Brevet FR2129988A1 — publié le 19721103

i 2129988 La présente invention se rapporte à la mesure de signaux continus de faible intensité et fait application du procédé qui a été décrit dans la demande de brevet français déposée le même jour par la Demanderesse, pour : 5 "Procédé et dispositif d'amplification et de mesure de signaux électriques continus de faible intensité". Ce procédé consiste essentiellement à appliquer, à un simple amplificateur à couplage direct (avantageusement, un amplificateur opérationnel), successivement le signal continu à amplifier 10 et un potentiel sensiblement nul, et à retrancher, de la tension brute obtenue pendant la première phase d'amplification, la tension d'erreur obtenue au cours de la seconde phase, ces deux phases d'amplification successives constituant un cycle que l'on reproduit périodiquement à une fréquence suffisamment élevée pour 15 que, au cours du cycle, la dérive de l'amplificateur à couplage direct soit négligeable, et suffisamment basse pour que les bruits à fréquence industrielle puissent avoir une valeur moyenne sensiblement nulle au cours du cycle. Dans la demande de brevet susvisée, on a décrit un disposi-20 tif analogique de mise en oeuvre dudit procédé. Or, il est souhaitable, dans de nombreuses applications, de pouvoir délivrer le résultat de la mesure sous la forme digitale. l'invention permet d'obtenir cet avantage supplémentaire au moyen d'un montage relativement simple, auquel peut d'ailleurs 25 être adjoint le dispositif analogique susvisé. Ce montage fait application de la technique connue sous le nom d'intégration à double rampe . La première rampe est constituée par la charge linéaire d'un intégrateur pendant un intervalle de temps prédéterminé sous la tension à mesurer et la deuxième 50 rampe, par la décharge linéaire de l'intégrateur sous une tension de référence, le rapport entre la tension à mesurer et la tension de référence étant avantageusement calculé par comptage d'impulsions d'horloge pendant l'intervalle de temps nécessaire à la remise à zéro de la tension de sortie de l'intégrateur par ladite 55décharge. Cette technique fournit, en réalité, la tension brute, affectée de toutes les erreurs, de dérive, d'offset ou autres, introduites par les différents organes de l'appareil et, en particulier, par l'amplificateur et l'intégrateur. 40 La présente invention combine le procédé décrit dans la 71 10532 2 2129988 demande de "brevet susvisée à une technique dérivée de l'intégration à double rampe . Plus précisément, elle utilise une intégration à quadruple rampe , deux rampes supplémentaires servant à une détermination, 5 en valeur numérique, de la tension d'erreur. Dans le mode d'exécution préféré de l'invention, une première séquence de 11 intervalle ou du cycle de mesure comporte la charge linéaire de l'intégrateur sous la tension d'erreur pendant une durée prédéterminée; mie seconde séquence comporte suc-10 cessivement la décharge linéaire de l'intégrateur jusqu'au zéro, sous une tension de référence de signe opposé à la tension d'erreur, suivie de sa charge linéaire sous ladite tension de référence pendant un intervalle de temps égal à celui qui a été nécessaire à sa remise à zéro; une troisième séquence de durée 15 égale à la première comporte la décharge, puis la charge linéaire de l'intégrateur sous la tension brute et une quatrième séquence comporte la décharge linéaire de l'intégrateur sous la tension de référence jusqu'à remise à zéro, la mesure étant fournie par comptage d'impulsions d'horloge pendant l'intervalle de 20 temps nécessaire à cette dernière remise à zéro. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à l'aide de la description détaillée ci-après. Au dessin annexé : 25 La figure 1 est un schéma de principe d'un appareil conforme à un mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 2 illustre le fonctionnement de cet appareil et la figure 3 représente le détail des circuits, dans un exemple pratique d'exécution. 50 a la figure "1, on a représenté un capteur 2 comportant un dispositif de tarage 20, qui sera décrit dans la suite, et une alimentation 1. Celle-ci alimente, par ailleurs, un amplificateur de référence 3 relié à un intégrateur 7 par l'intermédiaire d'un dispositif aiguilleur 5 à deux positions et ï1^. 55 Le capteur 2 est lui-même relié à l'intégrateur 7 peœ l'in termédiaire d'un dispositif aiguilleur 4- à deux positions et ]?2 et d'un amplificateur de signaux 6 à couplage direct. La sortie de l'intégrateur 7 est reliée à un détecteur de zéro 8 dont la sortie commande deux organes logiques ou systèmes ^Ocle portes 12 et 13. 71 10S32 2129988 L'organe 12 commande le fonctionnement d'uncompteur 10 qui compte des impulsions récurrentes fournies par une horloge Le compteur 10 est relié, d'une part à une mémoire 14 elle-même commandée par l'organe 1? et reliée à un dispositif d'af-5 fichage numérique 15* d'autre part à un système de portes 11 qui commande la commutation des aiguilleurs 4 et 5. Les organes que l'on vient d'émumérer constituent un dispositif de mesure avec affichage digital. L'appareil comporte en outre un dispositif d'affichage ana-10 logique, du même type que celui qui a été décrit dans la demande de "brevet français susvisée, et que l'on pourra donc se contenter de décrire brièvement. Ce dispositif analogique comprend, outre l'alimentation 1, le capteur 2, le découpeur 4 et l'amplificateur 6 qui correspon-15 dent respectivement aux organes 1, 2, 3 et 4 de la figure 1 du dessin annexé à la demande de brevet français susvisée, un dispositif d'adaptation d'impédance 16 (qui correspond au dispositif 5 de ladite figure), un aiguilleur 17 à deux positions F^ et Fg (qui correspond au dispositif 6 de ladite figure), un ensemble 2° 18 jouant le rôle de mémoire analogique et de soustracteur (et correspondant aux organes 7 à 11 de ladite figure) et un appareil de mesure 19 (correspondant à l'appareil 12 de ladite figure). La commutation des aiguilleurs 4 et 17 est assurée par le système de portes 11 (qui joue donc, en ce qui concerne la par-25 tie analogique de l'appareil, le rôle de l'organe 13 de la figure visée ci-dessus). On va maintenant décrire comment fonctionne la partie digitale de l'appareil, en se référant à la figure 2. Ce fonctionnement comporte quatre séquences. 5° Au début de la première séquence, l'aiguilleur 4 est en position î"2» l'aiguilleur 5 en position F^ et le compteur est au zéro. Le compteur est autorisé à compter un nombre prédéterminé d'impulsions d'horloge. Lorsque ce nombre qui correspond par exemple à sa capacité maximale est atteint, le compteur se 55 remet au zéro tandis que l'organe 11 est agence pour envoyer à chacun des aiguilleurs 4 et 5 "une impulsion qui en commande la commutation. Plus précisément, la commutation de l'aiguilleur 5 vers la position F^ se produit un bref intervalle de temps après celle ^ de l'aiguilleur 4 vers la position F^j. 71 10532 4 2129988 Ceci permet d'éviter les erreurs dues aux transitoires résultant de la commutation de l'amplificateur 6. On passe ainsi à la seconde séquence au bout d'un temps T prédéterminé. 5 Pendant la première séquence, l'entrée de l'amplificateur 6 est relié à la masse. La tension d'entrée de l'intégrateur 7 est alors égale à Vgo, somme des tensions et erreur provenant des aiguilleurs 4 et 5 et de l'amplificateur 6. La constante de temps RC de l'intégrateur est choisie de ma- 10 nière à ce que sa tension de sortie puisse être considérée, pendant le temps T, comme variant linéairement en fonction du temps; l'intégrateur ayant lui-même une tension d'offset V Ainsi, au bout du temps G}, la tension Vi de sortie de l'intégrateur est, comme le montre en 2(a) la première rampe de la 15 figure 2 : - - si" (Vso + Vio) (1) Dans cette équiation, VsQ est la somme des tensions d'erreur dues à l'amplificateur 6 et aux aiguilleurs. Pendant la seconde séquence, l'intégrateur reçoit, à son entrée, une tension provenant de 1'amplificateur de référence 20 3. On s'arrange, comme on l'expliquera dans la suite, pour que V soit de signe opposé aux tensions d'erreur susvisées (lesquelles avaient chargé l'intégrateur à une tension négative au cours de la première séquence) et soit proportionnelle à la tension d'alimentation fournie l'organe 1. 25 II en résulte que la tension de sortie de l'intégrateur va s'annuler au bout d'un temps . On a donc, si VrQ est l'erreur due à l'amplificateur de référence = . _jD_ ^ + ^ ( ^ + ^ + ^ (2) Le compteur se trouve alors au compte Au moment où la tension de sortie de l'intégrateur s'annule, le détecteur 8 engendre une impulsion qui, par l'intermédiaire de l'organe 12, commande le fonctionnement du compteur en décomptage. Pendant le second intervalle de temps nécessaire au retour au zéro du compteur par décomptage, 1'intégrateur continue à recevoir la tension V , si bien qu'à la fin de la deuxième séquence (de durée 2T^), la tension de sortie de l'intégrateur est devenue : T 40 Ti2 " " -ET - 71 10532 5 2129988 Lorsque le compteur est passé en décomptage, l'organe 11 a commuté, cette fois uniquement le décompteur 5> si "bien que, pendant la troisième séquence, 4 est en , tandis que 5 est en ^ Le compteur recommence à compter, et ce, pendant un nouvel intervalle de temps T, déterminé de la même façon que pour la première séquence. Pendant cette troisième séquence, l'intégrateur reçoit la tension "brute, c'est-à-dire la tension du capteur à laquelle 10 s'ajoutent les tensions d'erreurs propres à l'amplificateur, à l'aiguilleur et à l'intégrateur. Sa tension de sortie décroît alors suivant la troisième rampe de la partie 2(a) de la figure 2. Un certain temps es"*5 nécessaire pour que ladite tension 15 de sortie s'annule, et l'on a : -ET » - -TO- (G* + V + Tio> - X G étant le gain de l'amplificateur 6 et/Ta. tension issue du capteur. 20 Les organes 8 et 12 sont agencés pour que l'annulation de la tension par passage d'une valeur positive à une valeur négative ne modifie pas le mode de fonctionnement du compteur. Celui-ci continue donc à compter jusqu'au compte T, qui déclenche la quatrième séquence en agissant sur l'organe 11 de 25 façon qu'il place l'aiguilleur 4 en position F^, puis l'aiguilleur 5 en position F^ . L'intégrateur reçoit donc uniquement la tension de référence V^, à laquelle s'ajoutent comme ci-dessus les tensions "V^ et Vio« 30 La tension de sortie de l'intégrateur croît' donc de nouveau, et le temps au "bout duquel elle s'annule est déterminé par : - ïr = TS- + \o * V « iin combinant les équations (2), (5) et (4), on trouve : ^ = -T G x .. 1 (5) 3 Tr * 1 + ho+Vro Comme la tension d'offset de l'intégrateur et la tension d'erreur de l'amplification de référence sont faibles devant la 40 tension de référence vr ; l'équation (5) peut se simplifier 71 10532 6 2129988 comme suit : Y y Œ, « - T.G ( 1 - vi0 + ro ) (6) ^ r r On voit finalement que la tension x à mesurer est proportionnelle à contenu du compteur à l'instant où la tension de 5 sortie de l'intégrateur s'annule à la fin de la quatrième séquence. A cet instant, ce contenu est introduit dans la mémoire 14 alors autorisée ' par l'organe 1$. En même temps, le compteur est remis à zéro par le détecteur de zéro et recommence à compter 10 tandis que l'aiguilleur 5 est remis en position c'est-à-dire qu'un nouveau cycle de mesure intervient. Le contenu de la mémoire 14 est affiché par le dispositif digital 15- La figure 2 montre en 2(b) le compte n du compteur èn fonc-15 tion du temps. L'équation (6) montre que l'erreur sur T, se présente sous V V ^ la forme : m n x / io + ro s y— ( r } V. V Le facteur ■ X°y+—~ es^ "k^ès faible. 20 Par ailleurs, on voït que ladite erreur est linéaire en fonc tion de G. On peut donc pratiquement l'éliminer par un calibrage approprié de la variation de G. On fera observer que le processus qui vient d'être décrit peut s'analyser grossièrement de la manière suivante : 25 Pendant la première séquence, on charge l'intégrateur pen dant un temps T sous la tension d'erreur qui affecte x. Pendant la seconde séquence, on inverse cette charge. Pendant la troisième séquence, on applique à 1'intégrateur la tension brute pendant le temps ï, ce qui revient, étant donné 30 que la charge de 1'intégrateur en début de séquence était égale à l'opposé de la charge obtenue sous la tension d'erreur pendant le même temps T, à donner à 1'intégrateur une charge finale égale au produit de la tension nette par le temps T. La quatrième séquence consiste ensuite à déterminer le temps 35 nécessaire pour la remise à zéro de l'intégrateur par décharge sous la tension de référence. Autrement dit, les deux dernières séquences correspondent à l'application du procédé classique à double rampe à la détermination, non pas de la tension brute, mais de la tension nette. 71 10532 7 2129988 On peut encore dire que le processus comporte, pendant la troisième séquence, la soustraction de la tension d'erreur de la tension brute par une méthode digitale. Autrement dit, ce processus entre bien dans le cadre géné-5 ral du procédé décrit dans la demande de brevet français sus-visée. En particulier, on s'arrangera pour que la fréquence de récurrence du cycle de mesure reste comprise dans les limites revendiquées dans ladite demande. Ladite fréquence varie évidem-10 ment en fonction de l'amplitude des tensions de signal et d'erreur. Dans un exemple concret, la durée du cycle de mesure varie de 2 I (pour des tensions nulles) à 5 I (pour des tensions maximales). On pourra par exemple prendre T = 20 ms. 15 La réalisation pratique des différents organes du montage de la figure 1 est à la portée de l'homme de l'art. En particulier, tout l'ensemble logique (portes) pourra être réalisé de manière connue en soi, au moyen de transistors à effet de champ . 20 Dans le fonctionnement de la partie digitale de l'appareil, cet ensemble logique doit effectuer certaines commutations en fonction du passage à zéro de la tension de sortie de l'intégrateur et de l'état du compteur. Dans le fonctionnement de la partie analogique de l'appareil 25 le rôle de l'ensemble logique est beaucoup plus simple, puisque cette partie analogique ne comporte que deux états de commutation, l'un correspondant à l'application de la tension d'erreur __ 1 (séquence/cCû fonctionnement digital) et l'autre correspondant à l'application de la tension brute (séquence 3 du fonctionnement jO digital). Il convient de faire observer que la quadruple rampe décrite permet de n'utiliser qu'un seul compteur, ce qui constitue un avantage important de l'invention. On pourrait toutefois, au prix de l'emploi d'un second comp-35 teur, la modifier par exemple comme suit : première séquence : charge de 1'intégrateur par la tension brute pendant un temps T Deuxième séquence : décharge de l'intégrateur par la tension de référence et mesure du temps T-g nécessaire à cet effet 40 Troisième séquence: charge de l'intégrateur par la tension 71 10532 8 2129988 d'erreur pendant un temps T Quatrième séquence : décharge de 11 intégrateur par la tension de référence et mesure du temps nécessaire à cet effet. Le résultat de la mesure serait alors obtenu par soustrac-5 tion des temps Tg - Tg. A la figure 3» on a représenté le détail des organes principaux d'un montage de mesure de la tension de sortie d'un pont 2 comportant des jauges de contrainte 21 à 24. L équilibrage de ce pont est réalisé grâce à un potentio-10 mètre 25 et à une résistance 26 (qui constituent l'organe 20 de la figure 1). La tension de référence est obtenue à partir de la tension continue V d'alimentation du pont, prise entre deux bornes 1a et 1b par des conducteurs 1c et 1d. Du fait que, comme le montre 15 l'équation (6), la lecture ne dépend que du rapport suffit que la tension de sortie x du capteur et que la teSsion de référence Yr soient toutes deux proportionnelles à la tension d'alimentation du pont, pour/les variations de cette dernière n'aient pas de conséquences. 20 La tension de référence Vr est obtenue comme suit : Pour ne pas perturber le pont, les tensions, peu différentes de + V/2 et - V/2, prélevées par les conducteurs 1c et 1d passent par des étages suiveurs de tension 50 et 31. Un amplificateur sommateur 32, de gain G, donne à sa sortie 33 la tension 25 de référence cherchée : -i Vr - G' - Hr - ( "G'v (7) La tension x prélevée sur la diagonale du pont de jauges 2 est introduite par un conducteur 40 dans l'aiguilleur 4. Celui-ci comprend deux transistors à effet de champ F,, et P., 30 et une résistance 41 dont la valeur a été choisia voisine de l'impédance au pont 2, de manière à avoir le même courant d'entrée pour les deux états de commutation déterminés par le signal de commande fourni par les portes sur les grilles 42 et 43. Quand est saturé, l'entrée 44 de l'amplificateur 6 est ^ au potentiel x; quand F2 e8"*' saturé, 44 est à la masse à travers la résistance 41. L'amplificateur de signaux 6 comprend deux amplificateurs opérationnels 60 et 61, ce dernier étant plus particulièrement destiné au calibrage du gain G, au moyen d'un potentiomètre 62 71 10532 9 2129988 et d'une résistance 63. La tension de signal amplifiée et entachée des erreurs apparaît sur une "borne 64 et à l'allure preprésentée en 65. La tension de référence étant négative (équation 7)» la ten-5 sion d'erreur qui doit, comme on l'a expliqué ci-dessus, avoir le signe contraire, doit constamment rester positive. Il faut par ailleurs éviter quÇelle puisse saturer l'amplificateur 6. Cette double condition est par exemple satisfaite en injectant à l'entrée de l'amplificateur opérationnel 60 un courant 10 convenable qui s'ajoute à l'erreur. Ceci peut se faire au moyen d'un potentiomètre convenablement alimenté et de résistances insérées dans le circuit d'entrée. La tension issue de l'amplificateur 6 et la tension de référence sont commutées sur l'intégrateur 7 par l'aiguilleur 5 15 comprenant les transistors à effet de champ et commandés, de manière non représentée, par -un signal appliqué sur les grilles 50 ou 51. L'intégrateur 7 se compose d'un amplificateur opérationnel 70 et de ses composants adjoints, les condensateurs 71 et 72 et 20 les résistances 73 et 7^. Le détecteur du zéro 8 se compose d'un comparateur 80 et de ses résistances annexes 81, 82; il est éventuellement attaqué par l'intermédiaire d'un amplificateur 75* La borne 83 (figures 1 et 3) est la sortie du détecteur de 25 zéro. Le dispositif analogique 16-17-18-19 schématisé à la figure-1 est simplement symbolisé, à la figure 2, par un rectangle 67^ à la borne 64-. relié Il va de soi que de nombreuses modifications pourront être 30 apportées aux montages décrits et représentés, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. Une application particulièrement intéressante de l'appareil concerne le pesage par emploi d'un ou plusieurs ponts de jauges de contrainte. 71 10532 2129988 REVENDICATIONS, 1- Procédé de mesure et d'indication numétique d'un signal continu de faible intensité, du type comportant la charge linéaire d'un intégrateur pendant un intervalle de temps prédéterminé sous la tension à mesurer, la décharge linéaire de l'intégrateur 5 sous une tension de référence et la détermination de l'intervalle de temps nécessaire à la remise à zéro de la tension de sortie de l'intégrateur par ladite décharge, caractérisé par la détermination, en valeur numérique, de la tension d'erreur introduite dans la mesure, au moyen d'au moins une charge linéaire supplémentaire 10 de l'intégrateur par ladite tension d'erreur et par la soustraction digitale de ladite tension d'erreur de la tension brute à mesurer. 2- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par une première séquence de l'intervalle ou du cycle de mesure, compor- 15 tant la charge linéaire de l'intégrateur sous la tension d'erreur pendant une durée prédéterminée; une seconde séquence comportant successivement la décharge linéaire de l'intégrateur jusqu'à zéro, sous une tension de référence de signe opposé à la tension d'erreui; suivie de sa charge linéaire sous ladite tension de référence pen— 20 dant un intervalle de temps égal à celui qui a été nécessaire à sa remise à zéro; une troisième séquence de durée égale à la première comportant la décharge, puis la charge linéaire de l'intégrateur sous la tension brute et une quatrième séquence comportant la décharge linéaire de l'intégrateur sous la tension de référence jua- 25 qu'à remise à zéro, la mesure de la tension nette étant fournie par comptage d'impulsions d'horloge pendant l'intervalle de temps nécessaire à cette dernière remise à zéro. 3- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ensemble des rampes de charge ou de décharge de l'intégra- 30 teur constitue un cycle de mesure que l'on reproduit périodiquement à une fréquence suffisamment élevée pour que, au cours du cycle, la dérive des organes d'amplification soit négligeable, et suffisamment basse pour que les bruits à fréquence industrielle puissent avoir une valeur moyenne sensiblement nulle. 35 4_ Appareil faisant application du procédé suivant la reven dication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de produire une tension de référence, un amplificateur opérationnel, un premier organe aiguilleur apte à relier alternativement l'entrée dudit amplificateur à l'entrée de signaux et à la masse, un inté— 71 10532 2129988 grateur, un second organe aiguilleur apte à relier alternativement \ l'entrée de l'intégrateur auxdits moyens et à la sortie de l'amplificateur; un compteur d'impulsions d'horloge, des organes logiques aptes à commuter lesdits organes aiguilleurs en vue de réali-5 ser lesdites séquences, un détecteur du passage à zéro de la tensLœ. de sortie de l'intégrateur, et des moyens, coopérant avec ledit détecteur, pour faire fonctionner le compteur en décomptage à partir du passage à zéro pendant la seconde séquence et pour remettre le compteur au zéro à la fin de la quatrième séquence et des moyens lOd'afficher le compte atteint par le compteur à la fin de la quatrième séquence. 5- Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un troisième organe aiguilleur apte à relier alternativement la sortie de l'amplificateur à un premier ■jçet à un second organes de mémoire analogique, et des moyens d'effectuer, à chaque cjdLe de mesure, la différence des contenus de ces deux-organes de mémoire. 6- Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits organes logiques sont agencés pour cwnmuter le second ai- 20 guilleur un bref intervalle de temps après le premier.