Brevet FR2147818A1 — publié le 19730311

La présente invention se rapporte à un procédé et un appareil de mesure de déphasage entre deux tensions de même fréquence et plus particulièrement à un procédé et un appareil permettant d 1effectuer des mesures, pour une fréquence rixe ou légère- ment variable, avec une très grande résolution, par exemple de quelques secondes d'arc. On usait que le déphasage entre deux tensions sinusotda- les de mise fréquence (ou période) peut Stre considéré comme un intervalle de temps égal à une fraction de leur période commune. En conséquence, les procédés de mesure de déphasage entre deux tensions de même fréquence, ont consisté jusqu'ici à mesurer cet intervalle de temps ou une grandeur proportionnelle à cet intervalle, et plus spécifiquement à obtenir deux impulsions coincidant aveo le passage à zéro de chacune des sinusoides, par exemple, en transformant les deux tensions sinuuoldales en deux signaux carrés à l'aide d'écrêteurs ou de discriminateurs d'amplitude et en dérivant ces signaux de façon à donner une impulsion coïncidant avec chacun des passages à zéro. Dans les phasemètres à lecture direete, les deux impulsions commandent une bascule dont la différence de potentiel moyenne entre chaque plaque varie de -E à +E proportionnellement au déphasage quand ce dernier passe de -1800 à +1800. La difficulté de réalisation réside dans l'obtention de signaux carrés dont le flanc coineide avec le passage à zéro de la sinusoïde, quelle que soit l'amplitude de la tension d'entrée. Dans les phasemètres à compteur, un oscillateur étalon délivre un certain nombre d'impulsions uniquement pendant le temps séparant les deux passages à zéro. La précision de la mesure est alors inversement proportionnelle à la fréquence et limite l'utilisation de tels appareils à la gamme des fréquences acoustiques. On comprend de ce qui précède que les dispositifs de la technique antérieure présentent de nombreux inconvénients, principalement la difficulté de détermination précise du passage à zéro de chacune des tensions et l'imprécision des mesures effectuées en dehors des fréquences acoustiques. En conséquence c'est un des principaux objets de la présente invention de prévoir un procédé et un appareil qui éliminent en partie ces inconvénients précités, ceci en remplaçant la mesure du déphasage par la mesure du temps séparant le passage des deux tensions à une amplitude A identique, proche de zéro, mais dié- rente de zéro et en rapportant ce temps à la période commune des deux tensions. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé et un appareil de mesure de déphasage permettant d'obtenir une précision de mesure de l'ordre de quelques secondes d'arc, par amplification des tensions uniquement au voisinage du point de mesure choisi. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé et un appareil permettant d'effectuer des mesures de déphasage pour diverses gammes de fréquences. Un autre objet de la présente invention est de prévoir en outre, associé au dispositif de mesure envisagé précédemment, un dispositif de lecture analogique ou numérique des résultats obtenus. D'autres objets et avantages de la présente invention seront plus apparents à la lecture de la description suivante en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels La figure 1 est un graphique représentant les variations en fonction du temps des deux tensions Vl et V2 dont on souhaite mesurer le déphasage. La figure 2 est un schéma du circuit d'amplification et d'ecrêtage des tensions V1 et V2,indépendamment. La figure 3a représente la tension VI avant passage dans le circuit de la figure 2. La figure 3b représente la tension VI après passage dans le circuit de la figure 2. La figure 4a représente de façon schématique trois types d'appareils permettant d'obtenir un signal proportionnel au déphasage entre les tensions V1 et V2. La figure 4b est un schéma du signal de sortie des appareils de la figure 4a. La figure 5 est un schéma du circuit permettant la mesure du déphasage pour diverses fréquences. Comme le montre la figure 1, le prpcédé selon la présente invention consiste à mesurer avec préeision l'intervalle de temps At séparant le passage des deux tensions Vi et V2 de meme période T à comparer, à une amplitude A différente de zéro,mais voisine de zéro, identique pour ces deux tensions. Etant donné la relation linaire ( Y mt) entre la phase la valeur h t représente une fraction de l'unité de mesure qui sera la période T de la tension périodique à mesurer, cette période correspondant à une valeur de déphasage de 3600. Le déphasage fif entre les deux tensions sera donné par la relation ## = # # t = 2 # # t/T. Pour une pério- de ou une fréquence donnée, le déphasage est donc obtenu par ltéva- luation de #t. La précision de la mesure du déphasage dépendra de la préoision obtenue sur les valeurs A, bt et T. Le point d'amplitude A définissant le point de comparaison entre les deux tensions devra être aussi identique que possible pour les deux prélèvements. La précision la plus élevée sera obtenue quand la pente de la courbe de tension sera maximale c'est à-dire au voisinage du passage à zéro. Pour une telle valeur de A donnée, au voisinage de zéro, cette précision sera d'autant meilleure que les amplitudes des sinusoïdes seront plus importantes et que les amplitudes de croate des tensions à comparer seront voisines.Pour cela, les valeurs de crête (ou efficaces) seront réglées à des valeurs identiques par un dispositif qui sera envisagé par la suite et l'amplitude instantanée de chacune des tensions sera artificiellement augmentée en n'amplifiant que la partie avoisinant le zéro (figures 3a et 3b), et en opérant un écretage de la tension de sortie. Les dispositifs d'amplificationet d'écrêtage seront décrits par la suite. Au voisinage de zéro, on considère qu'il y a linéarité entre # et tg te . Pour un tf de une seconde, on a donc tg te = 0,485 10-4. Si par exemple l'amplitude des tensions à comparer est 10 volts on recueillera, dans le cas d'une amplification s'effectuant par trois amplificateurs en gain unitaire de 10, une amplitude apparente de sortie de 10 x 103 = 104 volts. I1 suffit dono d'une précision de 0,5 volt au point A pour définir une précision de la seconde d'arc. Selon la présente invention, par amplification et écrêta- ge, les tensions V1 et V2 sont transformées en signaux S1 et S2 pratiquement rectangulaires (figure 3b). Ces signaux sont ensuite traités par des dispositifs qui seront décrits par la suite (figure 4a) et le signal obtenu à leur sortie est un créneau (figure 4b) de durée At L'information t est ensuite exploitée analogiquement ou numériquement par des appareils appropriés associés aux dispositifs précédents et permettant d'obtenir, à partir de #t, une lec ture directe du déphasage en degrés, minutes et secondes d'arc, en centigrades et milligrades, ou les deux. La valeur de T sera réglée à une valeur fixe par un dispositif envisagé ci-après. On décrira maintenant l'appareil permettant la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. Cet appareil ou phasemètre comprend de façon générale un circuit d'amplification d'écrêtage et de mise en forme de la tension (figure 2), un circuit conçu pour donner l'intervalle de temps correspondant à l'écart de phase, et un dispositif de lecture analogique ou numérique et d'affichage. Selon des caractéristiques de la présente invention, à chacun des circuit précédents on associera des circuits et dispositifs de réglage des différents élément à traiter. Tout d'abord, avant amplification, les tensions Vl et V2 doivent avoir des valeurs de crante (ou efficaces) identiques. Dans ce but, un autotransformateur variable ou un potentiomètre (nnn représenté) sont prévus pour ajuster chacune des tensions à une valeur de crête identique. Des voltmètres individuels ou un seul voltmètre commuté sur l'une ou l'autre tension sont prévus pour contrôler ensuite ces valeurs. On décrira maintenant le circuit d'amplification d'écrêtage et de mise en forme de chacune des tensions, au voisinage de zéro, en se référant à la figure 2. Ce circuit comprend des moyens de prélèvement de tension qui peuvent être constitués soit par un comparateur analogique, soit un Trigger-Schmidt, soit l'entrée d'un circuit analogique, des paires de diodes Zener montées tête-bêche Dass Db > Dc et De et des résistances Ra, Rb, Rc, ra, rb, rc, ces différents éléments constituant trois étages d'amplification successifs.Dans chaque étage d'amplification, le moyen de prélèvement de tension est monté en parallèle avec la résistance Ras Rb ou R c et la paire de diodes Das Db ou Dc entre une de ses bornes reliée à la terre par la résistance ra, rb ou rc et sa borne de sortie reliée à l'entrée de ltétaged'amplification suivant. La borne d'entrée du premier étage d'amplification est reliée d'une part à la terre par l'intermédiaire de la paire de diodes Dc, d'autre part à la sortie des moyens de contrale de tension cités précédemment. La diode Dc effectue un premier étage et protège l'entrée du premier amplifica teur.Les diodes D, Db et Dc opèrent un écrêtage de la tension de c sortie à une valeur inférieure à la tension de saturation de l'am- plificateur afin de s'affranchir de son temps de recouvrement in hérent b tout régime saturé. Le nombre et le gain (G n R/r) des amplificateurs dépendent de la précision finale à obtenir. Pour ne pas être tributaire des bruits de fond, la détection du point A se fera au-dessus du zéro à une valeurtelle qu'elle ne soit pas influencée par ce bruit. Ce bruit est, par ailleurs, minimisé en donnant à G une valeur moyenne (par exemple 10) et en commutant en cascade un nombre suffisant d'amplificateurs pour obtenir la pente finale nécessaire à la définition souhaitée. On devra tenir compte de la vitesse de balayage des amplificateurs qui devra être nettement supérieure à la pente du signal utile en sortie.Quelque soit le mode de prélèvement utilisé, la précision du prélèvement est très supérieure à 0,5 volt oe qui indique que l'égalité des tensions à comparer V1 et V2 n'est pas critique. Les sorties S1 et S2 des canaux d'ampli fioation et d'éorêtage, décrites précédemment délivrent des signaux pratiquement rectangulaires (figure 3b). On décrira ci-après, en se référant à la figure 4a, le circuit conçu pour donner l'intervalle de temps correspondant à l'écart de phase. Un tel circuit peut être constitué soit par une bascule (FS), soit par une porte OU exclusif, soit par un comparateur analogique (AC). Un détecteur de seuil peut être inséré au préalable, entre la sortie des canaux d'amplification et d'écreta- ge et ce circuit. Dans les deux premiers cas (bascule ou porte OU exclusif) le signal de sortie est un créneau de durée #t obtenu par la fonction booleenne: n g S1S2 + S1S2 ou son inverse bt = SlS2+SlS2 Dans le troisième cas (attaque de circuit logique) les amplificateurs de sortie des canaux amplification-écrêtage seront limités à une tension de sortie compatible avec les circuits logiques utilisés et leur excursion négative inhibée. Le dispositif de traitement analogique ou numérique sera maintenant décrit. Dans le cas de traitement logique, un intégrateur analogique linéaire périodiquement remis à zéro est prévu pour intégrer le signal en forme de créneau de durée At (figure 4b) dont l'am- plitude A' a été écrêtée au préalable avec précision. La périodicité de la remise à zéro dépend de la fréquence de la récurrence souhaitée pour la lecture. Un voltmètre analogique ou numérique est prévu pour effectuer la lecture en sortie d'intégrateur. Le créneau At peut d'autre part être exploité par tout autre mode de conversion durée-tension ; par un calibrage judicieux des échelles de mesures, on obtient une relation directement exploitable entre la phase et la tension lue. En utilisant un oscilloscope double trace à base de temps étalonnée, recevant les signaux S1 et S2, la lecture de At peut également être effectuée. Dans le cas de traitement numérique, selon une technique classique, un oscillateur est conçu pour attaquer un compteur numérique qui ne sera débloqué que pendant le temps At. La fréquence de ltoscillateur est telle qu'elle permette une lecture directe de la phase. Par exemple, pour une mesure de phase sur une fréquence de 50 Hz on pourra en partant d'un oscillateur 6,48MHz définir la correspondance t 10 secondes - une impulsion d'oscillateur. Les échelles de comptage du compteur seront conçues de telle sorte qu'on affiche directement les degrés,minutes et secondes d'arc. Un affichage en grade est également possible en partant toujours, pour du 50 Hertz,de 2 Mégahertz pour une définition du centigrade ou de 20 MSgahertz pour le milligrade. On peut également prévoir un affichage double en degrés eut grades eut par-celà même à l'aide d'un dispositif de décalage qui va être envisagé, réaliser une conversion visuelle instantanée degrd- grade et inversement. Le compteur sera remis à zéro périodiquement à chaque cycle. On peut prévoir dans ce but un détecteur de croate positif qui déclenchera la RAZ du compteur. On aura ainsi un temps de cycle d'affichage permanent d'un rapport de 3/4. On décrira maintenant le dispositif de décalage ou de "cadrage de zéro". Les deux canaux tage peuvent présenter entre eux un certain déphasage intrinsèque. Celui-ci est compensé en aiguillant S1 ou S2 (celui qui présentera une avance de phase) sur un temporisateur réglable avant attaque du dispositif de mesure de At. Le "cadrage du zéro" s'effectue en reliant les deux bornes d'entrée de V1 et V2 et en réglant t du temporisateur pour avoir en sortie de mesure une valeur de phase nulle. En donnant à t une plage de variation étendue, on peut, dans le cas d'un affichage double en degrés et en grade obtenir une table de conversion à lecture instantanée. Le sens du déphasage entre les tensions V1 et V2 peut également tre repéré. En dgtectant la première information apparaissant à la sortie de l'un des deux canaux, on peut déterminer et affioher la tension dontla phase est en avance ou inversement. Ce dispositif de détection de sens est remis à zéro en même temps que le compteur. En se référant à la figure 5, on décrit un dispositif conçu pour permettre d'effectuer des mesures de déphasage pour des fréquences variables. En effet, ltoscillateur alimentant le compteur est à une fréquence fixe en corrélation avec la fréquence des tensions à mesurer. Si cette dernière est instable, la précision de la mesure en est directement affectée. On remédie à cet inoonvénient en utilisant le dispositif représenté dans la figure 5. Ce dispositif comprend, montés en série, un oscillateur du type VCO (voltage controlled Oscillator ), un démultiplicateur et un discriminateur D. La tension VI ou V2 est envoyée au discri mlnateur D. Par démultiplication, on amène la fréquence de l1oscil- lateur à une fréquence voisine de celle de la tension à mesurer. Ces deux fréquences sont comparées dans le discriminateur D déli vrant une tension proportionnelle à l'écart des fréquences. Cette tension commande l'oscillateur pour 1'asservir à la fréquence à mesurer. On obtient ainsi un phasemètre multirréquences, le nombre de gammes à prévoir étant fonction de la plage de réglage de 1' oscillateur. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure bu déphasage entre deux tensions par lequel la mesure de déphasage est remplacée par une mesure de temps, caractérisé en ce qutil consiste à : mesurer l'intervalle de temps séparant le passage des deux tensions à comparer, à une amplitude différente de zéro, mais voisine de zéro, identique pour les deux tensions. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - amplification des tensions instantanées uniquement au voisinage du point de mesure choisi ; - obtention d'un signal de durée égale au temps séparant le passage des deux tensions à comparer à l'amplitude choisie ; et - transformation de ce signal de temps en écart de phase. 3 - Procédé selon la revendication 2; caractérisé en ce que le temps correspondant à l'écart de phase est lu analogiquement. 4 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le temps correspondant à l'écart de phase est lu numériquement. 5 - Appareil de mesure de déphasage mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce qufjl comprend : un circuit d'amplification, d'écrê- tage et de mise en forme de la tension, un circuit conçu pour donner l'intervalle de temps correspondant à ltécart de phase, et un dispositif de lecture analogique ou numérique et d'affichage. 6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte outre le circuit d'amplification, d'écrêtage et de mise en forme de la tension, des circuits et des dispositifs de réglage conçus pour ajuster chacune des deux tensions à une valeur de crête identique avant leur amplification. 7 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un voltmètre commuté sur l'une ou l'autre tension pour contr8ler leur valeur de crête. 8 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 > caractérisé en ce que le circuit d'amplification, d'écrEta- ge et de mise en forme de la tension comprend au moins trois étages, chaque étage comportant trois bornes, et étant constitué par des moyens de prélèvement de tension associés en parallèle avec une première résistance et une paire de diodes Zener montées têtebêche entre une borne reliée à la terre par une deuxième résistance et une borne de sortie reliée à l'étage suivant, la troisième borne ou borne d'entrée étant reliée à la sortie de l'étage précédent, sauf pour le premier étage où elle est reliée d'une part à la terre par une paire de diodes Zener montées tête-bêche et d'autre part à d'autres dispositifs de traitement par une troisième ré sistance appropriée. 9 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de prélèvement de tension sont constitués par un comparateur analogique. 10 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de prélèvement de tension sont constitués par un circuit de déclenchement dit "Trigger-Schmidt". 11 - Appareil selon la revendiaation 8, caractérisé en ce que les moyens de prélèvement de tension sont constitués par l'entrée d'un circuit logique. 12 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en oe que le circuit conçu pour donner l'intervalle de temps correspondant à l'écart de phase est constitué par un circuit de bascule. 13 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit conçu pour donner l'intervalle de temps correspondant à l'écart de phase est constitué par une porte OU exclusif. 14 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit conçu pour donner l'intervalle de temps correspondant à 1'part de phase est constitué par un comparateur analogique. 15 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de lecture est constitué par un intégrateur analogique et un voltmètre. 16 - Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que le voltmètre est un voltmètre analogique. 17 - Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que le voltmètre est un voltmètre numérique. 18 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de lecture est constitué par un oscilloscope double trace à base de temps étalonnée. 19 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de lecture est constitué par un oscillateur attaquant un compteur numérique. 20 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 19, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif permettant d'effectuer des mesures pour des fréquences variables. 21 - Appareil selon la revendication 21, caractérisé en ce que ce dispositif comprend notamment, montés en série, un oscillateur à tension contrée du type connu sous la dénomination VCO (Voltage Controlled Oscillator), un démultiplicateur et un discriminateur de tension.