FR3127804A1 - Système de mesure d’une grandeur physique incidente - Google Patents

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Aurélien MAZZAMURRO
Nicolas Tiercelin
Vladimir Preobrazhensky
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Lille 2 Droit et Sante
Universite Polytechnique Hauts de France
Ecole Centrale de Lille
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Universite Lille 2 Droit et Sante
Universite Polytechnique Hauts de France
Ecole Centrale de Lille
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Abstract

Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) comprenant un générateur de signal (11) ; une boucle à verrouillage (12) comprenant un dispositif de réception (12a) apte à faire varier une caractéristique d’un paramètre physique lorsqu’il est soumis à une grandeur physique incidente, un générateur de contre-réaction (12b) apte à générer une grandeur physique de contre-réaction au dispositif de réception (12a), un comparateur (12c) apte à déterminer la valeur instantanée de la caractéristique du paramètre physique, et déterminer une différence instantanée entre la valeur instantanée de la caractéristique du paramètre physique et une fréquence de référence ou une phase de référence du signal de référence ; une commande de contre-réaction (12d) étant établie de sorte que la grandeur physique de contre-réaction fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre une valeur de référence ; un dispositif de détermination (13) qui déduit une caractéristique de la grandeur physique incidente. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 4

Description

Système de mesure d’une grandeur physique incidente
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un système de mesure d’une grandeur physique incidente notamment une grandeur physique du type champs magnétiques, champs électriques, position ou encore force.
Etat de la technique
Depuis plusieurs années, les capteurs comme par exemple les capteurs à ondes acoustiques de surface connus en anglais sous les termes Surface Acoustic Wave (SAW) ou encore les capteurs de taille micrométrique connus sous les termes anglais Micrometric Electro-Mechanical Systems (MEMS) comme les résonateurs piézoélectriques fonctionnalisés, font l’objet de nombreuses recherches en raison du fort potentiel d’intégration dans les systèmes de demain comme les systèmes interconnectés via le réseau 5G ou encore les systèmes intelligents. Ces dispositifs ont trouvé leurs applications dans de nombreux domaines comme la métallurgie, l’environnement ou encore les télécommunications notamment en raison de leur compacité et versatilité.
Ces capteurs sont par nature exploités et utilisés dans le domaine fréquentiel ce qui leur procure de nombreux avantages dont la compatibilité avec les systèmes de télécommunication actuels. Il peut cependant être difficile d’en exploiter les données notamment en raison de leur comportement non linéaire et hystérétique. Dans ce cas, il est donc difficile de concevoir un système permettant d’exploiter les données d’un tel capteur afin d’en constituer un réel dispositif de mesure.
La présente invention a pour but de proposer une solution qui réponde à tout ou partie des problèmes précités et notamment:
- fournir une solution permettant une mesure satisfaisante de champs magnétiques notamment les champs de l’ordre du nano ou pico teslas ;
- fournir une solution permettant une mesure satisfaisante de champs électriques ;
- fournir une solution permettant une mesure satisfaisante de position notamment pour les déplacements angulaires ou encore linéaires ;
- fournir une solution permettant une mesure satisfaisante de forces.
Ce but peut être atteint grâce un système de mesure d’une grandeur physique incidente comprenant une boucle à verrouillage et un générateur de signal apte à délivrer un signal de référence. La boucle à verrouillage comprend :
- un dispositif de réception apte à faire varier une caractéristique d’un paramètre physique, entre une valeur de référence prédéterminée et une valeur instantanée, au moins lorsque le dispositif de réception est soumis à une grandeur physique incidente ; la caractéristique du paramètre physique étant une fréquence ou une phase ;
- un générateur de contre-réaction apte à générer et appliquer une grandeur physique de contre-réaction au dispositif de réception à partir d’une commande de contre-réaction ; le dispositif de réception étant apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique lorsque la grandeur physique de contre-réaction est appliquée au dispositif de réception ;
- un comparateur, apte à déterminer la valeur instantanée de la caractéristique du paramètre physique, et configuré pour déterminer une différence instantanée entre la valeur instantanée de la caractéristique du paramètre physique et une fréquence de référence ou une phase de référence du signal de référence ; la commande de contre-réaction étant établie à partir de la différence instantanée ;
la commande de contre-réaction étant formée de sorte que la grandeur physique de contre-réaction générée et appliquée au dispositif de réception fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre la valeur de référence.
Le système de mesure comprend un dispositif de détermination qui déduit une caractéristique de la grandeur physique incidente à partir de la différence instantanée.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, la grandeur physique incidente est un champ magnétique incident ;
le dispositif de réception étant un dispositif magnéto-sensible apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique, entre la valeur de référence prédéterminée et la valeur instantanée, au moins lorsque le dispositif de réception est soumis au champ magnétique incident ;
la grandeur physique de contre-réaction étant un champ magnétique de contre-réaction; le dispositif de réception étant apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique lorsque le champ magnétique de contre-réaction est appliqué au dispositif de réception ;
la commande de contre-réaction étant formée de sorte que le champ magnétique de contre-réaction généré et appliqué au dispositif de réception fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre la valeur de référence ;
le dispositif de détermination déduisant une caractéristique de la grandeur physique incidente à partir de la différence instantanée.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, le générateur de contre-réaction est formé par au moins un élément choisi dans le groupe comprenant une bobine conductrice d’électricité, une ligne de courant, un fil et un aimant à position variable.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, le dispositif de réception est choisi dans le groupe comprenant une ligne à retard à ondes acoustiques de surface fonctionnalisée par un film mince magnéto-élastique, un filtre LC, un résonateur magnéto-électrique, un résonateur magnéto-mécanique de type MEMS à force de Lorentz, un capteur à résonance magnétique nucléaire et un circuit résonant astable comprenant une magnéto-résistance, ou une magnéto-capacitance ou une magnéto-impédance.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, la grandeur physique incidente est une force incidente ;
le dispositif de réception étant un dispositif sensible aux forces apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique, entre la valeur de référence prédéterminée et la valeur instantanée, au moins lorsque le dispositif de réception est soumis à une force incidente ;
la grandeur physique de réaction étant une force de contre-réaction; le dispositif de réception étant apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique lorsque la force de contre-réaction est appliquée au dispositif de réception ;
la commande de contre-réaction étant formée de sorte que la force de contre-réaction générée et appliquée au dispositif de réception fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre la valeur de référence ;
le dispositif de détermination déduisant une caractéristique de la force incidente à partir de la différence instantanée.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, le dispositif de réception est un accéléromètre ou un gyroscope et le générateur de contre-réaction est formé par un générateur de force électrostatique comprenant des peignes interdigités, par un générateur de couple magnétique par formation d’interactions Zeeman, ou un générateur de forces de Laplace.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, la grandeur physique incidente est un champ électrique incident ;
le dispositif de réception étant un dispositif sensible aux champs électriques apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique, entre la valeur de référence prédéterminée et la valeur instantanée, au moins lorsque le dispositif de réception est soumis au champ électrique incident;
la grandeur physique de contre-réaction étant un champ électrique de contre-réaction; le dispositif de réception étant apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique lorsque le champ électrique de contre-réaction est appliqué au dispositif de réception ;
la commande de contre-réaction étant formée de sorte que le champ électrique de contre-réaction généré et appliqué au dispositif de réception fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre la valeur de référence ;
le dispositif de détermination déduisant une caractéristique du champ électrique incident à partir de la différence instantanée.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, le dispositif de réception est choisi parmi une antenne, une sonde de champ électrique comportant plusieurs plaques conductrices, un capteur à pales rotatives ou un capteur MEMS et le générateur de contre-réaction est formé par un ensemble de plaques conductrices agencées de sorte que le dispositif de réception soit positionné entre lesdites plaques conductrices.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, la grandeur physique incidente est une position à déterminer ;
le dispositif de réception étant un dispositif déterminant des positions apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique, entre la valeur de référence prédéterminée et la valeur instantanée, au moins lorsque le dispositif de réception est dans la position à déterminer ;
la grandeur physique de contre-réaction étant un mouvement de contre-réaction; le dispositif de réception étant apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique lorsque le mouvement de contre-réaction est appliqué au dispositif de réception ;
la commande de contre-réaction étant formée de sorte que le mouvement de contre-réaction généré et appliqué au dispositif de réception fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre la valeur de référence ;
le dispositif de détermination déduisant une caractéristique de la position à déterminer à partir de la différence instantanée.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, le dispositif de réception comprend un capteur de position linéaire ou angulaire et le générateur de contre-réaction est formé par un actionneur piézoélectrique.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, le générateur de signal comprend une boucle à verrouillage de phase et une référence stable de fréquence.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, le générateur de contre-réaction entoure au moins en partie le dispositif de réception.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, la boucle à verrouillage comprend un filtre passe bas agencé entre le comparateur et le générateur de contre-réaction.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, la boucle de verrouillage comprend un amplificateur agencé entre le comparateur et le générateur de contre-réaction.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, la fréquence de référence et/ou la phase de référence du signal de référence dépendent uniquement du générateur de signal.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, un diviseur de fréquence est agencé entre le dispositif de réception et le comparateur.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, un diviseur de fréquence est agencé entre le générateur de signal et le comparateur.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, la caractéristique du paramètre physique est une fréquence ou une phase liée au dispositif de réception.
Dans une mise en œuvre du système de mesure, le générateur de signal génère en outre un signal primaire, dont une fréquence et/ou une phase sont identiques, en sortie du générateur de signal, respectivement à la fréquence de référence et à la phase de référence, et aptes à être modifiées par le dispositif de réception lorsque au moins un parmi la grandeur physique incidente et la grandeur physique de contre-réaction est appliqué au dispositif de réception pour résulter en un signal secondaire caractérisé par une fréquence de sortie et/ou une phase de sortie modifiées par rapport à la fréquence ou à la phase du signal primaire ; la caractéristique du paramètre physique étant la fréquence de sortie ou la phase de sortie.
D’autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de modes de réalisation préférés de celle-ci, donnée à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
La représente une vue schématique d’un exemple de système de mesure d’une grandeur physique incidente selon l’invention dans lequel le générateur de contre-réaction entoure au moins en partie le dispositif de réception et dans lequel la caractéristique du paramètre physique est une fréquence ou une phase liée au dispositif de réception.
La représente une vue schématique d’un exemple de système de mesure d’une grandeur physique incidente selon l’invention dans lequel la boucle à verrouillage comprend un filtre passe bas et un amplificateur agencés entre le comparateur et le générateur de contre-réaction et dans lequel le paramètre physique est une fréquence ou une phase liée au dispositif de réception.
La représente une vue schématique d’un exemple de système de mesure d’une grandeur physique incidente selon l’invention dans lequel la boucle à verrouillage comprend un filtre passe bas et un amplificateur agencés entre le comparateur et le générateur de contre-réaction et un diviseur de fréquence agencé entre le dispositif de réception et le comparateur et dans lequel la caractéristique du paramètre physique est une fréquence ou une phase liée au dispositif de réception.
La représente une vue schématique d’un exemple de système de mesure d’une grandeur physique incidente selon l’invention dans lequel le générateur de signal génère un signal primaire, dont une fréquence et/ou une phase sont identiques, en sortie du générateur de signal, respectivement à la fréquence de référence et à la phase de référence, et aptes à être modifiées par le dispositif de réception lorsque au moins un parmi la grandeur physique incidente et la grandeur physique de contre-réaction est appliqué au dispositif de réception pour résulter en un signal secondaire caractérisé par une fréquence de sortie et/ou une phase de sortie modifiées par rapport à la fréquence ou à la phase du signal primaire.
La représente une vue schématique d’un exemple de système de mesure d’une grandeur physique incidente selon l’invention dans lequel le générateur de signal génère en outre un signal primaire, un signal secondaire étant relié au comparateur et la boucle à verrouillage comprenant un filtre passe bas et un amplificateur.
La représente une vue schématique d’un exemple de système de mesure d’une grandeur physique incidente selon l’invention dans lequel le générateur de signal comprend une boucle à verrouillage de phase et une référence stable de fréquence.
La représente une vue schématique d’un exemple dans lequel le générateur de signal comprend une boucle à verrouillage de phase comprenant une référence stable de fréquence reliée à un premier diviseur de fréquence, un deuxième comparateur de phase ou de fréquence, un filtre et un oscillateur rebouclant sur le deuxième comparateur de phase ou de fréquence via un deuxième diviseur de fréquence.
La représente un exemple de variation de la valeur du paramètre physique, ici une fréquence en Mhz, en fonction d’une grandeur physique incidente, ici un champ magnétique incident en milliteslas et appliqué au dispositif de réception. Le point de fonctionnement optimal est indiqué par la flèche.
La représente un exemple de détermination de la grandeur physique incidente qui est un champ magnétique incident en milliteslas à partir de la commande en courant appliquée au générateur de contre-réaction et donnée en ampères.
La représente un exemple de système de mesure d’une grandeur physique incidente selon l’invention dans lequel un diviseur de fréquence est agencé entre le dispositif de réception et le comparateur, et dans lequel un diviseur de fréquence est agencé entre le générateur de signal et le comparateur.

Claims (19)

  1. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) comprenant :
    • un générateur de signal (11) apte à délivrer un signal de référence;
    • une boucle à verrouillage (12) comprenant :
      • un dispositif de réception (12a) apte à faire varier une caractéristique d’un paramètre physique, entre une valeur de référence prédéterminée et une valeur instantanée, au moins lorsque le dispositif de réception (12a) est soumis à une grandeur physique incidente ; la caractéristique du paramètre physique étant une fréquence ou une phase ;
      • un générateur de contre-réaction (12b) apte à générer et appliquer une grandeur physique de contre-réaction au dispositif de réception (12a) à partir d’une commande de contre-réaction (12d) ; le dispositif de réception (12a) étant apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique lorsque la grandeur physique de contre-réaction est appliquée au dispositif de réception (12a) ;
      • un comparateur (12c), apte à déterminer la valeur instantanée de la caractéristique du paramètre physique, et configuré pour déterminer une différence instantanée entre la valeur instantanée de la caractéristique du paramètre physique et une fréquence de référence ou une phase de référence du signal de référence ; la commande de contre-réaction (12d) étant établie à partir de la différence instantanée ;
    la commande de contre-réaction (12d) étant formée de sorte que la grandeur physique de contre-réaction générée et appliquée au dispositif de réception (12a) fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre la valeur de référence ;
    • un dispositif de détermination (13) qui déduit une caractéristique de la grandeur physique incidente à partir de la différence instantanée.
  2. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon la revendication 1, dans lequel la grandeur physique incidente est un champ magnétique incident ;
    dans lequel le dispositif de réception (12a) est un dispositif magnéto-sensible apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique, entre la valeur de référence prédéterminée et la valeur instantanée, au moins lorsque le dispositif de réception (12a) est soumis au champ magnétique incident ;
    dans lequel la grandeur physique de contre-réaction est un champ magnétique de contre-réaction; le dispositif de réception (12a) étant apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique lorsque le champ magnétique de contre-réaction est appliqué au dispositif de réception (12a) ;
    la commande de contre-réaction (12d) étant formée de sorte que le champ magnétique de contre-réaction généré et appliqué au dispositif de réception (12a) fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre la valeur de référence ;
    dans lequel le dispositif de détermination (13) déduit une caractéristique de la grandeur physique incidente à partir de la différence instantanée.
  3. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon la revendication 2 dans lequel le générateur de contre-réaction (12b) est formé par au moins un élément choisi dans le groupe comprenant une bobine conductrice d’électricité, une ligne de courant, un fil et un aimant à position variable.
  4. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel le dispositif de réception (12a) est choisi dans le groupe comprenant une ligne à retard à ondes acoustiques de surface fonctionnalisée par un film mince magnéto-élastique, un filtre LC, un résonateur magnéto-électrique, un résonateur magnéto-mécanique de type MEMS à force de Lorentz, un capteur à résonance magnétique nucléaire, un circuit résonant astable comprenant une magnéto-résistance, une magnéto-capacitance ou une magnéto-impédance.
  5. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon la revendication 1, dans lequel la grandeur physique incidente est une force incidente ;
    dans lequel le dispositif de réception (12a) est un dispositif sensible aux forces apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique, entre la valeur de référence prédéterminée et la valeur instantanée, au moins lorsque le dispositif de réception (12a) est soumis à une force incidente ;
    dans lequel la grandeur physique de réaction est une force de contre-réaction; le dispositif de réception (12a) étant apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique lorsque la force de contre-réaction est appliquée au dispositif de réception (12a) ;
    la commande de contre-réaction (12d) étant formée de sorte que la force de contre-réaction générée et appliquée au dispositif de réception (12a) fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre la valeur de référence ;
    dans lequel le dispositif de détermination (13) déduit une caractéristique de la force incidente à partir de la différence instantanée.
  6. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon la revendication 5, dans lequel le dispositif de réception (12a) est un accéléromètre ou un gyroscope et dans lequel le générateur de contre-réaction (12b) est formé par un générateur de force électrostatique comprenant des peignes interdigités, par un générateur de couple magnétique par formation d’interactions Zeeman, ou un générateur de forces de Laplace.
  7. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon la revendication 1, dans lequel la grandeur physique incidente est un champ électrique incident;
    dans lequel le dispositif de réception (12a) est un dispositif sensible aux champs électriques apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique, entre la valeur de référence prédéterminée et la valeur instantanée, au moins lorsque le dispositif de réception (12a) est soumis au champ électrique incident ;
    dans lequel la grandeur physique de contre-réaction est un champ électrique de contre-réaction; le dispositif de réception (12a) étant apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique lorsque le champ électrique de contre-réaction est appliqué au dispositif de réception (12a) ;
    la commande de contre-réaction (12d) étant formée de sorte que le champ électrique de contre-réaction généré et appliqué au dispositif de réception (12a) fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre la valeur de référence ;
    dans lequel le dispositif de détermination (13) déduit une caractéristique du champ électrique incident à partir de la différence instantanée.
  8. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon la revendication 7, dans lequel le dispositif de réception (12a) est choisi parmi une antenne, une sonde de champ électrique comportant plusieurs plaques conductrices, un capteur à pales rotatives ou un capteur MEMS et dans lequel le générateur de contre-réaction (12b) est formé par un ensemble de plaques conductrices agencées de sorte que le dispositif de réception (12a) soit positionné entre lesdites plaques conductrices.
  9. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon la revendication 1, dans lequel la grandeur physique incidente est une position à déterminer;
    dans lequel le dispositif de réception (12a) est un dispositif déterminant des positions apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique, entre la valeur de référence prédéterminée et la valeur instantanée, au moins lorsque le dispositif de réception (12a) est dans la position à déterminer ;
    dans lequel la grandeur physique de contre-réaction est un mouvement de contre-réaction; le dispositif de réception (12a) étant apte à faire varier la caractéristique du paramètre physique lorsque le mouvement de contre-réaction est appliqué au dispositif de réception (12a) ;
    la commande de contre-réaction (12d) étant formée de sorte que le mouvement de contre-réaction généré et appliqué au dispositif de réception (12a) fasse varier la caractéristique du paramètre physique pour atteindre la valeur de référence ;
    dans lequel le dispositif de détermination (13) déduit une caractéristique de la position à déterminer à partir de la différence instantanée.
  10. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon la revendication 9, dans lequel le dispositif de réception (12a) comprend un capteur de position linéaire ou angulaire et dans lequel le générateur de contre-réaction (12b) est formé par un actionneur piézoélectrique.
  11. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le générateur de signal (11) comprend une boucle à verrouillage (11a) de phase et une référence stable de fréquence (11b).
  12. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le générateur de contre-réaction (12b) entoure au moins en partie le dispositif de réception (12a).
  13. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel la boucle à verrouillage (12) comprend un filtre passe bas (12e) agencé entre le comparateur (12c) et le générateur de contre-réaction (12b).
  14. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel la boucle de verrouillage (12) comprend un amplificateur (12f) agencé entre le comparateur (12c) et le générateur de contre-réaction (12b).
  15. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel la fréquence de référence et/ou la phase de référence du signal de référence dépendent uniquement du générateur de signal (11).
  16. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 15, dans lequel un diviseur de fréquence (12i) est agencé entre le dispositif de réception (12a) et le comparateur (12c).
  17. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 16, dans lequel un diviseur de fréquence (12i) est agencé entre le générateur de signal (11) et le comparateur (12c).
  18. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 17, dans lequel la caractéristique du paramètre physique est une fréquence ou une phase liée au dispositif de réception (12a).
  19. Système de mesure d’une grandeur physique incidente (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 18, dans lequel le générateur de signal (11) génère en outre un signal primaire (11c), dont une fréquence et/ou une phase sont identiques, en sortie du générateur de signal (11), respectivement à la fréquence de référence et à la phase de référence, et aptes à être modifiées par le dispositif de réception (12a) lorsque au moins un parmi la grandeur physique incidente et la grandeur physique de contre-réaction est appliqué au dispositif de réception (12a) pour résulter en un signal secondaire (12g) caractérisé par une fréquence de sortie et/ou une phase de sortie modifiées par rapport à la fréquence ou à la phase du signal primaire ;
    la caractéristique du paramètre physique étant la fréquence de sortie ou la phase de sortie.
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