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1 - OSCILLATEURS ÉLECTRONIQUES

2 - OSCILLATEUR À QUARTZ

3 - OSCILLATEURS MICRO-ONDES

4 - HORLOGES ATOMIQUES

Article de référence | Réf : R682 v1

Oscillateur à quartz
Génération de fréquence

Auteur(s) : Vincent GIORDANO

Date de publication : 10 déc. 2007

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RÉSUMÉ

Cet article traite des générations de fréquence présentes notamment dans les oscillateurs et les horloges haut de gamme, et qui trouvent leur application dans des domaines s'étendant de la métrologie à la physique fondamentale. Sont détaillés les principes de fonctionnement et les performances des oscillateurs électroniques (modèle simple et caractéristiques), des oscillateurs à quartz (résonateur, circuits, matériaux et performances), des oscillateurs micro-ondes (à résonateur diélectrique céramique et à résonateur saphir), et pour finir des horloges atomiques (généralités et principes physiques, fontaine atomique, horloge à jet de césium, horloge CPT, maser à hydrogène, horloge à ions mercure, etc).

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ABSTRACT

This article treats frequency generation notably in oscillators and high-end timepieces, and their application in areas ranging from metrology to basic physics. Described in detail are: the main operating principles and performances of electronic oscillators (simple and typical model), quartz oscillators (resonators, circuits, hardware and performances), microwave oscillators (ceramic dielectric resonator and sapphire resonator) and atomic clocks (physics generalities and principles, atomic fountain, cesium beam clock, CPT clock, hydrogen maser, mercury ion clock, etc.).

Auteur(s)

  • Vincent GIORDANO : Directeur de recherche LPMO, CNRS associé à l'université de Franche-Comté

INTRODUCTION

Ce dossier décrit les principes de fonctionnement et les performances typiques des oscillateurs et des horloges haut de gamme qui sont utilisés comme références de temps et de fréquence dans différentes applications. Ces dernières concernent des domaines très variés, allant de la métrologie et de la physique fondamentale, à des domaines plus appliqués : télécommunication, systèmes RADAR, navigation et localisation par satellites, ...

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r682


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2. Oscillateur à quartz

Les vibrations mécaniques d'un corps solide peuvent être utilisées comme source ou étalon de fréquence.

Prenons l'exemple d'un diapason : étalon de fréquence du musicien. Lorsque l'on excite le diapason en le frappant légèrement, ses deux branches entrent en vibration. La note qu'il émet alors est très pure (fréquence de vibration unique).

La fréquence de la vibration dépend du matériau qui constitue le diapason et de sa géométrie. Bien que la note émise reste audible sur une grande durée, il est nécessaire de répéter l'excitation au bout d'un certain temps.

  • Un résonateur à quartz est également un résonateur acoustique : il est le siège d'une vibration mécanique. Il a l'avantage de pouvoir être excité électriquement, grâce au phénomène de la piézoélectricité.

La piézoélectricité est la propriété de certains corps solides de présenter un couplage entre forces élastiques et polarisation électrique. Ainsi, une force de compression, par exemple appliquée aux deux faces d'un cube de quartz, va engendrer l'apparition d'une différence de potentiel entre deux autres faces perpendiculaires aux premières (effet piézoélectrique direct).

Inversement, l'application d'un champ électrique va entraîner une déformation du cristal (effet piézoélectrique inverse). Il est alors possible d'entretenir une vibration mécanique du cristal par l'application d'une tension électrique périodique.

  • Le quartz est un monocristal de silice SiO2. C'est l'arrangement particulier des atomes de silicium et d'oxygène dans la maille cristalline qui confère au quartz sa piézoélectricité. De nombreux autres matériaux sont également piézoélectriques, cependant c'est le quartz que l'on utilise presque exclusivement pour fabriquer les références de temps nécessaires aux dispositifs électroniques modernes.

    Le quartz est aujourd'hui synthétisé par croissance hydrothermale à haute température et haute pression. Il présente une dureté élevé, des coefficients élastiques importants et des frottements internes extrêmement faibles. On sait aujourd'hui l'usiner industriellement de façon collective avec une grande précision. Il constitue donc un matériau idéal...

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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Horlogerie et Chronométrie

  • The Atomic Clock

  • Atomic standard of frequency and time interval

  • Les fondements de la mesure du temps

  • Time measurement at the Millenium

  • A historical review of atomic frequency standards used in space systems

  • ...

1 Constructeurs et fournisseurs

(liste non exhaustive)

• Symmetricom Inc. : http://www.symmetricom.com/

• Temex Time : http://www.temextime.com

• Stanford Research Systems, Inc. : http://www.thinkSRS.com

• Frequency Electronics Inc. : http://www.freqelec.com/

• Kernco Inc. : http://www.kernco.com/

• QuartzLock : http://www.quartzlock.com/

• Anritsu : http://www.anritsu.com/

• Wenzel Associates, Inc. : http://www.wenzel.com

• Oscilloquartz : http://www.oscilloquartz.com/

• C-MAC : https://cmac.com/2146-2/

HAUT DE PAGE

2 Organismes et Laboratoires

(liste non exhaustive)

France

• Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE) : http://www.lne.fr

• Observatoire de Paris, Dpt. SYRTE : http://syrte.obspm.fr

• Institut FEMTO-ST : http://www.femto-st.fr...

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