Brevet FR2131903A1 — publié le 19721117

La présente inv ention se rapporte à un dispositif codeur analyseur et plus particulièrement à un convertisseur analogiquedigital à intégration utilisant le principe du codage par modula tion en fréquence d'impulsions Les dispositifs connus utilisant ce principe , qui sont du type convertisseur tension-fréquence , présentent deux inconvénients graves : le fait de ne pouvoir coder que des signaux d'une polarité déterminée , et une mauvaise linéarité intrinsèque Ayant pour but deéviter ces inconvénients en améliorant les performances des circuits de codage du type convertisseur tension-fréquence avec modulation en fréquence d'impulsions par com pensation des non-linéarités des capteurs et modification des courbes de réponse , la présente invention a pour objet la disposition, sur le circuit convertisseur , d'une boucle de réaction comportant des circuits produisant au moins l'un des effets suivants : modula tiot sn largeur ou en amplitude des impulsions , pseudo-intégra ;fi$-ondês impulsions ainsi modulées , compensation proportionnelle intégrale-diffXrentielle , compensation non alinéaire à seuil ,réalisation de la différence entre le signal d'entrée et le signal de retour compensé La présente invention a encore pour objet , dans un codeur analyseur en double , la disposition , pour chacun des cir cuits de codage ; d'une boucle de réaction telle que définie cidessus ; et en outre la disposition de -boucles croisées entre la sortie de ltun desdits circuits et l'entrée de l'autre et/ou inver sebent . L'invention est décrite ci-après avec référence au dessin annexé sur lequel on peut voir t Figure 1 , les trois diagrammes représentatifs en fonction du temps , respectivement dtune tension à coder , de l'intégrale de cette tension , et du signal impulsionnel de sortie , dans le cas d'un codeur connu utilisant le principe de codage par modulation en fréquence d'impulsions Figure 2 , un schéma simplifié d1un codeur connu utilisant le même principe Figure 3 , une représentation symbolique du codeur de la Figure 2 Figure 4 , une courbe représentative de la caractéristique tension-fréquence du codeur de la Figure 3 Figure 5 , un schéma simplifié d'un codeur en double utilisant un principe connu et deux codeurs selon la Figure 3 Figure 6 , une courbe représentative de la caractéristique tension-fréquence du codeur de la Figure 5 Figure 7 , un schéma simplifié du codeur selon l'invention. Figure B , un schéma symbolique du codeur de la Figure 7. Figure 9 , un schéma symbolique d'un codeur en double selon l'invention utilisant deux codeurs selon la Figure B Figure 10 , un schéma simplifié d'un dispositif de synchronisation des impulsions par mémorisation et exploitation en parallèle Figure 11 , un schéma simplifié d'un dispositif de synchronisation des impulsions par mémorisation et multiplexage Figure 12 , un schéma symbolique d'un circuit de transmission à distance par multiplexage , des signaux sortant d'une série de codeurs selon la F igure 9 Figure 13 , un schéma symbolique d'un circuit de transmission à distance et de traitement sous forme analogique des signaux sortant d'un codeur selon la Figure 9 Figure 14 , un schéma symbolique d'un circuit de traitement sous forme analogique des signaux sortant d'une série de codeurs selon la figure 9 En se reportant au dessin , on peut voir que le principe du codage par modulation en fréquence d'impulsions est explicité sur la Figure 1 qui représente , en fonction du temps , les trois diagrammes , respectivement , de la tension x à coder , de l'intégrale de cette tension et du signal impulsionnel de sortie . La tension x à coder est intégrée . Chaque fois que l'intégrale atteint une valeur de suil A , l'intégrateur est remis à zéro et il y a émission d'une impilsion à la sortie du codeur Un dispositif classique de codage selon ce principe est représenté sur la figure 2 .La tension variable & coder x est appliquée à un convertisseur tension-courant 1 , le condensateur 2 réalise une pseudo-intégration , et un circuit 3 comprenant essentiellement un transistor unijonction , un transistor à avalanche ou une diode tunnel , délivre le signal impulsionnel de sortie I Un tel dispositif connu est symbolisé en 4 (Fig.3) par un circuit convertisseur tension-fréquence avac modulation en fréquence d'impulsions (CFT-IPFM) qui délivre à partir d'un signal x à coder un signal impulsionnel I de fréquence instantanée Ni Ce type de convertisseur n'est pas parfait .En raison de son seuil de fonctionnement et du temps de remise à zéro de l'in- tégrateur notamment , se caractéristique n'est pas sbsolument linéaire Sa courbe de réponse en fréquence Ni , en fonction du signal à coder x , est représentée sur la Figure 4 où l'on peut distinguer la caracotéristique icelle 5 et la caractéristique idéale linéaire 6 Si l'on reprend la Figure 1 , pendant chaque intervalle de temps T définissant une cadence d'échantillonnage , le nombre N impulsions comptées représente à une erreur de quantification et de non-linéarité près , une estimation numérique de la moyenne du signal pendant l'intervalle de temps T Pour un dispositif tel que celui de la Figure 3 , les inconvénients sont les suivants : mauvaise linéarité intrinsèque du codeur ,nécessité de ne coder que des signaux d'une polarité déterminée ( celle du seuil A), ou bien de coder un signal polarisé à l'aide d'une tension connue rigoureusement constante Pour éviter ces inconvénients , il est déjà connu de réaliser un codeur intégrateur en double (Fig.S) , c'est-à-dire d'effec- tuer une double conversion tension-fréquence du signal x polarisé en négatif d'une part , en positif de l'autre , à l d'une même tension de référence V . Les deux circuits 4 et 4t délivrent respec tivement des impulsions de comptage Ic -et de décomptage Id qui sont introduites dans un compteur-décompteur 7 La caractéristique de réponse d'un circuit tel que celui de la Figure 5 est représentée sur la Figure 6 .La tension de polarisation V est choisie de façon à obtenir la meilleure linéarité possible dans le domaine de variation du signal d'entrée x . La fréquence N est la différence entre le fréquence Nc des impulsions de comptage et la fréquence Nd des impulsions de comptage Aussi bien dans le cas simple de la Figure 3 que dans la cas plus élaboré de la Figure 5 , les convertisseurs 4 fonctionnent en boucle ouverte . Le premier objet de l'invention est de les faire fonctionner en boucle fermée avec compensation . Sur 2 Figure 7 , le circuit 4 est muni d'une boucle de réaction comprenant dans l'ordre : un circuit de modulation en largeur des impulsions ML , un circuit de modulation en amplitude MA , un circuit de pseudointégration PINT , un circuit de compensation proportionnelle intégrale-différentielle PID , (avance de phase et compensation) , un circuit de compensation non linéaire à seuil NL , et un circuit 6 réalisant.la différence entre le signal d'entrée x et le signal de retour compense L'ensemble du circuit de compensation est symbolisé en W (Fig.e > . Il est évident que pour assurer la stabilité et la précision de l'ensemble du circuit bouclé , il peut être nécessaire d'ajouter des circuits à avance de phase , ou plus généralement de compensation , dans la ligne directe . Ces circuits n'ont pas été représentés Figure 7 , ils peuvent être considérés comme inclus dans 1' ensemble 4 D'une façon plus générale , il peut être intéressant d' obtenir une caractéristique de réponse non-linéaire , de façon à compenser certains défauts de linéarité des capteurs fournissant le signal x à coder .On peut ainsi obtenir des caractéristiques de forme donnée en agissant d'une part sur les coefficients des différents circuits de compensation (Fig.7) et d'autre part sur la polarité des circuits d'addition , c'est-à-dire des branches (positives ou négatives) des amplificateurs opérationnels utilisés Pour réaliser le circuit de la Figure 9 , on a transposé dans le schéma de la Figure 5 , le circuit bouclé de la Figure 8 Chacun deseeux convertisseurs 4, 4' , comporte une bouclee fermée W. De plus , un compensateur Wt (qui peut éventuellement être le même que le compensateur W , la liaison correspondante étant représentée en pointillés) est placé en boucle croisée , entre la sortie de chacun des convertisseurs 4, 4' et l'amplificateur opérationnel , respectivement 2' , B , placé à l'entrée de l'autre convertisseur Comme sur la Figure 5 , l'indice c désigne les éléments de circuit relatifs aux impulsions de comptage , et l'indice d ceux relatifs aux impulsions de décomptage Ces deux séries d'impulsions sont introduites dans un système de comptage et de décomptage 7 L1addition des différents signaux de compensation se fait dans les amplificateurs opérationnels 8 et B' . En jouant sur les coefficients affectés aux circuits de compensation et sur la polarité des boucles de retour , on peut améliorer la linéarité de la caractéristiqu= statique , ou au contraire lui donner une forme non linéaire permettant de compenser les défauts d'un capteur placé en amant et élaborant le signal x Le codeur décrit ci-dessus est avantageusement génralisé, soit pour en augmenter la précision , soit pour obtenir une infor mation globale prétraitée .A cet effet , on dispose en parallèle une batterie d'un nombre important de convertisseurs qui interagissent au moyen de leurs boucles croisées Les entrées des différents convertisseurs sont alimentées avec le même signal si l'on désire augmenter la précision , avec des signaux différents si l'on désire extraire une information numérique globale prétraitée , telle qu'une moyenne dsespace ou une combinaison linéaire de plusieurs signaux Les divers trains d'impulsions , à compter et à décompter, sont introduits dans un même accumulateur qui est soit un compteurdécompteur généralisé , soit plutôt une batterie de compteurs d'une part , de décompteurs de l'autre , tous reliés à un même additeur ( ou à plusieurs additeurs) . Le comptage de ces trains dtimpulsions asynchrones est très délicat . Dans le cas du codeur analyseur en double de la Figure 9 , si deux impulsions Ic et Id arrivent simultanément en 7, elless doivent être éliminées , alors que deux impulsions non simultanées doivent être lause comptée , l'autre décomptée .Dans le cas d'un codeur généralisé , la non-synchronisation des impulsions sur un certain nombre de voies doit cependant permettre de compter sans perte toutes les impulsions d'un même type ( de comptage par exemple ) qui pourraient se présenter simultanément sur plusieurs voies Dans le cas de trains asynchrones- d'impulsions relatf vement lents , on peut procéder au traitement électronique direct des fronts des impulsions , sans utiliser d'effet mémoire Cette méthode classique est délicate à mettre an oeuvre et reste d'une ap plication limitée . Il est cependant préférable de réaliser une synchronisation des trains d'impulsions par mémorisation et exploitation parallèle (Fig.lO ). Les impulsions Ic à compter arrivent sur les lignes supé rteures , les impulsions à décompter Id sur les lignes inférieures. Chaque ligne porte une cellule mémoire , respectivement C et D pour les impulsions Ic et Id . Les lignes arrivent toutes à une logique 9 de traitement en parallèle des états des cellules mémoires C et D . Une horloge 10 , battant à une fréquence supérieure au régime le plus rapide de chaque ligne , interroge en parallèle les cellules C et D qui sont à lecture destructive g pour être remises à zéro à chaque interrogation v Une ligne à retard non représentée retarde l'accès des impulsions aux cellules mémoires lors dé l'in terrogation et de la remise à zéro des cellules .Les diverses sorties de la logique 9 correspondent à des poids binaires et attaquent les bascules de même poids de l'unité de comptage et dé comptage Il est également possible (Fig.11) , de réaliser la synchronisation de trains d'impulsions par mémorisation et exploitation série , ctest-à-dire par multiplexage . Les impulsions Ic et Id arrivent sur leurs lignes respectives et sont acheminées en principe vers les mémoires hautes 12, 12' . L'horloge 10 bat à la fréquence 2 n f multiplexée sur 2n voies , f étant la fréquence correspondant au régime le plus rapide des lignes Par ce multiplexage temporel , on peut prélever l'état des mémoires hautes 12, 12' , l'interrogation et la remise à zéro des mémoires hautes étant symbolxséesen 14.Lorsque cette interrogation arrive en coïncidence avec une impulsion sur la ligne , il importe que cette impulsion ne soit pas perdue . Une cellule 11, lir détecte la coïncidence d'une interrogation déclenchée par horloge (impulsion H) et d'une impulsion de comptage Ic ou de décomptage Id . En cas de coïncidence , l'impulsion Ic ou Ib est aiguillée sur la mémoire basse 13 , 13' qui est lue et remise à zéro à lrin- terrogation suivante 15 .Les mémoires basses 13 , 13' peuvent être particulières à chaque ligne , ou communes à un groupe de'lignes elles sont interrogées par le même circuit de multiplexage que les mémoires hautes Lorsque l'information en provenance d'une série de codeurs doit être exploitée à distance sous forme numérique , il est souhaitable de réduire le nombre des lignes de transmission . On peut alors utiliser le multiplexage temporel de plusieurs signaux comme indiqué Figure 12 . Les impulsions de comptage Ic et de découpage Id sont transmises à un multiplexeur 16 , qui les achemine par une seule ligne jusqu'à un compteur-décompteur 7 , suivi d'un démultiplexeur 17 . Celui-ci restitue les résultats numériques corres pondant à chaque ligne double d'entrée Ic , Id à un registre tampon R de même indice . Il peut également délivrer ces résultats numériques à un seul registre global , avec ou sans adressage . Une horloge 10 assure la corrélation entre le multiplexeur 16 et le compteur-décompteur 7 Du fait de ses remarquables caracéristiques d'immunité au bruit , la double conversion en fréquence d'impulsions permet d'assurer la transmission de signaux dans de très bonnes conditions de fiabilité , sur des distances de plusieurs centaines de mètres en milieu très bruité , surtout dans le cas d'applications industriel- les à cadence relativement lente Lorsque l'information en provenance d'un codeur peut être utilisée sous forme analogique , par exemple pour un enregistrement sur support magnétique , on peut traiter directement les impulsions dans un circuit de remise en forme 16 et dans un sommateur 19 .Le signal de sortie du sommateur est transmis à un circuit de quasiintégration 20 qui en donne la valeur moyenne en 22 . On obtient donc une restitution analogique directe de l'information , tout en bénéficiant pour la transmission à distance , des avantages et de la sécurité de la double conversion en fréquence d'impulsions On peut dans certains cas désirer obtenir un mélange de diverses informations sous forme d'une combinaison linéaire de signaux analogiques Cette opération est directement réalisable sur les signaux en provenance de différents codeurs . Conformément à la Figure 14 ces signaux arrivent tous à un circuit 21 qui assure la remise en forme des impulsions , un filtrage , et un calibrage en fonction des coefficients affectés à chaque signal dans la combinaison linéaire réalisée . Les différentes sorties du circuit 21 arrivent toutes au sommateur 19 qui délivre un signal unique au circuit de quasi-intégration 20 . La valeur moyenne délivrée par ce circuit 20 peut alors être soit transmise sous forme analogique en ?2 , soit convertie en données numériques , au moyen d'une nouvelle conversion tension-fréquence avec modulation en fréquence d'impulsions, dans un circuit 23 analogue à celui des Figures 8 ou 9 REVENDICATIONS 1 - Dispositif codeur analyseur analogique-disital à intégration utilisant un convertisseur tension-fréquence avec modulation en fréquence d'impulsions , caractérisé en ce qutil comporte, sur le convertisseur , une boucle de réaction comportant des circuits de compensation et aboutissant à un amplificateur opérationnel réalisant la différence entre le signal d'entrée et le signal de retour compensé 2 - Dispositif selon t dans lequel les circuits de compensation assurent une modulation en amplitude et/ou en largeur des impulsions , une pseudo-intégration des impulsions ainsi modulées , une compensation proportionnelle intégrale différentielle , et une compensation non linéaire à seuil 3 - Dispositif codeur analyseur analogique-digital à intégration en double , utilisant deux convertisseurs tension-fréquence avec modulation en fréquence d'impulsions , caractérisé en ce quTil comporte sur chacun des convertisseurs une boucle de réaction selon la revendication 1 4 - Dispositif selon 3 , caractérisé par la disposition de boucles croisées entre la sortie de l'un des convertisseurs et l'entrée de l'autre et/ou inversement 5 - Dispositif codeur analyseur analogique-digital à intégration caractérisé en oe qu'il comporte une pluralité de dispositifs codeurs en double selon 3 interagissant au moyen de boucles croisées 6 - Dispositif selon 5 caractérisé en ce qu'une pluralité de cellules mémoires à lecture destructive sont disposées entre les sorties des convertisseurs et une logique de traitement de l'é- tat desdites cellules dont la lecture en parallèle est déclenchée par une horloge 7 - Dispositif selon 5 , caractérisé en ce qu'une horloge multiplexée sur un nombre de voies égal au nombre de sorties des convertisseurs assure l'interrogation et la remise à zéro des cellulus mémoires placées sur lesdites sorties 8 - Dispositif selon 7 , caractérisé en ce que chaque sortie de convertisseur est pourvue d'une mémoire haute , d'une mémoire basse , et d'une cellule de détection de la coincidence entre - de sortie -et une impulsion une impulsion/d'interrogation en provenance de l'horloge , de telle sorte que , en l'absence d'impulsion d'horloge , une impulsion de sortie soit acheminée vers la mémoire haute , et qu'en présence d'une impulsion d'horloge coincidente , l'impulsion de sortie soit acheminée vers la mémoire basse pour être comptée à l'interrogation suivante 9 - Dispositif selon 5 dans lequel les signaux de sortie des codeurs , après avoir traversé un multiplexeur , sont transmis à distance sur une seule paire de conducteurs , jusqu'à un compteurdécompteur à la sortie duquel est prévu un démultiplexeur alimentant un ou plusieurs registres numériques 10 - Dispositif selon 4 ou 5 dans lequel les sorties des codeurs sont réunies à un circuit de remise en forme des impulsions alimentat un sommateur , délivrant lui-meme un signal unique à un circuit de -quasi-intégration restituant une tension analogique 11 - Dispositif selon 10 , dans lequel la tension analogique de sortie est reprise par un codeur selon la revendication 5