Brevet FR2473183A1 — publié le 19810710

"Montage de circuit servant à convertir une variation de résistance en une variation de fréquence' La présente invention concerne un montage de circuit servant à convertir une variation de résistance en une variation de fréquence, comportant au moins une résistance dépendant d'une grandeur physique et un oscillateur qui comporte un filtre passe-tout avec un amplificateur opérationnel. On connait actuellement de nombreux circuits à l'aide desquels des variations de résistance, par exemple d'extensomètres, peuvent être converties en variations de fréquence. C'est en particulier dans le domaine de la technique de pesage que de tels montages de circuits sont utilisés en grand nombre. Partout o on a affaire à des balances pouvant être étalonnées, les exigences concernant le pouvoir de résolution et la linéarité sont très élevées, de sorte qu'il faut consentir à des frais de circuit de niveau correspondant. Il y a aussi cependant une sérié de possibi- lités d'utilisation pour lesquelles l'exigence princi- pale est celle d'une réduction des frais au minimum, ainsi que d'un prix le plus bas possible, comme par exemple pour les balances de ménage, ou les pèse- personnes. Dans ces appareils, des exigences de précision peu rigoureuses suffisent, par exemple une précision de l'ordre du millième ou même du centième. L'invention a pour but de procurer un montage de circuit simple du type mentionné plus haut qui convienne particulièrement pour les cas d'utili- sation indiqués plus haut, c'est-à-dire qui ne néces- site que des dépenses peu élevées et qui soit formé de composants en substance non critiques, c'est-à- dire de série. A cet effet, suivant l'invention, l'oscilla- teur comporte en outre un filtre passe-haut avec un amplificateur sommateur (V2) et, entre la sortie de l'amplificateur opérationnel suivant le filtre passe- 2 - tout et le point de sommation de l'amplificateur sommateur suivant le filtre passe-haut, est connecté un élément indépendant de la fréquence qui présente un facteur d'amplification dépendant de la variation de résistance. Suivant l'invention, l'élément indépendant de la fréquence comprenant un montage en pont peut comprendre au moins une résistance dépendant de la grandeur physique et au moins un amplificateur opé- rationnel pour l'amplification de la tension de sortie du montage en pont. Le dit montage en pont est avantageusement un pont d'extensomètres. Il convient de noter que les circuits passe-tout du type mentionné plus haut ont déjà été décrits à maintes reprises-ainsi, par exemple, dans "Electronic Engineering" août 1967, pages 498 à 502; NASA Tech. Brief No. 70-10338; et "Philips Research Reports Supplements", 1974, No. 6, pages 56 et 57. Quelques formes d'exécution seront décrites ci-après plus en détail à titre d'exemple avec réfé- rence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig. 1 illustre la construction de principe d'un montage de circuit conforme à l'invention; la Fig. 2 est un schéma plus détaillé de ce montage de circuit; la Fig. 3 illustre une autre forme d'exé- cution du montage de circuit, et les Fig. 4 et 5 sont des exemples de circuits en pont pouvant être utilisés. L'oscillateur sinusoïdal représenté symboli- quement sur la Fig. 1 est constitué d'un élément passe-haut présentant la fonction de transmission j2fj"t- et d'un élément passe-tout à fonction Jj', ainsi que d'un autre branchement - 3 - présentant le facteur d'amplification F indépendant de la fréquence. Cet oscillateur a la propriété extraordinaire que sa fréquence d'oscillation W O peut être pilotée par la seule variation du facteur d'amplification F et ce d'une manière en substance linéaire en fonction du facteur d'amplification F sur un domaine de fréquences suffisamment grand pour l'exploitation du signal de sortie et sans variation de l'amplification de l'oscillateur pour une variation du facteur d'amplification F. En tant qu'oscillateur sinusoïdal, ce montage de circuit ne comporte aucun commutateur de valeur de seuil ou autre élément non linéaire qui pourrait exercer une influence supplémentaire sur la fréquence. La fréquence d'oscillation U 0 est bien entendu une fonction non linéaire de F: - -..1% o =:- V 3-F, o L = R1. C1 = R2 ' C2 ' 1) mais cette fonction présente un point d'inflexion pour F = O, de sorte que, pour une variation de fréquence de, par exemple + 30 % (0 Omaxg 20 omin), on obtient une déviation maximale d'une caractéristique linéaire à peine d'environ + 0,3 %, F étant ainsi égal à une valeur maximale absolue de 0,5. La Fig. 2 est un schéma détaillé d'un montage de circuit conforme à l'invention. Un élément passe-haut comprend un amplificateur sommateur V2, une première résistance R1 et un premier condensateur C1, l'amplificateur sommateur V2 étant couplé par réaction au moyen d'une résistance R3. Cet élément passe-haut est suivi d'un élément passe-tout (amplifi- cateur à degré d'amplification 1 de valeur constante, _ 4 _ mais b rotation de phase dépendant de la fréquence), qui est constitué d'unamplificateur opérationnel V3, d'une autre résistance R2 et d'un autre condensateur C2. L'amplificateur V3 est couplé en opposition par l'intermédiaire des résistances R4 et R5. Le branchement modulant qui présente le facteur d'amplification F est réalisé de la manière suivante. Dans le circuit d'entrée de l'amplificateur sommateur V2 est prévu un montage en pont formé de Io quatre extensofnèt:res A, B, C, D, dont les bornes d'entrée 200 et 170 sont connectées, d'une part, par l'intermédiaire d'une borne d'entrée 100, à un branchement de réaction allant de la sortie de l'am- plificateur opérationnel V3 premier condensateur C1 et, d'autre part, à la sortie 160 d'un amplificateur inverseur V1. Les bornes de sortie 120 et 130 de ce montage en pont sont connectées respectivement à l'entrée inverseuse 150 de l'amplificateur inverseur V1 et au point de sommation de l'amplificateur sommateur V2 par l'intermédiaire d'une borne de sortie 110. Pour le déplacement du point zéro, c'est-à- dire l'ajustement sur une fréquence de sortie déter- minée lors d'un déréglage du pont de zéro, une résis- tance R0 peut être prévue, une des bornes de cette résistance étant également connectée au point de sommation S et l'autre, selon le sens du déplacement, au point 200 du pont (U0) ou au point 170 du pont (U0v). En charge, les résistances A, B, C, D du pont changent de valeur, par exemple de la manière illustrée sur la Fig. 2. Ceci a pour effet de déséqui- librer le pont et de modifier le facteur d'amplifica- tion F et, avec lui, la fréquence produite par l'oscil- lateur. _ 5-_ Le montage de circuit conforme à l'invention fonctionne de la façon suivante. Etant donné que le pont A, B, C, D est alimenté symétriquement par l'inter- médiaire de l'amplificateur inverseur V1, le déréglage d'une moitié de pont correspondante B, D détermine le facteur d'amplification F. Le déréglage opposé de la deuxième moitié de pont A, C s'ajoute au facteur d'amplification F, par le fait qu'elle forme elle- même le câblage de l'amplificateur inverseur V1: ui - U R+ R AU0 (1 + 2 4') Uo = - _ -aR - u U U U 0 U 0 4 4 -- iB R+A R + R-AR R - R (L'approximation est valable pour A R " R). Ce calcul présuppose que la borne de sortie de pont 120 connectée à l'entrée 150 de l'amplifica- teur inverseur V1 acquiert, de par sa fonction, un potentiel de référence ("masse virtuelle" du point de sommation d'un amplificateur opérationnel). Une déviation est compensée par le fait que le potentiel de référence de l'amplificateur sommateur V2, qui suit le pont, est dérivé de cette borne de sortie du pont. La résistance R0 produit un déréglage supplé- mentaire du point zéro de la fréquence dans un sens positif ou dans un sens négatif, selon qu'elle est connectée à UOm ou à UO, de sorte que o 8R1 _R 2.R1 F = R ' R (2) Les influences capacitives des conducteurs d'alimentation du pont peuvent être largement évitées par le fait que les sorties du pont sont protégées contre le potentiel de référence, de sorte qu'aucun courant capacitif n'est possible entre les bornes _6_ d'entrée et de sortie. A cause de l'alimentation symétrique, les potentiels aux bornes de sortie sont peu élevés et les courants capacitifs selon le poten- tiel de référence sont ainsi faibles. Pour que pendant le fonctionnement de l'oscillateur, une amplitude d'oscillation stationnaire s'établisse, des moyens courants sont encore nécessaires pour stabiliser l'amplitude par réglage ou non linéa- risation d'une courbe caractéristique d'amplificateur. Le montage de circuit décrit a divers avantages. Tout d'abord, il ne nécessite qu'un petit nombre d'amplificateurs. En outre, la fréquence est déterminée par un petit nombre de composants passifs et de plus, un amplificateur suivant directement le pont de mesure peut être omis. Par ailleurs, l'influence des capacités du câblage du pont de mesure est forte- ment réduite et, ce qui est particulièrement important, le circuit peut être intégré selon une technique classique. Lorsque le montage de circuit proposé est construit à partir d'amplificateurs opérationnels MOS à courants de repos faibles (par exemple en technique MOS), son courant de fonctionnement n'est alors en pratique déterminé que par les extensomètres A, B, C, D. Pendant le fonctionnement du montage de pont avec la tension sinusoïdale de l'oscillateur, le conducteur d'alimentation de l'oscillateur fournit les demi-ondes redressées de la fréquence de l'oscillateur, donc la fréquence double. Si l'on découpe ce montage, par exemple au moyen d'un coupleur opto-électronique, à l'endroit o le courant est fourni, on peut réaliser d'une manière très simple et sans circuits de modula- tion supplémentaires, un système de télémesure dans lequel l'oscillateur installé à l'endroit de mesure -7- est connecté à l'appareil fournissant le courant installé à l'endroit d'exploitation par l'intermé- diaire d'une seule ligne à deux conducteurs. Dans le montage de circuit représenté sur la Fig. 2, le point de sommation S forme un point de sommation de courant, le potentiel sur l'entrée étant égal au potentiel sur l'entrée 180 et étant donc aussi égal au potentiel de masse. Le point de sommation S peut aussi être un point de sommation de tension si les deux entrées de l'amplificateur V2 sont utilisées comme entrées différentielles comme sur la Fig. 3. Sur la Fig. 3, la tension de sortie de l'élément passe-haut C - R1 est amenée à une entrée à haute valeur ohmique du circuit d'amplificateur opérationnel Ra - V2 - R3 et l'entrée 180 forme le point de sommation S. En tant que montage en pont, on utilise un pont-de Wheatstone comportant trois résistances fixes R, Rl, R et une résistance de k m mesure R+A R. La tension de sortie du pont aux bornes 120, 130 est amenée à un montage d'amplifi- cateur V4 présentant un facteur d'amplification A. Lorsqu'on maintient les conditions précitées pour la déviation de fréquence et qu'on choisit A R beaucoup plus petit que R + Rm, la relation suivante est d'application: a R ÈB (I - B). A o RR B kR + 3 B Rk + Rl + RM- Il convient de noterque le montage de pont de la Fig. 3 peut aussi être utilisé dans le montage de circuit de la Fig. 2, étant entendu que V4 de la Fig. 3 est supprimé et que V1 de la Fig. 2 est utilisé. Il s'avère alors que: R 2 ' am 1 R 2.R1 >> 1- (4) m Sur la Fig. 3, un amplificateur inverseur V1 pourrait aussi être utilisé, comme illustré à la Fig. 2 et aussi à la Fig. 5. La relation devient alors: 1 R B 1- - - B '. A (5) Sur la Fig. 4, le montage en pont est un demi-pont comportant une seule résistance de mesure. Dans ce cas: 1 R R o '2 R d R R 2R (6) m La Fig. 5 illustre le-pont de mesui de la Fig. 2 adapté uniquement à la mesure de tension selon le circuit de la Fig. 3. Dans ce cas aussi, les mêmes conditions sont maintenues pour la déviation de fréquence (facteur 2) de sorte que: R 2 *A (7) 206 R _9_ REVENDICATIONS: 1. Montage de circuit servant à convertir une variation de résistance en une variation de fréquence, comportant au moins une résistance dépendant d'une grandeur physique et un oscillateur qui comporte un filtre passetout avec un amplificateur opérationnel, caractérisé en ce que l'oscillateur comporte en outre un filtre passe-haut avec un amplificateur sommateur (V2) et, entre la sortie de l'amplificateur opéra- tionnel (V3) suivant le filtre passe-tout et le point de sommation (S) de l'amplificateur sommateur (V2) suivant le filtre passe-haut, est connecté un élément indépendant de la fréquence qui présente un facteur d'amplification (E) dépendant de la variation de résistance. 2. Montage de circuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément indépendant de la fréquence (P) comprenant un montage en pont (A, B, C, D, Rl, Rk, Rm, R+É R), comprend au moins une résistance dépendant de la grandeur physique et au moins un ampli- ficateur opérationnel (V1, V4) pour l'amplification de la tension de sortie du montage en pont. 3. Montage de circuit suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplificateur opérationnel (V1) est connecté par une entrée (140) à un potentiel de référence, par l'autre entrée (150), à un point diagonal de sortie (120) du montage en pont et par la sortie (160) à un point d'alimentation (170) du montage en pont, tandis que l'autre point d'alimenta- tion (200) est l'entrée (100) du dit élément. 4. Montage de circuit suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'autre point diagonal de sortie (130) est connecté à la sortie (1i0) du dit élément et, - 10 _ en outre, par le même point sommateur (s), à une entrée (190) du dit amplificateur sommateur (V2), tandis que l'autre entrée (180) de l'amplificateur est connectée au potentiel de référence. 5. Montage de circuit suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'un deuxième amplificateur opéra- tionnel (Vh) présentant un facteur d'amplification (A) est connecté, par une entrée, à l'autre point diagonal de sortie (130), par l'autre entrée, au potentiel de référence et par la sortie, à la sortie (110) du dit élément. 6. Montage de circuit suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les deux entrées de l'amplifi- cateur opérationnel (V4) sont connectées aux deux points diagonaux de sortie du montage en pont et sa sortie est connectée à la sortie du dit élément. 7. Montage de circuit suivant l'une - des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un coupleur opto-électronique suivi d'un compteur de fréquence est prévu dans le conducteur d'alimen- tation de courant de l'oscillateur.