Brevet FR2220927A1 — publié le 19741004

La présente invention se rapporte a un système de filtrage et elle a trait plus particulièrement à un filtre non linéaire pouvant etre utilisé comme filtre passe-bas etlou comme filtre passe-haut. On connaît des filtres linéaires présentant des caractéristiques d'attenuation et de dephasage en fonction d'une fréquence. Ces filtres linéaires comprennent des filtres passe-bas et passe-haut qui laissent passer respectivement des signaux basse-fréquence et des signaux haute-fréquence. Les filtres linéaires utilisent des éléments réactifs tels que des condensateurs et des inductances qui emmagasinent l'énergie hors-bande de façon à la renvoyer ultérieurement dans le circuit. Dans des circuits électriques, il est assez indésirable qu'un dephasage accompagne itattenuation, bien que ce phenomene soit généralement admis dans certaines applications. Le déphasage limite la largeur de bande d'un circuit du fait du degré de déphasage tolérable qui peut être absorbé. Par exemple, dans des circuits de réaction, un déphasage d'environ 180 produit une oscillation du système et,en conséquence, la bande de fréquence d'une boucle de réaction contenant le filtre lineaire est sensiblement limitée. Dans des systèmes de réaction comportant des filtres linéaires, le temps de montée de la boucle de réaction est fonction des limites de fréquence -du filtre linéaire. En augmentant la largeur de bande de manière qu'il ne se produise aucun déphasage appreciable, la stabilité de la boucle croit, tandis que la réponse temporelle diminue également. Dans les processus de filtrage connus, des filtres linéaires améliorent egalement le rapport des signaux électriques de bande aux signaux électriques hors-bande en concordance avec des caractéristiques classiques attenuation- fréquence. Malheureusement, le "filtrage" (c'est-à-dire l'atténuation des signaux hors-bande par rapport aux signaux de bande) obtenu ainsi est fréquemment insuffisant pour produire des signaux de bande utilisables. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et des figures jointes donnees à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 est un schéma synoptique d'un mode de realisation d'un filtre non linéaire suivant l'invention. La figure 2 est un schéma du circuit d'un mode de réalisation du filtre non linéaire de la figure 1. Sur les figures, et plus particulièrement sur la figure 1, on a repré senté un filtre linéaire passe-haut 10 comportant une entrée recevant une onde électrique. On peut supposer que le signal d'entrée contient l'infor mati on électrique désirée qui est comprise dans une bande de frequence désirée allant de O à fl Hz, comme indiqué sur la figure 1. Dans le filtre 10, l'éner- gie haute frequence ou hors-bande du signal d'entrée est amplifiée tandis que l'information de bande désirée est atténuée.Le signal de sortie du filtre passe-haut 10 est transmis par l'intermédiaire d'un ampli fi cateur-tampon 12 à large bande qui règle l'amplitude du signal de sortie du filtre passe-haut 10 de manière à obtenir l'amplitude nécessaire pour qu'un circuit d'écrêtaçe 14 puisse remplir sa fonction de façon satisfaisante. Le signal de sortie de l'am plificateur-tampon 12 est fourni à l'entrée d'un composant de séparation et de dissipation, tel que le circuit d'écrêtage 14, dont le signal de sortie est fourni par l'intermédiaire d'un amplificateur-tampon l5 large bande a un filtre passe-bas 16 presentant une caractéristique conjuguée par comparaison à celle du filtre passe-haut 10. Le signal de sortie du filtre linéaire passe-bas 16 est appliqué à un am plificateur-tampon 18 à large bande qui fournit une onde électrique filtrée sans déphasage à l'intérieur ou à l'extérieur de la bande désirée. Les amplificateurs 12 et 15 sont de préférence des amplificateurs à large bande présentant une largeur de bande bien superieure à la gamme de frequence de bande désirée, l'amplificateur 15 faisant en sorte que le circuit d'ecrêtage 14 ne charge pas le filtre 16 en modifiant sa caractéristique. Cela permet d'amplifier à la fois la fréquence de bande et la fréquence hors-bande sans déphasage dans les amplificateurs.En outre, les amplificateurs-tampons 12 et 15 doivent fonctionner dans leurs modes linéaires afin d'empêcher l'introduction d'un retard imputable au temps de récupération de l'amplificateur dans le filtre non linéaire suivant l'invention. Bien que le phénomène ne soit pas parfaitement compris, on estime que l'atténuation d'un bruit hors-bande par rapport au signal de bande est bien supérieure à ce qui pouvait être obtenu auparavant. Comme explication possible, on peut admettre que la dissipation de la composante hors-bande après sa séparation s'effectue préférentiellement à l'emmagasinage classique de cette composante. Comme cela sera précisé dans la suite, l'action de filtrage est encore amé liorée par couplage de la sortie du filtre passe-bas 16 avec une entre de reglage de niveau du circuit d'ecrêtage 14 de manière que le niveau d'ecrêtage suive le niveau du signal de sortie. La sortie du filtre passe-bas 16 est reliée par l'intermédiaire d'un amplificateur 20 à l'entrée de réglage de niveau du circuit d'écrêtage. Dans ce mode de réalisation, le gain combiné des amplificateurs 15 et 20 se rapproche de l'unité tout en restant inférieur à cette valeur pour faire en sorte que le niveau d'écretage du circuit d'écrêtage soit appro ximativement egal au niveau de sortie du filtre passe-bas 16 sans oscillation de réaction.Cela permet d'écrêter la composante hors-bande de maniere que le total du signal plus le bruit reste compris dans une petite enveloppe qui couvre le signal de bande. L'impédance de sortie de l'amplificateur 20 est de préférence faible, de maniere à permettre le fonctionnement correct du circuit d'ecrêtage. De préférence, l'amplificateur 20 est à large bande, la largeur de bande étant bien supérieure à la gamme désirée de fréquences de bande afin que le signal appliqué à l'entrée de réglage de niveau du circuit d'écrêtage 14 ne présente théoriquement aucun dephasage par rapport à la sortie du filtre passebas 16. On voit que le filtre lineaire passe-haut 10 amplifie la composante hautefrequence hors-bande qui est séparée de la composante basse-fréquence, écrêtée et dissipée dans le circuit d'secrétage 14. Par dissipation de la composante haute-fréquence hors-bande et par utilisation des filtres passe-haut et passebas conjugués 10, 16, on n'introduit aucun déphasage à l'intérieur ou à l'ex- térieur de la bande de basses-fréquences désirée lorsque le filtre suivant l'invention est utilisé comme un filtre passe-bas non linéaire. Lorsque le filtre suivant l'invention est utilisé comme un filtre passe-bas non linéaire, la description faite plus haut peut être considérée comme se rapportant à trois modes de réalisation distincts. Dans un premier mode de reali- sation, le filtre passe-bas non linéaire comprend un filtre passe-haut lineaire 10, un amplificateur 12, un circuit d'écrêtage 14, un amplificateur-tampon 15, un filtre lineaire passe-bas 16 et un amplificateur de reaction 20. Dans ce premier mode de réalisation, l'amélioration de 1,filtrage" la plus significative est combinée à l'absence de déphasage à l'intérieur et à l'extérieur de la bande de basse-frequence lorsque les filtres 10 et 16 sont conjugues. Dans un second mode de réalisation, le filtre linéaire passe-haut 10 peut être supprimé et on obtient encore l'action améliorée de filtrage bien qu'un déphasage soit subi par la composante basse-fréquence lorsqu'elle traverse le filtre 16. Dans un troisième mode de réalisation, le filtre linéaire passe-haut 10 est conservé mais la voie de reaction servant à régler le niveau d1ecrêtage est supprimée, ce niveau d'écrêtage étant préréglé indépendamment, comme décrit cidessus. Dans ce mode de realisation, il ne se produit aucun déphasage à l'intrieur ou à l'extérieur de la bande de basses-fréquences et-l'action de filtrage est encore bien meilleure que dans les réalisations connues, bien qu'elle ne soit pas aussi bonne que dans le premier mode de réalisation décrit ci-dessus. On a, en outre, trouvé que le filtre non linéaire décrit ci-dessus pouvait être avantageusement utilisé comme un filtre non linéaire passe-haut en pré- voyant un élément de détection de courant 50 (comme indiqué par les lignes en traits mixtes sur les figures 1 et 2) qui est branche entre l'entrée de détection de niveau du circuit d'ecrêtage 14 et les moyens de reglage de niveau d'écrêtage, tels que l'amplificateur 20. Le circuit d'écrêtage 14 agit de maniere à séparer la composante haute-frequence hors-bande de'la composante bassefrequence de bande et à laisser passer la composante haute-frequence dans l'élément de détection de courant 50.Dans ce mode de réalisation, le signal de bande peut être considére comme constituant la composante haute-frequence de l'onde électrique appliquée à l'entrée du filtre linéaire passe-haut 10. Pour obtenir l'action de filtrage passe-haut non linéaire sans déphasage, le filtre linéaire passe-haut 10 est supprimé et l'onde électrique d'entrée est directement appliquée à l'amplificateur 12. En conséquence, lorsque la composante haute-frequence passe dans le circuit d'écrêtage 14, elle n'est soumise à aucun dephasage. Ce filtre passe-haut non linéaire perfectionne fonctionne également de façon à améliorer l'action de filtrage et il remplit cette fonction sans qu'il se produise de déphasage à l'intérieur ou à l'extérieur de la bande de hautes-fréquences.Ce filtre linéaire-passe-haut peut être efficacement utilisé dans les trois modes de réalisation décrit ci-dessus. En particulier, dans le premier mode de réalisation, l'élément de détection de courant 50 est branche entre la sortie de l'amplificateur 20 et l'entrée de reglage de niveau du circuit d'écrêtage 14. Dans ce mode de réalisation, on obtient une amélioration importante de l'action de filtrage, bien qu'il se produise un déphasage dans la bande de haute-fréquence puisque le signal traverse le filtre -linéaire passehaut 10. Dans le second mode de réalisation, l'élément de détection de courant 50 est branché de façon similaire entre la sortie de l'amplificateur 20 et l'entrée de réglage de niveau du circuit d'écrêtage 14. Dans ce mode de réalisation, on obtient egalement l'action de filtrage améliorée3 mais la suppression du filtre passe-haut 10 permet de supprimer le déphasage de la composante haute-fré- quence. Dans le troisième mode de réalisation, l'élément de détection de courant 50 est branché entre les moyens assurant le préréglage du niveau d'écrêtage' et l'entrée de niveau d'ecrêtage du circuit 14. Dans ce mode de réalisation, il se produit un déphasage dans la bande de hautes-fréquences puisque l'onde électrique d'entrée traverse le filtre passe-haut 10. L'action de filtrage obtenue, bien qu'étant bien améliorée par rapport aux réalisations connues, n'est pas aussi importante que dans les premier et second modes de realisation. Sur la figure 2, on a representé un schéma du circuit du mode de réalisation de l'invention de la figure 1, le filtre linéaire passe-haut comprenant dans ce cas une résistance 30, un condensateur 32 branche en parallèle et une résistance 34 reliée à une source de potentiel de référence ou de masse. Une borne de la résistance 30 est branchée de manière à recevoir l'onde électrique d'entree, tandis que l'autre borne de la résistance 30 est reliee par l'intermédiaire d'une résistance 34 à la source de potentiel de référence ou masse et, en outre, à un amplificateur classique 12, présentant de préférence une large bande et fonctionnant suivant le mode linéaire. Le signal de sortie de l'amplificateur 12 est appliqué au circuit d 'écrê- tage 14 qui est représente comme comportant une résistance 36 et deux diodes 38 et 40. Une borne de la résistance 36 est reliée à la sortie de l'amplificateur à large bande 12, tandis que son autre borne est connectée à l'anode et à la cathode des diodes 38 et 40. Les autres extrémités des diodes 38 et 40 sont reliées ensemble, ainsi qu'à la sortie de l'amplificateur de réaction 20 ou bien à la masse ou à un potentiel de référence. La sortie du circuit d'écrêtage 14 est reliée par l'intermédiaire d'un amplificateur-tampon 15 au filtre linéaire passe-bas 16 comprenant une résistance 44, un condensateur 46 et une résistance 48. Une extrémité de la resistance 44 est reliée à la sortie de l'amplificateur 15, tandis que l'autre extrémité de la résistance 44 est reliée par l'intermédiaire du condensateur 46 et de la résistance 48 à une source de potentiel de référence ou masse. L'amplificateur 15 sert d'amplificateur-tampon et il présente une faible impédance de sortie de manière à ne pas charger le filtre 16 et modifier ses caracteristiques. La sortie du filtre 16 est reliée à l'amplificateur à large bande 18 et également à l'amplificateur de réaction 20 de façon à régler le niveau d 'écrê- tage du circuit 14. Pour obtenir un écrêtage efficace, l'amplificateur 20 doit avoir une faible impédance de sortie. Le procédé utilise pour obtenir l'action de filtrage améliorée consiste à séparer la composante haute-fréquence hors-bande de la composante basse-fréquence et à dissiper l'énergie hors-bande. Cette séparation et cette dissipation sont realisées dans le circuit d'écrêtage 14 et, en appliquant le niveau d'écrêtage à la sortie du filtre linéaire passe-bas 16,par l'intermédiaire de l'amplificateur 20, on améliore le rapport signal/bruit. Cela est dû au fait que le niveau d'écretage suit le niveau de sortie désiré. Si le niveau d'écrêtage etait réglé indépendamment, l'amélioration du rapport signal/bruit ne serait pas aussi forte.En outre, en utilisant des filtres conjugués 10 et 16 en combinaison avec le filtre passe-bas non linéaire, le déphasage introduit dans la forme d'onde électrique d'entrée du fait du filtre passe-haut 10 est éliminé par l'inter mediaire du filtre passe-bas conjugué 16. Lorsque le filtre non lineaire suivant l'invention doit être utilisé comme un filtre passe-haut, l'élément de detection de courant 50 est branche entre l'entrée de réglage de niveau du circuit d'écrêtage 14 et les moyens de réglage de ce niveau. En référence à la figure 2, l'élément de détection de courant 50 peut comprendre une résistance (représentée en traits mixtes) qui a une valeur ohmique faible, par exemple de 10 ohms. La faible valeur ohmique de la résistance 50 fait en sorte que les fonctions de séparation et de dissipation du circuit d'écrêtage 14 ne soient pas altérées.Il n'est pas nécessaire de répéter la description du filtre passe-haut non linéaire qui a été faite en référence à la figure 1 et il va de soi qu'une telle description s'applique également au schéma de la figure 2 et aux trois modes de réalisation décrits en réference à la figure 1. Le filtre non linéaire suivant l'invention fonctionne de façon très satisfaisante aussi bien lorsqu'il est utilisé comme filtre passe-haut que comme filtre passe-bas et il est applicable-en particulier à presque toutes les opérations de filtrage, notamment lorsque la stabilité et la largeur de bande constituent des paramètres importants.Dans des circuits de réaction, on peut augmenter la largeur de bande de plusieurs ordres de grandeur et on peut réduire le temps de montée dans la même proportion du fait du déphasage nul de ces filtres non linéaires. On peut augmenter grandement la largeur de bande du système de réaction en utilisant le filtre non linéaire suivant l'invention sans altérer en aucune manière la stabilite de la boucle. Il est en outre à noter que le procédé de l'invention peut être commodément appliqué à des calculateurs numeriques classiques. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. Elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Système de filtrage pour séparer les composantes de basse-fréquence et de haute-frequence d'une onde el-ectrique, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'ecrêtage pourvu d'une entrée, d'une sortie et d'une entrée de réglage de niveau d'écrêtage, ladite onde électrique étant fournie à ladite entrée, un filtre passe-bas comportant une entrée et une sortie, l1entrée du filtre passebas étant reliée à la sortie du circuit d'ecrêtage à fonction de dissipation et la sortie du filtre passe-bas etant reliée à l'entrée de réglage de niveau d'e- crêtage dudit circuit d'écrêtage de manière à regler instantanément ledit niveau d'écrêtage en réponse à la grandeur de la composante de basse fréquence, ledit niveau d'écrêtage comprenant un niveau de polarisation fixe et, en superposition, les composantes de basse-fréquence produites à la sortie du filtre passe-bas, ledit circuit d'ecrêtage séparant lesdites composantes de haute fréquence et de basse-fréquence. 2.- Système de filtrage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier amplificateur branché entre la sortie du circuit d'écrêtage et l'entrée du filtre passe-bas, ainsi qu'un second amplificateur branché entre la sortie du filtre passe-bas et l'entrée de réglage de niveau du circuit d'écrêtage. 3.- Système de filtrage suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre passe-haut comportant une entre et une sortie, l'entree du filtre passe-haut recevant ladite onde électrique et la sortie du-filtre passe-haut etant reliée à l'entrée du circuit d'écrêtage. 4.- Système de filtrage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérise en ce qu'il comprend un premier, un second et un troisième amplificateur comportant chacun une entrée et une sortie, l'entrée du troisieme amplificateur etant relie à la sortie du filtre passe-haut,la sortie du troisième amplificateur étant reliée à l'entrée du circuit d'écrêtage, la sortie du circuit d'écrêtage étant reliée par l'intermédiaire du premier amplificateur à l'entrée du filtre passe-bas et la sortie du filtre passe-bas étant reliée par l'intermédiaire du second amplificateur à l'entrée de réglage de niveau du circuit d'écrêtage. 5.- Système de filtrage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier, le second et le troisieme amplificateur fonctionnent dans leurs modes linéaires. 6.- Systeme de filtrage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier, le second et le troisième amplificateur sont des amplificateur à large bande. 7.- Système de filtrage suivant l'-une quelconque des revendications 1 à 6, caractérise en ce que le filtre passe-bas et le filtre passe-haut sont conjugués. 8.- Système de filtrage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier et le second amplificateur présentent de faibles impédances de sortie. 9.- Systeme de filtrage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le circuit d'écrêtage est un circuit d'ecrêtage de puissance. 10.- Système de filtrage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le gain d'amplitude combiné entre la sortie du circuit d'écrêtage et l'entrée de réglage de niveau du circuit d'écrêtage est inferieur à l'unité. 11.- Système de filtrage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance de détection de courant reliée auxdits moyens de dissipation pour détecter les composantes de haute fréquence. 12.- Système de filtrage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un premier et un second amplificateur comportant des entres et sorties respectives, la sortie du circuit d'écrêtage etant relié au filtre passe-bas par I'intennédiaire du premier amplificateur, la sortie du filtre passe-bas etant reliee à l'entrée du second amplificateur; la sortie du second amplificateur étant reliee à l'entrée de détection de niveau du circuit d'écrêtage par l'intermédiaire de ladite résistance de détection de courant. 13.- Système de filtrage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le premier et le second amplificateur présentent de faibles impédances de sortie. 14.- Système de filtrage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérise en ce qu'il comprend un filtre passe-haut par l'intermédiaire duquel l'onde électrique est appliquée à ladite entrée du circuit d'ecrêtage.