Brevet FR2128180A1 — publié le 19721020

La présente invention a pour objet un dispositif de comparaison de deux tensions électriques, l'une étant utilisée comme tension de référence. Ce dispositif, permettant la comparaison d'une tension à une tension de référence, fournit à sa sortie un signal uniquement lorsque la tension à comparer est supérieure à la tension de référence. L'invention a également pour objet un convertisseur analogique-numérique rapide permettant, par la comparaison d'une tension électrique à n tensions de référence, la conversion du niveau analogique de la tension à comparer en une information numérique et utilisable notamment dans les oscilloscopes numériques. On connaît déjà de nombreux dispositifs permettant la comparaison dune tension à une ou plusieurs tensions de référence, parmi lesquels on peut citer à titre d'exemples les convertisseurs analoglques-numérlques à rampe, les convertisseurs par pesées successives et les convertisseurs utilisant plusieurs comparateurs connectés en parallèle. Les convertisseurs à rampe comportent deux entrées: sur l'une on applique la tension à comparer et sur l'autre entrée, un signal qui déclenche, d'une part, un chronomètre et, d'autre part, un niveau de tension qui croît linéairement au cours du temps. On compare alors le niveau de tension de la première entrée avec le niveau de tension linéairement croissant et, lorsque ces deux niveaux sont égaux, on arrête le fonctionnement du chronomètre.L'intervalle de temps ainsi mesuré est proportionnel au niveau de tension à comparer. Ces convertisseurs à rampe sont précis mais ils manquent cependant de rapidité. Le principe de fonctionnement des convertisseurs par pesées successives est le suivant: on compare le niveau de tension à mesurer à un niveau de tension déterminé, puis à la moitié de ce niveau de tension, puis au quart et ainsi de suite. On conçoit aisément que ces dispositifs manquent de rapidité. Suivant un autre type de convertisseurs, on connecte en parallèle plusieurs comparateurs identiques. Ces convertisseurs, quoique très rapides, deviennent vite chers lorsque la précision demandée pour la mesure est grande. L'invention propose un dispositif correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet la comparaison rapide de deux tensions électriques à un prix de revient relativement bas. A cette fin, l'invention propose un dispositif de comparaison de deux tensions électriques, l'une étant utilisée comme tension de référence, fournissant à sa sortie un signal uniquement lorsque la tension à comparer est supérieure à ladite tension de référence, caractérisé en ce qu'il comporte deux résistances R et R' connectées en série, l'extrémité libre de l'une étant reliée à la borne d'entrée du dispositif sur laquelle est appliquée la tension à comparer et l'extrémité libre de l'autre étant connectée à une borne de référence recevant une tension égale à la tension de référence et changée de signe par rapport à la tension à comparer, deux diodes ayant leurs anodes reliées à une source de tension de polarisation par l'intermédiaire d'une même résistance R1, la cathode de l'une des deux dites diodes étant connectée entre les deux dites résistances R et R' et la cathode de l'autre étant reliée à la sortie dudit dispositif, une résistance R o connectée entre ladite source de tension de polarisation et ladite sortie, une diode tunnel ayant sa cathode reliée à la masse et son anode à ladite sortie et une résistance R2 ayant une extrémité connectée à ladite sortie et son autre extrémité à la sortie d'un générateur de signaux de test et de remise à zéro, les valeurs de ladite tension de polarisation et des résistances R1 et R étant choisies de sorte que ladite diode tunnel présente o deux états stables. L'invention a également pour objet un convertisseur analogique-numérique rapide permettant la comparaison d'une tension électrique à n tensions de référence, caractérisé en ce qu'il comporte n dispositifs de comparaison identiques, ladite tension à comparer étant appliquée en parallèle sur les n bornes d'entrée desdits dispositifs, chaque borne de référence recevant l'une desdites n tensions de référence changées de signe et les extrémités, non connectées à la sortie dudit dispositif de comparaison, desdites résistances R2 étant reliées en parallèle à la sortie dudit générateur de signaux de test et de remise à zéro. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples explicatifs mais non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la figure 1 représente le schéma électrique d'un mode de réalisation du dispositif de comparaison conforme à l'invention, - la figure 2 est la caractéristique couranttension de la diode tunnel utilisée dans le dispositif repré senté sur la figure 1, - la figure 3 représente la forme des signaux de test et de remise à zéro appliqués à l'une des bornes du schéma de la figure 1, - la figure 4 représente le schéma électrique d'un mode de réalisation du convertisseur analogique-numérique rapide conforme à l'invention et, - la figure 5 représente le schéma synoptique d'un oscilloscope numérique utilisant des convertisseurs analogiques-numériques identiques à celui représenté sur la figure 4. Le mode de réalisation du dispositif de comparaison représenté sur la figure 1 comporte une borne d'entrée 2 sur laquelle on applique la tension E que l'on veut comparer à une tension de référence Vref Cette comparaison est effectuée en appliquant sur la borne 4 une tension -Vref, c'est-à-dire la tension de référence changée de signe dans le cas où, comme dans l'exemple décrit, la tension E est positive. Deux résistances R et R' sont reliées l'une à l'autre en un point A, l'autre extrémité des résistances R et R' étant connectée respectivement aux bornes 2 et 4. Les valeurs des résistances R et R' peuvent être avantageusement égales.Deux diodes 6 et 8 sont reliées tête-bêche, c'est-à-dire que leurs anodes sont reliées entre elles, la cathode de la diode 6 étant reliée au point A et la cathode de la diode 8 étant reliée à la sortie S du dispositif. L'une des deux extrémités d'une résistance R1 est connectée entre les deux anodes des diodes 6 et 8, l'autre extrémité étant reliée à une source de tension de polarisation 10. Une résistance Ro est connectée entre la source 10 et la sortie S. Une diode tunnel 12 a sa cathode reliée à la masse et son anode à la sortie S. L'une des deux extrémités d'une résistance R2 est reliée à la sortie S, l'autre extrémité étant reliée à la sortie 14 d'un générateur de signaux de test et de remise à zéro. En comparant les tensions E et Vref, deux cas peuvent se présenter. Dans un premier cas, si la valeur de E est supérieure à la valeur absolue de Vref, la différence de potentiel au point A, mesurée par rapport à la masse, est positive: la diode 6 est dans un état bloqué et la diode 8 dans un état conducteur. La diode tunnel 12 est alors parcourue U U par un courant (I1 + I0) avec I1 = R1 et I0 = R0, en appelant U la tension de polarisation appliquée à la borne 10. Dans le deuxième cas, la valeur de E est inférieure à la valeur absolue de Vref et la différence de potentiel au point A est alors négative: la diode 6 est dans un état conducteur et la diode 8 dans un état bloqué. Le seul courant parcourant la U diode tunnel 12 est le courant I0 de valeur R0.Sur la figure 2, on a représenté la caractéristique de la diodes tunnel 12 (le courant I en fonction de la tension V), ainsi que les courants I0 et (I0 + I1) qui correspondent, en valeur absolue, respectivement à E Vref. Sur la borne 14, on applique des impulsions de tension telles que représentées sur la figure 3: les impulsions négatives 16 sont des impulsions de remise à zéro du dispositif et les impulsions positives 18 correspondent à des signaux de test. Ces impulsions peuvent être répétitives et se reproduire avec une période Tg. L'amplitude du signal de test 18 est choisie de la façon suivante: lorsque cette impulsion positive est appliquée à l'anode de la diode tunnel 12 et dans un premier cas où cette dernière est parcourue par un courant (Io + I1), le signal de test 18 fait basculer la diode d'un état stable caractérisé par une tension VO (état O) à un autre état stable caractérisé par une tension supérieure à V1 (état 1). Dans un deuxième cas où la diode tunnel 12 est parcourue uniquement par un courant I0, l'amplitude du signal de test 18 ne doit pas être suffisante pour faire basculer la diode tunnel de l'état O à l'état 1, la diode tunnel restant alors dans l'état stable O. Suivant que la différence de potentiel au point A est positive ou négative, la diode tunnel 12 se trouve dans un état-stable O ou 1 après l'application du signal de test sur la borne 14. Ce dispositif de comparaison fonctionne donc par tout ou rien. L'état 1 de la diode tunnel étant un état stable, il est nécessaire, en vue d'effectuer une nouvelle comparaison des tensions appliquées aux bornes 2 et 4 pour de nouvelles valeurs de E et Vref, de remettre la diode tunnel à l'état O. Pour ce faire, on applique une impulsion négative 16 de remise à zéro, ce qui fait chuter la différence de potentiel aux bornes de la diode tunnel à une valeur inférieure à VO. On conçoit qu'en valeur absolue l'amplitude de l'impulsion 16 doit être supérieure à l'amplitude des signaux de test 18. Le courant parcourant la diode tunnel est alors Io et la diode est à l'état stable 0. On remarque que ce dispositif de comparaison possède un effet de mémoire puisque la diode tunnel reste dans l'état 1 aussi longtemps que l'on n'applique pas en 14 une impulsion 16 de remise à zéro. Il est nécessaire que, d'une part, les valeurs des courants Io et flo t I1 soient nettement séparées et que, d'autre part, la valeur du courant (Io f I1) soit inférieure à la valeur maximale du courant comprise entre les différences de potentiel zéro et V1.Ces conditions peuvent être facilement réalisées par le choix des valeurs de la tension de polarisation appliquée à la borne 10 et des résistances R1 et Rg A titre d'exemple, les valeurs des résistances peuvent être les suivantes: R = Rt = 1000 ohms, R1 = 5000 Q, Rg = 10 000 ohms et R2 = 700 Q. La tension de polarisation peut être de 12 Volts, les impulsions 16 de remise à zéro et 18 de test ayant alors des amplitudes respectives de - 2,5 Volts et + 1,5 Volts. La période Tg peut être égale à 100 nanosecondes. La figure 4 représente partiellement le schéma électrique d'un convertisseur analogique-numérique comportant plusieurs dispositifs 20 identiques à celui représenté sur la figure 1. Ces dispositifs sont connectés en parallèle: leurs entrées sont reliées entre elles pour ne former qu'une seule entrée E. Les bornes 10 sont reliées entre elles et il en est de meme des bornes 14.Si n est le nombre de dispositifs 20 branchés en parallèle, le convertisseur analoaique-diaital a donc n sorties S1, S2, S3,..............., Sn et nbornes 4, n ce qui permet la comparaison d'une tension E avec n tensions de référence Vref 1 Vref 2 Vref 3, ""'' Vref n Tous les dispositifs de comparaison 20 fonctionnent de façon synchrone puisque les impulsions de test ou de remise à zéro sont appliquées simultanément sur les bornes 14 reliées entre elles.En choisissant pour Vref des valeurs différentes régulièrement espacées et situées dans une plage déterminée, on peut donc situer le niveau de tension E entre deux n ref n et Vref n+l On obtient ainsi la valeur n Vref et V numérique du niveau de tension appliqué à l'entrée E. Une façon avantageuse de choisir les valeurs des tensions de référence Vref consiste à prendre des valeurs entières comprises entre 1 et 10 volts (1, 2, 3 , 10) et à multiplier toutes ces valeurs par le même nombre 10x, x étant un enter positif ou négatif, le nombre n de dispositifs 20 étant pris égal à dix. De cette façon, si Vref 1 = 1 volt, Vref 2 = 2 volts, Vref 3 = 3 volts ..... et Vref 10 = 10 volts, on peut déterminer la valeur entière de la tension E- comprise entre 0 et 10 volts Les états 1 et 0 des diodes tunnel 12 étant stables, la valeur numérique de la tension E est conservée en mémoire jusqu'à ce qu'une impulsion 16 de remise à zéro des dispositifs 20 soit appliquée sur la borne- 14. Des convertisseurs analogiques-numériques conformes à l'invention et dont un mode de réalisation est représenté partiellement sur la figure 4, peuvent être avantageusement utilisés pour la réalisation d'fun oscilloscope numérique dont le schéma synoptique est représenté sur la figure 5. Alors qu'avec un oscilloscope cathodique le signal à analyser est observé sur un écran, l'oscilloscope numérique permet l'acquisition définitive ou témporaire du signal sous forme d'informations binaires stockées dans une mémoire. Sur la figure 5, l'oscilloscope numérique comporte deux convertisseurs analogique numérique 22 et 24 identiques à celui représenté sur la figure 4. Ces convertisseurs 22 et 24 comportent chacun dix dispositifs de comparaison 20 et neuf bornes de sortie (la borne de sortie du premier comparateur n'étant pas utilisée). A titre d'exemple, les dix tensions de référence Vref du comparateur 22 sont 1, 2, 3 , 10 volts et celles du comparateur 24 sont 0,1; 0,2; 0,3; ....; 1 volt.Dans ce cas, l'oscilloscope numérique est capable de donner numériquement la valeur de la tension d'entrée E avec une décimale lorsque la tension E est comprise entre 0 et 10 volts. Le niveau de tension E est appliqué sur la borne d'entrée 26 de l'oscilloscope digital. I1 est ensulte ampllfié à l'aide d'un amplificateur 28 à gain variable, ce qui permet d'ajuster la valeur de E entre 0 et 10 Volts (cet amplificateur est analogue aux amplificateurs d'entrée que l'on trouve sur tous les oscilloscopes cathodiques). La sortie de l'amplificateur 28 est reliée, d'une part, à l'entrée du comparateur 22 et, d'autre part, à l'une des deux entrées d'un circuit de soustraction 30 par l'intermédiaire d'une ligne à retard 32.Chaque convertisseur 22 ou 24 est muni à sa sortie d'un dispositif non représenté qui permet de sélectionner parmi tous les dispositifs de comparaison 20 ayant basculé d'un état0 à un état 1, celui dont la tension de référenceVlef est la plus élevée. Les neuf sorties du comparateur 22 sont connectées, d'une part, aux neuf entrées d'un décodeur 34 qui transforme le signal numérique en un signal binaire et, d'autre part, à un convertisseur numérique-analogique 36, lequel transforme le signal numérique issu du convertisseur 22 en un signal analogique. La sortie du convertisseur numérique-analogique 36 est reliée à la deuxième entrée du circuit de soustraction 30, la sortie de ce dernier étant reliée à'entrée du convertisseur analogique-numérique 24. Les neuf sorties du convertisseur analogique-numérique 24 sont reliées aux neuf entrées d'un décodeur 38. Les sorties des décodeurs 34 et 38 sont reliées chacune à l'une des huit entrées d'une mémoire rapide 40. La sortie de cette dernière est reliée à l'entrée d'un circuit de décodage 42 qui transforme les informations binaires de la mémoire en informations décimales, lesquelles sont enregistrées sur une imprimante 44 et sur un enregistreur graphique 46 Les impulsions de test et de remise à zéro appliquées sur la borne 14 des convertisseurs analoglques-numériques sont fournies par un circuit de programmation 48 à deux entrées, l'une 50 recevant des signaux de synchronisation externe et l'autre 52 les impulsions récurrentes émises par un circuit d'horloge 54.La période de ces impulsions récurrentes peut être réglée à l'aide du circuit 56, qui est l'équivalent du circuit de vitesse de balayage sur un oscilloscope cathodique. A titre d'exemple et pour illustrer le principe de fonctionnement de l'oscilloscope numérique décrit, -supposons que la tension à mesurer E soit égale à 5,8 volts. Le convertisseur analogique-numérique 22 compare une tension comprise entre 1 et 10 volts et le convertisseur 24 unetension comprise entre 0 et 1 volt. Les cinq premières sorties du convertisseur 22 vont basculer d'un état 0 à un état 1, les autres sorties restant inchangées. A l'aide du dispositif mentionné plus haut et non représenté, seule la cinquième sortie va rester dans un état 1 qui correspond à une valeur numérique 5, les autres sorties étant dans un état 0. Le décodeur 34 convertit cette valeur numérique 5 en une valeur binaire correspondante, c'est-à-dire 0101, laquelle est placée dans la mémoire 40. Le convertisseur numérique-analogique 36 convertit l'information numérique 5 apparaissant sur la cinquième de ses neuf entrées en un signal de sortie de 5 volts. Ce convertisseur peut être par exemple une alimentation programmée.Le dispositif de soustraction 30 effectue alors la différence de 5,8 volts à 5 volts et délivrera sa sortie un signal de 0,8 volt, lequel est appliqué à l'entre du convertisseur analogique-numérique 24. De la même façon que pour'le convertisseur 22, le convertisseur -24 fournit à sa sortie un signal uniquement sur sa huitième sortie correspondant à l'information numérique 8, laquelle est transformée, à l'aide du décodeur 38, en une information binaire égale à 1000 qui est ensuite entrée dans la mémoire 40. Les informations binaires contenues dans cette mémoire sont transformées en des informations décimales, à l'aide du circuit de décodage 42, lesquelles sont imprimées sur papier à l'aide de l'imprimante 44 et enregistrées graphiquement à l'aide de l'enregistreur 46. L'oscilloscope numérique représenté sur la figure 5 donne la valeur numérique du niveau de tension E appliqué à son entrée 26 avec la première décimale, à condition que ce niveau soit compris dans la dynamique d'entrée de l'appareil; cette dynamique étant fixée par l'amplificateur 28. Si l'on désire obtenir cette valeur avec y décimales, l'oscilloscope numérique doit comporter y convertisseurs analogiquenumérique 24. Le dispositif de comparaison et le convertisseur analogique-numérique, objets de la présente invention, présentent deux avantages principaux: ils sont rapides et présentent un effet de mémoire qui permet de conserver l'information numérique pendant une durée correspondant à l'intervalle de temps séparant le signal de test du signal de remise à zéro. On peut ainsi enregistrer la valeur numérique d'un niveau de tension très bref. On conçoit l'intérêt d'utiliser le dispositif de l'invention dans un oscilloscope numérique lorsqu'on exige de ce dernier le traitement quasi instantané des informations uniques et brêves, ces informations étant en général trop rapides pour être enregistrees directement par les ordinateurs. En effet l'oscilloscope numérique comportant ce dispositif permet de mémoriser ces informations pendant le temps nécessaire pour qu'une exploration lente de la mémoire fournisse les données à l'organe de traitement à un rythme acceptable. Bien entendu l'invention ne se limite nullement aux seuls modes de réalisation représentés et décrits à titre d'exemples et la portée du présent brevet s'étend également aux variantes de tout ou partie des dispositions décrites restant dans le cadre des équivalences ainsi qu'à toute application de telles dispositions. REVENDICATIONS 10/ Dispositif de comparaison de deux tensions électriques, l'une étant utilisée comme tension de référence, fournissant à sa sortie un signal uniquement lorsque la tension à comparer est supérieure à ladite tension de référence, caractérisé en ce qu'il comporte deux résistances R et R' connectées en série, l'extrémité libre de l'une étant reliée à la borne d'entrée du dispositif sur laquelle est appliquée la tension a comparer et l'extrémité libre de l'autre étant connectée à une borne de référence recevant une tension égale-à la tension de référence et changée de signe par rapport à la tension à comparer, deux diodes ayant leurs anodes reliées à une source de tension de polarisation par l'intermédiaire d'une même résistance R1, la cathode de l'une des deux dites diodes étant connectée entre les deux dites résistances R et R' et la cathode de l'autre étant reliée à la sortie dudit dispositif, une résistance Rg connectée entre ladite source de tension de polarisation et ladite sortie, une diode tunnel ayant sa cathode reliée à la masse et son anode à ladite sortie et une résistance R2 ayant une extrémité connectée à ladite sortie et son autre extrémité à la sortie d'un générateur de signaux de test et de remise à zéro, les valeurs de ladite tension de polarisation et des résistances R1 et Rg étant choisies de sorte que ladite diode tunnel présente deux états stables. 20/ Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites résistances R et R' ont même valeur. 3 / Convertisseur analogique-numérique rapide permettant la comparaison d'une tension électrique à n tensions de référence, caractérisé en ce qu'il comporte n dispositifs de comparaison identiques tels que définis à l'une des revendications 1 et 2, ladite tension à comparer étant appliquée en parallèle sur les n bornes d'entrée desdits dispositifs, chaque borne de référence recevant l'une desdites n tensions de référence changées de signe et les extrémités, non connectées à la sortie dudit dispositif de comparaison, desdites résistances R2 étant reliées en parallèle à la sortie dudit générateur de signaux de test et de remise à zéro. 40/ Convertisseur analogique-numérique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que n est égal à dix et en ce que lesdites tensions de référence ont des valeurs entières comprises entre 1 et 10 Volts,lesdites valeurs étant toutes multipliées par le même nombre 10X, x étant un entier positif ou négatif. 50/ Application de l'invention définie à l'une quelconque des revendications précédentes à la réalisation d'un oscilloscope numérique.