Brevet FR2026844A1 — publié le 19700925

La présente invention concerne des convertisseurs analogique-digitaux et plus particulièrement des convertisseurs analogique-digitaux (CAD) comprenant plusieurs entrées isolées. De nombreux systèmes de traitement de l'information à grande échelle utilisent une donnée sous forme analogique, et dans nombreu-5 ses de ces applications, on a à traiter de nombreux signaux analogiques dont l'amplitude peut varier énormément. En général on désire convertir les signaux analogiques sous forme digitale afin de les utiliser dans les systèmes de traitement de l'information et il est souhaitable de partager le temps de fonctionnement d'un CAD unique pour convertir de nombreux signaux analogiques sous 10 forme digitale. Pour de nombreuses positions de système il est souhaitable d'isoler les sources de signaux d'information analogiques des autres parties du système. Les premiers procédés d'isolement des signaux d'entrée utilisent des systèmes à impulsion unique nécessitant des transformateurs réagissant à une très petite variation de tension, qui sont coûteux et difficiles à 15 construire et présentent des capacitances élevées d'inter-boblnage qui sont difficiles à blinder. D'autres systèmes de l'art antérieur utilisent des transformateurs à fréquence plus élevée et une opération qui nécessite l'intégration du signal sur plusieurs périodes d'impulsion d'entrée. Ce système nécessite un démodulateur et un filtre avec des caractéristiques de coupure de fréquence 20 extrêmement bien définies pour éviter l'altération de la réponse en fréquence du canal de signal d'entrée. Par conséquent, un objet de la présente invention est de fournir un nouveau convertisseur analogique-digital avec des entrées de transformateur isolées. 25 Un autre objet de la présente invention est de fournir un nouveau con vertisseur analogique digital à rampe d'intégration qui ne charge pas le circuit d'entrée analogique durant la détermination de la sortie numérique. En résumé, selon l'invention, on utilise un convertisseur analogique digital où l'on couple plusieurs signaux d'entrée analogiques inconnus par l'inter-30 médlaire d'un canal de signal d'entrée comprenant un premier transformateur et un second transformateur par l'intermédiaire duquel on couple une source d'impulsions pour exciter un vibreur pour obtenir un signal modulé proportionnel à l'entrée analogique, au secondaire du premier transformateur. On utilise l'intégration du signal modulé durant un temps prédéterminé pour engendrer des 35 représentations numériques. On choisit alors un signal de référence de polarité opposée au signal d'entrée inconnu et l'on couple le canal de signal de référence à l'entrée de l'intégrateur et l'on intégre le signal de référence jusqu'à ce que la sortie de l'intégrateur atteigne de nouveau son niveau initial. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention, 40 ressortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins annexés 69 40034 2 2026844 à es texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 représente un diagramme de bloc schématique de la réalisation préférée d'un convertisseur analogique digital (CAD) à double rampe d'intégration donnant corps à l'invention. 5 La figure 2 représente un diagramme potentiel-temps illustrant les poten tiels de rampe et les signaux de commande engendrés par le circuit CAD de la figure 1. La figure 3 représente un diagramme de bloc schématique d'une réalisation préférée d'un convertisseur analogique-digital à triple rampe d'intégration 10 donnant corps à 1'invention. La figure 4 représente un diagramme potentiel-temps illustrant les potanr" tiels dê- rampe et les signaux de commande engendrés par le circuit CAD de la figure 3. On représente dans les dessins un convertisseur analogique digital (CAD) 15 comprenant des entrées isolées. Dans la figure 1 on utilise plusieurs canaux de signaux d'entrée 10a, 10b.... 10n pour coupler sélectivement un signal d'entrée analogique inconnu au convertisseur analogique-digital pour conversion du signal analogique en un signal numérique. Toutes les opérations du CAD sont supervisées par un dispositif de commande 18. Un dispositif de 20 sélection de canal 14 choisit l'un des moyens de. couplage de canal de signal d'entrée et le signal est couplé à un dispositif intégrateur 16 afin de produire l'Intégrale dans le temps du signal analogique Inconnu sur le tempB prédéterminé d'intégration pour produire le potentiel de rampe R1 comme représenté dans la figure 2. Au moment où le signal d'entrée inconnu est couplé à 25 l'intégrateur 16 on excite aussi un dispositif de représentation digitale durant le temps prédéterminé. A la fin du temps prédéterminé l'intégration du signal d'entrée est interrompue et le signal d'entrée est détecté par un dispositif de détection de signe 22. On excite alors un canal d'entrée de signal de référence 12 afin de coupler un signal de signe opposé à celui du 30 signal d'entrée Inconnu au dispositif d'intégrateur 16. On poursuit l'intégration du potentiel dé référence jusqu'à ce que le dispositif de détection 24 détecte que la sortie du dispositif d'intégration a atteint sin niveau initial. Cette intégration produit le potentiel de rampe comme représenté dans la figure 2. La représentation numérique du signal analogique inconnu se trouve 35 alors dans le dispositif de formation de signal numérique 20. Dans la réalisation de l'invention représentée dais la figure 1, on représente le fonctionnement pour un convertisseur analogique digital à double rampe d'intégration donnant corps à l'invention. Une opération de conversion débute par un signal DEPART provenant d'un dispositif convenable tel qu'un 40 système de traitement de donnée associé dans un dispositif de traitement de 69-40034 3 2026844 donnée. On utilise aussi un signal ADRESSE et les signaux DEPART et ADRESSE sont couplés au dispositif de corrmande 18. Le dispositif de commande 1"8 peut comprendre des circuits logiques classiques et des circuits de porte pour produire des signaux de commande convenables tels que ceux représentés dans 5 la figure 2. Le signal adresse est couplé à la matrice de sélection de canal 14 et le signal adresse est décodé pour choisir un canal d'entrée particulier de 10a à 10n. Chacun des canaux d'entrée 10 comprend une paire de bornes de signaux d'entrée 32a et 32b qui relient le signal d'entrée aux bornes d'un condensa-10 teur 34 et au bobinage primaire du transformateur 36. On utilise un second transformateur 38 pour coupler un signal de modulation transféré par le circuit ET 40. L'une des entrées au circuit ET 40 provient du dispositif de commande18 et cette entrée est active lorsqu'un canal d'entrée de signal ou un canal d'entrée de référence est choisi. 15 L'autre entrée au circuit ET 40 est obtenue par un oscillateur d'onde carrée 41 qui produit un signal en forme d'onde carrée. Le signal de modulation sur la ligne 43 comprend un signal à forme d'onde carrée lorsqu'un canal d'entrée est choisi comme représenté dans la figure 2, et ce signal est relié aux bornes du bobinage primaire du transformateur 38. Le bobinage secondaire 20 du transformateur 38 est relié à une paire de transistors â effet de champ 42, 44, qui sont reliés afin d'interrompre périodiquement le signal appliqué aux bornes d'entrée selon une fréquence déterminée par le signal vibrant appliqué au bobinage primaire du transformateur 38. Les transistors à effet de champ dans la réalisation représentée, sont des transistors à effet de champ à 25 jonction dont la source et le drain sont reliés à la ligne d'entrée et la porte à une extrémité du bobinage secondaire du transformateur 38. Un signal de quelques dixièmes de volt appliqué à la borne de porte est suffisant pour rendre le transistor conducteur. La fréquence de vibration est aussi appliquée à un transistor à effet de champ 46 qui est reliée aux bornes du bobinage 30 secondaire du transformateur 36. La sortie provenant du secondaire du transformateur 36 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance 48 et un transistor à effet de champ de sélection de canal 30 à l'entrée de l'intégrateur 16. Bien que l'on ait décrit le circuit d'entrée pour un canal, on utilise d'autres composants identiques pour des autres canaux 10b - 10n. Ainsi, on peut 35 voir que plusieurs canaux de signaux d'entrée sont utilisés et que les signaux d'Bntrée correspondants peuvent être choisis pour conversion, par un signal provenant de la matrice de choix de canal 14 envoyé au transistor de choix de canal correspondant 30. Le dispositif d'intégration 16 est de construction classique et dans la 40 réalisation représentée comprend un amplificateur opérationnel 50 shurvtê par 69 40034 4 2026844 le condensateur 52 et comprend une résistance en série 54 reliée à l'entrée de l'amplificateur 50. Simultanément au commencement de l'intégration du signal inconnu, un dispositif de formation de représentation numérique commence à fonctionner. Dans la réalisation représentée, le dispositif de for-5 mation comprend un oscillateur 56 fournissant des impulsions par l'intermédiaire d'un dispositif de commande 18 pour faire avancer pas à pas un compteur 20. Le comptage du compteur 20 commence à zéro au commencement de l'intégration du signal inconnu et se poursuit à un taux déterminé par l'oscillateur lors de l'intégration du signal inconnu. Lorsque le compteur 20 atteint sa capaci-10 télmaximàle, un signal de saturation est engendré sur la ligne 58 et ce signal est rélié au dispositif de commande 18 et un signal est engendré en réponse à ce signal pour terminer la liaison du signal inconnu à l'entrée du dispositif d'intégration 16. Le signal de la ligne 58 est aussi couplé au dispositif de détection de signal 22. 15 Dans la réalisation représentée, un dispositif de détection 22 comprend un multivibrateur monocoup 60 et un circuit ET 21. Pour obtenir un échantillon du signe du signal d'entrée inconnu, la sortie du multivibrateur monocoup 60 est combinée avec la sortie provenant du dispositif d'intégration 16 dans le circuit ET 21. La sortie du multivibrateur monocoup 60 est choisie pour 20 être positive de sorte que si la sortie du dispositif d'intégration 16 est positive on obtienne une sortie du circuit ET 60. Un signal est envoyé sur la ligne 62 pour enclencher une bascule de signe 64. La bascule 64 de signe 64 est toujours restaurée par la ligne 66 provenant du dispositif de commande 18 au début d'une opération de conversion pour produire un signal de sortie 25 + REF qui sert à choisir un potentiel de référence par excitation du transistor à effet de champ de choix de référence 70. Au cas où 1'état de la bascule 64 est changé par un signal sur la ligne 62 (représentée en pointillé dans la figuré 2). Un signal de sortie -REF fournit le signal pour la sélection du transistor à effet de champs 74 de référence moins. Puisque la réalisation 30 de l'intégrateur représentée dans les dessins invertise les signaux de l'entrée à la sortie, la disposition décrite ci-dessus apporte l'opération désirée du choix d'un potentiel de référence de signe opposé au signal d'entrée inconnu. Une fois le signe de potentiel d'entrée établi le dispositif de commande 18 fournit un signal pour exciter le transistor à effet de champ 76 afin 35 de choisir le canal d'entrée de signal de référence 12 pour obtenir un potentiel de référence de signe opposé au potentiel d'entrée inconnu à l'entrée du dispositif d'intégration 16. Un canal d'entrée de signal de référence 12 comprend une source de signal de référence VD qui est reliée au point milieu du bobinage primaire du transformateur 68. Le signal de modu-40 lation de la ligne 43 est couplé pour mettre en service le transistor à 69 40034 5 2026844 Bffet de champ 72 qui est relié aux bornes du bobinage secondaire du transformateur 68. Le transformateur 68 présente les mêmes caractéristiques que les transformateurs 36 utilisés dans les dispositifs de canaux de signal d'entrée 10. Puisque la sortie du transformateur est modulée au même taux dans les 5 deux canaux de tension de référence et de tension inconnue, de telle sorte que les erreurs tendent à s'annuler, les caractéristiques des transformateurs ne sont pas aussi critiques que celles de ceux utilisés dans les dispositifs de l'art antérieur. On obtient aussi un dispositif beaucoup moins coûteux avec une précision élevée due aux propriétés d'annulation d'erreur produites par 10 l'intégration ascendante et descendante. On utilise le potentiomètre d'équilibre 71 pour compenser l'inégalité dans les commandes de référence + et -due au déséquilibre entre transistor et transformateur. Le potentiomèrre d'équilibre 71 est réglé par application d'un signal d'entrée connu à un canal d'entrée choisi, le convertisseur fonction-15 nant alors selon un mode de conversion continu. On règle le potentiomètre jusqu'à ce qu'une inversion de polarité du signal d'entrée connu produise les représentations numériques correctes + et - de grandeur nature du signal d'entrée. Le rhéostat 75 permet un réglage de calibrage avec un potentiel d'entrée 20 connu. On réalise le calibrage par application d'un potentiel connu aux bornes d'entrée inconnues 32a, 32b d'un canal d'entrée choisi. On met en oeuvre le convertisseur suivant un mode de conversion continu et on règle le rhéostat 75 pour produire la représentation numérique désirée dans le compteur 20 pour le signal d'entrée connu. Les réglages du potentiomètre 71 et du rhéos-25 tat 75 inter-réagissent quelque peu et peuvent nécessiter plusieurs répétitions des procédures ci-dessus. Après les ajustements de réglage Initiaux, on doit vérifier le calibrage sur une base périodique telle que semestriellement par exemple ou après toutes réparations. On utilise le dispositif de détection de potentiel 24 pour détecter lors-30 que le potentiel de sortie du dispositif d'intégration produit en conséquence de l'intégration du potentiel de référence atteint le niveau initial ou de référence. Le niveau ds référence est le niveau existant à l'entrée du dispositif d'intégration juste avant le début de l'intégration du signal inconnu. Dans la réalisation représentée,le dispositif de détection comprend un compa-35 rateur et le nouveau potentiel est le potentiel de masse. Lorsque le potentiel de sortie du dispositif d'intégration 16 atteint le niveau de référence, un signal engendré sur la ligne 78 est envoyé au dispositif de commande 18 pour rendre le transistor 76 non conducteur et arrêter l'intégration du potentiel de référence. A cet instant on arrête aussi le 40 transfert des impulsions d'oscillateur au compteur pas à pas 20 et le compte 69 40034 6 2026844 du compteur à cet instant est une représentation digitale du potentiel analogique inconnu* En ce point on doit remarquer que l'on a terminé la conversion sans l'utilisation d'un démodulateur et d'un filtre qui sont nécessaires dans les dis-5 positifs de l'art antérieur. On aboutit non seulement à un dispositif plus simple utilisant des composants moins coûteux mais ce dispositif représente un avantage de vitesse dû au fait qu'aucun temps de réglage de filtre n'est nécessaire. L'appareil représenté dans la figure 3 représente une réalisation de 10 l'invention mettait en oeuvre un convertisseur analogique digital à triple rampe d'intégration. La rampe d'intégration triple présente un avantage de vitesse par rapport à la rampe double et offre un compromis entre la vitesse et la précision pour une résolution particulière. Le fonctionnement est quelque peu semblable au fonctionnement de la double intégration sauf pour le fait 15 que l'intégration descendante est réalisée en deux étapes. Dans cette réalisation le compteur 120 contient finalement une représentation numérique du potentiel Inconnu que l'on représente comme provenant de la source 132. Dans ce cas, le compteur binaire 120 est divisé an deux sections égales et l'on utilise deux sources de potentiel de référence et V^. Les signaux pour le choix 20 du canal d'entrée 110a, 110b... 110n sont fournis par la matrice de choix de canal 114 pour qu'ils excitent le transistor à effet de champ de' choix de canal approprié 130. Dans cette réalisation la sortie du dispositif d'intégration 116 est couplée aux circuits comparateurs 124 et 125. L'opération de conversion débute à un temps donné initial TQ et à cet ins-25 tant les deux groupes 120a et 120b du compteur 120 sont à l'état 0 et le. commutateur 130 de choix de canal d'entrée approprié est fermé par un signal émis par la matrice de choix de canal 114 par l'intermédiaire des dispositifs de commande 118 pour coupler un potentiel d'entrée analogique inconnu à l'entrée du dispositif d'intégration 116 pour une période fixée de temps qui peut être 30 égale au temps nécessaire pour remplir le groupe de compteur 120a. Les impulsions d'horloge provenant de l'oscillateur 156 sont transférées dans le groupe compteur 120a par le dispositif de commande 118. Le signal sur la ligne 158 représente un signal de saturation provenant du groupe de compteur 120a. Le signal de la ligne 158 est envoyé au dispositif de commande 118 et au disposi-35 tif de détection de signe comprenant un multivibrateur monocoup 160 et un circuit ET 122. Le signal de la ligne 158 au dispositif de commande agit pour engendrer dBS signaux pour l'ouverture du commutateur 130 st arrêter l'intégration du signal analogique inconnu. L'intégrale dans le temps du signal inconnu sur l'intervalle choisi est formée dans le circuit intégrateur 116 et on pro-4Q duit le potentiel R^ derampe corme représenté dans la figure 4. 69 40034 7 202684.4 ' La suite de l'opération de conversion comprend l'utilisation de deux potentiels de référence de signe opposé au signal d'entrée inconnu pour terminer la conversion de telle sorte que la représentation numérique du potentiel • analogique inconnu reste dans le compteur 120. Le signe du potentiel d'entrée 5 inconnu est déterminé d'une façon semblable à la réalisation déjà décrite utilisant un multivibrateur monocoup 160, un circuit ET 122 et une bascule de signe 164. Par ce moyen le transistor à effet de champ de choix de référence approprié 170 ou 174 est excité par le signal provenant de la bascule de signe 164. Un signal est émis à partir du dispositif de commande 118 pour exciter le 10 transistor de choix de référence 176 et aussi afinde fournir un signal SEL REF 1 pour exciter le transistor de choix de référence 180. Le premier potentiel de référence est alors intégré jusqu'à ce que la sortie du dispositif d'intégration 116 détecté par le comparateur 124 atteigne un niveau intermédiaire temps durant lequel on produit la rampe R^ comité 15 représenté dans la figure 4. Ce facteur est couplé au dispositif de commande 118 sur la ligne 178 et ce signal agit pour engendrer un signal SEL REF 2 pour désexciter le transistor de choix de référence 180 et exciter le transistor 182 pour choisir le second potentiel de référence qui est un potentiel inférieur au premierpotentiel de référence et l'on intègre ce potentiel de référence 20 jusqu'à ce que le comparateur 125 détecte que le potentiel de sortie de l'intégrateur a atteint son niveau initial (pour produire la rampe R3 comme représenté dans la figure 4], moment auquel un signal est envoyé au dispositif de commande 118 par la ligne 184 qui sert à terminer l'intégration du potentiel de référence de telle sorte que la représentation numérique du potentiel 25 analogique inconnu apparaisse alors dans le compteur 120. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préférée de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans 30 pour autant sortir du cadre et de la portée de ladite invention. 69 40034 8 2026844 R E V E N D I C A.T I 0 N S 1. Convertisseur analogique digital destiné à convertir la valeur d'une tension analogique inconnue en une représentation numérique comprenant plusieurs canaux de signaux d'entrée, chaque canal comportant un premier transformateur et une source de tension analogique ; ledit convertisseur étant caractérisé en 5 ce qu'il comprend : -des moyens de sélection de l'un des canaux de signaux d'entrée, - des moyens pour produire un signal modulé proportionnel à ladite tension analogique par 1'intermédiaire du premier transformateur, des moyens d'intégration pour intégrer ledit signal modulé pendant un 10 temps prédéterminé, - des moyens de référence comprenant un deuxième transformateur, plusieurs sources de tensions de référence et des moyens pour produire un signal modulé proportionnel à une des tensions de référence, - des moyens pour connecter une première tension de référence de polarité 15 opposée à celle de la tension analogique, aux moyens d'intégration, - des premiers moyens de détection pour détecter quand la sortie desdlts moyens d'intégration a atteint son niveau de départ , - des moyens de représentation digitale pour engendrer une représentation digitale de la tension analogique en réponse au temps d'intégration des dits 20 moyens d'intégration. 2. Convertisseur analogique-digital selon la revendication 1 dans lequel : - des moyens permettent de connecter une deuxième tension de référence de polarité opposée à celle de la tension analogique, aux dits moyens d'intégration, quand la sortie des dits moyens d'intégration a atteint un ni- 25 veau prédéterminé, - des seconds moyens de .détection pour détecter quand la sortie des dits moyens d'intégration a atteint son niveau de base. 3. Convertisseur analogique-digital selon les revendications 1 ou 2 dans lequel 30 les dits moyens pour produire un signal modulé proportionnel à une tension analogique comprennent : - une source d'impulsions électriques, - des moyens de.découpage du courant des signaux d'entrée, - un troisième transformateur reliant les impulsions électriques de ladite 35 source aux dits moyens de découpage pour produire ledit signal modulé. 4. Convertisseur analogique digital selon la revendication 3 dans lequel les 69 40034 9 2026844 dits moyens de découpage de courant comportent deux transistors à effet.de champ en série. 5. Convertisseur analogique-digital selon la revendication 1 dans lequel les-dits moyens de représentation digitale comprennent un compteur, une source 5 d'impulsions et des moyens pour alimenter le compteur par les impulsions de manière voulue. 6. Convertisseur analogique-digital selon la revendication 2 dans lequel les dits moyens de représentation digitale comprennent : on compteur avec un premier groupe de positions d'ordre élevé et un deuxième groupe de 10 positions d'ordre inférieur j une source d'impulsions, et des moyens pour alimenter le premier groupe de positions du compteur avec au moins une des impulsions de la source et alimenter ensuite le deuxième groupe de positions du compteur avec au moins une autre Impulsion de la source. 7. Convertisseur analogique-digital pour convertir la valeur d'une tension 15 analogique Inconnue eb une représentation digitale caractérisée en ce qu'il comprend : - plusieurs canaux de signaux d'entrée, chacun comprenant une source de tension d'entrée, des moyens ds^découpage de courant et un premier transformateur, 20 ~ une source d'impulsions, - un second transformateur pour connecter de façon sélective ladite source d'impulsions aux dits moyens.de découpage de façon à produire un signal modulé proportionnel au signal d'entrée, au secondaire dudit premier transformateur, 25 ~ des moyens d'intégration pour intégrer ledit signal modulé pendant un temps prédéterminé, - des moyens de détection du signe dudit signal modulé, - des moyens de référence comprenant plusieurs sources de tension de référence et un troisième transformateur, 30 - des moyens pour connecter de manière sélective une tension de référence de signe opposé au signe détecté dudit signal modulé, aux moyens d'intégration, - des moyens pour détecter quand la sortie des moyens d'intégration a.atteint son niveau de base, 35 - des moyens d'accumulation pour engendrer une représentation digitale du signal d'entrée, en réponse au temps d'intégration.