Brevet FR2310033A1 — publié le 19761126

La présente invention concerne un circuit d'intégration de signaux électriques rectangulaires utilisé notamment dans un dispositif de mesure de la vitesse de rotation diun arbre tournant. II est en effet possible à l'aide diun oryd'e magnétique coopérant avec l'arbre tournant, d'obtenir des signaux sinusordaux dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation de l'arbre. Ces signaux sinusoidaux sont transformés en signaux rectangulaires de même fréquence puis intégrés de sorte que la valeur moyenne des signaux intégrés est proportionnelle à la fréquence des signaux sinusoldaux, et donc proportionnelle aussi, à la vitesse de rotation de l'arbre tournant. On connait des circuits d'intégration de signaux électriques qui font intervenir des éléments semi-conducteurs dont les paramètres varient fortement avec les variations de température. Ces dérives, lorsque les circuits d'intégration sont employés dans des dispositifs de mesure de fréquences de signaux électriques, provoquent des mesures erronées. La présente invention a pour but d'éliminer ces dérives et elle a pour objet un circuit d'intégration de signaux électriques rectangulaires principalement caractérisé par le fait quSil6Dmporte: a) un premier organe de commutation de tension, recevant les signaux rectangulaires à intégrer et délivrant des signaux de commutation de mdme période que celle des signaux à intégrer, l'amplitude des signaux de commutation variant entre deux tensions fixes, Iiune positive, l'autre négative par rapport à une masse de référence b) un second organe de commutation de tension, connecté en parallèle avec le premier organe de commutation, à la sortie d'un inverseur qui reçoit les signaux à intégrer, ce second organe de commutation délivre des signaux de commutation complémentaires des signaux délivrés par le premier organe de commutation c) un organe de commande de charge diun condensateur d'intégration connecté entre la sortie du premier organe de commutation et la masse de référence; d) un organe de commande de décharge du condensateur dlintégration connecté entre la sortie du second organe de commutation et la masse de référence. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux dans la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une vue schématique diunlcircuit d'intégration selon l'invention, appliqué à un appareil de mesure de la vitesse de rotation diun arbre tournant. - La figure 2 représente schématiquement des signaux obtenus en différents points de appareil représenté à la figure 1. La figure 1 représente schématiquement un appareil 1 de mesure de la vitesse de rotation diun arbre dans lequel intervientun circuit dlinté- gration 21, selon l'invention. L'appareil de mesure 1 est connecté par ses entrées 2 et 20 à un organe magnétique 3 délivrant des signaux sinusordaux dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation diun arbre cet organe magnétique est constitué par un aimant 52, solidaire de l'ar- bre 4 et par une bobine 53 en regard de l'arbre. Au cours de la rotation de arbre, l'aimant induit dans la bobine , un courant sinusordal disponible entre les bornes 2 et 20 de cette bobine. Par sa sortie 5, l'appareil de mesure est connecté à un volt Inètre à cadre 25 mesurant des tensions continues et donc apte après étalonnage à indiquer la vitessede rotation de l'arbre 4 Ltappareil comporte ainsi un amplificateur 6 à grand gain1 par exemple de type operationnel tel que celui de la série SN 52747 décrit dans le livre "The linear and Interface circuits Data Book page 472 édité par la Société Texas Instruments en 1973. Llune des entrées 72 de cet amplificateur est reliée à la masse M par l'intermédiaire d'une résistance 26. Cet amplificateur à grand gain a sa sortie 8 connectée à l'une des entrées 9 diun organe de détection 10 constitué par exemple d'trîamplificateur dif férentiel . LBautre entrée 11 de cet amplificateur differentieF est connectée sent au curseur d'un potentiomètre 12 dont les extrémités 13,14/respectivement portées à des potentiels positifs et négatifs par rapport à la masse M .Ce potentiomètre permet d'ajuster le point de basculement de l'amplificateur differentiel, de manière à ce qu'il déclenche à 0 volt quelles que soient les distorsions des signaux d'entrée. On obtient ainsi à la sortie de l'amplificateur differentiel des signaux rectangulaires unipolaires, de même fréquence que les signaux alternatifs alimentant le système. Un exemple diamplificateur differentiel est donné dans le livre "The linear and interface circuits data book" pages 6-9 édité par la Société Texas Instruments- 1973. La sortie 15 de l'amplificateur différentiel est connectée à l'entrée 16 dune bascule monostable 17 présentant deux sorties : I eune directe 18, l'autre inverse 19. Ce sont ces deux sorties qui sont connectées au circuit d'intégration 21. La sortie inverse 19 fournit des signaux complémentaires de ceux obtenus sur la sortie directe après passage des signaux directs dans un inverseur 54.Une bascule monostable de ce type est décrite dans le livre "The linear and Interface circuits data book" page 831, édité par la Société Texas Instruments" 1971. La bascule monosta ble a une période qui est inférieure à la demi période des signaux alternatifs alimentant le système. On verra par la suite les raisons de ce choix. Le circuit d'intégration 21 comporte un premier organe de commutation de tension 28 connecté à la sortie directe 18 de la bascule . Cet organe 28 délivre des signaux bipolaires dont la période est égale à celle des signaux recueillis sur la sortie directe 18 de la bascule . L'amplitude de ces signaux bipolaires varie entre deux tensions fixes, aluné V1 positive, Autre V2 négative . La sortie inverse 19 de la bascule est elle-même connectée à un deuxième organe de commutation de tension 27. Cet organe 27 délivre des signaux bipolaires , complémentaires des précédents ; leur période est égale à celle des signaux rueillis sur la sortie inverse 19 de la bascule.L'amplitude des signaux bipolaires varie entre deux tensions fixes Iiune Vt, positive, et autre V2, négative. Le circuit intégrateur 21 comporte aussi les moyens de commande 29 de la charge doun condensateur d'intégration 22 et des moyens de com mande 30 de la décharge de ce condensateur Les premier et deuxième organes de commutation de tension sont constitués chacun par un transistor dont la base est connectée à une sortie de la bascule . Ces transistors sont représentés en 31 et 32 sur la figure. La base 33 du transistor 31 est connectée à la sortie directe 1 8 de la bascule 17 par Irinterm8diaire diune résistance 34 en parallèle avec un condensateur 35. La base 36 du transistor 32 est connectée à la sortie inverse 19 de la bascule 17 par l'intermédiaire d'une résistance 37 en parallèle avec un condensateur 38. Ces transistors 31 et 32 sont tous deux de type PNP dans Iiexem- ple de réalisation choisi. Leurs émetteurs sont portés à un potentiel fixe positif V1 tandis que leurs collecteurs sont portés à un potentiel fixe négatif V2 par l'intermédiaire de résistances 39 et 40. Ces transistors fonctionnent en saturation et leur temps de commutation est très rapide Le collecteur du transistor 31 est connecté à travers une résistance 44 à la grille 41 d'un transistor à effet de champ 42 constituant organe de commande de décharge du condensateur d'intégration 22. Le drain 43 de ce transistor 42 est connecté au condensateur 22 par l'intermédiaire de la résistance d'intégration 24 tandis que la Source 49 de ce transistor 42 est portée au potentiel de la masse M. Sur la sortie inverse 19 de la bascule, le collecteur du transistor 32, est connecté à travers une résistance 45, à la grille 46 diun transistor à effet de champ 47, constituant l'organe de charge du ccndensateur drintégration 22. La source 48 de ce transistor est connectée au condensateur 22 par l'intermédiaire d'une régis tance d'intégration 23, tandis que le drain 50 est porté au potentiel positif V1. La figure 2 représente les diagrammes de signaux obtenus en différents points de l'appareil représenté à la figure 1, elle va permettre une meilleure compréhension du fonctionnement de celui-ci On a représenté en 2a , le signal sinusordal distordu obtenu aux bornes de sortie 2 et 20 de l'organe magnétique 3. La fréquence de ce Si gnal est proportionnelle à la vitesse de rotation de l'axe 4 . La période de ce signal est représentée en T sur cette figure tandis que l'amplitude est représentée en ordonnées V et que le temps est représente en abcisses t. Sur la figure 2b on a représenté les signaux qui apparaissent sur la sortie 8 de l'amplificateur à grand gain 6.Cet amplificateur fonctionne à saturation et permet l'obtention de signaux quasi rectangulaires , de même période que celle des signaux alternatifs reçus à l'entrée 7 de cet amplificateur Sur la figure 2c on a montré ces signaux qui apparaissent à la sortie 15 de l'organe de détection 10, constitué par un amplificateur dif férentiel . L'alternance négative des signaux reçus sur l'entrée 9 de cet amplificateur est éliminée par l'amplificateur dont on a fixé le point de basculement à zéro volt. Sur les figures 2d et 2e on a représenté en 2d les signaux obtenus sur la sortie directe 18 de la bascule monostable 17 et en 2e, les signaux obtenus sur la sortie inverse 19 de cette bascule . II est supposé que la periode Tc de conduction de cette bascule est inférieure à la demi période des signaux alternatifs . En effet, si cette période de conduction était égale ou supérieure à la demi période des signaux alternatifs , la bascule resterait constamment à l'état bloqué et le système ne fonctionnerait plus. On a appelé h le niveau haut de la bascule et b le niveau bas. Les figures 2f et 29 représentent les signaux qui apparaissent respectivement sur les collecteurs des transistors 31 et 32 à la tension Emetteur-Colicteur VCED près.Lorsque la base 36 du transistor 32 est à un potentiel inférieur à celui de son émetteur , ce transistor est passant et son collecteur passe au pot e n tien V1, à la tension collecteur - émetteur près.Le transistor à effet de champ 47 qui a sa grille 46 polarisée positivement devient passant . La résistance entre le drain 50 et la source 48, de ce transistor , devient très faible , ce qui fait que sur la source 48 de ce transistor , on retrouve le potentiel V1 qui est aussi celui du drain 50 de ce transistor .Pendant ce temps, la base 33 du transistor 31 est au niveau h de la bascule monostable , ce transistor est donc bloqué au potentiel V2. Le transistor à effet de champ 42 a alors sa grille 41 polarisée négativement au-delb de sa tension de coupure , ce transistor est donc lui aussi bloqué au potentiel V2. II présente alors entre son drain 43 et sa source 49 une résistance très elevée . On peut considérer que ce transistor constitue un circuit ouvert . Pendant ce temps, le condensateur d'intégration 22 se charge à travers le transistor à effet de champ 47 et la résistance 23, à laquelle s'ajoute la résistance entre le drain 50 et la source 48 de ce transistor jusqu'à ce que le transistor à effet de champ 47 soit bloqué .Lorsque le transistor 47 est bloqué, le transistor à effet de champ 42 devient passant et le condensateur 22 se décharge à travers la résistance 24 à laquelle s'ajoute la résistance entre le drain 43 et la source 49 de ce transistor On a représenté en 2h, le signal qui serait disponible au point de jonction 51 des résistances 23 et 24, si le condensateur C5 était enlevé. Le niveau bas de ce signal reste parfaitement fixe 0ott du fait de l'emploi de transistors à effet de champ en commutation. II y a peu de dérives thermiques. Les dérives auxquels sont soumis l'amplificateur à grand gain et l'amplificateur /différentiel sont éliminés. Enfin on a représenté en 2i la tension moyenne qui apparait à la borne 51 du condensateur 22. Cette tension moyenne est légèrement ondulég sa valeur correspond à la valeur moyenne des signaux représentés en 24, elle est donc proportionnelle à la fréquence des signaux alternatifs alimentant le dispositif de mesure . Du fait de l'absence de dérives thermiques dans le circuit-dtintégration, la mesure de cette valeur moyenne est parfaitement précise et elle se fait à l'aide d'un simple appareil à cadre mobile. A titre exemple, le circuit d'intégration peut être appliqué à un appareil de mesure de débits de fluides dans une conduite . Une hélice plongée dans le fluide est alors placée au bout de l'arbre 4 quelle entrafhe en rotation. Pour un débit de 2000 litres à l'heure, la précision est de 1/2000. Selon le type d'application choisie, le voltmètre à cadre est étalonné en conséquence . Les tensions en volts, lues sur l'appareil à cadre, représentent soit des litres par seconde , soit des tours par seconde si l'on mesure un débit ou une vitesse de rotation diun arbre mais bien entendu, diau- tres applications du circuit peuvent être envisagées. Dans la description qui vient entre faite, il est évident que les moyens utilisés auraient pu être remplacés par des moyens équivalents produisant les times fonctions techniques , sans sortir du cadre de lzinven- tion. REVENDICATIONS 1/ Circuit d'intégration de signaux électriques rectangulaires, caractérisé par le fait quiil comporte a) un premier organe de commutation de tension, recevant les signaux rectangulaires à intégrer et délivrant des signaux de commutation de même période que celle des signaux à intégrer, l'amplitude des signaux de commutation variant entre deux tensions fixes, Prune positive, autre négative par rapport à une masse de référence; b) un second organe de commutation de tension connecté en parallèle avec le premier organe de commutation à la sortie diun inverseur qui reçoit les signaux à intégrer, ce second organe de commutation délivre des signaux de commutation complémentaires des signaux délivrés par le premier organe de commutation;; c) un organe de commande de charge d'un condensateur d'intégration connecté entre la sortie du premier organe de commutation et la masse de rék férence d) un organe de commande de décharge du condensateur d'intégration connecté entre la sortie du second organe de commutation et la masse de référence. 2/ Circuit selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les dits premier et second organes de commutation sont constitués chacun respectivement par un transistor dont la base reçoit soit le signal à intégrer, soit le signal inverse du signal à intégrer, l'émetteur de ce transistor est porté à une tension fixe tandis que le collecteur est porté à une autre tension fixe, par llin- termédiaire diune résistance. 3/ Circuit selon Ilune des revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que ledit organe de commande de charge du condensateur d'intégration est un transistor à effet de champ, la grille de ce transistor à effet de champ est connectée au collecteur du transistor dont la base reçoit le signal inverse du signal à in tégrer, la source de ce transistor à effet de champ est connectée au condensateur d'intégration, à travers une résistance d'intégration. 4/Circuit selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que ledit organe de commande de décharge du condensateur d'intégration est un transistor à effet de champ, la grille de ce transistor à effet de champ est connectée au collecteur du transistor dont la base reçoit le signal à intégrer, le drain de ce transistor à effet de champ est connecté au condensateur d'intégration à travers une autre résistance dlintégration.