<Desc/Clms Page number 1>
Oscillateur synchronisé, à rendement élevé, pour applications dans le domaine de la mesure du temps La présente invention a pour objet un oscillateur synchronisé, à rendement élevé, pour applications dans le domaine de la mesure du temps.
On sait que pour réaliser un oscillateur électrique ou électromécanique permettant de transférer de l'énergie d'une source de tension continue à un résonateur avec un rendement élevé, il est nécessaire de travailler en régime impulsionnel, c'est-à-dire qu'on ne fournit de l'énergie au résonateur que pendant une certaine fraction de la période d'oscillation.
On sait également qu'une variation de phase de l'impulsion d'énergie par rapport à l'oscillation entraîne une variation de la fréquence d'oscillation. Le but de l'invention est d'utiliser ce dernier effet pour synchroniser l'oscillateur par un signal dont la fréquence est voisine de celle de la fréquence propre du résonateur ou d'un multiple de celle-ci.
Différents oscillateurs ont déjà été proposés pour applications dans le domaine de la mesure du temps Un oscillateur comprenant un dipôle actif dont la caractéristique courant-tension correspond à une brusque apparition suivie d'une brusque disparition du courant lorsque la tension, croissant depuis une valeur nulle, atteint une certaine valeur, et une bobine présentant une résistance électrique déterminée et coopérant avec un organe oscillant. Dans ce dispositif toutefois, non seulement il n'est prévu aucun circuit de synchronisation, mais la tension engendrée par le résonateur mécanique n'est pas continue ou sinusoïdale, mais de forme impulsionnelle.
Un montage semblable dans lequel une diode tunnel est utilisée comme dipôle actif. Toutefois ici aussi il n'y a pas de circuit de synchronisation.
On connaît un circuit dans lequel on synchronise une chaîne de multivibrateurs formant diviseur de fréquence, ceci à l'aide d'un signal sinusoïdal. Dans ce circuit toutefois il s'agit de la synchronisation d'un mul- tivibrateur et non d'un oscillateur harmonique.
Dans des oscillateurs connus, une bobine coopérant avec un organe oscillant est disposée en série avec un dipôle. Ce dipôle comporte un premier transistor dont le circuit collecteur émetteur est connecté entre cette bobine et une source d'alimentation et un second transistor du type opposé dont le collecteur est connecté à la base du premier transistor. Dans ces deux brevets toutefois, le signal émis par le résonateur est également de forme impulsionnelle et aucun moyen de synchronisation n'est prévu. Dans un de ces oscillateurs le circuit de synchronisation est astable et a sa propre fréquence de répétition.
On a aussi déjà décrit un oscillateur multivibrateur à transistors comportant deux circuits symétriques comprenant chacun deux transistors de types opposés dont les circuits collecteurs -émetteurs sont reliés en série. Ce circuit est astable alors que le circuit objet de la présente invention est bistable.
Ainsi dans aucun des dispositifs cités ci-dessus on n'a essayé de synchroniser des oscillateurs dont le résonateur est à signal de sortie continu, voire sinusoïdal, par un signal d'entrée pouvant être un multiple de la fréquence du résonateur, bien que ceci soit connu depuis longtemps pour les multivibrateurs.
L'oscillateur objet de l'invention comprend les trois éléments suivants branchés en série : un dipôle actif dont la caractéristique courant-tension symétrique ou asymétrique selon le type du moteur, correspond à une brusque apparition suivie d'une brusque disparition du courant lorsque la tension croissant depuis une valeur nulle, atteint une certaine valeur, un résonateur engendrant une tension périodique continue et une résistance de valeur suffisamment élevée pour rendre le circuit bistable dans la région de ladite caractéristique dans laquelle celle-ci présente l'augmentation de courant, et est
<Desc/Clms Page number 2>
caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour appliquer un signal de synchronisation au dipôle afin de déphaser,
par rapport à la tension périodique continue aux bornes du résonateur, l'enclenchemeat et/ou le déclenchement du courant, afin de synchroniser la fréquence de l'oscillateur sur celle du signal de synchronisation.
Le dessin représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'oscillateur objet de l'invention Les fig. 1 à 4 sont des schémas explicatifs du principe de l'invention, et les fig. 5 et 6 sont des schémas de détail de deux formes d'exécution différentes.
Le schéma selon la fi-. 1 représente la connexion en série d'un dipôle actif D, d'une résistance R et d'un résonateur M. Ce résonateur peut être un résonateur électrique ou électromécanique à transducteur magnétique ou piézoélectrique, par exemple. La résistance R peut être constituée en tout ou partie par la résistance de l'enroulement du résonateur M si celui-ci est de type électromagnétique.
La caractéristique du dipôle D est représentée à la fi-. 2 où l'on voit que lorsque la tension u1 aux bornes du dipôle va en augmentant le courant i, d'abord nul, va en augmentant rapidement, passe par un maximum puis redevient rapidement égal à zéro. Sur cette figure est également illustrée une droite représentant la caractéristique de la résistance R. La pente de cette droite est proportionnelle à la valeur de 1/R. A partir de ces deux caractéristiques on obtient facilement la caractéristique du dipôle et de la résistance R en série.
Cette caractéristique, qui représente également la tension u2 aux bornes du résonateur M en fonction du courant commun i, s'obtient par la relation u? = u1 -RÀ, et est représentée à la fig. 3. On y voit, qu'à condition de choisir une valeur suffisamment grande pour R, cette caractéristique présente une région de bistabilité entre les abscisses A et B. Au cours d'un cycle de la tension induite u2 le point de fonctionnement dans le plan u2 -i suit la courbe pointillée dans le sens des flèches. Le courant s'établit brusquement en B lorsque tL, va en croissant tandis qu'il s'annule brusquement en A lorsque la tension u2 va en diminuant.
La caractéristique présente donc une hystérèse. A la fig. 4 on a représenté, en fonction du temps, la tension u., aux bornes du résonateur M qui est supposée sinusoïdale, ainsi que le courant i. Le courant s'établit brusquement lorsque la tension u2 atteint la valeur B en croissant et s'annule brusquement lorsque la tension u., atteint la valeur A en décroissant.
Du fait de l'hystérèse de la caractéristique représentée à la fi-. 3, la fondamentale du courant i et celle de la tension u., sont déphasées. Le système oscille à une fréquence différente de la fréquence de résonance du résonateur.
En injectant dans le circuit en S un signal périodique de fréquence voisine, il est possible d'avancer l'enclenchement et/ ou le déclenchement du courant comme représenté en pointillé à la fig. 4. Le cas représenté en pointillé correspond à l'avance maximum du courant i, dans lequel l'enclenchement s'effectue lorsque la tension u; atteint la valeur A et le déclenchement lorsque la tension u2 atteint la valeur B. Le déphasage entre la tension u2 et la fondamentale du courant i est modifié, ainsi que la fréquence d'oscillation. L'oscillateur peut se synchroniser sur le signal de synchronisation si la fréquence de ce dernier est suffisamment voisine de la fréquence propre du résonateur.
Cette synchronisation peut également se produire si la fréquence du signal de synchronisation est voisine d'un multiple de la fréquence propre du résonateur. En effet, le signal de synchronisation ne peut agir que pendant les fractions du cycle où la caractéristique représentée à la fi-, 3 est bistable, c'est-à-dire entre les valeurs A et B. Les périodes du signal de synchronisation tombant en dehors de cette région n'auront aucun effet.
La fi-. 5 représente une première forme d'exécution dans laquelle le résonateur permet le passage de la composante continue du courant i. Ce résonateur peut être par exemple un moteur résonnant électromagnétique ou un circuit oscillant électrique. Le dipôle Dl (dont la caractéristique courant-tension est du type de celle du dipôle D de la fig. 1) comprend un transistor Tl de type PNP dont le collecteur est relié à l'une des bornes al du dipôle.
L'émetteur est relié au pôle positif de la source d"énergie tandis que la base est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance 1, au collecteur d'un transistor T. de type NPN, lui-même relié, par l'intermédiaire d'une seconde résistance 2 à la base de ce transistor T.,, l'émetteur de ce dernier est relié à l'autre borne, b1, du dipôle ainsi qu'à la borne négative de la source. La base du transistor T@ est reliée au collecteur de l'autre transistor par l'intermédiaire d'un condensateur 3 d'une résistance 4. Le signal de synchronisation est appliqué dans cet exemple à une borne SI reliée par un condensateur 5 à la base du transistor T2.
On voit que dans ce circuit une polarisation automatique des transistors est assurée par les éléments 2 et 3.
Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 6, le résonateur M est constitué par un moteur piézoélectrique, le dipôle D2 présentant une caractéristique courant-tension du type de celle de la fig. 2 mais symétrique par rapport à l'origine, de façon à fournir au moteur des impulsions de courant alternativement positives et négatives, afin d'annuler la composante continue du courant qui ne pourrait traverser le moteur. Le dipôle se compose de deux parties symétriques Pl, P@ dont on ne décrira que Pl, et comprenant chacune un transistor T3 de type PNP et d'un transistor T4 de type NPN, ces deux transistors étant branchés en série.
Les deux bases sont reliées au point de connexion des deux collecteurs par deux résistances 6 et 7 et par deux condensateurs 8 et 9. Lesdites deux parties symétriques Pl, P2 sont interconnectées par la résistance 11 et son homologue de P2 reliant les points de connexion entre ces condensateurs et les résistances 6 et 7, les points de connexion entre les collecteurs étant reliés respective- ment aux deux bornes du dipôle D2.
On voit que dans ce circuit, la polarisation automatique des transistors est assurée par les éléments 6, 7, 8, 9 et leurs homologues de P2.
Le signal de synchronisation est appliqué, dans cet exemple, à l'une desdites deux parties symétriques par l'intermédiaire d'une borne S. et d'un condensateur 10.
Les bornes du dipôle sont indiquées en a. et h2. Lorsque le résonateur est capable de laisser passer la composante continue du courant (fi-. 5), la caractéristique courant-tension du dipôle peut être symétrique ou asymétrique; dans le cas où ce résonateur ne laisse pas passer cette composante (fig. 6), la caractéristique doit être symétrique.
On remarquera que dans les circuits décrits, un rendement élevé est assuré grâce au fait que les impulsions
<Desc/Clms Page number 3>
de courant sont fournies au résonateur aux instants les plus favorables, c'est-à-dire au moment où la tension aux bornes du résonateur est maximum (fig. 4).
<Desc / Clms Page number 1>
High efficiency synchronized oscillator for applications in the field of time measurement The present invention relates to a synchronized oscillator, of high efficiency, for applications in the field of time measurement.
It is known that in order to produce an electric or electromechanical oscillator making it possible to transfer energy from a direct voltage source to a resonator with a high efficiency, it is necessary to work in a pulsed regime, that is to say that energy is supplied to the resonator only during a certain fraction of the period of oscillation.
It is also known that a phase variation of the energy pulse with respect to the oscillation causes a variation of the oscillation frequency. The aim of the invention is to use this latter effect to synchronize the oscillator by a signal the frequency of which is close to that of the natural frequency of the resonator or of a multiple thereof.
Various oscillators have already been proposed for applications in the field of time measurement An oscillator comprising an active dipole whose current-voltage characteristic corresponds to a sudden appearance followed by a sudden disappearance of the current when the voltage increases from a zero value , reaches a certain value, and a coil having a determined electrical resistance and cooperating with an oscillating member. In this device, however, not only is no synchronization circuit provided, but the voltage generated by the mechanical resonator is not continuous or sinusoidal, but of pulse form.
A similar arrangement in which a tunnel diode is used as an active dipole. However, here too there is no synchronization circuit.
A circuit is known in which a chain of multivibrators forming a frequency divider is synchronized, with the aid of a sinusoidal signal. In this circuit, however, it is the synchronization of a multivibrator and not of a harmonic oscillator.
In known oscillators, a coil cooperating with an oscillating member is arranged in series with a dipole. This dipole comprises a first transistor whose collector-emitter circuit is connected between this coil and a power supply source and a second transistor of the opposite type whose collector is connected to the base of the first transistor. In these two patents, however, the signal emitted by the resonator is also of pulse form and no synchronization means is provided. In one of these oscillators the synchronization circuit is astable and has its own repetition frequency.
A multivibrator transistor oscillator has also already been described comprising two symmetrical circuits each comprising two transistors of opposite types, the collector-emitter circuits of which are connected in series. This circuit is astable while the circuit which is the subject of the present invention is bistable.
Thus, in none of the devices mentioned above has no attempt been made to synchronize oscillators whose resonator has a continuous or even sinusoidal output signal, by an input signal which may be a multiple of the frequency of the resonator, although this has long been known for multivibrators.
The oscillator which is the subject of the invention comprises the following three elements connected in series: an active dipole whose current-voltage characteristic, symmetrical or asymmetrical depending on the type of the motor, corresponds to a sudden onset followed by a sudden disappearance of the current when the voltage increasing from a zero value, reaching a certain value, a resonator generating a continuous periodic voltage and a resistance of sufficiently high value to make the circuit bistable in the region of said characteristic in which the latter exhibits the increase in current, and East
<Desc / Clms Page number 2>
characterized in that it further comprises means for applying a synchronization signal to the dipole in order to phase shift,
with respect to the continuous periodic voltage across the resonator, the switching on and / or the triggering of the current, in order to synchronize the frequency of the oscillator with that of the synchronization signal.
The drawing represents, by way of example, two embodiments of the oscillator which is the subject of the invention. FIGS. 1 to 4 are explanatory diagrams of the principle of the invention, and FIGS. 5 and 6 are detail drawings of two different embodiments.
The diagram according to fi-. 1 represents the series connection of an active dipole D, of a resistor R and of a resonator M. This resonator may be an electrical or electromechanical resonator with a magnetic or piezoelectric transducer, for example. The resistor R can be formed in whole or in part by the resistance of the winding of the resonator M if the latter is of the electromagnetic type.
The characteristic of dipole D is shown in fi-. 2 where we see that when the voltage u1 at the terminals of the dipole increases, the current i, initially zero, increases rapidly, passes through a maximum then quickly becomes equal to zero again. In this figure is also illustrated a line representing the characteristic of resistance R. The slope of this line is proportional to the value of 1 / R. From these two characteristics one easily obtains the characteristic of the dipole and of the resistance R in series.
This characteristic, which also represents the voltage u2 at the terminals of the resonator M as a function of the common current i, is obtained by the relation u? = u1 -RÀ, and is shown in fig. 3. It can be seen that, provided that a sufficiently large value is chosen for R, this characteristic presents a region of bistability between the abscissas A and B. During a cycle of the induced voltage u2 the operating point in the plane u2 -i follows the dotted curve in the direction of the arrows. The current is suddenly established in B when tL, goes on increasing while it is abruptly canceled out in A when the voltage u2 goes on decreasing.
The characteristic therefore presents a hysteresis. In fig. 4 shows, as a function of time, the voltage u. At the terminals of the resonator M which is assumed to be sinusoidal, as well as the current i. The current is established abruptly when the voltage u2 reaches the increasing value B and is abruptly canceled out when the voltage u., Reaches the decreasing value A.
Due to the hysteresis of the characteristic shown in fi-. 3, the fundamental of the current i and that of the voltage u., Are out of phase. The system oscillates at a frequency different from the resonant frequency of the resonator.
By injecting a periodic signal of similar frequency into the S-shaped circuit, it is possible to advance the switching on and / or the triggering of the current as shown in dotted lines in FIG. 4. The case shown in dotted lines corresponds to the maximum advance of the current i, in which the switching on takes place when the voltage u; reaches the value A and the trigger when the voltage u2 reaches the value B. The phase shift between the voltage u2 and the fundamental of the current i is modified, as well as the oscillation frequency. The oscillator can be synchronized with the synchronization signal if the frequency of the latter is sufficiently close to the natural frequency of the resonator.
This synchronization can also occur if the frequency of the synchronization signal is close to a multiple of the natural frequency of the resonator. Indeed, the synchronization signal can act only during the fractions of the cycle where the characteristic represented in fi-, 3 is bistable, that is to say between the values A and B. The periods of the falling synchronization signal outside of this region will have no effect.
The fi-. 5 shows a first embodiment in which the resonator allows the passage of the DC component of current i. This resonator can for example be an electromagnetic resonant motor or an electric oscillating circuit. Dipole Dl (whose current-voltage characteristic is of the type of that of dipole D in FIG. 1) comprises a PNP-type transistor T1, the collector of which is connected to one of the terminals a1 of the dipole.
The emitter is connected to the positive pole of the energy source while the base is connected, via a resistor 1, to the collector of a transistor T. of NPN type, itself connected, via the 'intermediary of a second resistor 2 at the base of this transistor T. ,, the emitter of the latter is connected to the other terminal, b1, of the dipole as well as to the negative terminal of the source. transistor T @ is connected to the collector of the other transistor via a capacitor 3 of a resistor 4. The synchronization signal is applied in this example to a terminal SI connected by a capacitor 5 to the base of the transistor T2.
It can be seen that in this circuit an automatic polarization of the transistors is provided by elements 2 and 3.
In the embodiment shown in FIG. 6, the resonator M consists of a piezoelectric motor, the dipole D2 exhibiting a current-voltage characteristic of the type of that of FIG. 2 but symmetrical with respect to the origin, so as to supply the motor with alternating positive and negative current pulses, in order to cancel the DC component of the current which could not pass through the motor. The dipole is made up of two symmetrical parts P1, P @ of which only P1 will be described, and each comprising a PNP-type transistor T3 and an NPN-type transistor T4, these two transistors being connected in series.
The two bases are connected to the connection point of the two collectors by two resistors 6 and 7 and by two capacitors 8 and 9. Said two symmetrical parts P1, P2 are interconnected by resistor 11 and its counterpart of P2 connecting the connection points between these capacitors and resistors 6 and 7, the connection points between the collectors being connected respectively to the two terminals of dipole D2.
It can be seen that in this circuit, the automatic polarization of the transistors is ensured by the elements 6, 7, 8, 9 and their counterparts in P2.
The synchronization signal is applied, in this example, to one of said two symmetrical parts via a terminal S. and a capacitor 10.
The dipole terminals are shown in a. and h2. When the resonator is able to pass the DC component of the current (fig. 5), the current-voltage characteristic of the dipole can be symmetrical or asymmetrical; if this resonator does not allow this component to pass (fig. 6), the characteristic must be symmetrical.
It will be noted that in the circuits described, a high efficiency is ensured by the fact that the pulses
<Desc / Clms Page number 3>
of current are supplied to the resonator at the most favorable instants, that is to say when the voltage at the terminals of the resonator is maximum (fig. 4).