Brevet FR2157698A1 — publié le 19730608

La présente invention est relative à un dispositif de mesure d'une grandeur électrique, telle qu'unie tension ou un courant1 notamment de très faible niveau. Cette grandeur électrique peut être prise soit sur un shunt de courant soit sur un pont diviseur. En particulier, le dispositif selon l'invention est destiné à mesurer des signaux tels que ceux compris dans une gamme s'étendant du p V à une centaine en mV. Il est évident que dans de tels dispositifs, les signaux doivent être fortement amplifiés. Pour des signaux d'entrée s'étendant du pV à 100 mV, un circuit d'amplification, de gain 100 par exemple, peut être utilisé pour obtenir à la sortie du dispositif un signal de niveau satisfaisant. Cependant, du fait du faible niveau d'entrée, la superposition de parasites tant lors de la transmission du signal d'entrée au circuit amplificateur que lors de l'amplification de ce signal provoque des erreurs sur le signal de sortie extrêmement importantes. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients afin que le signal de sortie du dispositif de mesure soit l'image dudit signal d'entrée et ceci quel que soit le niveau même tres faible du signal d'entrée. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure d'un signal électrique, pouvant être de faible niveau, par amplification du signal dans un circuit amplificateur caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit de découpage commandé recevant en deux bornes d'entrée ledit signal électrique à mesurer et fournissant le signal découpe audit circuit amplificateur, un circuit d'échantillonnage commandé à la même fréquence que le circuit de découpage, comportant deux condensateurs reliés à la sortie dudit circuit amplificateur chacun par l'intermédiaire d'un interrupteur comnandé et assurant la mise en mémoire d'échantillons successifs du signal découpé et amplifié, et un circuit différentiateur a deux entrées reliées respectivement aux deux condensateurs et assurant la reconstitution dudit signal d'entrée amplifié. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui suit, donnée en regard du dessin ci-annexé dans lequel - La figure 1 est un schéma synoptique du dispositif selon la présente invention, - Les figures 2 à 6 représentent les signaux obtenus par le dispositif, - La figure 7 représente un montage préféré du circuit de découpage du dispositif. Dans la figure 1, le dispositif reçoit entre deux bornes d'entrée 1 et 2 une grandeur électrique à mesurer, ce signal d'entrée peut être soit un courant prélevé sur un shunt, soit une tension prélevée sur un pont diviseur. Le dispositif comprend un circuit de découpage constitué essentiellement par deux interrupteurs commandés 11 et 12 reliés à la borne d'entrée 1 et un transformateur symétrique 13 ayant deux enroulements primaires 14 et 15 reliés en commun à la borne d'entrée 2 et reliés le premier à l'interrupteur 11 et le second à l'interrupteur 12. Le circuit de commande de ces interrupteurs n'a pas été représenté dans la figure 1 pour la simplicité de celle-ci. L'enroulement secondaire 16 du transformateur 13 reconstitue le signal d'entrée e sous forme alternative. Le dispositif comprend également un circuit amplificateur constitué par un amplificateur opérationnel 20 à gain élevé recevant le signal d'entrée précédem- ment découpé. Le signal à la sortie de l'amplificateur est désigné par a.Le dispositif comprend, en outre, un circuit d'échantillonnage du signal amplifié, comportant deux interrupteurs commandés 31 et 32, et deux condensateurs 33 et 34. La commande des interrupteurs 31 et 32 n'a également pas été représentée dans la figurl. Les interrupteurs sont reliés, d'une part en commun à la sortie du circuit amplificateur, et d'autre part chacun à un des condensateurs 33 et 34. Les sorties du circuit d'échantillonnage, formées par les connexions du condensateur 33 eut de l'interrupteur 31, et du condensateur 34 et de l'interrupteur 32, sur lesquelles apparaissent les signaux c et d, sont reliées à un circuit adaptateur de sortie monté en différentiel, constitué par un amplificateur opérationnel 40, à la sortie duquel le signal d'entrée amplifié est reconstitué sans superposition de parasites ; le signal de sortie est désigné par s. En pratique, les interrupteurs commandés 11, 12, d'une part, et 31,-32, d'autre part, peuvent être constitués par des semiconducteurs commandés tels que des transistors ou plus avantageusement par des transistors à effet de champ se comportant comme des interrupteurs pratiquement parfaits. Avantageusement, les signaux de commande des interrupteurs 11 et 12 fournis par exemple par un oscillateur sont transmis au potentiel d'entrée par un second transformateur non représeté, à deux enroulements secondaires symétriques reliés respectivement aux interrupteurs commandées et dont l'enroulement primaire reçoit les signaux de commande de l'oscillateur. Les signaux de commande des interrupteurs 11 et 12 sont choisis de fréquence élevée par exemple de 20 KHz, le choix d'une fréquence de découpage élevée permettant d'utiliser des transformateurs de petites dimensions largement utilisées, tels que ceux réservés aux transmissions d'impulsions. Le fonctionnement du dispositif selon la figure 1 est décrit ci-après, en regard des courbes données dans les figures 2 à 6, en fonction du temps. Le dispositif reçoit entre ces bornes d'entrée 1 et 2 le signal d'entrée e représenté dans la figure 2, ce signal e est ici continu et constant. Ce signal e est appliqué alternativement par l'action du circuit de commande des interrupteurs 11 et 12 sur les deux enroulements primaires 14 et 15 du transformateur symétrique 13. Le signal commande de découpage h est représenté dans la figure 3. La fréquence de découpage est choisie de préférence élevée, par exemple de 20 KHz. Dans la figure 4, on a représenté le signal a délivré à partir du signal d'entrée e découpé à la fréquence du signal de commande h et amplifié par l'amplificateur 20. Dans cette figure, on a représenté des pointes p apparaissant dans le signal délivré par l'amplificateur 20. Ces pointes p sont dues à l'action du signal de commande h à front raide sur le signal d'entrée, le signal de commande provoquant la superposition de parasites sur le signal d'entrée découpé essentiellement lors des commutations des interrupteurs 11 et 12. Ces parasites sont amplifiés avec le signal d'entrée découpé et se traduisent par les pointes p apparaissant dans le signal a. En outre, l'amplificateur 20 à grand gain est le siège d'une tension de décalage 1 qui s'ajoute à l'une des alternances du signal amplifié et se retranche de l'autre et de dérives fonction de la température. Ces parasites comprenant essentiellement les pointes p, les dérives et le décalage de tension de l'amplificateur faussent d'autant plus le signal d'entrée à mesurer que celui-ci est de niveau plus faible. C'est pourquoi le dispositif de mesure comporte le circuit d'échantillonnage et le circuit adaptateur de sortie monté en différentiel. La commande d'échantillonnage par fermeture alternative des deux interrupteurs commandés 31 et 32, est effectuée en synchronisme avec la commande de découpage et à l'intérieur de chaque alternance du signal amplifié a. La suppression des pointes p est assurée par une mise en memoire sur les condensateurs 33 et 34 du signal a dans les zones successives d'échantillonnage représentées par les intervalles de temps successifs z. Les signaux d'échantillonnage mis en memoire successivement sur les condensateurs 33 et 34 sont représentés par les zones hachurées m et n de la figure 4 comprises dans les zones du signal a non perturbées par les pointes p. Pendant les instants successifs de fermeture des interrupteurs 31 et 32, les condensateurs 33 et 34 se chargent. Les tensions c et d disponibles aux bornes des condensateurs 33 et 34 sont appliquées sur les deux entrées de l'adaptateur de sortie constitué par un amplificateur opérationnel monté en différentiel. Les tensions c et d, à l'entrée de l'adaptateur, sont représentées dans la figure 5, on y a également représenté les signaux m et n mis en mémoire. L'adaptateur de sortie effectue une différence de potentiel égale à c - d ; il permet d'annuler le décalage 1 se retrouvant sur les signaux d'entrée, d'un signal d'entrée à l'autre ce décalage est identique mais opposé. En conséquence, dans le signal de sortie, il ne subsiste plus que les défauts dey'étage différentiel de sortie, qui, avantageusement choisi de gain agal à l'unité, n'a relativement pas d'incidence. Le signal s de reconstitution du signal e est représenté dans la figure 6. Dans le montage selon la figure 1, la demanderesse a constaté que les interrupteurs commandés 11 et 12 sont à l'origine de perturbations transitoires se superposant au signal à mesurer essentiellementlors des commutations, mais également que ces interrupteurs sont le siège de perturbations en régime permanent de niveau plus faible que celui des perturbations précédentes. Pour un signal d'entrée nul (bornes d'entrée en court-circuit), la demanderesse a constaté un signal non nul, pouvant atteindre quelques dizaines de pV, aux bornes de chacun des enroulements primaires 14 et 15 du transformateur 1-3. La tension parasite se développant aux bornes de chaque enroulement primaire 14 et 15 en régime permanent de chaque interrupteur associé, dépend notamment de résistances de fuite et de capacités parasites entre la commande de découpage et le circuit de découpage. Ces sources de parasites aux bornes des enroulements primaires sont symbolisées par deux générateurs de signaux parasites 5 et 6 associés chacun à un des deux ensembles 7 et 8 résistance et capacité de fuite ces sources de parasites sont représentées en pointillés respectivement entre les bornes des enroulements primaires 14 et 15. Pendant qu'un signal de commande de fermetute est appliqué à l'interrupteur 11, un flux A dit flux principal dû au signal d'entrée est généré dans l'enroulement 14 dans le sens indiqué dans la figure 1.Le circuit de commande provoque également à travers l'ensemble 4, l'injection dans le circuit de découpage d'une tension parasite de commande qui se retrouve à la sortie de l'interrupteur 11 et engendre dans l'enroulement 14 un flux parasites A de même sens que A et s'ajoutant à lui. De même, pendant la fermeture de l'interrupteur 12, le signal d'entrée engendre un flux principal fB dans l'enroulement 15, tandis que la tension parasite de commande se trouvant appliquée par l'ensemble 6 à la sortie de l'interrupteur 12 engendre un flux parasite B de même sens que fB et s'ajoutant à lui. Dans le montage selon la figure 1, ces flux parasites se composent symétriquement dans le même sens que les flux principaux et entraînent une erreur de mesure du signal e lors de sa reconstitution dans le circuit de sortie monté en différentiel. Dans la figure 7, on a représenté une variante préférée du dispositif de découpage du circuit d'entrée. Dans cette figure, la connexion des enroulements primaires 14 et 15 du transformateur 13 est effectuée de manière dissymétrique : la borne d'entrée 1 est reliée d'une part par l'intermédiaire de l'interrupteur commandé 11 à l'enroule- ment primaire 14 et d'autre part directement à l'enroulement primaire 15, par contre la borne d'entrée 2 est reliée d'une part directement à l'enroulement primaire 14 et d'autre part par l'intermédiaire de l'interrupteur commandé 12 à l'enroulement 15. Dans le montage, selon la figure 7, pendant les fermetures des interrupteurs 11 et 12, le signal d'entrée e engendre dans les enroulements 14 et 15 des flux principaux A et B. Les résistances de fuite et capacités de fuite entre le cirt cuit de commande des interrupteurs et le circuit de découpage étant symbolisées par les générateurs de signaux parasites 5, 6 et les ensembles 7 et 8 associés une tension parasite due à la commande des interrupteurs est injectée dans le circuit de découpage et se retrouve à la sortie des interrupteurs.La tension parasite de commande à la sortie de l'interrupteur 11 engendre un flux parasite t À qui s'ajoute au flux principal fA, tandis que la tension parasite de commande è la sortie de l'interrupteur 12 engendre un flux parasite tB de sens opposé à Dans ce mode préféré de réalisation, la tension parasite est une composante continue qui se transmet avec le signal d'entrée ; elle est découpée avec le signal d'entrée et s'ajoute à l'effet de décalage produit par l'amplificateur. Les flux parasites après amplification se retranchent dans le circuit différentiel de sortie de manière que seule leur différence subsiste dans le signal s. La présente invention a été décrite en regard du mode de réalisation donné dans le dessin. Il est évident que sans sortir du cadre de l'invention, on peut y apporter des difications de détail et/ou remplacer certains moyens par d'autres noyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de mesure d'un signal électrique, pouvant être de faible niveau, par amplification du signal dans un circuit amplificateur caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit de découpage commandé recevant sur deux bornes d'entrée ledit signal électrique à mesurer et fournissant le signal découpé audit circuit amplificateur, un circuit d'échantillonnage commandé à la même fréquence que le circuit de découpage, comportant deux condensateurs reliés à la sortie dudit circuit amplificateur chacun par l'intermédiaire d'un interrupteur commandé et assurant la mise en mémoire d'échantillons successifs du signal découpé et amplifié, et un circuit différentiateur à deux entrées reliées respectivement aux deux condensateurs et assurant la reconstitution dudit signal d'entrée amplifié. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'Echantil- lonnage du signal découpé et amplifié est effectué uniquement dans la zone interne non perturbée du signal découpé et amplifié. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que ledit circuit de découpage comporte un transformateur à deux enroulements primaires chacun relié entre les bornes d'entrée par l'intermédiaire d'un interrupteur commandé. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les interrupteurs commandés connectant les deux enroulements primaires du transformateur du circuit de découpage aux bornes d'entrée sont disposés l'un entre une première borne d'entrée et l'un des enroulements primaires, l'autre entre la seconde borne d'entrée et l'autre enroulement primaire. 5/ Dispositif selon l'une des revendications 3, et 4, caractérisé par le fait que lesdits interrupteurs commandés sont constitués par des transistors à effet de champ. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que lesdits interrupteurs commandés du circuit de découpage sont reliés à un circuit générateur de signaux commandant de manière alternative les interrupteurs par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement électrique à deux enroulements secondaires agissant symétriquement sur lesdits interrupteurs. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la commande de découpage et la commande d'échantillonnage sont effectuées à fréquence élevée. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que ledit circuit différentiateur de sortie est constitué par un amplificateur opérationnel monté en différentiel sur les deux condensateurs.