Brevet FR2045988A1 — publié le 19710305

i 2045988 L'invention se rapporte aux appareils de mesure par échantillonnage et plus particulièrement mais non exclusivement aux convertisseurs analogiques numériques tels' que voltmètres numériques ou autres instruments de mesure numériques dans lesquels le signal à mesurer est échantillonné puis 5 transformé en une mesure numérique. Si dans un tel appareil deux échantillons successifs sont séparés par un intervalle T, on sait qu'une réjection théoriquement infinie du bruit contaminant le signal à courant continu est obtenue pour' une fréquence de bruit 1/2T et pour tous harmoniques impairs de celle-ci. Cette technique peut être 10 utilisée pour éliminer le bruit à 50 périodes provenant du secteur, par exemple en espaçant les échantillons de 10 millisecondes. Cette invention concerne un perfectionnement aux techniques d'échantillonnage, qui notamment permet d'augmenter la précision obtenue au moyen d'un convertisseur analogique numérique relativement simple et bon marché 15 et en outre de conférer une souplesse beaucoup plus grande à la réalisation de dispositifs susceptibles d'éliminer une ou plusieurs fréquences de bruit. Selon la présente invention un dispositif de mesure par échantillonnage comprend des moyens adaptés à échantillonner un signal électrique d'entrée d'une manière répétée, de façon à prélever au moins dix échantillons 20 successifs séparés par des intervalles prédéterminés et des moyens pour intégrer cumulativement lesdits échantillons. Ces échantillons peuvent rester des signaux analogiques et être intégrés dans cette forme, par exemple en appliquant lesdits échantillons à un condensateur ou à un circuit d'intégration. De préférence cependant un con-25 vertisseur analogique numérique sera utilisé pour fournir une mesure numérique de chaque échantillon, les valeurs numériques obtenues étant ensuite accumulées pour réaliser l'intégration cumulative. Dans la forme la plus simple de l'invention, dix, cent (ou plus) échantillons également espacés sont prélevés, l'effet obtenu étant essentlelle-30 ment semblable à celui de mesures répétées de laboratoire grâce auxquelles les erreurs aléatoires de mesure sont très notablement réduites. Sous un autre aspect, l'échantillonnage répété peut être considéré comme simulant l'intégration du signal d'entrée au cours d'une période de mesure complète, laquelle peut être rendue égale à la réciproque de la fréquence de bruit prédominante de 35 manière à obtenir une réjection de bruit comme il est connu de le faire dans les convertisseurs analogiques numériques intégrateurs. De la sorte, l'invention permet de tirer un meilleur parti d'un convertisseur analogique numérique simple 70 21396 2 2045988 tel que celui décrit ci-après. Bien que la sensibilité et la précision propres de tels convertisseurs analogiques numériques puissent être notablement moindres que la sensibilité et la précision de convertisseurs analogiques numériques comportant des intégrateurs complexes, le coût réduit du système le rendra 5 intéressant pour de nombreux usages. Dès lors on pourra équiper de tels convertisseurs d'un amplificateur d'entrée de manière à en augmenter encore la sensibilité et même les compléter pour les rendre capables d'effectuer une calibra-tion automatique périodique par rapport à une èntréè de référence de manière à obtenir une augmentation de la précision. 10 L'invention n'est pas limitée à la simple application ainsi décrite Dans la demande de brevet déposée par la Société demanderesse le 10 Juin 1970, pour "Perfectionnements aux appareils de mesure intégrateurs" il est décrit conment la variation de la fonction de pondération suivant laquelle le signal à mesurer est intégré au cours d'une période de mesure permet d'obtenir une 15 réjection de bruit améliorée. A titre d'exemple, la fonction de pondération est égale à l'unité au cours d'intervalles tels que -2T ^t' ^-3T/2 et -T/2 4.t' ^.0, le temps T étant mesuré depuis t' = 0 jusqu'à la fin de la période de mesure de durée 2T,au cours de l'intervalle -3T/2 ^t' En conséquence, dans une forme de réalisation particulièrement importante de l'invention, le facteur de pondération avec lequel les échantillons sont intégrés cumulativement est différent pour les différents échantil-25 Ions et/ou les échantillons sont pris à intervalles prédéterminés différents. Bien que l'invention soit particulièrement utile dans le domaine des conversions analogiques numériques, dans son aspect plus général elle permet le filtrage actif d'un signal analogique de manière à éliminer les composantes non désirées qui s'y trouvent et à sélectionner les composantes 30 cohérentes correspondant aux tableaux de pondération adoptés. Deux formes de réalisation de l'invention seront maintenant décrites à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés. Ces formes de réalisation simulent le tableau de pondération spécifique décrit ci-dessus. Aucune forme de réalisation adaptée à prélever des échantillons 35 également espacés et pondérés n'est décrite, cela étant une simplification évidente des formes de réalisation plus complexes qui vont être décrites. A titre de simplification le nombre d'échantillons est pris égal à 12. En pratique un nombre plus grand est souvent préféré, par exemple 100 ou 1000. 70 21396 5 2045988 Selon les dessins : - la figure 1 est ion diagramme explicatif ; - la figure 2 est un schéma d'une forme de réalisation de l'invention ; et 5 - la figure 3 est tin schéma d'une autre fprae de réalisation. La figure 1 illustre un signal à courant continu V échantillonné 12 fois aux positions marquées de manière à produire après conversion analogique numérique des nombres d'impulsions à Nip. Si ces impulsions sont comptées cumulativement mais avec à multipliés par trois, le nombre cumulé obtenu 10 se rapproche de la valeur qui aurait été obtenue en intégrant V au cours d'une période d'échantillonnage totale T avec V multiplié par tin facteur de pondération X. Comme on l'a noté ci-dessus, la valeur pratique d'une telle intégration est expliquée dans la demande de brevet citée. Le dispositif convertisseur analogique numérique représenté à la figure 2 est prévu pour mettre en oeuvre 15 cette procédure d'échantillonnage. Les échantillons sont prélevés à des intervalles déterminés, établis par une source d'impulsions chronométriques 10 de période t avec 12t = 2T, la durée 12t étant rendue égale à tin multiple entier de la période d'un signal de bruit connu pour être présent dans le signal V. Quand une mesure doit être 20 faite, un bistable de démarrage 12 est placé à l'état actif de manière à ouvrir une porte 13 afin de laisser passer les impulsions chronométriques depuis la source 10 jusqu'à tin convertisseur analogique numérique 14 et vers un compteur en anneau 16 à 12 étages qui établit les séquences des opérations d'échantillonnage. La douzième sortie du compteur en anneau 16 remet à zéro le bistable 25 12 de manière à terminer la mesure. Le convertisseur analogique numérique 14 comprend un amplificateur d'entrée 18 connecté à une borne d'entrée 20 recevant 7. L'amplificateur 18 fournit une tension V' à une entrée d'un amplificateur différentiel 22. Quand la sortie de l'amplificateur 22 devient négative un circuit déclencheur 24 30 bascule à l'état actif de manière à ouvrir une porte 26 et à autoriser les impulsions d'horloge rapides provenant de la source 28 à entrer dans le compteur 30. Le nombre dans le compteur est converti en une tension de contre-réaction appliquée à l'autre entrée de l'amplificateur 22 par un convertisseur numérique-analogique 32, par exemple du type à résistances commutées. Pour prélever 35 un échantillon de V, il est tout d'abord nécessaire de ramener à zéro le compteur 30 et ceci est fait par chaque Impulsion de commande d'échantillonnage qui traverse la porte 13. Le circuit déclencheur 24 passe iusîsdiatement à l'état 70 21396 4 2045988 actif et les impulsions rapides passent à travers la portee Le compteur 30 compte rapidement jusqu'au nombre qui amèiae à contra-balancer eraetemeat V's l1indice i variant de 1 à 12. Ceci constitue un convertisseur* aaalegiqae xjaaéslqpé da t^pe pes^ 5 manent (par opposition à périodique) en s@i ecanu qui peut être très simplement construit en utilisant pour le convertisseur numérique aaal©giqu@ 32 èes circuits Intégrés comprenant des résistances à fila mince. Après un délai convenable engendré par m circuit retard 34» chaque impulsion de commande d1 échantillonnage ps.mée par la porte 13 amène le 10 nombre contenu dans le compteur 30 à être additionné dans un accumulateur 36 sans pour autant remettre à zéro le compteur 30.-> eeci étant uniquement fait en réponse directe à une impulsion de coa@aM@ d8échantillonnage (non retardée). Les techniques pour effectuer tme telle addition sont bien connues dans la technique des calculateurs numériques. La ^présentation symbolique d8une porte 15 38 ouverte par une impulsion d1échantillonnage retardée est utilisée ici. Quand le compteur en anneau 16 est dans ses états 4 à 9» un signal est obtenu à la sortie d'une porte CHJ 40» «pi est utilisé pour amener ^ (avec i = 4 à 9) à être additionné trois fois dans 1!accumulateur 36 au lieu d'une fois. De la sorte» la sortie de la porte 40 ferme un interrupteur à 20 transistor 42 qui applique la sortie Le nombre final dans lsaccumulateur est H (3 + 516 + 3) «* 24N» avec N valeur nuœériqae moyenne de la mesure. L3effet de 19échantillonnage 25 répété avec différents poids est simplement d°iiitrsdaire des facteurs de pondération linéaire dans la mesure ©ù seule une entrée continue est concernée. Il est donc aisé d® faire en sorte que le n©abre réellement enregistré dans l'accumulateur 36 donne une valeur directe de Y, pas? exemple en effectuant une division convenable à la sortie du convertisseur Amérique analogique 32. 30 n n'est pas nécessaire que Isa échantillons soient également espaQésâ la variation de l'intervalle entre les échantillons fournissant une autre aéthsâe pour faire varier la pondération en accord avec la fonction X. Cette possibilité est illustrée à la figure 3 dsas laquelle le convertisseur analogique-numérique 14 est du type permanent; exactement comas la figure 35 2. La source d'impulsions de commande dséchantillonnage 10' fonctionne à trois fois la fréquence de la source 10 de la figure 20 La sortie de la porte 13 cependant est appliquée à un circuit de division par trois 48 dont la sortie 70 21396 5 2045988 alimente le compteur en anneau 16. Dans les états 1, 2, >, 10, 11 et 12 du compteur 16 un interrupteur 50 est fermé à travers une porte OU 52, pour que soient utilisés les signaux de sortie du circuit de division par trois 48, comme impulsions d'échantillonnage. Ces impulsions remettent à zéro le compteur 5 du convertisseur analogique numérique 14 et passent à travers le circuit retard 34 pour ouvrir la porte 3>8« Les circuits retard additionnels 44 et 46 ne sont plus nécessaires. .. Au contraire, dans les états 4 à 9 du compteur en anneau 16, les signaux non divisés apparaissant à la sortie de la porte 13 sont utilisés comme 10 impulsions d'échantillonnage au moyen desquelles trois échantillons sont .prélevés dans chacun de ces états. A cet effet, le signal de sortie de la porte OU 40 ouvre un interrupteur 54. la présente invention permet à ton convertisseur analogique-numéri-que à faible résolution d'être utilisé pour des mesures à haute résolution. Si 15 la résolution de base est l/K et que N mesures sont effectuées, la résolution finale est le résultat statistique bien connu : 1/ Vn.M, pourvu évidenment que la précision du convertisseur soit au moins égale à Vn.M. L'invention diminue uniquement les erreurs statistiques* elle ne peut bien entendu réduire les erreurs systématiques. Il est évident que la situation ci-dessus suppose que le 20 signal analogique comporte une composante de bruit, sinon un convertisseur à faible résolution employé selon l'invention conduirait simplement à une erreur moyennée. Dans le cas où le signal est pratiquement libre de tout bruit, l'invention peut toutefois être encore mise en oeuvre en ajoutant simplement du bruit au signal, c'est-à-dire en lui superposant un signal aléatoire ou pseude-25 aléatoire ou encore un signal périodique de période égale à un sous-multiple de la période de mesure. La distribution probable des amplitudes des signaux ajoutés doit être plate pour toutes les amplitudes entre les amplitudes crêtes des signaux triangulaires conviennent à cet effet» 70 21396 6 2045988 HEtfBJDICATI0M3 ' 1. Dispositif de mesure à échantillonnages caractérisé en ce qu'il comprend des moyens adaptés à échantillonner tin signal électrique d'entrée d'une manière répétitive afin de prélever au radins dix échantillons successifs dudit signal^ des intervalles prédéterminés existant entre eux et des moyens 5 pour intégrer lesdits échantillons cumulativement. 2. Dispositif selon la revendication 1/ caractérisé en ce que le nombre d'échantillons prélevés est au moins de 100. 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé eri ce que les moyens d'échantillonnage prélèvent des échantillons analogiques du signal d'entrée 10' et les appliquent à des moyens d'intégration analogiques. 4. Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens d'échantillonnage comprennent un convertisseur analogique numérique 14 adapté à fournir une valeur numérique de chaque échantillon et dans lequel des moyens d'intégration 36 accumulent les valeurs numériques. 15 5. Dispositif selon la revendication 4-, caractérisé en ce que le convertisseur analogique-numérique coaçsrend une source 28 d'impulsions d'horloge, un compteur 30 pour compter lesdites impulsions d'horloge, un convertisseur numérique analogique 32 associé audit compteur pour fournir un signal de contre-réaction et des moyens de comparaison 22-24 pour comparer le signal d'entrée 20 avec ledit signal de contre-réaction et pour arrêter la transmission des impulsions vers le compteur lorsque le signal de contre-réaction atteint la même amplitude que le signal d'entrée» 6. Dispositif selon la revendication 5S caractérisé en ce que le convertisseur numérique analogique 32 est du type à résistances coranutables. 25 7» Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le poids avec lequel les échantillons sont intégrés cumulativement est différent pour les différents échantillons. 70 21396 7 2045988 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7s caractérisé en ce que le convertisseur analogique numérique 14 comportant un cospteur 30 adapté à conserver en mémoire ladite valeur suiaéTique, les ssoyens à"intégration comprennent un accumulateur 36 et des noyens 34* 38, 46 p©ar amener le 5 contenu du compteur 30 à être additionné dans l'aeoasîlatemr un nombre de fois prédéterminé, différent pour les différents échantillons. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens d1échantillonnage sont adaptés à prélever les échantillons à des intervalles de temps prédéterminés différents. 10 10. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9» caractérisé en ce que le convertisseur analogique numérique 14 ssmportaat «n compteur 30 adapté à conserver en mémoire ladite valeur numérique, ledit moyen d'intégration comprend un accumulateur (36) et les ssyens d'échantillonnage, une source d'impulsions (12', 16, 48, 50, 54) apparaissant à des intervalles variables 15 suivant un eyele déterminé, ledit cenvertisseur analogique numérique étant adapté à prélever un nouvel échantillon en réponse à chacune desdites impul