Numérisation et filtre de boucle

Le signal amplifié analogiquement est envoyé sur une carte d’acquisition (Styrel ST816-2) insérée dans un PC. Stanford DS345 10 MHz Varactor PC Carte d’acquisition 23 Hz Interruptions CNA CAN Lissage ε Réponse du résonateur Modulation de la synthèse hyperfréquence fe = 10 kHz

84 Chapitre 3 : Réalisation d’une horloge compacte à renversement de jet Un convertisseur analogique-numérique 12 bits cadencé par une horloge à 10 kHz échantillonne et numérise le signal. L’ordre de conversion est issu du générateur Stanford par un signal à 23 Hz, synchrone à la modulation, qui déclenche des cycles d’interruptions (Figure 3.22).

Une fois numérisé, on applique le filtre de boucle afin de calculer le signal d’erreur. Le filtre utilisé est un intégrateur du deuxième ordre avec avance de phase. Sa fonction de transfert est :

( )

La double intégration permet d’annuler l’erreur statique sur la fréquence de l’OUS asservi, même dans le cas d’une dérive linéaire dans le temps. Utiliser un filtre numérique permet une réalisation exacte du double intégrateur, ce qui n’est pas possible en analogique (gain limité des AOP). La méthode utilisée pour calculer l’équation aux différences associée à F(p) est celle de l’invariance impulsionnelle. Dans la relation (3-6) les constantes de temps τ1 et τ2 valent respectivement 1,9 et 1,3 s.

La sortie du filtre est envoyée sur un convertisseur numérique-analogique afin d’obtenir un signal d’erreur exploitable. Un filtre passe bas (type RC) permet de lisser la sortie du convertisseur puis le signal de correction est enfin appliqué au varactor de l’oscillateur à quartz 10 MHz.

3.3. Les fuites micro-ondes

On a vu l’importance des fuites micro-ondes dans le résonateur qui peuvent provoquer des déplacements de fréquence importants par effet Doppler. Il est tout aussi nécessaire de prêter attention aux fuites externes au résonateur qui peuvent ensuite rentrer dans celui-ci, par les hublots notamment. On s’est donc fortement attaché à blinder au mieux toutes les sources

possibles de fuites hyperfréquences dans la pièce de l’horloge.

La source la plus évidente est la chaîne de synthèse. Dans sa partie hyperfréquence, de nombreux composants sont des composants hybrides issus du commerce : isolateurs, coupleurs, atténuateurs, assemblés par des connexions SMA. Ce type de composant est en règle générale de mauvaise qualité en ce qui concerne les fuites, étant assemblés dans des boîtiers peu hermétiques. Ils ont été tous systématiquement enduits de résine à l’argent afin de colmater le plus possible tous les trous. Un blindage supplémentaire réalisé par de la paille de fer et de la mousse absorbante enrobe l’ensemble.

Un coupleur –10 dB placé juste avant le résonateur, utile pour mesurer la puissance d’excitation, a fait l’objet des mêmes précautions, avec d’autant plus de soins qu’il est situé près du résonateur. Tous les câbles hyperfréquences ont leurs connexions protégées à la paille de fer de la même manière.

Chapitre 3 : Réalisation d’une horloge compacte à renversement de jet 85 Le DRO est lui aussi peu blindé à l’origine, car placé dans un boîtier non étanche. Il a été monté dans un second boîtier métallique, fermé à la résine à l’argent, les seules connexions autorisées étant des passages capacitifs prévus pour cette gamme de fréquence et un connecteur SMA.

Des mesures du niveau micro-onde résiduel dans la pièce et autour du résonateur ont ensuite été effectuées, à l’aide d’un analyseur de spectre muni d’un cornet de détection.

Avant l’opération de blindage, des raies à la fréquence d’excitation étaient nettement détectables : -50 dBm près de la chaîne hyperfréquence et –70 dBm près du résonateur. Après l’opération, le niveau détecté près de la chaîne de synthèse est inférieur à –80 dBm et inférieur à –90 dBm près du résonateur. Le critère retenu était d’avoir –80 dBm. On considère donc que la réjection du signal hyperfréquence dans la pièce est suffisante.

86 Chapitre 3 : Réalisation d’une horloge compacte à renversement de jet

4. Références

- [Audoin94] : Audoin, Giordano, Dimarcq, Cérez, Petit, Théobald, « Properties of an Optically Pumped Cesium-Beam Frequency Standard with Φ=π between the two oscillary fields », IEEE transactions on instrumentation and measurement, vol 143, N°4, August 1994, p515.

- [Avila87] : Avila, Giordano, Candelier, De Clercq, Théobald, Cérez, « State selection in a cesium beam by laser-diode optical pumping », Physical Review A, Vol 36, n°8, 1987.

- [Barillet93] : Barillet, Giordano, Viennet, Audoin ; « Limitation of the Clock Frequency Stability by the Interrogation Frequency Noise : Experimental Result », IEEE Transactions on Instrumentation and measurement, Vol 42, N°2, April 1993, p276.

- [Boussert96] : Boussert, « Evaluation des performances en fréquence d’une horloge atomique miniature pompée optiquement », Thèse de doctorat Paris XI, 1996.

- [Candelier90] : Candelier, « Etude et test d’une électronique d’interrogation pour une horloge à jet de césium pompé optiquement », Thèse de doctorat Paris XI, 1990.

- [Dimarcq91] : Dimarcq, Giordano, Théobald, Cérez, « Comparison of Pumping a cesium beam tube with D1 and D2 lines », J. Appl. Phys., Vol 6, N°3, February 1991, p1158.

- [Giordano87] : Giordano, « Caractéristiques du signal d’horloge délivré par un résonateur à jet de césium pompé optiquement par diodes laser », thèse de doctorat Paris XI, 1987.

- [Giordano91] : Giordano, Hamel, Petit, Théobald, Dimarcq, Cérez, Audoin, « New Design for a High Performance Optically Pumped Cesium Beam Tube », IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, vol 38, N°4, July 1991, p350.

- [Guérard98] : Guérard, Janot, Antoine, Gachon, « Analyse de deux échantillons de graphite d’une horloge atomique » rapport d’étude du laboratoire de Chimie du Solide Minéral, 1998. - [Hamouda98] : Hamouda, « Dispositif numérique pour l’optimisation des performances d’une horloge atomique à césium à pompage optique », Thèse de doctorat Paris XI, 1998. - [Petit92] : Petit, Giordano, Dimarcq, Cérez, Audoin, Théobald, « Miniature Optically Pumped Cesium Beam Resonator », Proceedings of the 6^th EFTF in Noordwijk, 1992, p83. - [Petit97] : Petit, communication privée.

- [Théobald89] : Théobald, Dimarcq, Giordano, Cérez, « Ground state Zeeman coherence effects in an optically pumped cesium beam », Optics Comm., vol n°5, June 1989, p 256.

Chapitre 4 : Ajustements d’horloges 89

CHAPITRE 4