Brevet FR2179076A1 — publié le 19731116

La présente invention se rapporte à un convertisseur fréquence-tension, constitué par un montage pour l'élaboration 'impulsions d'énergie constante, à partir d'un signal d'entrée, avec une fréquence de répétition proportionnelle à la fréquence du signal d'entrée, et d'un dispositif pour l'élaboration de la valeur moyenne de la suite d'impulsions ainsi obtenue. Les convertisseurs fréquence-tension sont basés, dans la plupart des cas, sur le principe connu suivant : Pendant chaque période ou pendant chaque ne période d'un signal, dont il s'agit de déterminer la fréquence, on élabore une impulsion d'énergie constante, c'est à dire d'amplitude et de largeur constantes. A partir de la suite d'impulsions ainsi obtenue on élabore la valeur moyenne. Ceci peut être réalisé, par exemple, au moyen d'un filtre passe-bas. Cette valeur moyenne est proportionnelle à la fréquence du signal d'entrée. La précision de conversion qu'il est possible d'atteindre, est déterminée principalement par le mode d'élaboration des impulsions. Alors que l'on parvient à maintenir constante l'amplitude des impulsions avec des moyens relativement simples, l'obtension de largeurs constantes des impulsions est liée à des difficultés. Les éléments qui déterminent le temps varient du fait des fluctuations de la température et du vieillissement. En particulier, lorsque l'on utilise un multivibrateur monostable, la précision de la conversion rréquence-tension est influ encée par les coefficients de température des éléments RC qui définissent les temporisations ainsi que par les variations des caractéristiques des semi-conducteurs. L'objet de la présente invention est de fournir un-con- vertisseur fréquence-tension qui ne présente pas les inconvénients des eonvertisseurs connus, qui se distingue par une structure simple et par des degrés élevés de précision et de linéarité Avec un convertisseur fréquence-tension du genre dé crit dans le préambule, ce problème est résolu selon la présente invention, par le fait qu'il est prévu un oscillateur à haute stabilité, oscillant librement, pour l'élaboration d'impulsions d'énergie constante. On utilise avantageusement comme élément définissant la fréquence, un oscillateur avec un quartz vibrant. On va expliquer l'invention ci-dessous plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans le dessin. Dans ce dessin, on trouve respectivement : Figure 1, un exemple de réalisation d'un convertisseur fréquence-tension selon l'invention, Figure 2, un diagramme des impulsions en fonction du temps, pour l'explication du fonctionnement de l'invention. Figure 3, un exemple de réalisation d'un commutateur électronique. L'exemple de réalisation est basé sur un système de logique dit à déclenchement par les flancs où les bascules réagissent aux flancs ascendants d'un signal. Le signal d'entrée h est appliqué à un premier déclencheur de Schmitt 1, et transformé en une tension en créneaux U1 de même fréquence. Si le signal d'entrée se présente déjà sous une forme assimilable par le dispositif de logique qui vient ensuite, par exemple sous la forme de créneaux, le déclencheur de Schmitt 1 peut etre supprimé. La tension U1 est appliquée à l'entrée S d'une bascule RS 2. La sortie Q de cette bascule est raccordée à l'entrée I d'une bascule 1K 3. Les sorties Q et Q de cette bascule sont reliées respectivement aux entrées I et K d'une autre bascule 1K 4. La sorti-e Q de cette bascule est ramenée sur l'entrée R de la bascule RS 2. La sortie Q de la bascule 1K 4 est ramenée sur l'entrée K de la première bascule 1K 3. Les entrées d'horloge C3, C4 des deux bascules 1K 3 et 4 sont reliées respectivement aux sorties Q et Q d'un autre déclencheur de Schmitt 5 à l'entrée duquel est connecté un oscillateur 6 piloté par un quartz. La sortie Q de la deuxième bascule 1K 4 constitué en même temps la sortie du montage décrit ci-dessus, dont la tension de sortie U4 représente une suite d'impulsions en forme de créneaux d'énergie constante, et dont la fréquence de répétition correspond à la fréquence du signal d'entrée UE Ceci découle des considérations suivantes Pour l'état initial (t = to) on admet que toutes les tensions U1 à U5 sont égales à zéro (figure 2), (U. représente ici la tension à la sortie de l'élément i, ri représente son complément logique). Le flanc ascendant de la tension U1 arme la bascule RS 2. Sur l'entrée I de la bascule 1K 3, on a alors le signal " 1 ".Le flanc ascendant suivant de 55 provoque 1' ar- mement de la bascule IE 3 ( U3 = 1). Comme maintenant on a aussi le signal " 1 " sur l'entrée I de la bascule 1K 4, celle-ci peut s'armer également au prochain flanc ascendant de U5 (U4 = "1"). On a maintenant le signal nin sur l'entrée K de la bascule 1K 3; celle-ci sera remise au repos par le flanc ascendant suivant de U5. Il s' ensuit que l'on a aussi le signal "1" sur l'entrée K de la bascule 1K 4 et cette bascule sera re mise au repos par le flanc ascendant de 5. .En mgme temps, la 5 tension U remet au repos la bascule RS 2. 4 Ainsi qu'on peut le voir, dans le diagramme des impulsions en fonction du temps de la figure 2, au cours d'une période du signal d'entrée UE, on obtient une impulsion U4 dont la durée est déterminée par la période de la tension de l'oscilla- teur U6 autrement dit, par la durée des impulsions U5. Les 5 flancs ascendants et descendants des impulsions U4 ne dépendent que de la vitesse de commutation des éléments du dispositif de logique. Il faut noter que dans l'exemple considéré les impulsions U3 ont la mêxe largeur que les impulsions U4. Ceci est du au fait que dans le diagramme on a une relation de phase constante entre la fréquence du signal d'entrée et la tension de sortie de l'oscillateur. De ce fait, il ne peut se produire de coincidence entre les flancs ascendants de U1 et de U5, (ni par conséquent de U3), coincidence qui pourrait influer sur la durée de l'impulsion 73. Cependant, si (dans les limites des tolérances acceptables pour les éléments de logique utilisés) il arrive par exemple que le flanc ascendant de U5 arrive en avance par rapport à U1, d'un temps A t, on obtient aussi une impulsion U3 dont la durée est réduite approximativement de #t. C'est pour cette raison qu'il ne convient pas d'utiliser la sortie de la bascule 1K 3 comme sortie du dispositif, s'il s'agit d'obtenir une précision élevée. Avec l'adjonction de la bascule 1K 4, on évite avec certitude les inconvénients précités. Comme la bascule IX 4 est commandée avec un signal U décalé d'une demie période, il 5 ne peut dans ces conditions, se produire aucune coincidence avec le signal d'entrée, de sorte que la durée des impulsions U4 n'est soumise à aucune influence parasitaire, la durée de ces impulsions U4 ne dépend que de celle des impulsions Us. Afin de maintenir constante, avec une très grande précision, également l'amplitude des impulsions de sortie, en soi le montage logique fournit déjà des impulsions dont l'amplitude est relativement constante, il est avantageux de commander avec les impulsions U4, un interrupteur 7, de préférence électronique. Cet interrupteur établit la liaison entre une source de courant constant 8 et une résistance 9, aux bornes de laquelle s'établit une chute de tension U9 bien définie. Si en parallèle avec cette résistance on raccorde un filtre passe-bas 10 ( que l'on a seulement représenté symboliquement dans la figure 1), avec un choix convenable des constantes de temps, la tension de sortie UA du filtre passe-bas est proportionnelle à la fréquence du signal d'entrée UE , et on peut lire le résultat directement, par exemple sur un appareil de mesure Il étalonné en unités de fréquence. Dans la figure 3 on a représenté un exemple de réalisation préférée d'un interrupteur électronique. Dans le dispositif représenté, l'interrupteur convient pour une logique tonctionnant avec une tension d'alimentation négative ( par exemple NECL Il de lotorola ).Avec une telle logique, le niveau de tension du "1" logique est de l'ordre de - 0,7 V, et le niveau du *0" logique est approximativement égal à - 1,4 V. La sortie Q de la bascule IX 4 est relié à la base d'un transistor 12, sa sortie Q est reliée à la base d'un autre transistor 13. Les deux transistors ont une résistance d'émetteur 14 commune, qui est raccordée au pôle négatif d'une source de tension 15 branchée entre la résistance 14 et la masse. Le collecteur du transistor 12 est relié à la masse, celui du transistor 13 est relié à la masse par une diode 16 et au pôle plus d'une source de courant 8 à travers une autre diode 17. Entre l'extrémité de la source de courant 8 qui est reliée à la diode et la masse, se trouve un groupement en série constitué par une diode 18 et une résistance 9, qui de son côté est relié au filtre passe-bas 10.Dans le cas le plus simple, le filtre passebas peut être un filtre passif, mais il peut cependant être constitué également par des éléments actifs et passifs. L'interrupteur décrit ci-dessus prend la place du dispositif que l'on a simplement représenté d'une manière schéma- tique dans la figure 1, constitué par l'interrupteur 7, la résistance 9 et la source de courant 8. Conjointement avec les autres éléments décrits ci-dessus, ce dispositif fournit à la résistance 9 des impulsions dont l'énergie est extrêmement constante. L'interrupteur électronique détermine ici l'amplitude des ixpulsione, la durée des impulsions étant déterminée par l'oscillateur à haute stabilité 6.Les temps de croissance et de décroissance des impulsions, grandeurs qui en dernier ressort agissent également sur la constante de la durée des impulsions, ne sont plus déterminées par des influences parasitaires quelles qu'elles soient, elles ne dépendent plus que des temps de croissance du montage logique. La précision de la conversion fréquence-tension est influencée d'une manière importante par le rapport entre la valeur maximale de la fréquence de signal E à traiter d'une part, de la durée de la période T6 de la tension de sortie de l'oseillateur 6 et du temps de croissance tlog du montage logique d'autre part. Ces grandeurs sont liées par la relation suivante f5x = 1/(2,5 .T6 + tlog3 Draprès cette relation, la fréquence maximale qui peut Stre traitée avec la précision exigée, est déterminée principa liement par tlog. Ce temps ne peut cependant être réduit à volonté, il est déterminé en effet par les caractéristiques des composants logiques disponibles sur le marché. Si l'on doit traiter des signaux d'entrée d'une fré- quence f très élevée, il est indiqué d'insérer un diviseur de fréquence 19 entre le déclencheur de Schmitt i et l'entrée de la bascule RS 2. Les diviseurs de fréquence sont des éléments con- nus de la technique numérique. On les trouve le plus souvent sous la forme de montages réalisés selon la technique monolithique, et ils présentent aussi les caractéristiques requises de précision et de rapidité. REVENDICATIONS 1.- Convertisseur fréquence-tension constitué par un montage pour l'élaboration d'impulsions d'énergie constante à partir d'un signal d'entrée, avec une fréquence de répétition proportionnelle à la fréquence du signal d'entrée, et par un dispositif pour l'élaboration de la valeur moyenne de la suite d'im- pulsions ainsi obtenue, caractérisé en ce qu'il est prévu un oscillateur à haute stabilité (6), oscillant librement, pour l'élaboration des impulsions (U4) d'énergie constante. 2.- Convertisseur fréquence-tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur (6) est stabilisé par un quartz. 3.- Convertisseur fréquence-tension selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la durée de la période (T6 > de la tension de sortie (u6 > de l'oscillateur (6) est égale au maximum à 40k de la durée de la période minimale du signal d'entrée (UE) qu'il s1 agit de traiter. 4.- Convertisseur fréquence-tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on a prévu un dispositif de logique (2, 3, 4) pour l'élaboration d'impulsions de largeur constante et un interrupteur électronique (7) pour la conversion des impulsions précitées en impulsions d'amplitude constante, et que ces impulsions d'énergie constante sont appliquées à un fil- tre passe-bas (10 > . 5.- Convertisseur fréquence-tension selon l'une quelconque des revendications 1 ou 4 caractérisé en ee que pour la mise en forme du signal d'entrée (UE > il est prévu un déclencheur de Schmitt, (1). 6,- Convertisseur fréquence-tension selon l'une quelconque des revendications 1, 4 ou 5, caractérisé en ce que pour abaisser la fréquence du signal d'entrée (UE) il est prévu un diviseur de fréquence (19) précédant le dispositif de logique (2, 3, 4).