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La présente invention-se rapporte à des oscilla- -tours à cristal et des oscillateurs contrôles par cristal et s'adresse plus.particulièrement à la stabilisation de fré- quence pour des oscillateurs travaillant dans des températures ambiantes variables.
Jusqu'à présent il n'a été possible que d'obtenir des limites de fréquence étroites dans des oscillateurs à cristal où la température ambiante ne varie pas de plus de 5 degrés centigrades dans n'importe quelle direction, en choi- sissant une température moyenne de fonctionnement égale à la partie approximativement horizontale de la courbe fréquence- température. Lorsque des limites de fréquence très étroites doivent être observées ou lorsque la température ambiante
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vare dans une large bande, il faut enfermer le cristal dans un four contrôlé thermiquement dont la température est plus grande que la limite supérieure de la tempéra- ture ambiante.
Quoique ce dispositif soit très satisfai- sant pour les conditions de fonctionnement les plus mau- vaises, en ce que la fréquence du cristal puisse, très ai- sément, être maintenue dans des limites étroites, la con- sommation de puissance d'un four peut, dans certaines cir- constances, constituer un désavantage sérieux, par exem- ple pour des équipements portatifs, et l'augmentation d'en- combrementpeut également être l'objet de critiques.
Le but de l'invention est de prévoir un dispo- sitif à utiliser dans un oscillateur à cristal ou dans un oscillateur contrôlé par cristal dans lequel la fréquence d'oscillation est maintenue dans des limites approximative- ment égales à un million, même avec de grandes variations de température ambiante, et dans lequel on peut utiliser un four contrôlé assez grossièrement ou, ce qui est préfé- rable, on peut éviter de devoir .enfermer l'unité dans un four contrôlé thermiquement.
Suivant l'invention, un oscillateur contient un cristal piézo-électrique et un circuit compensateur conte- nant un élément réactif et une résistance sensible à la température, dans lequel l'angle de phase de l'admittanoe de ce circuit compensateur change avec la température de fa- çon à maintenir la fréquence de l'oscillateur à peu-près constante.
On comprendra mieux l'invention à partir de la description de quelques modes d'exécution représentés au moyen d'exemples. La description se fera en liaison avec les dessins annexés, comprenant les figs. l à 10 où :
Les figs. 1 à 3 représentent 3 modes d'exécution de l'invention.
La fig. 4 représente les caractéristiques de tem- pérature du cristal.
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Les figs. 5 et 6 représentent des circuits équi- valents aux figs. 1 et 2 et utilisant des éléments inductifs.
Les figs.7 et 8 représentent des dispositifs dans lesquels les éléments déterminant la fréquence sont contenus dans le circuit à contre-réaction d'un ampli.
La fig.9 représente un dispositif utilisant des inductifs éléments réactifs/et capacitifs.
La fig.10 représente un dispositif pour anayutre type d'oscillateur.
L'invention est basée sur le principe que la fréquence d'oscillation d'un cristal dépend non seulement de son angle de coupe et de son épaisseur, mais également, à un degré moindre, de l'admittance et de la sensibilité de son circuit de fonctionnement. En rendant cette quantité va- rible avec la température, il est possible, au moyen d'un type convenable de cristal, d' exercer un contrôle qui change ' la fréquence dans le sens opposé au changement naturel de la fréquence du cristal avec les variations de température.
On peut obtenir une compensation exacte en connectant le cristal à un réseau déphaseur, dans lequel l'élément résis- tant est un thermistor.
Dans le mode d'exécution représenté à la fige 1 le cristal CR, la résistance R1, le tube thermo-ionique VT, font partie d'un oscillateur à cristal conventionnel, les éléments restants, non représentés, étant connectés, par exemple, à l'anode et à la cathode du tube. En dérivation avec le cristal est connectée une branche contenant un ther- mistor TH et une capacité C1 en série. Ce thermistor a un coefficient de température négatif pour la résistance c'est- à-dire que sa résistance diminue lorsque la température aug- mente. Lorsque la température varie, l'angle de phase de cette branche en dérivation varie également.
A des températures basses, avec le thermistor dans sa condition de résistance é- levée, l'angle de phase sera près de zéro, et avec une augmen-
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tation de température, l'impédance de thermistor diminue et l'@ngle de phase de la branche s'approche de - 90 .
Pour que ce chanbement de caractéristique de la branche shunt soit efficace afin de compenser le change- mentment de fréquence avec la variation de température du cristal, l'angle de coupe du cristal est calculé de façon à obtenir un coefficient de température positif dans la bande de température intéressée, la coractéristique de température normalement parabolique étant agencée, dans cet exemple, de façon à avoir sa partie horizontale pour l'extrémité supé- rieure de la bande de fréquences intéressées. Une courbe type qui convient pour être utilisée dans ce type de circuit, est représentée en "A" de la fig. 4, où le déphasage des fréquences est représenté par rapport à la tempérayure exprimée en degré centigrade.
La composante capacitive du courant dans la branche suaut tend à diminuer la fréquence d'oscillation du cristal,' cet effet augmentant avec l'accroissement de température.
Au moyen d'un type de cristal approprié et par un choix des valeurs des capacité et thermistor, la compensation que l'on obtient est capable de maintenir la fréquence du cristal dans des limites étroites pour une large bande de températures.
Unecourbe type de déviation de fréquence est représentée en "B" à la fig. 4. Pour certaines fréquences de résonance des cristaux de l'ordre de 10 mc/s , on a remarqué qu'un thermis- tor avec une résistance d'environ 2.ooo ohm. à la température ordinaire donne une compensation idéale en liaison avec une capacité comprise entre 4 p f et 12 p f. La 'valeur de la capa- cité est déterminée par l'accroissement de fréquence maximum à compenser et la valeur de la résistance du thermistor est choisie pour donner le degré maximum de compensation à la fréquence pour laquelle la pente de la caractéristique de température est l a plus forte.
Le circuit de la fig. 2 donne un effet semblable à celui de la fig. 1 mais dans ce cas le circuit de compensa-
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tion, comprenant une capacité C2 et un thermistor TH2 en parallèle, est connecté en série avec la cristal CR Avec ce dispositif, utilisant un cristal ayant un coefficient de température positif pour la fréquence dans la bande de températures intéressée le thermistor TH2 aégalement un coefficient de température positif pour la résistance de façon que son effet sur le condensateur dérivé C2 soit ré- duit avecl'augementation de température. Cet accroissement de la capacité présente dans le circuit compense ainsi la tendance à l'augmentation de la fréquence d'oscillation du cristal.
Dans le dispositif représenté à la figure 3, on obtient un degré de compensation variable au moyen d'une capacité différentielle. Dans ce circuit, le thermistor TH3 et une résistance fixe sont coupes différentiellement en @erie avec une capacité C3 au moyen d'une capacité diffé- rentielle C4 et le dispositif est tel que la fréquence no- minale du cristal est tnoîns affectée par le réglage que si la capacité Gl de la figure l était variable.
Les circuits représentés aux figs. 5 et 6sont directement équivalents aux dispositifs des figso 1 et 2 utilisant des inductances 12 et L2 au lieu des condensateurs C1 et C2. On notera qu'un changement de l'inductance présente dans le circuit oscillant a un effet opposé, pour la fréquence de fonctionnement du cristal, au changement de la capacité et, par conséquent, les thermistors TH4 et TH5 auront des caractéristiques de sens opposé à celles des thermistors TH1 et TH2.
On remarquera que les dispositifs des figs 1, 2, 3, 5 et 6 sont des circuits contrôlant la fréquence de base pour des oscillateurs du type Miller, dans lesquels le cris- tal présente une impédance élevée pour la fréquence d' os- cillation.
Dans les dispositifs représentés aux figs.7 et
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,l cristal a une impédance basse pour la fréquence d'oscl- lation et est connecté avec les éléments de circuit de compen- sation, dans un circuit à contre-réaction entre l'entrée et la sertie d'un ampli 2, est:destiné à apporter un gain pour la fréquence d'oscillation. Ce type d'oscillateur convient par- ticulièrement lorsqu'on utilise des cristaux harmoniques pour donner soit une très grande stabilité soit une très haute fré- quence.
A la fig. 7, on a représenté une inductance L3 en parallèle avec un thermistor TH6, quoique l'inductance puis- se être remplacée par une capacité si le sens du coefficient de bempératrue du thermistor change. il la fig. 8 le dispositif est rendu plus sensible par un circuit accordé qui comprend une capacité C5, une inductance L4 et l'élément sensible à la tem- pérature, le thermistor TH7.
Le dispositif représenté à la fig. 8 pourrait, bien tentendu, être modifié en plaçant le thermistor TH7 en série avec le condensateur C5 ou en prévoyant un thermistor en série avec chaque élément réactif. Un dispositif quelque peu semblable e s t représenté à la fig. 9, où les branches séparées en dérivation sur le cristal CR contiennent respectivement une induc- tance L5 en série avec un thermistor TH8 shunté par une ré- sistance R3 et un condensateur C6. un thermistor TH9,et une résistance R4,le tout en série.
Ce circuit peut être utilisé pour donner une compensation de température lorsque la bande de températures s'étend au delà du sommet de la courbe para- bolique, représentée en partie en A de la fig. 4, et, par con- séquent la caractéristique de température du cristal est po- sitive pour une partie de la bande de températures et négative pour l'autre, avec entre les deux une région relativement ho- rizontale. Par conséquent la compensation en deux étages est. nécessaire et celle-ci est complétée par le circuit de la fig 9 comme suit.
Avec un élément en cristal ayant une caractéris- tiqùe de température croissante .ou positive à la température
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la @us basse de la bande, la résistance du thermistor TH9 décroît avec l'augemntation de la température et, puisque sa résistance initiale est grande par rapport à la résis- tance R4, une plus grande capacité est introduite en déri- vation sur le cristal Ci? pour s'opposer à l'augmentation de la fréquence d'oscillation Cet effet se prolonge jusque la pointe de la caractéristique de température,
la résis- tance du thermistor TH9 est basse par rapport à la valeur de la résistance R4 et de plus une augmentation de la tem- pérature est inefficace dans cette branche du circuit de compensation puisque l'effet du conducteur C6 est déterminé en substance par la résistance R4.
En même temps, dans la branche inductive du circuit de compensation, le thermistor TH8 a une valeur initiale grande par rapport à la résistance R3 et,par con- séquent, a un petit effet avec l'augmentation de la tempé- rature jusqu'à ce que au-delà, du sommet de la caractéris- tique de température, sa valeur deviennent progressivement plus basse que celle de la résistance R3. Ceci augmente l'inductance présente dans le circuit et, avec l'augmenta- tion de température, compense une caractéristique tombante ou négative du cristal.
Cn peut concevoir des circuits semblables ou plus complexes pour compenser, par exemple, une caractéris- tique de forme cubique d'un cristal, et ceux-ci peuvent con- tenir des résistances combinées en série ou en parallèle avec un condensateur ou une inductance.
La dispositif représenté à la fige 10 avec une inductance L6 en série avec le thermistor TH10.la combinai- son étant connectée en parallèle avec un cristal CR, est, placé dans un circuit oscillateur du type Pierce. La compen-' sation de température est complétée d'une façon semblable à colle décrite antérieurement et il est possible,pour ce type d'oscillation, de concevoir des variations semblables du circuit de compensation et du cristl.
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Daus certaines circonstances il peut être avan-
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,;\... ;J: d'accLrdcr l'inertie thermique de la résistance sen- sible à la température à celle du cristal à compenser. Ceci serait Importanb si l'oscillatear était 'placé dans un endroit où des chnngemeiits de température peuvent être à la fois grands et rapides, par exemples dans des projectiles guidés.
D'une façon semblable, lorsqu'il y a des gradiantsde tempé- rature il est souhaitable que le cristal et la résis- tenxe sensible à la température soient soumis à la même tem- pérature et, afin qu'il En soit ainsi, le thermistor peut être intégré au cristal en montant la tête du thermistor sor la plaque de cristal.
Il peur être aussi avantageux d'utiliser des é-
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.; ..:.n+:: capacitifs dans le circuit de compensation qui sont 1J;'''ü:i\.!i.8S du type à coefficient de température élevé et agen- .:,j..; pour aider ' li compensation de température. On notera pour terminer qu'il n'est pas nécessaire que la résistance @onsibel à la température ait une caractéristique non liné- aire.
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R E V END ICA T lOTI 6 ---------------------------
1. Oscillateur qui comprend un cristal pièzo- électrique et un circuit de compensation contenant un élément réactif et une résistance sensible à la température, dans le-
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cuel l'angle de phase de l'admittance de ce crédit compensateur change avec la température de façon à maintenir la fréquence ce l'oscillateur en substance constante.