Brevet FR2234701A1 — publié le 19750117

Pour séparer et analyser les différentes composantes de fréquence d'un signal électrique complexe, il est utile de disposer de filtres électriques dont la ou les fréquences de coupure sont réglables ; il est souvent désirable, pour simplifier ou automatiser les opérations de sélection de fréquences qu'un tel réglage puisse être asservi à une action extérieure, de préférence électrique. On sait que les filtres électriques sont des réseaux composés de combinaisons judicieuses d'impédances, inductances capacités et résistances, et que les fréquences de coupure de ces filtres sont liées aux constantes de temps résultant des combinaisons deux à deux de ces différents types d'impédance ; l'ajustement des valeurs de ces différents éléments permèt le réglage de la ou des fréquences de coupure du filtre. Il est courant de réaliser des impédances réglables par des moyens mécaniques (résistances à curseur, inductances à couplage variables, condensateurs à lames mobiles...), mais ces dispositis, commodes pour les réglages manuels, nécessitent des servo-comman- des complexes, relativement coûteuses et lentes, pour sistre asservis. I1 est possible de réaliser des inductances ajustables par des moyens électriques, en utilisant la saturation d'un noyau ferromagnétique, mais cette action est peu précise ; en outre, la composante résistive parasite de l'inductance varie de façon peu prévisible avec la saturation, et intervient de façon mal controlable dans les constantes de temps ; enfin la saturation du noyau provoque la création d'harmoniques, gênants pour l'analyse de fréquences. I1 existe des composants semi-conducteurs, notamment diodes, qui agissent comme des capacités variables en fonction de la tension continue appliquée à leurs bornes ; ces diodes à capacités variables se prêtent bien à la réalisation de filtres à fréquence de coupure commandée, et sont d'un usage courant pour des fréquences de quelques dizaines ou centaines de megahertz. Toutefois les variations de capacité de ces diodes sont faibles devant les valeurs de capacités nécessaires pour des filtres travaillant en dessous de quelques mégahertz, et de ce fait les plages de variations des fréquences de coupure de filtres utilisent ces diodes à capacité variable et travaillant à des fréquences inférieures à quelques mégahertz sont relativement étroites. L'înention a pour objet des filtres électriques,dont la ou les fréquences de coupure peuvent varier sous l'action d'une commande électrique dans de larges limites ; elle est caractérisée par le fait que les éléments variables de ces filtres sont des éléments résistifs, constitués par des photorésistances. On sait que les composants seni-conducteurs, connus sous ce nom, présentent entre leurs bornes une résistance variable en fonction du flux lumineux reçu, la variation relative de résistance pouvant atteindre plusieurs puissances de dix. Ces photorésistances sont éclairées par une ou plusieurs sources lumineuses dont l'intensité est commandée par la tension d'asservissement. Selon une disposition préférée de l'invention, les photorésistances constituant les éléments variables du filtre, ont des caractéristiques résistance-éclairenent semblables, la source lumineuse est unique, et les flux lumineux reçus de la source par chacune desdites photorésistances sont égaux de façon que, quelle que soit l'intensité lumineuse de ladite source, les valeurs des résistances desdites photorésistances soient de préférence sensiblement égales entre elles. Une autre caractéristique de l'invention réside dans le fait que, dans le but de rendre linéaire la fonction qui relie la résistance des photorésistances utilisées comme éléments variables des filtres selon l'invention à la tension-de commande qui agit sur la source lumineuse, on utilise une photorésistance auxiliairye, du meme type que les photorésistances qui constituent les éléments variables du filtre, et recevant de la source lumineuse commune un flux lumineux égal à celui reçu par chacune des photorésistances entrant dans la composition du filtre suivant l'in vention , cette photorésistance auxiliaire, dont la résistance est l'image de la résistance des photorésistances qui constituent les éléments variables du filtre, -sera parcourue par un courant constant, et la tension développée à ses bornes sera comparée à la tension de commande ; l'écart'entre ces deux tensions, convenable- ment amplifié, agira sur la source lumineuse pour ajuster son intensité au niveau nécessaire pour que les différentes photorésistances prennent la valeur qui correspond à la tension de commande appliquée. La description donnée ci-après, à titre d'exemple non limitatif, ainsi que les références à la figure donnée en annexe, et çnn illustre un dipQt-tif suivant l'invention, feront mieux res sortir les caractéristiques et avantages de ladite invention. Sur la figure le rectangle F figure schématiquement un filtre de fréquence électrique, avec ses bornes d'entrée el et e2, et ses bornes de sortie sl et s2 dans dans ce rectangle F, les pho- torésistances constituant les éléments variables du filtre F sont symbolisées par Ph1, Ph2, Ph ce nombre de trois n'étant nullement limitatif. Le circuit de commande de la source lumineuse L comprend en série une entrée E où l'on applique la tension de commande Vc - une photorésistance auxiliaire a identique aux photorésistan ces Ph , Ph2' Ph3 constituant les éléments variables du filtre P - un circuit amplificateur A présentant une impédance d'entrée grande, une impédance de sortie adaptée à la source lumineuse , et un grand gain en puissance ; on trouve dans le commerce, sous le nom d'amplificateurs opérationnels, des sous-ensembles qui satisfont à ces desiderata - Une source lumineuse L, dont l'intensité lumineuse est fonction de l'énergie électrique absorbée, et dont les caractéristiques spectrales sont compatibles avec la sensibilité des photorésis tances utilisées - une source d'énergie électrique S qui alimente l'amplificateur A à travers la source lumineuse L. Au point de référence x, connexion entre la photorésistance Ph a et l'entrée de l'amplificateur A, est branchée en dérivation une résistance fixe R1, dont l'autre extrémité est reliée à une source de polarisation negative -V. On désigne par i1 le courant qui traverse Pha, i2 le courant qui traverse R1, et 'fx le potentiel par rapport à la nasse du point X. Le fonctionnement de l'ensemble peut s'analyser comme suit. Sous l'influence des flux lumineux reçus de X, les photorésistances du filtre Phl, Ph2, Ph3, ainsi que la photorésistance auxiliaire Pha, qui ont toutes les memes caractéristiques et re çoivent des flux lumineux égaux de la source laineuse t, prennent la mAeme valeur Ro La combinaison de cette valeur R avec les éléments capacitifs du filtre C définissent une constante de temps t0 = RC ; on sait que d'une façon générale la fréquence de coupure Fo du filtre est liée à t, par une relation de la forme F0 t0 = K1 =Kî ;Si bien que 20 est de la forme o K1 1 Fo = C E le branchement de l'amplificateur A est tel qu'un accroissement du potentiel Vx à l'entrée dudit amplificateur A fasse décroître l'intensité lumineuse rayonnée par L, ce qui fait croître la valeur de la résistance de la photorésistance PhaX , et par voie de conséquence réduit le potentiel V ; V est donc pratiquement -x x stabilisé à une valeur nulle. (Les calculs complets de caractéristiques de l'ensemble de rétroaction constitué par Pha R1, A, L sont classiques).Comme par ailleurs l'impédance d'entrée de 1' amplificateur A est très grande, le courant i2 dans R1 et le courant il dans a sont égaux ; le courant i2 étant égal à w est donc constant ; il est donc également constant et comme il est égal à Vc , la valeur R de la résistance de la photorésistance Pha est de la forme :: R = Ka Vc Etant donné que les photorésistances Ph1, Ph2, qui constituent les éléments variables du filtre de fréquence F ont les mêmes caractéristiques que la photorésistance auxiliaire Pha, que lesdites photorésistances Phl, Ph2, Sh3 reçoivent chacune un flux lumineux égal à celui reçu par ladite résistance auxiliaire lesdites photorésistances Ph1, Pha, Ph3 possèdent à tout moment la m"eme valeur R que celle que l'ensemble de rétroaction constitué par Pha R1, A et L a assigné à la photorésistance auxiliaire Pha ; il est donc possible de substituer, dans l'équation (1), à R sa valeur donnée par l'équation (2) et l'on voit que la fréquent ce de coupure Fo du filtre F est reliée à la tension de commande Vc par une relation de la forme F0 = K (3) Vc Si l'on veut lier par une relation linéaire directe la fré- quence de coupure Fo du filtre suivant l'invention à une tension Vc, onpeut-utiliser un circuit (connu sous le nom de diviseur analogique) qui lorsqu'on lui applique à l'entrée une tension Ve, fournit en sortie une tension Vs telle que Ve Vs ~ E3 ; en appliquant cette-tension de sortie à l'entrée E du dispositif de commande du filtre suivant 11 invention, on voit que la fréquence de coupure F0 dudit filtre est liée à la tension Ve par une relation linéaire directes On ne sortirait naturellement pas du cadre de l'invention si la tension de commande Vc appliquée à l'entrée E du dispositif de commande du filtre suivant l'invention était obtenue en sortie de circuits de calcul analogiques, pour asservir la fréquence de coupure Fo du filtre suivant l'invention à une loi judicieusement choisie fonction des parametres d'entrée desdits circuits de calcul analogique, n variante à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, et sans sortir du cadre de l'invention, on peut disposer sur le trajet de chaque flux lumineux issu de la source lumineuse et reçu respectivement par chacune des pbotorésistances constituant les éléments variables du filtre ainsi que par la photorésistance de référence, des moyens réglables d'atténuation de ces flux lumineux ; le préréglage de ces-moyens d'atténuation permet la compensation des écarts de caractéristiques entre les photorésistances. Ces moyens dtatténuation des flux lumineux peuvent tre, par exemple, des diaphragmes variables, des filtres dégradés gris neutres, ou encore un dispositif de réglage des positions relatives de la source lumineuse et de chacune des photorésistances. Selon une autre variante également possible, la compensation des écarts de caractéristiques entre les photorésistances peut s' effectuer en assignant à chacune dtelles une source lumineuse séparée, les intensités lumineuses rayonnées par chacune de ces sourses restant proportionnelles entre elles, et le rapport de proportionnalité de chacune a d'elles étant ajusté par réglage in- dividuel. Une réalisation partlculière d'un filtre de fréquence à fréquence de coupure asservie suivant l'invention a été utilisée pour analyser les signaux Doppler obterlus en sortie d'un appareillage de mesure de vitesses d'un fluide utilisant, selon le brevet iuO 72 17202 les interférences entre un rayonnement Laser primaire et le rayonnement diffusé par des particules en suspension dans le fluide ; l'utilisation d'un tel filtre de fréquence à fréquence de coupure asservie donne des renseignements intéressants sur la répartition des vitesses dans le fluide. Dans l'application en question, les caractéristiques du filtre suivant l'invention utilisée étaient les suivantes - filtre passe haut - plage de variation de la fréquence de coupure par action de la tension de commande : 1 à 10 - gamme de fréquence recouverte par commutation des éléments capacitifs du filtre : 30 Hertz a' 1 Megahertz - atténuation du filtre 12 dB par octave - Constante de temps de l'asservissement : 100 millisecondes environs REVENDICADIONS 1. Filtre électrique à fréquence de coupure réglable dans une large bande de fréquence dans lequel les éléments variables sont des photorésistances éclalrées, en même temps qu'une photorésistance de référence, par au moins une source lumineuse à intensité variable pilotée par ladite photorésistance de référence, caractérisé en ce que ladite photorésistance de référence, insérée dans un système à rétroaction d'alimentation de la ou les sources lumineuses, est traversée par un courant constant débité par une tension de commande d'asservissement. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite photorésistance de référence, recevant sur une première borne ladite tension de commande, est reliée par sa seconde borne à une source de tension de polarisation à travers une résistance fixe telle que ledit courant constant développe dans cette résistance fixe une tension égale et opposée à ladite tension de polarisation. 3. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite seconde borne de la photorésistance de référence est reliée à une entrée haute impédance d'un amplificateur alimentant la ou les sources lumineuses avec un gain élevé et de sens tel qu'une augmentation dudit courant constant provoque une diminution du flux lumineux émis par le ou lesdites sources lumineuses. 4. Filtre électrique selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens individuels d'ajustage des flux lumineux reçus par chacune desdites photorésistances. 5. Filtre selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite tension de commande est obtenue en sortie d'un circuit de calcul analogique liant cette tension de commande à un ou plusieurs paramètres d'entrée suivant une loi prédéterminée.