Brevet FR2150968A1 — publié le 19730413

L'invention concerne un convertisseur analogique digital qui procède pendant un temps déterminé à une intégrati ascendante du signal analogique à convertir pour obtenir une n- tégrale de temps, qui par intégration d'un signal de référence, procède à une intégration descendante de l'intégrale de temps ob tenue jusqu'à la valeur de départ et qui possède un amplificateur dans le circuit de contre-réaction duquel est disposée une mémoire, ainsi qu'un compteur d1impulsions qui compte les impulsions fournies par un générateur d'impulsions pendant la durée de l'in intégration descendante. L'invention concerne un convertisseur analogique-dig tai, appelé ci-apres "convertisseur A/D", qui fonctionne par e procédé connu d'intégration ascendante et descendante. Un conver- tisseur fonctionnant suivant ce procédé est décrit par exemple dans la demande de brevet allemand publiée pour appel aux oppoci tions sous le N0 1.258.453. Dans ce convertisseur, qui travaille par double intégration, onintègre pendant un temps déterminé exemple une tension analgique inconnue. La tension sortis l'intégrateur croît linéairement et atteint une valeor qui dé@ de la tension analogique inconnue.On intègre alors une tensi@ référence de polarité opposée, jusqu'à ce que la tension de @ de l'intégrateur, qui décroît maintenant linéairement, atteignnouveau sa valeur de départ. Pendant l'intégration de T te: de référence, des impulsions de mesure pour la mesure du temps et par suite, pour la représentation digitale de la grandeur de a tension analogique inconnue, sont fournies à un compteur. Tari les nombreux procédés de conversion connus, le procédé par in@ég@@ tion ascendante et descendante est relativement insensible à influences extérieures perturbatrices, en raison d son principe bien particulier.La précision des mesures que permet ce de conversion dépend essentiellement du fait que la valeur in tiale et la valeur finale de la tension intégrale ont maintenues constantes. Dans un mode de réalisation pratique d'un A/D de ce genre, on utilise en genéral pour l'intégiat an plificateurs de courant continu à contre-réaction. Dans un @@ tisseur de ce genre, l'entrée de l'amplificateur intégrateur re çoit alternativement le signal analogique à convertir et un sig de référence fixe. La commutation est réalisée par un commutateur dlectronique. Au début de la conversion, le commutateur actionn par un organe de commande relie l'entrée de l'amplificateur à un signal analogique.En même temps, par l'intermédiaire d'un circui approprié, un nombre fixe d'impulsions est compté dans un compteu Ce nombre d'impulsions définit un intervalle de temps lixe et qu reste toujours le même, le temps de mesure, pendant lequel le signal analogique est relié à l'amplificateur-intégrateur. La tension de sortie de l'amplificateur-intégrateur correspond, à la fidu temps de mesure, à la valeur de l'intégrale de temps du signal analogique. Après expiration du temps de mesure, la commutation 3e l'entrée de l'amplificateur se fait sur un signal de référenc de polarité opposée.L'amplificateur-intégrateur reçoit maintenant ce signal jusqu'à ce que sa valeur initiale soit atteinte début du temps de mesure. le moment où cet état est obtenu est de terminé par un amplificateur comparateur, par comparaison avec un@ tension de référence particulière. Pendant ce temps d'intégration lescendante, le temps de comparaison, le compteur reçoit un no@@x d'impulsions correspondant à la valeur analogique. Si, à la fin du temps de comparaison la tension de sortie est à nouveau attei la tension de sortie de l'amplificateur comparateur, qui croît rapidement, provoque la coupure de l'amplificateur intégrateur d'av@ le signal de référence.L'état du compteur à la fin du temps de comparaison est une mesure digitale du signal analogi@@e à con@ tir. Afin que le convertisseur puisse fonctionner par cycles de mesure successifs le condersateur d'emmagasinage de @@@intégration est court-circuité, et par suite déchargé, par un compatateur avant chaque cycle de mesure. Les convertisseurs connus à intégration ré@@@ée néce@ @itent dans leur partie de mesure une forte dépense en éléments très différents. Ainsi, en plus d'un amplificateur p@@@ l'intégrateur, il faut aussi un amplificateur comparateur à ha@@@ défini tion. Pour que le convertisseur puisse fonctionner sui@ent des cles de mesure successifs, il faut prendre aussi des @récautions pour rame@@@ à une valeur initiale prédéterminée la grandeur de sortie de l'amplificateur intégrateur avant le début @@ chaque @@ @le de @@@@@@@ @@@@ et de l'invention consiste à éviter les inconvénients pré@ités. En partant d'un convertisseur A/D muni d'un amplificateur du type indiqué précédemment, ce problème est resolu par le fait que dans l@ @ @@uit de contre-réaction de l'amplificateur se trouve un cormutatellr électronique qui coupe le circuit de contreréaction lorsque la tension de sortie de l'amplificateur atteint une valeur donnée, et qu'un conformateur d'impulsions est connecte à la sortie de l'amplificateur et sépare les variations brusques de tension de la sortie de l'intégrateur de la montre et de la descente de la tension en dents de scie. Sur les dessins annexés, on a représenté schématiquement un exemple de réalisation d'un convertisseur A/D suivant l'invention. la figure 1 montre une forme préférée de réalisation du convertisseur. La figure 2 est un schéma montrant en fonction du temps l'évolution du processus en différents points du circuit. L'exemple de réalisation de la figure 1 se compose d'une section analogique comprenant un amplificateur 5 à contreréaction et un conformateur d'impulsions 6, ainsi que d'une section digitale comprenant un générateur d'impulsions 8, un compteur 11 capable de fonctionner dans les deux sens, une mémoire décodeuse 12 munie d'un indicateur optique 13, et une coninande 7 de déclenchement du processus. l'amplificateur est un amplificateur classique à courant continu ayant une forte amplification négative -V et une contre-réaction capacitive, de la sortie 15 à l'entrée 14, par l'intermédiaire d'un condensateur 16.Entre la sortie 15 de l'amplificateur et le condensateur est connecté le trajet base-émetteur d'un transistor npn 17 fonctionnant comble émetteur cathodyne et jouant le rôle d'un coFmutateur électronique, dont la base est reliée à la sortie de l'amplificateur et dont l'émetteur est relié au condensateur. le collecteur du transistor 17 est relié à une tension positive d'alimentation + u. Au point de jonction 20 du condensateur et de l'émetteur du transistor 17 existe une tension de référence UR prédéterminée qui est dérivée de la tension continue négative - u à l'aide d'un diviseur de tension ohmique 18,19. la sortie de l'amplificateur est reliée à l'entrée de celui-ci par l'intermédiaire d'un stabilisateur de tension, par exemple une diode de Zener 22 en série avec des diodes 21, 24 et 26. Des résistances 23 et 27 servent à dériver les courants de fuite des diodes. La sortie de tension UÂ de l'amplificateur est ramenée au conformateur d'impulsions 6, qui peut être un organe de différenciation. Le signal analogique d'entrée, par exemple une tension continue UE de polarité quelconque, est amené aux bornes d'entrée 1 et 2 du convertisseur. La borne 1 est rebe'e à l'entrée 14 de l'amplificateur par une résistance d'entrée 4 et un commutateur S, et l'autre borne 2 est reliée directement à la masse 3. La résis- tance d'entrée transforme UE en un courant analogique d'entrée IE qui arrive, avec un courant compensateur négatif IN fourni par une source de courant 9 et à travers le commutateur S, à l'entrée de l'amplificateur. Be,commutateur S est de préférence du type à semiconducteur et est actionné par la commande 7 de la section digitale. L'entrée 14 de l'amplificateur est directement reliée à une source de courant 10 qui fournit un courant positif de référence Ip. Le générateur d'impulsions 8 dans la section digitale fournit constamment des impulsions de mesure au compteur 11. De sens de comptage du compteur est déterminé par la commande 7 qui surveille l'état du compteur. La commande provoque en outre, après achèvement de la conversion, l'enregistrement de l'état momentané du compteur dans la mémoire 12. Le contenu de la mémoire est décodé et ap ,arait sous forme visible sur le tableau indicateur 13. Le convertisseur suivant l'invention diffère des convertisseurs connus essentiellement par le fait qu'il ne nécessite pas deux amplificateurs, à savoir un amplificateur intégrateur et un amplificateur comparateur, mais se contente d'un seul amplificateur qui, avec le circuit de contre-réaction décrit, joue aussi bien le rôle de l'intégrateur que celui du comparateur. Un commutateur poSlr le court-circuitage du condensateur est également inutile. Pour faire comprendre le fonctionnement du convertisseur, on se réfèrera maintenant au diagramme de la figure 2. L'amplificateur 5 reçoit constamment au repos, c'està-dire lorsque le commutateur S est ouvert, (voir ligne 36 sur la figure 2) le courant positif de référence Ip de, par exemple, + 100 A (voir ligne 38 sur la figure 2). De cette façon, sa ten sion de sortie UA, dont l'allure dans le temps est représentée par la ligne 19, est maintenue par les diodes 21, 22, 24 et 26 à une valeur négative - U, par exemple de - 11 volts. L'ampLificateur reste dans cet état jusqu'à ce que son entrée reçoive un courant négatif qui dépasse le courant de référence.A ce moment, le condensateur est séparé de la sortie 15 de l'amplificateur, car la diode base-émetteur du transistor 17, dont l'émetteur est maintenu par le diviseur de tension 18,19 à une tension de référence UR deF par exemple, - 7 volts1 est bloquée. On supposera que le compteur 11 possède quatre décades de comptage et que le comptage total est de 4000. Quand le comp- teur est à 0000, c'est-à-dire au temps t0, la commande 7 Berme le commutateur S. A l'entrée de l'amplificateur arrive maintenant l@ somme du courant positif de référence Ip, du courant négatif de compensation 1N et du courant d'entrée IE qui est toujours négatif. Le courant IN possède une valeur constante de par exemple - 200 A dont - 100 A servent à compenser le courant de référe@ qui arrive à l'entrée de l'amplificateur pendant le temps de me sure to à tl. Le reste de - 100 A, représenté par I0 sur la li gne 38, sert au déplacement du zéro du convertisseur.On évite ainsi la commutation de l'entrée de l'amplificateur entre le sig@ d'entrée et le signal de référence positif et négatif. Le courant négatif d'entrée fait que la tension de sortie U. de l'amplifice teur devient positive avec la plus grande vitesse possible, @us@ qu'à ce qu'elle atteigne la tension de seuil du commutateur éte tronique dans le circuit de contre-réaction, c'est-à-dire @@@ ce que la diode base-émetteur du transistor 17 devienne condu trice.Ceci se produit quand la tension de sortie atteint la ï de la tension de référence UR plus la tension du courant de @@ si UR = - 7 volts, on obtient ainsi une valeur de - 6,4 volte Cette valeur représente le seuil indiqué en US sur 1 > ligne la figure 2. Dès que US est atteint, le transistor 17 devient con ducteur et le condensateur 16 est relié effectivement à la sortie de l'amplificateur. A ce moment, l'amplificateur se transforme amplificateur intégrateur, et il commence l'intégration ascendant du courant d'entrée. Comme le montre la ligne 39 de la l'amplificateur passe directement, après fermeture du commutateur S, de la variation brusque de tension - U à U, à l'intégratie cendante.Etant donné que ces évènements se produisent très devent par rapport à la durée des impulsions de mesure; l'inté@@@ tion ascendante du courant d'entrée commence lorsque le con@t est à 0000. Le compteur compte vers l'avant pendant @@ntég@@ ascendante un nombre bien déterminé d'impulsions @@ @@sur@@ par exemple 3000. Sur les ligmes 41 et 42, on a représenté 1 @@@@ comptage et l'état du compteur 11. Le temps t0 à t1 @ue met le compteur à compter les 3000 impulsions de mesure représente le temps de mesure. Après expiration du temps de mesure, c'est-à-dire au temps t1, le commutateur S est ouvert et, en meame temps, le compteur est commuté pour compter en arrière. A ce moment le courant positif de référence Ip arrive seul à entrée de l'amplificateur d'intégration; sa tension de sortie se fait maintenant dans le sens négatif, pendant l'intégration descendante. Le compteur comp te en arrière de 3000 à 0000 et franchit les valeurs digitales @@ ippartiennent à des courants positifs d'entrée. La ligne en tir@@ @3 de la figure 2 montre l'allure de la tension de sortte UA pour des courants d'entrée IE > 0.Lorsque le compteur est dans la po sition 0000. il est à rouveau commuté pour le comptage en avant@ Il recommence à compter à partir de 0000 et franchit @ @@i la région des courants négatifs d'entrée (voir ligne 39 pour IE Le courant positif de référence IP qui arrive à l'arplificateur pendant l'intégration descendante s'écoule à traver de cendensateur 16 et le diviseur de temps 18,19 vers à source @ @ension continue négative; il produit dans le diviseur de tensi une faible chute de @e@sion supplémentaire qui a pour conséquence ue la valeur de seuil US est maintenant un peu plus @@sitive qu'@@ début de l'intégration ascendante. Mais les différences sont si @aibles que les influences sur la précision des mesures/restent en @re les limites des errc@rs habituelles.Aussi, on n'a pas repre @enté les valeure différentes des tensions sur les lignes 39 et @@ de la figure 2. Dès que l@ tersion de sortie de l'amplifica teur f@@@ @hit dans le sens nég@tif la valeur de seuil US, c'est-à-dire volts, le transistor 17 se bloque et coupe le circuit -:- montre éaction. L'amplificateur fonctionne alors à nouveau sans contre éaction. Etant @@@@@ que le courant de référence IP @@@ive tou- ours à l'entrée l@ teusion de sortie de l'amplificateur passe ouveau avec la vitesse la plus grande possible à la @eur négat@ @ limite. Cette variation négative de tension de US à @@@ est @ansformé@@dant @@ dispositif de différenciation 6 q@@ @@t reli@ @l@ sortie 15 de l'amplificateur en une impulsion de @@@sion (v@ @gn@ @@@@@@@ @@@@@ @@@@ commande de déclenchement du @@@cessus. @@ la @@@@@@@@@@@@@@s expiration du temps de comparaison, la va @ur di@it@@@ @@ @@@@ondant au courant analogique d'en@@@@ @ncon@@ et atteinte au temps t2 pour IE La commande 7 provoque, à l'arrivée de l'impulsion de @nsion régative, l'enregistrement de l'état du compteur dans la mémoire 12, qui décode la valeur digitale obtenue et l'indique en 13. L'impulsion de tension est synchronisée dans la section digi tale avec l'impulsion de mesure, de sorte que l'impulsion de tension qui peut se produire à n'importe quel moment par rapport à la mesure n'entraîne pas un défaut de fonctionnement. Dès que le comptage total est atteint au temps t le compteur est ramené à 0000 et un nouveau cycle de travail recon-ance à la façon décrite. REVENDICATIONS 1 - Convertisseur snalogique-digital qui procède à une intégration ascendante, pendant un temps déterminé, du signai analogique à convertir pour obtenir une intégrale de temps, qui, par intégration d'un signal de référence, procède à une intégration descendante de l'intégrale obtenue jusqu'à la valeur de départ qui possède un amplificateur 5 dans le circuit de contre-réaction 15,14 duquel est disposée une mémoire 16, et qui comprend également un compteur d'impulsions 11 qui compte les impulsions fournies par un générateur d'impulsions 8 pendant la durée de l'int4- gration descendante, et caractérisé en ce que dans le circuit de contre-réaction de l'amplificateur se trouve un commutateur électronique 17hui met hors circuit la contre-réaction lorsqu'est atteinte une tension de sortie prédéterminée de l'amplificateur, et en ce que la sortie 15 de l'amplificateur est suivie d'un conformateur d'impulsions 6 qui sépare les variations de tension de la sortie de l'intégrateur de la montée et de la descente de la tension en dents de scie. 2 - Convertisseur analogique-digital suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie 15 de l'amplificateur 5 est reliée à la mémoire 16 par un trajet semi-conducteur 17 jouant le rôle de cotimnitateur, et qu'au point de jonction 20 de la mémoire avec le trajet semi-conducteur existe une tension de référence prédéterminée U,. 3 - Convertisseur analogique-digital suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le trajet semi-conducteur est constitué par la diode base-émetteur d'un transistor 17 qui fonctionne comme émetteur cathodyne, dont la basa est reliée à la sortie 15 de l'amplificateur. 4 - Convertisseur analogique-digital suivant la revendication 3, caractFrisé en ce que la sortie 15 de l'amplificateur est reliée à son entrée 3 par un élément 23 stabilisateur de tension qui limite la tension de sortie UA de l'amplificateur à une valeur assez élevée pour que la diode base-émetteur du transistor 17 soit polarisée dans le sens du blocage et que l'amplificateur ne soit pas surmodulé.