Brevet FR2121764A1 — publié le 19720825

La présente invention concerne un montage pour la conversion linéaire tension-fréquence ou intensité-fréquence, notamment pour de faibles intensités dans le cadre des techniques des courants faibles par exemple pour le codage en fréquence dans des détecteurs de mesure, pour l'utilisation de la conversion analogique numérique pour la compression de données de signaux codés en fréquence, pour la mise en mémoire de données analogiques, pour la transmission d'informations et pour leur traitement, etc... On connaît déjà des montages pour la conversion tension-fréquence ou intensité-fréquence dans lesquelles on charge une capacité avec un courant de charge constant et, lorsqu'on arrive à une valeur de seuil déterminée pour la tension, on déclenche un basculement par cette capacité. La capacité se de charge alors brusquement, c'est-à-dire quelle revient dans son état de sortie, puis le courant de charge recommence la charge de cette capacité. La fréquence produite par ce basculement, c'est-à-dire le nombre de basculements pendant une unité de temps déterminétest inversement proportionnelle au courant envoyé. D'autres montages connus utilisent le principe inverse. Dans ces montages, on décharge une capacité chargée, jusqu'à une certaine valeur de seuil.Lorsqu'on arrive à cette valeur de seuil, on arrête la de charge et on charge plus rapidement cette capaciteO Une autre variante de montage connue prévoit un amplificateur opérationnel ayant un condensateur dans sa branche de contre-réaction. Toutefois, le fonctionnement de ce montage ne se distingue pas, dans son principe, des montages décrits ci-dessus. Les montages décrits ci-dessus ont les inconvénients suivants : tous les montages nécessitent des moyens relativement importants pour une conversion linéaire tension-fréquence dans une plage importante, ctes- à-dire sur plusieurs décades, car il est extrêmement difficile de compenser, ne serait-ce qu'un élément d'ordre élevé du développement de Taylor de 1= F (1) , relation dans laquelle f est la fréquence etfU est Va tension. L'utilisation d'une charge linéaire, en fonction du temps, d'une capacité exige un courant de charge constant pendant toute la durée de la charge,et la valeur de ce courant doit directement être proportionnelle à la tension a commander ou à l'intensité à commander. Cela convient tant pour des convertisseurs générateur de courant constant que pour des convertisseurs dans lesquels la capacité déterminant la fréquence se trouve dans la branche de contre-réaction de l'amplificateur opérationnel. Si l'on arrive, même avec des moyens importants, à établir un genérateur de courant constant, proportionnel à la tension, et qui fournit un courant constant nalgré des variations de la tension de charge du condensateur, il est à peine possible, en particulier dans le cas des courants faibles du fait de la résistance d'entrée, finale, non linéaire de élément de seuil qui est-nécessaire, de laisser passer ce courant1 ou une fraction déterminée de celui-citeffectivement dans la capacité. Une difficulté analogue se présente lorsque la capacité est située dans la branche de contre-réaction d'un amplificateur opérationnel. Le courant de fuite, final, non linéaire de l'amplificateur opérationnel limite également, dans ce cas, très fortement,la zone de fréquence et la linéarité. En outre, il faut que l'amplification soit très importante. Une réduction forte du courant de fuite ne peut s'obtenir qu'avec des moyens très importants. La présente invention a pour but de développer un montage qui, pour une qualité constante de la conversion de tension-fréquence ou intensité-fréquence, on puisse utiliser des moyens notablement plus réduits. En outre, on se propose de réduire l'encombre- ment. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des montages connus, de façon à permettre une conversion linéaire tension-fréquence ou intensité-fréquence, sans qutil soit nécessaire de disposer d'un courant de charge ou de de charge très rigoureusement constant. Le courant de fuite, non linéaire, qui existe, doit être sans effet sur la linéarité de la conversion tension-fréquence ou intensitéfréquence, et sur la plage des fréquences. Par rapport aux montages à amplificateur opérationnel, l'amplification n'est qu'un facteur mineur pour la conversion linéaire tension-fréquence ou intensité-fréquence. A cet effet, la présente invention concerne un montage du type indiqué ci-dessus, caractérisé en ce qutà la résistance d'entrée non linéaire d'un convertisseur,constitué, de préférence, d'au moins un transistor, on a branché en parallèle un élément réactif, par exemple un condensateur, dont la charge et la de charge sont commandées par un signal de sortie du convertisseur1 et un signal de commande transformé en une fréquence par un comparateur constitué avantageusement d'un trigger de Schmitt ou d'une diode-tunnel, avec résistance en série, et un étage de commutation. il est avantageux que le comparateur soit constitué d'un trigger de Schmitt ou d'une diode-tunnel ayant une résistance en série. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la résistance d'entre' e, non linéaire,du convertisseur est une résistance de réglage branchée en série avec la diode base-émetteur d'un transistor. L'étage de commutation est constitué,selon une variante de l'invention, par un transistor. Dans le cas des fréquences de commutation faibles, étage de commutation est réalisé, suivant une autre caractéristique de l'invention, par un transistor ou un commutateur électromagnétique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, étage de commutation est constitué par un élément du comparateur, par exemple par l'un des transistors du trigger de Schmitt ou par la diode-tunnel, dans le cas où l'on utilise une diode-tunnel, avec résistance en série. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide de deux modes de réalisation d'un convertisseur de tension-fréquence représenté dans les dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est un schéma-bloc du montage de l'invention, - La figure 2 est un exemple de réalisation d'un convertisseur de tension-fréquence selon un schéma de principe, - La figure 3a est un autre schéma de principe du convertisseur de tension-fréquence, à l'aide d'une diodetunnel, - La figure 3b est une caractéristique intensité-tension du basculement du montage de la figure 3a. Le montage selon les figures 1 et 2 est constitué comme suit Un convertisseur 1,qui est par exemple formé par un ou plusieurs transistors et une résistance d'entrée non linéaire, est relié par son entrée à un élément réactif 2, par exemple un condensateur branché en parallèle. L'élément réactif 2 est relié par un étage de commutation 3 à une source de tension 4. La résistance d'entrée non linéaire du convertisseur 1 est formée par une résistance de réglage R qui est branchée en série avec la diode-base-émetteur d'un transistor 1. La sortie S1 du convertisseur 1 est reliée à un comparateur 5. L'entrée du comparateur 5 reçoit, de plus, le signal de commande S2 qu'il faut transformer en une fré quence. Le comparateur 5 est avantageusement constitué d'un trigger de Schmitt ou d'une diode-tunnel, avec une résistance en série. A la suite du comparateur 5, on a branché un étage de commutation 3 qui est par exemple formé par un transistor. Pour des fréquences de commutation relativement faibles, l'étage de commutation 3 peut être un commutateur électromagnétique. Suivant une autre variante de réalisation, l'étage de commutation 3 est forme par des éléments de construction duecomparateur 5, par exemple par l'un des transistors du Trigger de Schmitt ou, dans le cas d'une diode-tunnel, avec résistance en série, par cette diode-tunnel. Le montage décrit ci-dessus fonctionne comme suit L'élément réactif 2 est chargé dans un temps très court par la source de tension 4. Cet élément se décharge, après coupure de la source de tension 4,à travers étage de commutation 3 et la résistance d'entrée non linéaire du convertisseur 1. Le signal de sortie Sl,ainsi formé dans le convertisseur 1, forme une intensité qui est proportionnelle à l'intensité qui traverse la résistance d'entrée du convertisseur 1. Après superposition avec un signal de commande dérivé de la fréquence à transformer en tension, on obtient le signal d'entrée S3 du comparateur 5. Si le signal d'entrée S3 dépasse la valeur de commutatiOn du comparateur 5 par suite de la décharge de l'élément réactif 2, il se produit la charge de l'élément réactif 2 par la source de tension 4, par l'intermédiaire de étage de commutation 3. Du fait de la tension qui varie, par exemple, sur le condensateur 2, on a également une variation du signal d'entrée S3, par suite de la variation du signal de sortie Si le signal d'.entrée S3 dépasse la valeur de coupure du comparateur S,qui est différente de la valeur de branchement par suite de l'hystéresis, la charge rapide de l'élément réactif 2 est interrompue, et il se produit des charges lentes, par la résistance d'entrée du convertisseur 1. La vitesse de décharge détermine la fréquence de la conversion de tension d'intensité. Si le signal de commande S2 varie, le processus décrit provoque une variation de la zone de la caractéristique d'entrée du convertisseur dans laquelle la tension varie dans l'élément réactif 2. Une analyse montre que, pour un signal de commande S2, suffisamment grand par rapport à l'hystérésis du comparateur 5, on a une conversion de tension-fréquence très largement linéaire. Comme pour les convertisseurs de tensionfréquence ou d'intensité-fréquence connus, il est également possible d'inverser dans ce cas. Cela signifie que élément réactif 2 est déchargé rapidement et est chargé en fonction de la zone de la caractéristique d'entrée du convertisseur 1, dans laquelle la tension de l'élément réactif 2 peut être modifiée. Un autre montage simple pour une conver sion linéaire tension-fréquence s'obtient grâce à une diode tunnel. Selon la figure 3a, on a utilisé, comme élément réactif 2, un condensateur monté à l'entrée d'un transistor fonctionnant comme convertisseur 1. Le condensateur est branché en parallèle. A la sortie du transistor 1, on a branché en parallèle une diode-tunnel Tu, en série avec deux résistances R1, R2, auxquelles on applique une tension S2 à transformer en fréquence. La diodetunnel Tu est en outre reliée, par une diode D,a l'entrée du tran sister I. La suite dtitpulsions se prend sur les bornes de sortie 6. Lorsqu'on dépasse une tension déterminée sur la diode-tunnel ou pour une intensité déterminée à travers cette diode-tunnel Tu, on fournit une impulsion. Le montage, formé par le transistor 1, la diode D et le condensateur 2 commande la valeur de seuil pour la tension S2 pour fournir l'impulsion. Les fonctions du comparateur 5 et de l'étage de commutation 3 sont exercées dans ce cas essentiellement par la diode-tunnel Tu. Pour décrire le fonctionnement, on utilise le processus de basculement de la caractéristique intensitétension de la diode-tunnel, représentée à la figure 3b. Si le courant qui traverse le transistor I passe sous une certaine valeur1 le point de fonctionnement passe du point P1 de la ca ractéristique au point P'1. Du fait de la tension élevée appli- quée alors à la diode-tunnel Tu, la diode D est conductrice 1 et le condensateur 1 se charge rapidement. Puis le point de jonction se déplace,suivant la caractéristique,en direction de P2. Si,par suite de l'élévation de la tension appliquée à la base du transistor 1, le courant de collecteur est suffisamment important, il se produit un bond de P2 vers P'2.La diode D se bloque,et le condensateur 1 se décharge lentement par la jonction base-éuetteur du transistor 1. Lorsquton atteint le point P1, ltopéråtion recommence comme décrit cidessus. Le principe utilisé dans le montage décrit ci-dessus peut se généraliser encore plus si on remplace le montage de colncidence,formé par la diode-tunnel Tu et les résistances R1, R2, par un comparateur 5 dont l'entrée présente une caractéristique de dynatron ou arc électrique. Si le courant de collecteur du transistor 1 passe en-dessous d'une valeur déterminée, le comparateur 5 commute et charge le condensateur 2. Cette charge est interrompue lorsque la valeur de coupure du comparateur 5 est atteinte. La décharge du condensateur, déterminant la fréquence qui se produit alors, peut se poursuivre jusqu'a ce qu'on atteigne de nouveau la valeur de branchement du commutateur 5. En agissant sur l'intensité I, on peut modifier la zone dans laquelle la tension de base varie (figure 2). On engendre le courant I sans difficulté à partir de la tension de réseau, car la valeur de seuil du comparateur est constante et le courant n'est déterminant qu'au moment de la colncidence. Contrairement au montage classique, la solution de l'invention, utilisant un courant d'empreinte ou une autre grandeur uniquement au moment de la coincidence, est déterminante pour avoir des propriétés de monotonie. Cela signifie que la conversion de la tension d'entrée, commandée, ne doit entre linéaire qu'en un point de fonctionnement défini pour un courant ou tout autre signal. Cela est très important par rapport à la charge du condensateur avec un courant constant, dont la constance est obtenue par la variation de la tension de sortie du générateur de courant. En choisissant de façon adéquate la résistance de décharge, par exemple à l'aide de la résistance de réglage R, en série avec la diode base-émetteur, on peut assurer très largement une conversion linéaire de la tension-fréquence. En utilisant le montage en série d'une résistance de réglage R et de-la diode base-émetteur d'un transistor 1, on peut supprimer élément quadratique de la caractéristique de conversion.Comme seule lthystéresis du comparateur 5 est déterminante pour la conversion tension-fréquence ou intensité-fréquence, le courant de fuite qui existe n'a qu'une influence d'ordre secondaire. Par des codeurs de tension-fréquence, on peut, en combinaison avec des convertisseurs de grandeur de mesure en une tension électrique, réaliser des détecteurs de mesure à sortie en fréquence ,qui ont une grande importance pour l'automatisation actuelle,en combinaison avec l'introduction de calculateur de procédé. Les codeurs de fréquence, simples, sont également très importants pour la mise en mémoire sur bandes magnétiques de signaux analogiques. On a un champ d'application très vaste du convertisseur tension-fréquence de l'invention dans le cadre du traitement direct des signaux codés en fréquence. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés,à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation,sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10) Montage pour la conversion linéaire de tension-fréquence ou dtintensité-fréquence, notamment pour des intensités faibles dans la technique des courants faibles, par exemple pour coder en fréquence des palpeurs de mesure, pour utiliser la conversion analogique/numérique pour la compression de données en signaux codés en fréquence, pour la mise en mémoire de données analogiques pour la transmission d'informations et le traitement ou analogue, montage caractérisé en ce qu'a la résistance d'entrée non linéaire d'un convertisseur, constitué, de préférence, d'au moins un transistor, on a branché en parallèle un élément réactif, par exemple un condensateur, dont la charge et la décharge sont commandées par un signal de sortie du convertisseur, et un signal de commande transformé en une fréquence par un comparateur constitué avantageusement d'un trigger de Schmitt ou d'une diode-tunnel, avec résistance en série, et un étage de commutation. 20) Montage selon la revendication 1 caractérisé en ce que la résistance non linéaire du convertisseur est formée par une résistance de réglage et la diode base-émetteur d'un transistor, cette diode étant branchée en série avec ladite résistance de réglage. 30) Montage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'étage de commutation est formé par un transistor. 4 ) Montage selon l'une quelconque des revendications l et 2, caractérisé en ce que l'étage de commutation est constitué par un transistor ou un commutateur électromagnétique dans le cas de fréquences de commutation faibles. 50) Montage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'étage de commutation est-formé par des éléments de construction du comparateur, par exemple l'un des transistors du trigger de Schmitt ou ,dans le cas d'une diode-tunnel à résistance en série, par cette diode-tunnel.