Brevet FR2157761A1 — publié le 19730608

L'invention concerne les systèmes de conversion d'une grandeur électrique à variation continue (analogique) en une expression numérique (digitale), appelés également : codeurs "analogique - digital". Selon les moyens actuellement connus, la conversion d'une grandeur électrique analogique, proportionnelle au phénomène physique à mesurer, en une information digitale, sous forme d'un nombre entier codé (binaire, ternaire ou à tout autre base), est effectuée généralement à partir d'une analyse cyclique rapide de l'étendue totale de mesure (portée) du convertisseur pour rechercher la colncidence avec la valeur à mesurer. Dans certaines des réalisations connues, appliquées par exemple au codage d'une tension électrique, le convertisseur compare périodiquement la tension à mesurer à une tension en dent-de-scie croissant linéairement suivant une loi bien précise. Un compteur enregistre les impulsions d'un oscillateur de référence (horloge) pendant le temps mis par la tension variable pour s'élever de zéro (ou d'un seuil déterminé) à la valeur à mesurer. Le nombre d'impulsions enregistrées exprime le résultat dans le code choisi. Suivant une autre réalisation, on utilise un processus de comparaisons successives de la tension à mesurer à des tensions étalonnées fixes, divisant 1'é- tendue de mesure en valeurs proportionnelles aux puissances successives de la base de numération choisie, en commençant par les plus forts exposants. Avec ce procédé, pour éviter les erreurs qui se produiraient si la tension à mesurer variait pendant un cycle de mesure, il est indispensable, au début de chaque cycle, de mettre en mémoire la tension à mesurer, par exemple en chargeant un condensateur (opération d'échantillonnage), sur lequel on effectue ensuite les comparaisons successives avec les tensions étalonnées. Les inconvénients des procédés connus apparaissent dans les descriptions ci-dessus : utilisation de générateurs de balayage et d'oscillateurs à fréquence élevée et de grande précision, compteurs rapides, sources multiples de tensions étalonnées, circuit d'échantillonnage, tous éléments complexes et, par suite, d'un prix élevé, par rapport à une définition déterminée. Le convertisseur analogique - digital suivant la présente invention permet le codage numérique d'une grandeur électrique variable au moyen d'éléments à faible vitesse et de peu de précision, donc de faible prix, en obtenant, dans la majorité des cas, un résultat équivalent. Le convertisseur analogique - digital selon l'invention comporte principalement, conformément au schéma Fiv.1 annexé à titre d'exemple pour la compréhension du texte - un comparateur de tension 1 détectant l'égalité ou le sens de l'inégalité des deux tensions qu'il recoit, provenant, l'une de l'entrée, l'autre de la sortie du convertisseur. La tension d'entrée (tension à mesurer) est délivrée par un capteur approprié au phénomène physique à mesurer (par exemple : jauge de contrainte, piézo-transistor, élément photo-électrique ou thermo-électrique) ou par toute source de tension variable (ou de courant converti en tension) qu'on désire exprimer numériquement.L'étendue totale (portée) de la mesure entre zéro et la valeur maximale, est divisée en un nombre de points unitaires suffisant pour que la mesure soit exprimée avec la finesse (ou résolution) désirée. La tension de sortie est proportionnelle au nombre d'unités (ou points) du résultat numérique délivré par la sortie digitale dans le code choisi (binaire, ternaire ou à tout autre base). - un convertisseur numérique - analogique 2 assurant la conversion de la valeur digitale délivrée par la sortie du convertisseur en tension proportionnelle appliquée au comparateur de tension 1. - un aiguillage 3, commandé par le comparateur 1, orientant les impulsions périodiques du générateur 4 vers l'une des entrées du compteur-décompteur 5, entrée "comptage" ou entrée "décomptage" ou interruption, suivant que la tension d'entrée, en provenance du capteur, est supérieure, inférieure ou égale à la tension de sortie décodée par le convertisseur numérique - analogique. La sortie du compteur-décompteur délivre le résultat numérique de la mesure (Voir Fig. 1 : sortie digitale). Le fonctionnement est le suivant : lorsque les tensions d'entrée et de sortie appliquées au comparateur 1 sont égales à moins d'un demi-point près, l'aiguillage 3 n'est manoeuvré ni dans un sens, ni dans l'autre. Le compteurdécompteur 5 ne reçoit aucune impulsion du générateur 4. il conserve donc lté- tat dans lequel il se trouve et le résultat numérique délivré par la sortie digitale ne change pas. Par contre, si la tension reçue à l'entrée du comparateur est supérieure de plus d'un demi-point (ou de plusieurs points) à la tension de sortie, l'aiguillage 3 oriente la sortie du générateur 4 vers l'entrée "comptage" du compteur-décompteur 5 qui enregistre une impulsion (ou plusieurs impulsions).La sortie digitale avance alors d'un point (ou de plusieurs points) que le convertisseur 2 traduit en élevant d'un point (ou de plusieurs points) la tension de sortie, ce qui rétablit l'équilibre du comparateur et le retour de l'aiguillage à la position médiane. Inversement, si la tension d'entrée est inférieure à la tension de sortie, le comparateur 1 oriente l'aiguillage 3 vers l'entrée "décomptage" du compteur-décompteur. Le résultat de la sortie digitale diminue du nombre de points suffisant pour abaisser la tension de sortie à la valeur de la tension d'entrée. On voit que l'indication numérique, délivrée par la sortie digitale du convertisseur, est asservie à la tension analogique appliquée à entrée. Toute variation de cette dernière est suivie par le comptage ou le décomptage du noa- bre de points correspondant. Tous les éléments du convertisseur analogique - digital selon 1 'invention sont aisément concevables d'après les techniques usuelles de I'electro-récani- que ou de l'électronique. La figure 2 indique, à titre d'exemple non limitatif, une réalisation possible du coiparateur de tension 1 et de l'aiguillage 3, utilisant des colqo- sants électroniques. Le coaparateur comprend un amplificateur analogique diffç- rentiel 6, deux tensions de référence +V et -V dont la valeur absolue fixe la valeur du demi-point de mesure, et deux amplificateurs logiques 7 et 8. L'aiguillage 3 est constitué par deux doubles portes 9 et 10 qui reçoivent, d'une part, les niveaux logiques de sortie des amplificateurs 7 et 8, d'autre part, les impulsions périodiques du générateur 4. Les sorties des portes 9 et 10 sont réunies respectivement aux entrées "comptage" et "décomptage" du conpteurdécompteur. Les différentes fonctions (1, 2, 3, 4 et 5) du convertisseur selon l'invention sont attribuées ci-dessus, pour la clarté des explications, à des éléments distincts. Pour la simplification d'une réalisation industrielle, elles peuvent être groupées dans un nombre restreint de dispositifs électro-mécaniques ou électroniques. La figure 2 est un exemple de groupement de circuits électroniques réalisant les deux fonctions : comparateur et aiguillage. D'autres groupements et variantes sont cités ci-après, à titre d'exemples non limitatifs de réalisation du convertisseur selon l'invention : - Compteur-décompteur électromécanique ou électronique groupé avec le déco- deur numérique-analogique, c' est-à-dire délivrant en m*se temps le résultat numérique sur la sortie digitale et la conversion de ce résultat en tension analogique, appliquée au comparateur de tension. - Suppression de l'aiguillage 3 : deux générateurs d1 impulsions, branchés sur les entres comptage et décomptage du compteur-décompteur, sont actionnés à tour de r81e par une des sorties du comparateur de tension. - Remplacement du compteur-décompteur 5 par deux compteurs unidirectionnels suivis d'un soustracteur. Le générateur 4 ne requiert aucune précision particulière, ni dans la forme des impulsions délivrées, qui doit simplement être adaptée à la commande du compteur-décompteur, ni dans la stabilité de fréquence de ces impulsions. La valeur de cette fréquence et la cadence de comptage du compteur-décompteur doivent ètre seulement suffisantes pour suivre, sans retard préjudiciable, les variations de la tension d'entrée. Une fréquence aussi basse que 200 Hz, par exemple, est suffisante dans beaucoup de cas : pesage ou mesure de forces par jauge de contrainte, mesure des pressions, des éclairements ou des températures. En effet, si on représente l'étendue totale de la mesure par 1 000 points, l'affichage de la nouvelle valeur est obtenu en 5 millisecondes par point de variation, soit 5 secondes pour la portée totale. Les applicatians industrielles du convertisseur selon 1 'invention concernent tous les secteurs oh une information analogique, disponible sous la forme d'une tension (ou d'un courant) variable, proportionnelle au phénomène physique à mesurer, doit être utilisée sous forme digitale pour l'affichage du résultat, sa mise en mémoire, son enregistrement sur machine imprimante, son utilisation dans un calculateur, ... etc. REVENDICATIONS i - Convertisseur analogique-digital destiné à fournir la traduction digitale d'une grandeur analogique par un nombre entier de base 2 (ou 3 ou autre) ou par un nombre codé, caractérisé par l'utilisation des fonctions suivantes - conversion numérique-analogique du résultat digital de sortie en une tension ou un courant proportionnel à ce résultat. - comparaison de cette tension (ou courant) à la grandeur analogique d'entrée, ellememe exprimée par une tension ou un courant proportionnel. - application, en cas d'inégalité en plus ou en moins de ces deux tensions ou courants, des impulsions fournies par un générateur, à l'entrée "comptage" ou à l'entrée "décomptage" (suivant le sens de l'inégalité) d'un compteur-décompteur. - délivrance du résultat digital à la sortie du compteur-décompteur. 2 - Convertisseur analogique-digital suivant revendication 1, dans lequel le résultat de la comparaison entrée-sortie met en fonctionnement, suivant son signe, un des deux générateurs d'impulsions qui commandent, l'un le compteur, l'autre le décompteur. 3 - Convertisseur analogique-digital suivant revendication 1, dans lequel le compteur-décompteur est remplacé par deux compteurs unidirectionnels suivis d'un soustracteur. 4 - Convertisseur analogique-digital suivant revendication i, dans lequel certaines des fonctions décrites sont remplies par des éléments non distincts, groupés dans un nombre restreint de dispositifs.