Brevet FR2346908A1 — publié le 19771028

L'invention concerne un circuit pour la conversion directe d'un signal analogique, ou d'un rapport de deux signaux analogiques, en une valeur numérique correspondant au logarithme de la valeur, lors2qu'il s'agit d'une tension, ou de l'intégrale de cette valeur durant un intervalle de temps prédéterminé, lorsqu'il s'agit d'un courant, de ce signal ou rapport de signaux. Il est connu, pour obtenir la numérisation du logarithme d'un signal analogique, tension ou courant, ou d'-un rapport de deux signaux de même nature, d'utiliser des convertisseurs linéaire-logarithmique en cascade avec des convertisseurs analogique-numérique classiques. Un tel ensemble de convertisseurs est relativement cor,plexe et souvant peu fiable. L'invention permet, au moyen d'un circuit très simple et peu coute-ux, d'éviter les inconvénients précités des dispositifs de la technique antérieure. Le circuit convertisseur, objet de l'invention, comporte un condensateur relié, pendant un premier inteivalle de temps à l'aide d'un premier commutateur électronique, à une source fournissant le signal ou le numérateur du rapport des signaux à convertir et, pendant un second intervalle de temps à l'aide d'un second commutateur électronique, à une résistance à travers laquelle il se décharge exponentiellement et qui est relié à l'une des entrées dtun comparateur de tension, dont l'autre entrée reçoit une tension constante, lorsqu'il slagit de convertir un seul signal, ou variable et correspondant au dénominateur, lorsqu'il s'agit de convertir un rapport de deux signaux.Le comparateur de tension fournit un signal rectangulaire dont la durée est proportionnelle au logarithme du rapport entre la tension maximale aux bornes du condensateur et la tension appliquée sur son autre entrée et qui commande l'ouverture d'une porte électronique recevant, d'autre part, des impulsions d'une horloge dont le nombre est compté dans un compteur fournissant la valeur logarithmique numérique désirée. L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses caractéristiques et avantages apparaitront à l'aide de la description ci-apres donnée à titre d'exemple, et des dessins annexés s'y rapportant, sur lesquels - la figure 1 représente le bloc diagramme d'un mode de réalisation du circuit suivant l'invention pour la conversion d'un signal analogique - la figure 2 illustre des formes d'onde des tensions à divers points du circuit de la figure 1 - la figure 3 représente le bloc diagramme partiel d'le veriante de réalisation du circuit suivant l'invention, permettant la conversion d'un rapport entre deux signaux ; et - la figure 4 illustre les courants fournis par deux sources et les formes d'onde-des tensions aux bornes respectives de deux condensateurs intégrant les deux courants dont le rapport est converti en U-fn valeur numérique logarithmique à l'aide du circuit de la figure 3. Sur la figure 1, on a représenté en 1 un générateur de tension fo-urnissant une tension VE dont la valeuranalogique doit être convertie en -une valeur numérique correspondant au logarithme de cette valeur analogique. Ce générateur 1 alimente un condensateur 2 de capacité C, par l'intermédiaire d'un premier interrupteur électronique 3 commandé s-ur son entrée 3e par un signal de commande rectangulaire de durée s-uffisante po-ur que le condensateur 2 soit chargé à la tension VE La forme d'onde de la tension de commande V3e appliquée à l'entrée de commande De du premier interrupteur 3 est représentée par le diagramme A de la figure 2.Elle est constituée par une tension positive commandant la fermeture du premier interrupteur 3 à partir de l'instant t et jusqu'à l'instant t1, la durée de l'intervalle o (t1 -to) étant choisie à être très supérieure à la constante de temps constituée par le produit de la résistance interne du générateur 1 qui peut être très faible et de la capacité du condensateur 2, afin que la totalité de la tension VE soit emmagasinée sur les bornes de ce dernier, comme illustré par le diagramme D(VC2), de la figure 2. A l'instant t1, le premier interrupteur 3 s'ouvre et un second interrupteur électronique 4 réunit le condensateur 2, d'une part, à une résistance 6 de valeur R à travers laquelle celui-ci se décharge exponentiellement suivant la relation v = VE,e - t/RC et, d'autre part, a' une première entrée 11 d'un comparateur de tension 10 rapide qui reçoit sur sa seconde entrée 12 une tension de comparaison Vo. Le comparateur 10, connu en soi, est agencé de manière à fournir sur sa sortie 13 une tension positive, lorsque la tension V11 appliquée à sa première entrée 11 est supérieure à celle V12 appliquée à sa seconde entrée 12, et une tension nulle dans le cas contraire. Par conséquent, si VE est supérieure à Vo (voir diagramme D, figure 2), la tension de sortie V13 du comparateur 10 (voir diagramme E, figure 2) passe à l'instant t1 de zéro à une valeur positive et s'y maintient jusqu'à ce que la tension Vo2 (voir diagramme D, figure 2) devienne, à l'instant t2, égale à Vo, Ceci peut s'écrire : Vo = VE e - (t2 - t1)/RC = VE e -tm/RC, où tm = t2 - t1 A l'instant t2, la tension de sortie V13 du comparateur 10 redevient nulle et la durée du créneau positif qu'il fournit est t = RO log E , n c'est-à-dire que la durée t du créneau de V est proportionnelle n 13 au logarithme de la valeur VE, lorsque Vo est une constante fixe, ou du rapport VE/Vo, lorsque l'on désire obtenir le logarithme du rapport de deux tensions variables. Ce signal en créneau V13 est appliqué à l'une des entrées 22 d'une porte logique 20 (ou à l'entrée de commande 22 d'une porte électronique 20 de type quelconque), dont l'autre entrée 21 est alimentée par des signaux périodiques d'une horloge 7 fournissant des impulsions à une fréquence stable F. La sortie 23 de la porte 20 alimente l'entrée de comptage 31 d'un compteur binaire 30 qui compte le nombre n d'impulsions d'horloge pendant la durée tm du créneau (voir diagramme F de la figure 2).e compteur 30 fournit donc, à l'instant t2, sur ses p sorties parallèles 3a à 3p un nombre binaire de p bits, n = F.tm = F.RC.log V ; V0 utilisable dans un ordinateur. I1 est avantageux de réaliser l'horloge sois la forme d'un oscillateur RC du type dont le circuit de réaction comporte un circuit déphaseur composé de résistances et de condensateurs, afin de pouvoir compenser les dérives thermiques éventuelles de la capacftC C du condensateur 2 et de la résistance R de décharge. Pour obtenir -une bonne précision de la convarsion, il faut choisir la fréquence F de l'horloge aussi élevée cuc possible. Une fréquence F de 100 MHz peut être aisément obtenue et permet le comptage de 105 impulsions en 1 milliseconde. A l'instant t2, à la fin du créneau V1D, le second interrnpteur 4 s'ouvre et le condensateur 2 est déchargé rapidement et totalement par l'intermédiaire d'un troisième interrupteur 5 qui le court- circuite. Le signal rectangulaire de commande V5e appliqué sur l'entrée de commande 5e du troisième interrupteur 5 est illustré par le diagramme C de la figure 2, oW il présente une valsur @r positive entre l'instant t2 et t3 et ensuite redevient nul. A l'instant t le condensateur 2 est complàtement déchargé et un nouveau cycle de conversion peut commencer. La figure 3 représente un schéma partiel d'une variante du circuit représenté sur la figure 1, utilisable au cas où l'on désire obtenir une conversion logarithmique-numérique du rapport de la valeur moyenne de deux caurants analogiques pour alimenter un système de traitement de données numériques d'un appareil de tomographie axiale transverse comprenant deux détectevrs de rayonnement, l'un de mesure étant disposé en aval de l'objet dont l'absorption est à mesurer, et l'autre de référence étant disposé en amont de cet objet. Le rapport du courant de mesure Fourni par le détecteur de mesure et du courant de référence I o mesurant le rayonnement fourni par la source, permet de compenser l'effet des fluctuations importantes du rayonnement fourni par un tube radiogène. Un premier générateur de courant 100 fournit un courant I(t) représenté par le diagramme G en traits continus de la figure 4 et un second générateur de courant 101 fournit -un courant de référence Io(t) représenté par le diagramme H-en traits interrompus de la même figure. Les deux générateurs 100 et 101 sont, dans un premier intervalle de -temps de t à t1, respectivement reliés, par l'intermédiaire de deux preniers interrupteurs 3 et 300, à un premier condensateur 2 et à un second condensateur 200 qui intègrent les courants et fournissent à l'instant t1 respoctivement des tensions VC2 (t1) = 1 t1 I(t).dt et VC200 (t1) = 1 t1 Io (t).dt, C2 to C200 to proportionnelles aux valeurs moyennes de ces courants dans cet intervalle de temps (voir diagrammes K et L de la figure 4). A l'instant t1, les premiers interrupteurs 3 et 300 s'ouvrent et le second interrupteur 4 réunissant le premier condensateur 2 à la résistance 6 de décharge et à la première entrée 11 du comparateur 10 se ferme, la seconde entrée 12 du comparateur 10 étant reliée en peima- nence au second condensateur 200 qui reste chargé à la tension Vc200(t1).Le premier condensateur 2 se décharge exponentiellement à travers la résistance jusqu'à l'instant t2, où : Vc2 (t2) = Vc2 (t1) e - (t2-t1)/RO = Vc200 (t1) Si l'on pose tm = t2 t t1 ceci conduit à t = RO log V02 (t1)/VC200 (t ) où les tensions VC2, Vc200 représentent les intégrales respectives des courants I(t) et Io(t), c'èst-à-dire correspondent aux valeurs moyennes des I(t) et Io(t) dans l'intervalle (t1 - to). A l'instant t2, le second interrupteur 4 s'ouvre et deux troisièmes interrupteurs 5 et 500 se ferment et déchargent rapidement les deux condensateurs 2 et 200 afin que, lors de leur ouverture à l'instant t3, un nouveau cycle d'intégration et de conversion puisse commencer. les interrupteurs électroniques 3 à 5, 300 et 500 sont commandés cycliquement par un circuit de commande comportant un premier multivibrateur 310 qui peut cotre du type astable ou monostable et déclenché par des impulsions de synchronisation extérieures appliquées à son entrée de commande 311. Le premier multivibrateur 310 fournit s-ur sa première sortie 313 un premier signal de commande rectangulaire tel que représenté par le diagramme A de la figure 2.Le premier signal de commande est appliqué aux entrées de commande des deux premiers interrupteurs 3 et 300 pour les fener durant l'intervalle d'intégration t1 - to.La seconde sortie 314 du premier @altivi brate-ur 310 fournit un second signal, complémentaire au premier, çm} permet de déclencher un second multivibrateur 410 à l'instant t1 du front arrière d-u signal V30 (A; figure 2) en appliquant ce second signal à une première entrée de commande 411 de celui-ci. Ce second multivibrateur 410, qui peut etre constitué, soit par un basculeur monostable avec remise à zéro commandée ou par un basculeur bistable, est agencé de façon qu'un signal positif appliqué sur sa première entrée de commande 411 le fait baseuler dans un premier état, dans lequel il fournit sur sa première sortie 413 un signal de commande positif et qu'un même signal appliqué sur sa seconde entrée de commande 412, dite entrée de remise à zéro, le fait basculer dans un second état où le signal sur sa première sortie 413 est nul et celui sur sa seconde sortie 414 complémentaire antérieurement nul, devient positif. La première sortie 413 du second multivibrateur 410 est renie à l'entrée de commande 4e du second interrupteur 4 qui se ferme à l'instant t1 de façon, d'une part, à décharger le premier condonsa- teur 2 à travers la résistance 6 et d'appliquer la tension aux bornes de celle-ci à la première entrée 11 du comparateur 10. Ce comparateur 10, comme il a été expliqué ci-dess-us, fournit sur sa sortie 13 un signal rectangulaire dont la durée est proportionnelle au logarithme du rapport des tensions Vo2 (t1) et Vo200(t1) respectivement appliquées aux deux entrées 11 et 12 du comparateur 10, à l'instant t,.La fin du signal rectangulaire V13 (diagramme E, figure 2), lorsque, à l'instant t2, les deux tensions Vo2 (t2) et Vc200 (t2) deviennent égales, est utilisée pour commander la remise à zéro du second multivibrateur 410 sur sa seconde entrée de commande 412. A cette fin, cette dernière est reliée à la sortie 13 du comparateur 10 par l'intermédiaire d'un inverseur 8 fournissant un signal complé.1entaire au crénau de comparaison 13 qui a pour effet de faire rebasculer le second multivibrateur 410 dans son second état et de provoquer, par conséquent, l'ouverture du second interrupteur 4, à l'instant t2. La sortie complémentaire 414 du second multivibrateur 410 est reliée à l'entrée de déclenchement 511 d'un troisième multivibrateur 510 qul est monostable et qui fournit sur sa première sortie 513, lorsqu'il est déclenché à l'instant t2, un troisième signal rectangulaire de commande ayant une durée fixe (t3 - t2) La troisième sortie 513 alimente en parallèle les deux entrées de commande des troisièmes interrupteurs 5 et 500 effectuant respec',ivement, lorsqu'ils sont fermés, la décharge complète des deux condensateurs 2 et 209 pour pouvoir recommencer un nouveau cycle de conversion. Ce nouveau cycle est déclenché, soit par une synchronisation extérieure indépendante, soit par le signal complémentaire sur la sortie 514 du troisième multivibrateur 510, appliqué à entrée 311 du premier multivibrateur 310 (voir liaison représentée par des tirets) R E V E N R I C W T I O N 1. Circuit pour la conversion directe d'un signal analogio,ue ou d'un rapport de deux signaux analogia,ues en une valeur numérique correspondant au logarithme de celui-ci, comportant : un comparateur de tension analogique (10) qui commande une porte électronique (20) insérée entre une horloge (7) et un compteur numérique (30) comptant le nombre d'impulsions d'horloge pendant la durée du signal de commande de la porte (20) fourni par le comparateur (1O) et un premier circuit d'entrée comprenant un condensate-ur (2) mettant en mémoire ou intégrant le signal analogique appliqué sur ses bornes, un premier interrupteur électronique (3) reliant la source d'un premier signal analogique pendant une première période fixe à ce condensateur et un troisième interrupteur électronique (5) connecté en parallèle avec le condensateur (2) et assurant sa décharge pendant une troisième période fixe, caractérisé Xar le lait que ledit premier circuit d'entrée comporte un second interrupteur électronique (4) reliant, pendant une seconde période, ledit condensateur (2), d'une part, à une résistance (6) permettant de décharger celui-ci exponentiellement et, d'autre part, à la première entrée (11) dudit comparateur (10) dont la seconde entrée (12) reçoit un second signal analogique fixe ou variable, la sortie (13) dudit comparateur (10) fournissant ledit signal de commande de forme rectangulaire avec une durée proportionnelle au logarithme du rapport des premier et second signaux analogiques. 2. Circuit suivant la revendication 1., du type dans lequel les sources fournissant lesdits premier et second signaux sont des sources de courant, ledit condensate-ur (2) intégrant, pendant ladite première période, ledit premier signal, caractérisé par le fait qu'il comporte un second circuit d'entrée comportant : un second condensateur (200) intégrant, pendant ladite première période, ledit second signal qui lui est appliqué au moyen d'un quatrième interrupteuar (300), ledit second condensateur (200) étant d'autre part relié en permanence à ladite seconde entrée (12) dudit comparateur (10), et un cinquième interrupteur (500) court-circuitant ledit second condensateur (200) pendant ladite troisième période. 3. Circuit suivant lrune des revendications précédentes, du type dans lequel lesdits premier (3) et troisième (5), quatrième (300) et cinquième (500) interrupteurs sont respectivement commandés par un premier multivibrateur (310) pouvant être astable ou monostable et un troisième multivibrateur (510) monostable, caractérisé par le fait que ledit second interrupteur (4) est commandé par un second multivibrateur (410) bistable ou monostable avec remise à zéro commandé dont le basculement dans son état "un" est commandé par le front arrière de l'impulsion fournie par le premier multivibrateuc et dont le retour à zéro est commandé par le front arrière du signal rectangulaire fourni par le comparateur (10). 4. Convertisseur analogique-nmmérique associé d'un système de traitement des donnes numériques comportant un circuit suivant l'une des revendications précédentes. 5. Appareil de tomographie axiale transverse comportant un système de traitement des données numérique alimenté au moyen d'un circuit suivant l'une des revendications 1 à 3.