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1 - OSCILLATEURS ÉLECTRONIQUES

2 - OSCILLATEUR À QUARTZ

3 - OSCILLATEURS MICRO-ONDES

4 - HORLOGES ATOMIQUES

Article de référence | Réf : R682 v1

Oscillateurs électroniques
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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1. Oscillateurs électroniques

L'histoire de la mesure du temps remonte à une haute antiquité. Sa naissance se confond avec l'astronomie. L'horloge mécanique s'épanouit à partir du XVIe siècle et connaît son âge d'or au XVIIIe. Le premier brevet d'entretien électrique d'un pendule est pris en 1840. Le premier oscillateur piézoélectrique est mis au point par Cady, en 1918, duquel procède l'horloge à quartz dont la première forme pratique et commerciale est la Crystal Clock de Marrison (1930) [1].

Pourtant, malgré cette accélération technologique, la seconde unité fondamentale de mesure du temps du Système International (SI) reste, jusqu'à la seconde moitié du XXe siècle, basée sur des observations astronomiques. La seconde fut, tout d'abord, définie comme une fraction de la durée d'une rotation de la Terre autour de son axe, puis comme une fraction de l'année terrestre. Les oscillateurs et horloges utilisant des références macroscopiques (pendules, quartz) étaient, en effet, sujets à des variations de fréquence à long terme importantes et, surtout, leur fréquence propre restait conditionnée par leur géométrie.

La révolution quantique modifia cette donne ; une fréquence pouvait maintenant être définie à partir de niveaux d'énergie d'une espèce atomique ou moléculaire. Ces niveaux d'énergie ne dépendant, en théorie, que de constantes fondamentales, il était envisageable de réaliser une définition de la seconde stable, d'une très grande exactitude et pérenne.

La mesure atomique des fréquences fait alors son apparition au National Institute for Standards and Technology (NIST – Boulder aux USA) où Lyons met au point une horloge fondée sur l'absorption d'une onde centimétrique par la molécule d'ammoniac [2]. Puis Essen et Parry au National Physical Laboratory (Londres, UK) réalisent la première horloge à jet de césium [3]. L'Atomichron, première horloge commerciale à césium, date de 1957.

Finalement, la transition atomique du césium sera, en 1967, choisie comme étalon primaire. Dès 1960, les horloges atomiques ont commencé à se multiplier et à se diversifier, avec des progrès considérables, aussi bien en précision et durée de vie, qu'en commodité et sûreté de l'emploi [4] [5].

À titre d'exemple, les systèmes de navigation par satellites (GPS, Glonass, Galileo) utilisent des étalons...

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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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