[0001] La présente invention a pour objet un dispositif pour produire un premier signal
ayant une première fréquence, comportant :
- des premiers moyens générateurs pour produire un deuxième signal ayant une deuxième
fréquence qui varie au moins sensiblement paraboliquement en fonction de la température
avec un premier coefficient quadratique, qui a une première valeur maximale à une
première température d'inversion, et qui a une première valeur déterminée à une température
de référence;
- des deuxièmes moyens générateurs pour produire un troisième signal ayant une troisième
fréquence qui varie également au moins sensiblement paraboliquement en fonction de
la température avec un deuxième coefficient quadratique différent dudit premier coefficient
parabolique, qui a une deuxième valeur maximale à une deuxième température d'inversion
au moins sensiblement égale à ladite première température d'inversion, et qui a une
deuxième valeur déterminée à ladite température de référence; et
- des moyens de mélange pour produire un quatrième signal ayant une quatrième fréquence
égale à la différence entre ladite deuxième et ladite troisième fréquence.
[0002] Un tel dispositif est décrit, par exemple, dans les brevets CH 626 500 et CH 631
315.
[0003] Les deux dispositifs décrits dans ces documents comportent un circuit générateur
qui répond au signal fourni par le circuit de mélange pour produire des impulsions
de correction dont la fréquence dépend de celle de ce signal de mélange, et donc de
la température. Le signal de sortie de ces deux dispositifs est obtenu en ajoutant
ces impulsions de correction au signal fourni, après division de sa fréquence, par
l'un des deux circuits oscillateurs.
[0004] Il résulte de cette disposition que la fréquence du signal de sortie fourni par ces
dispositifs est bien sensiblement indépendante de la température lorsqu'elle est mesurée
sur une période assez longue. Mais il résulte également de cette disposition que cette
fréquence du signal de sortie présente des variations brusques à chaque apparition
d'une impulsion de correction. En d'autres termes, le spectre de fréquences de ce
signal de sortie présente un très grand nombre de raies de largeurs assez importantes,
la position de ces raies variant en outre avec la température.
[0005] Les dispositifs décrits dans les documents mentionnés ci-dessus ne peuvent donc pas
être utilisés dans les cas où il est nécessaire de disposer d'un signal ayant non
seulement une fréquence indépendante de la température mais également un spectre de
fréquences ne comportant qu'un nombre réduit de raies ayant des positions fixes, également
indépendantes de la température. Un signal présentant ces propriétés est par exemple
nécessaire lorsqu'il faut synchroniser, dans un appareil de télécommunication, un
signal à haute fréquence capté par une antenne avec un signal à basse fréquence produit
dans cet appareil.
[0006] Il est bien connu que des oscillateurs comportant un résonateur en quartz de coupe
dite AT produisent des signaux dont la fréquence est très stable en fonction de la
température. Mais, par nature, cette fréquence est assez élevée. Si l'on désire réaliser
un dispositif fournissant un signal ayant une fréquence relativement basse à partir
d'un tel oscillateur, il est donc nécessaire d'associer à ce dernier un circuit diviseur
de fréquence, ce qui complique et renchérit ce dispositif. En outre, l'énergie électrique
consommée par un tel circuit diviseur de fréquence est assez importante à cause de
la fréquence élevée du signal qu'il reçoit, ce qui peut représenter un grave inconvénient
lorsque cette énergie électrique doit être fournie par une source de faibles dimensions
telle que la pile d'une montre-bracelet électronique.
[0007] Un but de la présente invention est donc de proposer un dispositif du même genre
que ceux qui sont décrits dans les brevets mentionnés ci-dessus mais qui ne présente
pas leurs inconvénients également mentionnés ci-dessus, c'est-à-dire un dispositif
produisant un signal de sortie ayant une fréquence au moins sensiblement indépendante
de la température mais ayant de plus un spectre de fréquences ne comportant qu'un
nombre réduit de raies, la position de ces raies étant en outre aussi sensiblement
indépendante de la température.
[0008] Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif fournissant un
signal ayant une fréquence qui présente une variation en fonction de la température
aussi faible que celle de la fréquence du signal fourni par un oscillateur comportant
un résonateur de coupe AT mais qui peut être beaucoup plus basse que cette dernière.
[0009] Ces buts sont atteints par le dispositif selon la présente invention dont les caractéristiques
sont énumérées dans la revendication 1 ci-jointe.
[0010] Comme cela sera rendu évident plus loin, il découle de ces caractéristiques que la
fréquence du signal fourni par un dispositif selon la présente invention est au moins
sensiblement indépendante de la température et ne présente aucun saut brusque lorsque
cette température varie. Le spectre des fréquences de ce signal ne présente donc qu'un
petit nombre de raies, et la position de ces raies est aussi sensiblement indépendante
de la température.
[0011] De plus, il découle de ces caractéristiques que la fréquence du signal fourni par
un dispositif selon la présente invention peut être beaucoup plus basse que celle
du signal fourni par un oscillateur comprenant un résonateur en quartz de coupe AT.
Il est donc possible, dans de nombreux cas, d'utiliser directement le signal fourni
par un dispositif selon la présente invention, sans avoir à abaisser sa fréquence
à l'aide d'un circuit diviseur de fréquence, ce qui diminue le prix de revient et
la consommation d'énergie électrique de ce dispositif. En outre, si un circuit diviseur
de fréquence est malgré tout associé à un dispositif selon la présente invention,
sa consommation d'énergie électrique sera faible puisque la fréquence du signal fourni
par ce dispositif est basse.
[0012] D'autres buts et avantages de la présente invention seront rendus évidents par la
description qui va suivre et qui sera faite à l'aide du dessin annexé dans lequel
:
- la figure 1, unique, est un schéma d'une forme d'exécution du dispositif selon la
présente invention et d'une variante de cette dernière.
[0013] Dans sa forme d'exécution représentée schématiquement et à titre d'exemple non limitatif
à la figure 1, le dispositif selon la présente invention, qui est désigné dans son
ensemble par la référence 1, est destiné à fournir, à une borne de sortie désignée
par la référence O, un signal périodique S1 ayant une fréquence F1 dont ils sera montré
plus loin qu'elle est au moins sensiblement indépendante de la température.
[0014] A cet effet, le dispositif 1 comporte un premier et un deuxième circuit générateur,
respectivement désignés par les références 2 et 3, ainsi qu'un circuit mélangeur désigné
par la référence 4.
[0015] Après avoir lu la suite de cette description, l'homme du métier n'aura aucune peine
à réaliser les générateurs 2 et 3 de l'une ou de l'autre des diverses manières qu'il
connaît bien. Ces générateurs 2 et 3 ne seront donc pas décrits en détail ici.
[0016] On mentionnera simplement que les générateurs 2 et 3 sont agencés de manière à fournir
à leur sortie un signal S2 ayant une fréquence F2 et, respectivement, un signal S3
ayant une fréquence F3.
[0017] A cet effet, les générateurs 2 et 3 comportent chacun un circuit oscillateur formé,
de manière classique, par un amplificateur, non représenté séparément, couplé à un
résonateur piézo-électrique dont les caractéristiques seront précisées plus loin.
[0018] Selon les cas, les signaux S2 et/ou S3 peuvent être fournis directement par l'oscillateur
faisant partie du générateur 2 ou 3 respectif, ou être fournis par des circuits diviseurs
de fréquence recevant le signal produit par l'oscillateur respectif et fournissant
ces signaux S2 ou S3.
[0019] Le résonateur qui fait partie du générateur 2 et dont les caractéristiques déterminent
donc la fréquence F2 du signal S2 a été représenté avec la référence 5, et le résonateur
qui fait partie du générateur 3 et dont les caractéristiques déterminent donc la fréquence
F3 du signal S3 a été représenté avec la référence 6.
[0020] Dans le présent exemple, le résonateur 5 et le résonateur 6 ont tous deux la forme
d'un diapason en quartz, mais le résonateur 5 est agencé de manière que ses branches
vibrent dans un mode de flexion, alors que le résonateur 6 est agencé de manière que
ses branches vibrent dans un mode de torsion.
[0021] En outre, dans le présent exemple, les résonateurs 5 et 6 sont agencés de manière
que la fréquence F2 du signal S2 soit inférieure à la fréquence F3 du signal S3, et
que ces fréquences F2 et F3 soient dans un rapport déterminé dont la valeur sera précisée
plus loin, de même que d'autres caractéristiques de ces résonateurs 5 et 6.
[0022] Le circuit mélangeur 4 que comporte encore le dispositif 1 est aussi un circuit que
l'homme du métier n'aura aucune peine à réaliser de l'une ou l'autre des diverses
manières qu'il connaît bien. Ce circuit mélangeur 4 ne sera donc pas non plus décrit
en détail ici.
[0023] On mentionnera simplement que le circuit mélangeur 4 comporte deux entrées dont l'une
est reliée à la sortie du générateur 2 et reçoit donc le signal S2 et dont l'autre
est reliée à la sortie du générateur 3 et reçoit donc le signal S3.
[0024] On mentionnera également que le circuit mélangeur 4 est agencé de manière que la
fréquence F4 du signal S4 qu'il fournit à sa sortie soit égale à la différence des
fréquences F3 et F2 des signaux S3 et, respectivement, S2.
[0025] Dans la forme d'exécution représentée en traits pleins à la figure 1, la sortie du
circuit mélangeur 4 est reliée directement à la sortie 0 du dispositif 1, de sorte
que le signal S1 est constitué par le signal S4 et que, bien entendu, la fréquence
F1 est identique à la fréquence F4. Cette fréquence F1 du signal S1 est donc, dans
ce cas, égale à la différence des fréquences F3 et F2.
[0026] L'homme du métier comprendra que, si nécessaire, le circuit mélangeur 4 peut comporter
un filtre destiné à empêcher l'apparition, dans le signal S1, de composantes parasites
ayant des fréquences différentes de la fréquence F1.
[0027] L'homme du métier sait bien que la constitution des résonateurs 5 et 6 mentionnée
ci-dessus a comme conséquence que la variation des fréquences F2 et F3 en fonction
de la température, qui sera désignée par T, est donnée par deux équations, bien connues
des spécialistes, ayant des formes semblables.
[0028] Ainsi, la variation de la fréquence F2 en fonction de la température T est donnée
par l'équation suivante :

dans laquelle :
- Tr est une température de référence qui est souvent choisie égale à 25°C;
- F2r est la fréquence du signal S2 à la température Tr; et
- α1, β1, et γ1 sont des coefficients qui dépendent notamment des caractéristiques géométriques,
mécaniques et électriques du résonateur 5 et de la valeur choisie pour la température
de référence Tr.
[0029] De même, la variation de la fréquence F3 en fonction de la température T est donnée
par l'équation suivante :

dans laquelle :
- Tr est la même température de référence que dans l'équation (1);
- F3r est la fréquence du signal S3 à la température Tr; et
- α2, β2, γ2 sont des facteurs qui dépendent notamment des caractéristiques géométriques, mécaniques
et électriques du résonateur 6 et de la valeur choisie pour la température de référence
Tr.
[0030] Les deux coefficients α
1 et α
2, les deux coefficients β
1 et β
2, ainsi que les deux coefficients γ
1 et γ
2 sont généralement appelés, respectivement, coefficients linéaires, quadratiques et
cubiques.
[0031] Pour simplifier les considérations qui vont suivre, on admettra dans un premier temps
que les coefficients cubiques γ
1 et γ
2 ont des valeurs très faibles, ce qui est effectivement le cas, de sorte que les termes
γ
1(T-T
r)
3 et γ
2(T-T
r)
3 qui apparaissent dans l'équation (1) et, respectivement, dans l'équation (2) ci-dessus
peuvent être négligés.
[0032] Dans ces conditions, les équations (1) et (2) deviennent respectivement :

et

[0033] Ces équations (3) et (4) montrent que, toujours dans les conditions ci-dessus, les
fréquences F2 et F3 varient de manière parabolique en fonction de la température T.
En outre, ces équations (3) et (4) montrent que les fréquences F2 et F3 ont des valeurs
maximales F2
0 et, respectivement, F3
0 lorsque la température T a des valeurs T
01 et, respectivement, T
02 données par les équations suivantes :

et

[0034] Ces températures T
01 et T
02 sont celles qui sont généralement appelées températures d'inversion des résonateurs
5 et, respectivement, 6.
[0035] Pour une raison qui sera rendue évidente plus loin, les caractéristiques des résonateurs
5 et 6 sont notamment déterminées de manière que, d'une part, la fréquence F2(T) soit
toujours inférieure à la fréquence F3(T) et, d'autre part, que le coefficient quadratique
β
1 soit supérieur au coefficient quadratique β
2. L'homme du métier verra que ces conditions, ainsi que d'autres conditions qui seront
définies plus loin, peuvent être facilement remplies du fait que le résonateur 5 vibre
dans un mode de flexion et que le résonateur 6 vibre dans un mode de torsion.
[0036] On admettra également, pour une raison qui sera rendue évidente plus loin, que les
caractéristiques des résonateurs 5 et 6 sont déterminées de manière que les températures
d'inversion T
01 et T
02 soient égales. Les équations (5) et (6) montrent que, dans ces conditions, on a notamment
:

[0037] On admettra encore, toujours pour une raison qui sera rendue évidente plus loin,
que les caractéristiques de résonateurs 5 et 6 sont également déterminées de manière
que le rapport des coefficients quadratiques β
1 et β
2 soit égal à l'inverse du rapport des valeurs F2
r et F3
r que les fréquences F2(T) et F3(T) ont à la température de référence T
r ou, en d'autres termes, que l'on ait :

ou encore :

[0038] Comme on l'a vu ci-dessus, la fréquence F1 du signal S1 fourni par le circuit mélangeur
4 est égale à la différence des fréquences F3 et F2 des signaux S3 et, respectivement,
S2. Selon les équations (3) et (4), on a donc :

[0039] En remplaçant α
2 et F2
r, dans les deuxième et troisième termes de l'équation (9), par leurs valeurs respectives
données par les équations (7) et (8), on obtient :

[0040] On voit que, dans les conditions définies ci-dessus, les facteurs qui multiplient
respectivement les termes (T-T
r) et (T-T
r)
2 de l'équation (9) sont nuls. Il en découle que cette équation (9) se réduit à :

[0041] Comme les fréquences F2
r et F3
r sont indépendantes de la température T, la fréquence F1 du signal S1 l'est aussi.
[0042] Les considérations qui viennent d'être faites sont évidemment aussi valables si l'on
tient compte, malgré leur faible valeur, des termes γ
1(T-T
r)
3 et γ
2(T-T
r)
3 qui font respectivement partie des équations (1) et (2) ci-dessus. L'homme du métier
verra facilement que, dans un tel cas, la variation de la fréquence F1 du signal S1
en fonction de la température T est donnée par l'équation suivante :

Cette équation (11) est celle d'une courbe cubique ayant un point d'inflexion situé
à la température T
r.
[0043] L'homme du métier verra facilement que le dernier terme de l'équation (11) a des
valeurs extrêmement faibles, de sorte que la fréquence F1 du signal S1 est, malgré
l'influence de ce terme, pratiquement indépendante de la température T.
[0044] Il est cependant évident que l'équation (11) ci-dessus ne représente la variation
de la fréquence F1 du signal S1 en fonction de la température T que lorsque les conditions
mentionnées ci-dessus sont strictement remplies, c'est-à-dire lorsque les températures
d'inversion T
01 et T
02 sont égales, et que le rapport des coefficients quadratiques β
1 et β
2 est égal à l'inverse du rapport des fréquences F2
r et F3
r.
[0045] L'homme du métier sait bien que ces conditions ne peuvent généralement pas être remplies
facilement lorsque les résonateurs 5 et 6 sont fabriqués en grandes séries. Pour remplir
ces conditions, il est évidemment possible de prendre des mesures spéciales lors de
la fabrication de ces résonateurs telles que leur tri en fonction de leurs caractéristiques
et leur appariement. Mais de telles mesures augmentent évidemment le prix de revient
de ces résonateurs, et donc celui du dispositif qui les emploie.
[0046] La déposante a cependant déterminé analytiquement et vérifié par des essais que même
si un dispositif tel que le dispositif 1 est fabriqué en utilisant des résonateurs
non appariés, tels qu'il sortent de leurs chaînes de fabrication respectives, la variation
de la fréquence F1 du signal S1 produit par ce dispositif en fonction de la température
T est toujours nettement inférieure à celle du signal fourni par un oscillateur classique
comportant un résonateur vibrant dans un mode de flexion ou de torsion.
[0047] Ainsi, par exemple, la déposante a réalisé des dispositifs selon la présente invention
en utilisant des résonateurs tels que les températures d'inversion des signaux S2
et S3 différaient de 10°C et que le rapport des coefficients β
1 et β
2 n'était égal au rapport inverse des fréquences F2
r et F3
r qu'à +/- 10 % près.
[0048] La déposante a constaté que, même dans ces conditions extrêmes, la variation de la
fréquence F1 dans un domaine de températures allant de - 40°C à +85°C est toujours
inférieure à +/- 10 ppm.
[0049] A titre de comparaison, on sait que la fréquence d'un signal fourni par un oscillateur
classique varie, dans le même domaine de température, entre 0 et -160 ppm environ
lorsque le résonateur de cet oscillateur vibre dans un mode de flexion, et entre 0
et -56 ppm environ lorsque ce résonateur vibre dans un mode de torsion.
[0050] Il faut noter que, de toutes façons, la fréquence F1 du signal S1 suit une courbe
sensiblement cubique lorsque la température T varie.
[0051] Il en résulte que les différences de la fréquence F1 du signal S1 ont des signes
opposés selon que la température T est supérieure ou inférieure à la température de
référence T
r, ce qui assure automatiquement une compensation presque parfaite de ces différences
lorsque la température T varie de part et d'autre de cette température de référence
T
r.
[0052] L'homme du métier verra que cette variation de la fréquence F1 en fonction de la
température T est similaire à celle de la fréquence du signal fourni par un oscillateur
comportant un résonateur du type dit AT. Mais l'homme du métier sait également que
cette dernière fréquence est, par nature, assez élevée, et qu'il est très souvent
nécessaire d'associer à un tel oscillateur un circuit diviseur de fréquence, avec
les divers inconvénients, mentionnés ci-dessus, qui sont liés à la présence d'un tel
circuit.
[0053] On voit par contre facilement que la fréquence du signal fourni par un dispositif
selon la présente invention peut être relativement basse puisqu'elle est égale à la
différence des fréquences de deux autres signaux, les signaux S2 et S3 dans l'exemple
décrit ci-dessus. Il n'est donc souvent pas nécessaire d'associer un circuit diviseur
de fréquence à ce dispositif, ce qui élimine les inconvénients liés à la présence
d'un tel circuit. Et même si un circuit diviseur de fréquence doit, pour une raison
ou une autre, être associé à un dispositif selon la présente invention, sa consommation
d'énergie électrique est beaucoup plus faible que dans le cas d'un oscillateur comportant
un résonateur de type AT puisque la fréquence du signal qu'il reçoit est beaucoup
plus basse que dans ce dernier cas.
[0054] On voit donc que le dispositif selon la présente invention présente sensiblement
le même avantage de stabilité de la fréquence du signal qu'il fournit en fonction
de la température qu'un oscillateur comportant un résonateur de coupe AT, sans présenter
les inconvénients de ce dernier.
[0055] On voit également que lorsque la température varie, la fréquence du signal fourni
par un dispositif selon la présente invention varie de manière continue, sans aucun
saut brusque, contrairement à la fréquence des signaux produits par les dispositifs
décrits dans les brevets CH 626 500 et CH 631 315 mentionnés ci-dessus. Il en découle
que le spectre des fréquences du signal fourni par un dispositif selon la présente
invention ne présente qu'un faible nombre de raies et que la position de ces raies
est sensiblement indépendante de la température.
[0056] En particulier, on notera que l'on choisira de préférence des coefficients quadratiques
β
1 et β
2 et des valeurs de fréquences F2
r et F3
r dans un rapport entier permettant d'éliminer les composantes parasites du signal
de sortie et d'obtenir une grande pureté spectrale. Ce résultat est par exemple avantageusement
obtenu par l'utilisation d'un diapason quartz vibrant en flexion pour produire le
signal S2 et dont le coefficient quadratique β
1 vaut par expérience sensiblement -0.038 ppm/°C, et par l'utilisation d'un diapason
quartz vibrant en torsion pour produire le signal S3 et dont le coefficient quadratique
β
2 vaut par expérience sensiblement -0.0126 ppm/°C. Dans ce cas le rapport β
1/β
2 vaut sensiblement 3.
[0057] Afin de satisfaire l'expression (8) ci-dessus, on choisit par ailleurs des valeurs
de fréquences F2
r et F3
r dans un rapport équivalent, soit par exemple égales à 131.072 kHz et 393.216 kHz
respectivement. On notera que la fréquence du signal 54 ainsi obtenu à la sortie du
circuit mélangeur 4 de la figure 1 est dans un tel cas sensiblement égale à 262.144
kHz, soit avantageusement huit fois la fréquence de 32.768 kHz qui est typiquement
désirée dans des applications horlogères. Un circuit diviseur par huit peut ainsi
être avantageusement connecté à la sortie du circuit mélangeur 4 afin de dériver un
signal à la fréquence de 32.768 kHz. Un tel circuit diviseur est par exemple représenté,
en traits interrompus, à la figure 1 dans laquelle il est désigné par la référence
7.
[0058] Il faut encore noter que le dispositif selon la présente invention, contrairement
aux dispositifs décrits dans les brevets CH 626 500 et CH 631 315 mentionnés ci-dessus,
peut non seulement être agencé de manière que le signal qu'il produit soit formé d'impulsions,
mais également de manière que ce signal soit sinusoïdal.
[0059] De nombreuses modifications peuvent évidemment être apportées au dispositif selon
la présente invention sans pour autant sortir du cadre de celle-ci.
[0060] Ainsi, les résonateurs tels que les résonateurs 5 et/ou 6 du dispositif de la figure
1 peuvent avoir une forme différente de la forme de diapason qu'ils ont dans ce dispositif,
par exemple la forme de barreaux, ou être réalisés dans un matériau piézo-électrique
autre que le quartz. Ces résonateurs peuvent aussi être agencés de manière à vibrer
dans un autre mode, par exemple un mode d'allongement. Il est cependant évident que
quels que soient leur forme, leur matériau, et/ou leur mode de vibration, ces résonateurs
doivent être tels que la variation en fonction de la température de la fréquence des
signaux produits par les générateurs dont ils font partie soit au moins sensiblement
parabolique.
[0061] De même, toujours par exemple, un dispositif selon la présente invention peut comporter,
comme cela a déjà été mentionné, un circuit diviseur de fréquence 7 disposé entre
la sortie du circuit mélangeur, le circuit 4 de l'exemple décrit ci-dessus, et la
sortie du dispositif, la sortie O dans le même exemple.
[0062] Dans cette variante du dispositif selon la présente invention, les signaux S1 et
S4 ne sont évidemment plus identiques. En outre, les divers composants du dispositif,
notamment les circuits générateurs des signaux S2 et S3, doivent être agencés de manière
que la fréquence F4 du signal S4 soit égale au produit de la fréquence F1 du signal
S1 par le facteur de division du diviseur de fréquence 7, qui est bien sûr un nombre
entier supérieur à 1. Ce résultat est par exemple obtenu selon l'exemple numérique
mentionné plus haut dans lequel les valeurs de fréquences F2
r et F3
r sont choisies égales à 131.072 kHz et 393.216 kHz respectivement.
[0063] On rappellera que, dans la première forme d'exécution du dispositif selon la présente
invention, qui a été décrite ci-dessus, le signal S4 constitue directement le signal
S1. Dans ce cas, la fréquence F4 du signal S4 est donc égale au produit de la fréquence
F1 par le nombre 1.
[0064] D'une manière générale, on peut donc dire que les divers composants d'un dispositif
selon la présente invention doivent être agencés de manière que la fréquence du signal
S4 produit par le circuit mélangeur soit égale au produit de la fréquence du signal
de sortie S1 du dispositif par un nombre entier égal ou supérieur à 1.
[0065] Il faut encore noter que la présence éventuelle d'un diviseur de fréquence tel que
le diviseur 7 de la figure 1 entre la sortie du circuit mélangeur, le circuit 4 de
cette même figure 1, et la sortie d'un dispositif selon la présente invention ne modifie
absolument pas la variation en fonction de la température de la fréquence du signal
fourni par cette dernière sortie. Un dispositif selon la présente invention présente
donc toujours les mêmes avantages par rapport aux dispositifs connus, qu'il comporte
ou non un diviseur de fréquence entre son circuit mélangeur et sa sortie.