension de la figure 1, et les figures 4a et 4b montrent un exemple d'une structure de l'oscillateur TCXO commandé en tension. La figure 7 est un
graphique montrant la relation entre la fréquence d'oscilla-
tion de l'oscillateur TCXO commandé en tension et la tension
de sortie du générateur de tension de référence.
Dans l'exemple de la figure 1, le générateur de tension de référence selon l'invention est formé au moyen d'un oscillateur commandé en tension (VCO) 4 qui présente une relation fixe et précise entre une fréquence d'oscillation et une tension donnée, d'un oscillateur 6 à fréquence de référence destiné à générer un signal de fréquence de référence d'une haute précision et d'une haute stabilité, d'un comparateur 5 de phase destiné à détecter une différence de phase entre le signal de l'oscillateur 4 commandé en tension et le signal de l'oscillateur 6 à fréquence de référence, d'un filtre passe-bas 7 destiné à lisser un signal de détection Sdiff provenant du comparateur de phase 5, d'un circuit 8 de réglage de gain destiné à amplifier le niveau
d'un signal provenant du filtre passe-bas 7, et d'un addi-
tionneur 3 de tensions destiné à produire une somme de tensions provenant du circuit 8 de réglage de gain et d'une tension de décalage appliquée à l'oscillateur 4 commandé en tension. Un exemple de l'oscillateur 4 commandé en tension dans l'invention est un oscillateur TCXO (oscillateur à quartz compensé en température) commandé en tension, qui sera davantage décrit en référence aux figures 3a, 3b, 3c, 4a et 4b. L'oscillateur TCXO commandé en tension présente une relation tension/fréquence d'une très haute précision même dans un milieu ambiant à large plage de variation de la température. Par exemple, la stabilité de la fréquence d'un
oscillateur TCXO est de l'ordre de 10-9.
Des exemples de caractéristiques d'un oscillateur TCXO commandé en tension sont montrés sur les figures 3a à 3c, lesquelles caractéristiques sont obtenues au moyen de la configuration de circuit des figures 4a et 4b. Le document "Voltage controlled S-TCXOs Using NS- GT Cut Quartz Crystal Resonators" de Kawashima et Collaborateurs, Institute of Electronics Information and Communication, Transaction C-I, volume J78-C-I, n 11, pages 533-450 donne davantage de détails concernant les oscillateurs TCXO commandés en tension. Dans le schéma de circuit de la figure 4a, l'oscillateur TCXO commandé en tension est formé par la mise en place d'un résonateur à quartz X dans un circuit oscillant ayant un amplificateur A1 et divers condensateurs comprenant
un condensateur variable. L'amplificateur A1 est un transis-
tor à effet de champ (FET) à faible bruit et des condensa-
teurs Cg et Cd désignent un condensateur de grille et un condensateur de drain du transistor à effet de champ, respectivement. Un amplificateur A2 fonctionne en tant qu'amplificateur tampon. Le condenseur Cd de drain comprend un condensateur de drain parasite Cdl et un condensateur variable Cd2. Le condensateur variable Cd2 est prévu pour régler la fréquence d'oscillation de l'oscillateur TCXO. Un exemple du condensateur variable Cd2 est constitué par une diode à capacité variable dont le circuit équivalent est représenté sur la figure 4b. En faisant varier la tension de commande Vc appliquée au condensateur variable Cd2 sur la figure 4b, on fait varier le condensateur Cd2, ce qui règle la fréquence d'oscillation de l'oscillateur TCXO commandé en
tension de la figure 4a.
La figure 3a montre la relation entre la tension de commande Vc appliquée au condensateur variable Cd2 de la figure 4b et la fréquence d'oscillation de l'oscillateur TCXO pour des paramètres des condensateurs Cg et Cdl de grille et de drain. La figure 3b montre les caractéristiques de fréquence en fonction de la température pour des paramètres de la tension de commande Vc. La figure 3c montre les résultats d'un essai de cycles de température dans lequel un cycle de températures de +25 C, -40 C, +90 C, +25 C est
répété deux fois comme montré par des flèches sur le graphi-
que. L'écart de température Af/f pendant le cycle de tempéra-
ture est tracé. Comme montré sur la figure 3c, l'oscillateur TCXO utilisant un résonateur à quartz à coupe NS-GT présente une haute stabilité de la fréquence, l'écart de fréquence
pour une température comprise entre -30 C et +85 C étant en-
deçà de 3 x 10-9. Il apparaît qu'une stabilité de fréquence encore plus élevée peut être obtenue lorsque la variation de la température autour de l'oscillateur TCXO est limitée dans une petite plage par une régulation de la température au
moyen, par exemple, d'un four à température.
Par conséquent, dans la présente invention, du fait de la relation fixe entre la tension appliquée à l'oscillateur TCXO et la fréquence d'oscillation, la tension fournie peut être utilisée en tant que source de tension de référence de haute précision. Ainsi, dans l'exemple de la figure 1, une tension V31 reçue de la sortie de l'additionneur 3 de tensions est la tension continue de référence de haute
précision selon l'invention.
Dans la configuration de la figure 1, une boucle
à phase asservie (PLL) est formée pour renvoyer par rétro-
action le signal de détection Sdiff représentant la différence de phase entre les deux signaux de fréquence afin de régler la fréquence de l'oscillateur TCXO 4 commandé en tension pour
qu'elle soit égale à la fréquence du signal de référence.
Plus particulièrement, la boucle PLL est formée par la boucle de réaction négative constituée par l'oscillateur TCXO 4, le comparateur de phase 5, l'oscillateur 6 à fréquence de référence, le filtre passe- bas 7, le circuit 8 de réglage de
gain et l'additionneur 3 de tensions.
L'oscillateur 6 à fréquence de référence doit avoir une précision (stabilité) de fréquence supérieure à la précision demandée pour la fréquence de référence V31. La stabilité de fréquence de l'oscillateur 6 à fréquence de référence devrait avantageusement être de l'ordre de 10-1 ou -12, ce qui peut être obtenu relativement aisément sur le
marché. Un exemple de l'oscillateur 6 à fréquence de réfé-
rence est un générateur atomique étalon de fréquence basé sur la résonance atomique de l'atome de césium ou de l'atome de rubidium. Un autre exemple de l'oscillateur 6 à fréquence de référence est un générateur de fréquence décrit dans la demande de brevet japonais mise à l'Inspection Publique sous le numéro de publication 8-146166, qui génère des signaux de fréquence de haute précision sur la base d'une fréquence étalon reçue d'un satellite artificiel incorporé dans le
système de positionnement sur la Terre (GPS).
Le comparateur 5 de phases compare les phases de la fréquence d'oscillation f1 de l'oscillateur TCXO 4 et de la fréquence d'oscillation f0 de l'oscillateur 6 à fréquence de référence. Le comparateur 5 de phases génère un signal Sdiff représentant la différence de phase entre les deux
signaux de fréquence.
Le filtre passe-bas 7 est destiné à définir des caractéristiques de réponse de la boucle à phase asservie, et à stabiliser le fonctionnement de la boucle PLL pour le verrouillage de la boucle. Le filtre passe-bas 7 reçoit le signal de détection Sdiff provenant du comparateur de phase 5 et convertit le signal de détection en un signal de tension continue devant être appliqué au circuit 8 de réglage de gain. Le circuit 8 de réglage de gain reçoit le signal de tension continue provenant du filtre passe-bas 7 et amplifie ce signal selon un gain prédéterminé pour appliquer un signal d'erreur Verr à une borne de l'additionneur 3 de tensions dont une autre borne reçoit une tension de décalage
Vda. L'additionneur 3 de tension additionne la tension d'er-
reur Verr et la tension de décalage Vda provenant d'une source de tension pour produire la tension de commande appliquée
à l'oscillateur TCXO 4.
Comme cela est connu dans la technique, en ajustant les paramètres du filtre passe-bas 7 et du circuit 8 de réglage de gain, on peut sélectionner une courbe de réponse de la boucle à phase asservie pour un fonctionnement
d'une haute stabilité. La tension de décalage Vda est avanta-
geusement choisie de façon que la tension de sortie de l'additionneur 3 de tensions, sans la tension d'erreur Verr, soit sensiblement égale à la tension de commande (tension de référence). Dans cette situation, la plage de la tension d'erreur Verr peut être très étroite comme montré sur la figure 7. La source 50 de tension devrait être formée de dispositifs ayant un rapport signal/bruit élevé, (bruit faible) afin que la tension de décalage Vda contienne aussi peu de bruit que possible. L'additionneur 3 de tensions devrait également être formé de dispositifs à rapport signal/bruit élevé afin qu'aucun bruit ne soit additionné à la tension de sortie V31. L'additionneur 3 de tensions peut être un amplificateur opérationnel ou un amplificateur différentiel. Lorsque la boucle à phase asservie est dans l'état de verrouillage, une tension de rétro-action à la sortie de l'additionneur 3 de tensions pour commander l'oscillateur TCXO 4 présente une haute stabilité et une haute précision du fait de la relation de la fréquence en
fonction de la tension montrée sur la figure 3a. Par consé-
quent, une tension de sortie V31 dérivée de la tension de commande de rétro-action est une tension de référence de haute précision générée par le générateur de tension de
référence de l'invention.
L'exemple de la figure 1 comprend la source 50 de tension et l'additionneur 3 de tensions pour ajuster la tension centrale devant être appliquée à l'oscillateur TCXO 4. Si une gamme dynamique de tensions de la boucle à phase asservie est suffisamment large, la source 50 de tension et l'additionneur 3 de tensions sont inutiles. Un tel exemple est montré sur la figure 6 o la tension d'erreur Verr provenant du circuit 8 de réglage de gain est appliquée directement à l'oscillateur TCXO 4. Ainsi, la tension d'erreur Verr est la tension de référence devant être générée
par le générateur de tension de référence selon l'invention.
La figure 11 montre un exemple dans lequel la source 50 de tension de la figure 1 est remplacée par un convertisseur numérique/analogique (N/A) 2. Un dispositif de commande 10 est prévu pour établir les données dans le convertisseur N/A 2 pour générer une tension de décalage Vda
afin de produire une tension centrale convenant à la généra-
tion d'une fréquence proche de f1 par l'oscillateur TCXO 4 lorsque la boucle à phase asservie n'est pas dans l'état de verrouillage. Par conséquent, lorsque la boucle PLL est
verrouillée, la tension d'erreur Verr appliquée à l'addition-
neur 3 de tension est très faible, par exemple dans la plage
montrée sur la figure 7.
La figure 10 montre un exemple dans lequel le filtre passe-bas 7 et le circuit 8 de réglage de gain sont éliminés de la boucle à phase asservie. Ainsi, dans ce cas, le signal Sdiff de différence de phase est la tension de référence devant être générée par le générateur de tension de
référence selon l'invention.
Par conséquent, dans la présente invention, du fait de la relation fixe entre la tension de commande appliquée à l'oscillateur TCXO et la fréquence d'oscillation de cet oscillateur TCXO, la tension de commande se présente sous la forme d'une tension continue de haute précision. La tension de référence V31 extraite de la tension de commande présente donc une haute précision et une stabilité comparable à celle de la fréquence d'oscillation de l'oscillateur TCXO 4. Lorsque la boucle à phase asservie est verrouillée, des variations de paramètres provoquées par la température ou d'autres modifications des composants de la boucle PLL tels que le filtre passe-bas 7, le circuit 8 de réglage de gain, la source 50 de tension et l'additionneur 3 de tensions ne nuisent pas à la précision et à la stabilité de la tenson de
référence V31.
La figure 2 est un schéma montrant la configura-
tion d'une seconde forme de réalisation du générateur de
tension de référence de haute précision selon l'invention.
Dans cet exemple, du fait de la relation fixe et précise entre la tension de commande appliquée à l'oscillateur TCXO et la fréquence d'oscillation de l'oscillateur TCXO et d'un synthétiseur de fréquence qui peut établir librement la fréquence de référence, des valeurs arbitraires de la tension
de référence V31 sont générées par une régulation des fréquen-
ces de référence à l'aide du synthétiseur 9 de fréquence.
Dans l'exemple de la figure 2, le générateur de tension de référence selon l'invention est formé au moyen d'un oscillateur TCXO 4 commandé en tension ayant la relation fixe et hautement stabilisée entre sa fréquenced'oscillation et la tension qui lui est appliquée, d'un oscillateur 6 à fréquence de référence destiné à générer un signal de fréquence de référence d'une haute précision et d'une haute stabilité, d'un synthétiseur 9 de fréquence destiné à générer un signal de référence d'une fréquence arbitraire avec la précision et la stabilité du signal de fréquence de référence provenant de l'oscillateur 6 de référence, d'un comparateur de phase destiné à détecter une différence de phase entre le signal d'oscillation de l'oscillateur TCXO 4 et le signal de référence provenant du synthétiseur 9 de fréquence, d'un filtre passe-bas 7 destiné à lisser un signal de détection Sdiff provenant du comparateur 5 de phase, d'un circuit 8 de réglage de gain destiné à amplifier le niveau d'un signal provenant du filtre passe-bas 7, d'un additionneur 3 de tensions destiné à produire une somme de tensions provenant du circuit 8 de réglage de gain et d'une tension de décalage produite par un convertisseur N/A 2 pour l'oscillateur TCXO 4, et d'un dispositif 10 de commande destiné à commander le
fonctionnement du synthétiseur 9 de fréquence et du conver-
tisseur N/A 2.
Sur la base du signal de commande provenant du dispositif de commande 10, le synthétiseur 9 de fréquence
génère un signal de référence fx d'une fréquence arbitraire.
Le signal de référence possède les mêmes précision et
stabilité de fréquence que la fréquence de référence prove-
nant de l'oscillateur 6 de référence, ou des précision et stabilité équivalentes. Par conséquent, en régulant la fréquence du signal de référence fx pour le comparateur de phase 5, la tension de référence résultante V31 est d'une
valeur variant en conséquence.
Un exemple montré sur la figure 8 comprend en outre une table 12 de correction de linéarité connectée au dispositif de commande 10. Comme montré sur la figure 3a, les caractéristiques tension/fréquence entre la tension de commande et les fréquences générées par l'oscillateur TCXO présentent certains degrés de manque de linéarité. La table 12 de correction de linéarité mémorise des données obtenues en mesurant le manque de linéarité de l'oscillateur TCXO pour compenser le manque de linéarité. Le dispositif de commande établit les données de fréquence pour le synthétiseur de fréquence qui est corrigé par les données mémorisées dans la table de correction de linéarité. Ainsi, en régulant la fréquence du signal de référence fx appliqué au comparateur
de phase 5, on fait varier la valeur de la tension de réfé-
rence résultante V31 avec une linéarité tension/fréquence améliorée. Dans le cas o la capacité de la table de correction de linéarité est limitée, le dispositif de commande 10 peut effectuer un processus d'interpolation dans lequel des données de correction entre deux points de donnée adjacents sont produites par une technique d'interpolation linéaire ou non linéaire, connue des spécialistes. Dans un tel agencement, la capacité de mémoire de la table 12 de
correction de linéarité sera sensiblement réduite.
Un exemple montré sur la figure 5 comprend un filtre passe-bas 15a à la sortie de la tension de référence V31 et un filtre passe-bas 15b dans la boucle à phase asservie entre l'additionneur 3 de tension et l'oscillateur TCXO 4. Le but des filtres passe-bas 15a et 15b est de réduire le bruit occasionné lorsque des sources d'alimentation en énergie ou d'autres signaux connectés à la boucle à phase asservie varient ou lorsque les trajets des signaux sont longs et sont sujets à un bruit ambiant. L'autre but du filtre passe-bas est de réduire les ondulations et les tensions de bruit superposées à la tension de référence V31. Il est évident que
le filtre passe-bas 15a ne doit pas faire chuter excessive-
ment la tension de référence V31.
L'exemple de la figure 9 comprend un diviseur 17 de fréquences entre l'oscillateur TCXO 4 et le comparateur 5 de phase. Dans ce montage, la fréquence d'oscillation f1 de l'oscillateur TCXO 4 peut être, par exemple, égale à un
multiple entier de la fréquence de référence f0 de l'oscilla-
teur 6 de référence. Un tel diviseur de fréquences peut être
formé d'un diviseur logique qui divise simplement la fré-
quence d'un signal d'entrée, ou bien d'un synthétiseur numérique direct (DDS) qui produit des fréquences arbitraires sur la base du signal arrivant. Dans le cas o la fréquence de référence f0 est sensiblement supérieure à la fréquence d'oscillation f, on peut insérer un diviseur de fréquences
entre l'oscillateur 6 à fréquence de référence et le compara-
teur de phase 5.
Dans les formes de réalisation précédentes, un oscillateur TCXO contenant un résonateur à quartz est utilisé en tant qu'oscillateur commandé en tension. Cependant, l'oscillateur commandé en tension de la présente invention n'est pas limité à des oscillateurs à quartz, mais on peut également utiliser d'autres types d'oscillateurs commandés en tension pourvu qu'ils présentent une relation fixe et stable entre la tension qui leur est appliquée et la fréquence
qu'ils génèrent.
Comme décrit précédemment, dans la présente invention, du fait de la relation fixe entre la tension de commande appliquée à l'oscillateur TCXO et la fréquence d'oscillation de cet oscillateur TCXO, la tension de commande représente une tension continue de haute précision. Ainsi, la tension de référence V31 extraite de la tension de commande
présente une haute précision et une haute stabilité compara-
bles à celles de la fréquence de l'oscillateur TCXO 4.
Lorsque la boucle à phase asservie est verrouillée, des variations de paramètres provoquées par des variations de température ou d'autres changements affectant les composants de la boucle à phase asservie tels que le filtre passe-bas 7, le circuit 8 de réglage de gain, la source 50 de tension et l'additionneur 3 de tensions, n'affectent pas la précision et
la stabilité de la tension de référence V31.
Dans la seconde forme de réalisation utilisant le synthétiseur de fréquence, sur la base du signal de commande provenant du dispositif de commande 10, le synthétiseur 9 de fréquence génère un signal de référence fx d'une fréquence arbitraire. Le signal de référence présente les mêmes précision et stabilité de fréquence que la fréquence de référence provenant de l'oscillateur 6 de référence, ou une précision et une stabilité équivalentes. Par conséquent, en régulant la fréquence du signal de référence fx appliqué au comparateur 5 de phase, on fait varier en conséquence les
valeurs de la tension de référence résultante V31.
Conformément à l'invention, le générateur de tension de référence est capable de générer des tensions de référence d'une haute précision comparable à la précision de la fréquence de l'oscillateur à quartz et convenant à une
utilisation dans des instruments d'essai de faibles dimen-
sions tels que des voltmètres numériques, des générateurs de tension ou des appareils à usage général. Le générateur de tension de référence peut générer la tension de référence de haute précision sans nécessiter des installations spécifiques quelconques telles qu'une salle à température régulée ou une salle protégée des vibrations. Le générateur de tension de référence de l'invention peut être configuré sous de faibles
dimensions et à un faible coût.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au générateur décrit et représenté
sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (13)
1. Générateur de tension de haute précision
destiné à générer une tension continue de référence, caracté-
risé en ce qu'il comporte un oscillateur (4) commandé en tension qui présente une relation fixe et précise entre une fréquence d'un signal d'oscillation et une tension qui lui est appliquée; un oscillateur (6) à fréquence de référence destiné à générer un signal de fréquence de référence d'une haute précision et d'une stabilité supérieure à celle de la tension continue de référence devant être générée; un comparateur (5) de phases destiné à détecter une différence de phase entre le signal d'oscillation de l'oscillateur commandé en tension et le signal de fréquence de référence; un filtre passe-bas (7) destiné à lisser un signal de détection provenant du comparateur de phase et représentant ladite différence de phase; un circuit (8) de réglage de
gain destiné à amplifier un signal provenant du filtre passe-
bas; et un additionneur (3) de tensions destiné à produire une somme de tensions provenant du circuit de réglage de gain et d'une tension de décalage pour l'oscillateur commandé en tension; une boucle à phase asservie étant formée par le comparateur de phase, le filtre passe-bas, le circuit de réglage de gain et l'additionneur de tensions pour annuler la différence de phase en régulant une tension de commande appliquée à l'oscillateur commandé en tension, et ladite tension de commande étant délivrée en sortie en tant que
ladite tension continue de référence.
2. Générateur de tension de haute précision selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur commandé en tension est un oscillateur à quartz compensé en
température (TCXO) commandé en tension.
3. Générateur de tension de haute précision selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un diviseur (17) de fréquence entre l'oscillateur commandé en tension et le comparateur de phase pour diviser la fréquence du signal d'oscillation provenant de l'oscillateur commandé en tension et appliquer un signal de fréquence divisé audit
comparateur de phases.
4. Générateur de tension de haute précision selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second filtre passe-bas (15b) entre l'additionneur de
tensions et l'oscillateur commandé en tension, et un troi-
sième filtre passe-bas (15a) entre la sortie de l'addition-
neur de tensions et une borne de sortie de la tension
continue de référence.
5. Générateur de tension de haute précision selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur à fréquence de référence comprend un oscillateur étalon atomique.
6. Générateur de tension de haute précision selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur à fréquence de référence produit le signal de fréquence de référence sur la base d'un signal étalon de fréquence émis par un satellite artificiel faisant partie d'un système de
positionnement sur la Terre (GPS).
7. Générateur de tension de haute précision
destiné à générer une tension continue de référence, caracté-
risé en ce qu'il comporte un oscillateur à quartz compensé en température (TCXO) commandé en tension, présentant une relation fixe et précise entre une fréquence d'un signal d'oscillation et une tension qui lui est appliquée; un oscillateur (6) à fréquence de référence destiné à générer un signal de fréquence de référence d'une haute précision et d'une stabilité supérieure à celle de la tension continue de référence devant être générée; un synthétiseur (9) de fréquence destiné à recevoir le signal de fréquence de référence et à générer un signal étalon ayant la même
stabilité de fréquence que le signal de fréquence de réfé-
rence, la fréquence du signal étalon étant établie par des données de fréquence qui lui sont fournies; un comparateur (5) de phases destiné à détecter une différence de phase entre le signal d'oscillation de l'oscillateur TCXO commandé en tension et le signal étalon provenant du synthétiseur de fréquence; un filtre passe-bas (7) destiné à lisser un signal de détection provenant du comparateur de phases et représentant la différence de phase; un circuit (8) de réglage de gain destiné à amplifier un signal provenant du filtre passe-bas; un additionneur (3) de tensions destiné à produire une somme de tensions provenant du circuit de
réglage de gain et d'une tension de décalage pour l'oscilla-
teur TCXO commandé en tension; un convertisseur numérique/a-
nalogique (N/A) (2) destiné à produire la tension de décalage appliquée à l'additionneur de tensions; et un dispositif (10) de commande destiné à fournir des données de tension de décalage au convertisseur (N/A) et les données de fréquence au synthétiseur de fréquence; une boucle à phase asservie
étant formée par le comparateur de phase, le filtre passe-
bas, le circuit de réglage de gain et l'additionneur de tensions pour minimiser la différence de phase en régulant une tension de commande appliquée à l'oscillateur TCXO commandé en tension, et ladite tension de commande étant délivrée en sortie en tant que ladite tension continue de référence.
8. Générateur de tension de haute précision selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre
une table (12) de correction de linéarité destinée à mémori-
ser des données de correction pour compenser un manque de
linéarité dans ladite relation entre la fréquence de l'oscil-
lateur TCXO et la tension appliquée à cet oscillateur TCXO, le dispositif de commande modifiant les données de fréquence pour le synthétiseur de fréquence sur la base des données de
correction extraites de la table de correction de linéarité.
9. Générateur de tension de haute précision selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un diviseur (17) de fréquence entre l'oscillateur commandé en tension et le comparateur de phases pour diviser la fréquence du signal d'oscillation provenant de l'oscillateur commandé en tension et appliquer un signal de fréquence divisé au
comparateur de phases.
10. Générateur de tension de haute précision selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second filtre passe-bas (15b) entre l'additionneur de tensions et l'oscillateur commandé en tension, et un
troisième filtre passe-bas (15a) entre la sortie de l'addi-
tionneur de tensions et une borne de sortie de la tension
continue de référence.
11. Générateur de tension de haute précision selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'oscillateur à fréquence de référence comprend un oscillateur étalon atomique.
12. Générateur de tension de haute précision selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'oscillateur à fréquence de référence produit le signal de fréquence de référence sur la base d'un signal étalon de fréquence émis par un satellite artificiel faisant partie du système de
positionnement sur la Terre (GPS).
13. Générateur de tension de haute précision
destiné à générer une tension continue de référence, caracté-
risé en ce qu'il comporte un oscillateur (4) commandé en tension qui présente une relation fixe et précise entre une fréquence d'un signal d'oscillation et une tension qui lui est appliquée; un oscillateur (6) à fréquence de référence destiné à générer un signal de fréquence de référence d'une haute précision et d'une stabilité supérieure à celle de la tension continue de référence devant être générée; un comparateur (5) de phase destiné à détecter une différence de phase entre le signal d'oscillation de l'oscillateur commandé en tension et le signal de fréquence de référence; un filtre passe-bas (7) destiné à lisser un signal de détection
provenant du comparateur de phase et représentant la diffé-
rence de phase; un circuit (8) de réglage de gain destiné à amplifier un signal provenant du filtre passe-bas; et une boucle à phase asservie formée par le comparateur de phase, le filtre passe-bas et le circuit de réglage de gain pour minimiser la différence de phase en régulant une tension de commande appliquée à l'oscillateur commandé en tension, ladite tension de commande étant délivrée en sortie en tant
que ladite tension continue de référence.
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