Brevet FR2468254A1 — publié le 19810430

1. PRCCEDE POUR MODIFIER LE GAIN D'UN AMPLIFICATEUR EN FONC- TION DE LA TENSION D'UN SIGNAL ET CIRCUITS POUR LA MISE EN OEUVRE DE CFE PROCEDE. L'invention concerne un procédé pour modifier le gain d'un amplificateur en fonction de la tension d'un signal, amplificateur qui possède une caractéristique linéaire ou une caractéristique non linéaire pour couvrir une gamme dynamique plus importante, pour comprimer ou dilater des valeurs d'affichage ou de mesure dans une gamme d'affichage ou dynamique prédéter- minée. L'invention concerne également des circuits pour la mise en oeuvre de ce Procédé. Dans le domaine de l'électronique, on doit ampli- fier des tensions électriques apparaissant temporaire- ment et afficher leur valeur de pointe (amplitude), la gamme dynamique à traiter étant souvent nettement supérieure à 40 dB. Ainsi, par exemple, dans l'essai de matériaux à l'aide d'impulsions ultrasonores, l'impulsion ultrasono- re reçue est convertie, à l'aide d'un transducteur électro-acoustique, en une impulsion de tension; cette impulsion de tension (tension de signal) est amplifiée et son amplitude est affichée et évaluée. Dans de nombreux cas, l'affichage se fait sur un oscilloscope cathodique, de sorte qu'on dispose de la durée et de l'amplitude de l'impulsion pour l'évaluation et la représentation. Il est connu d'amplifier les impulsions de tension (tension de signal) de façon linéaire ou non linéaire, notamment logarithmiquement (J et H. Krautkrâmer, WerkstoffprUfung mit Ultraschall, 3ème Edition, Edi- tions Springer 1975, p. 204 et suivantes). Lors de l'amplification avec une caractéristique linéaire, une tension de signal proportionnelle à la pression acoustique est amplifiée de manière qu'entre la tension amplifiée u2 et la tension à amplifier ul, il existe toujours un rapport constant appelé gain u v=- V -2 qui représente la pente de la caractéristique linéaire. L'inconvénient de ce type d'amplificateur est la faible gamme dynamique utilisable correspondant au rapport des amplitudes maximale et minimale à afficher de la tension de signal. Lors de l'amplification avec une caractéristique logarithmique, la tension amplifiée u2 est amplifiée de façon proportionnellement moindre lorsque la ten- sion à amplifier u1 croit. On a, de façon générale, U2= C1 lgu1 + c2 Un tel amplificateur logarithmique peut être conçu de manière que sa tension de sortie u2 corres- ponde à la mesure en dB, on a alors u2 = 20 logu1 + c. L'avantage de l'amplificateur logarithmique réside dans le fait que la gamme dynamique utilisable est importante et que l'affichage des amplitudes de tension se fait en dB. Pour de nombreux domaines d'application, tels que l'essai de matériau à l'aide d'impulsions ultra- sonores, l'amplificateur logarithmique présente l'in- convénient que de faibles tensions de signaux, qui proviennent d'influences perturbatrices ou de petits réflecteurs dont on ne souhaite pas tenir compte, sont affichées en couvrant les tensions de signal plus importantes qui doivent être évaluées. Si, par exemple, un transducteur électro-acoustique délivre une tension proportionnelle à la pression acoustique comprise entre 0,05 V et 5 V, correspondant à une gamme dynamique de 40 dB, lorsque l'axe des ordonnées de l'oscilloscope cathodique est subdivisé en cinq parties,-la valeur de 5 V correspondra à la cin- quième graduation, et la valeur de 0,05 V sera affi- chée à O dB correspondant à la graduation 0. Si, pour l'évaluation, la gamme allant de-20 dB à 40 dB, qui correspond à 0,5 V - 5V, est particulièrement importante, on ne dispose que de 50% de l'amplitude des ordonnées pour cette gamme,et les impulsions moins importantes allant de 0 à 20 dB, correspondant à 0,05 V - 0,5 V, occupent les autres 50%. Pour supprimer des tensions de signaux faibles, il est, en outre, connu de concevoir l'amplificateur de manière qu'il n'amplifie que des tensions d'entrée qui dépassent une tension de seuil (J. et H. Krautkrâmer, Werkstoffprufung mit Ultraschall, 3ème Edition, Editions Springer 1975, p. 209). Ce procédé présente cependant 1' inconvénient important que toutes les informations contenues dans la tension de signal qui ne dépasse pas la valeur de seuil sont complètement perdues. L'invention a pour but un procédé qui comprime la gamme dynamique pour les impulsions de tension fai- bles et qui la dilate pour les impulsions de tension importantes, sans transition monotone, de sorte que les avantages de l'amplification non linéaire, notamment logarithmique, soient conservés. Ce problème est résolu suivant l'invention grâce au fait que les amplitudes de tension provenant d'un amplificateur de réalisation connue sont appliquées à un circuit d'amplification possédant au moins deux caractéristiques différentes qui se raccordent de manière à présenter, pour au moins une tension de transition prédéterminée, une transition continue mais avec un point d'inflexion. et à former, pour l'affichage ou la mesure. des amplitudes de tension qui présentent une allure d'affichage ou dynamique différente dans des gammes Dartielles des amplitudes de tension appliquées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de deux modes de réalisation Dréférés mais non limitatifs et dans laquelle on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: Les fig. la à le représentent des caractéristiques à obtenir par le procédé de l'invention; la fig. 2 est un schéma d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'essai et d'un circuit pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention; la fig. 3 est un diagramme illustrant le décalage du point de fonctionnement du circuit pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, et la fig. 4 est un schéma d'un second mode de réalisation d'un circuit pour la mise en oeuvre du pro- cédé de l'invention. Le signal ultrasonore produit dans une pièce W est reçu, comme représenté à la fig. 2, par un trans- ducteur électroacoustique 9, c'est-à-dire que le signal de pression acoustique est converti en un signal de tension électrique u1, éventuellement par l'in- termédiaire d'un élément de réglage 10 gradué en dB. La tension de signal u1 est appliquée à l'amplifica- teur 8 possédant une caractéristique logarithmique; si, comme, par exemple, dans l'état de la technique, la gamme dynamique est égale à 40 dB, lors de l'affichage de la tension de signal au moyen d'un oscilloscope catho- dique 11, une gamme de 20 dB occupe 50% de l'amplitude des ordonnées. Si maintenant, suivant l'invention, on place entre l'amplificateur 8 et l'oscilloscope cathodique Il un amplificateur 6 possédant deux caractéristiques différentes qui se raccordent en un point et qui pré- sentent une faible amplification V1 = tgal = 0,4 jusqu'à une tension de transition 4 (fig. la) pour la caractéristique 1, et une amplification plus importante V2 = tga 2 = 1,6 à partir de la tension de transition pour la caractéristique 2, et si la tension de transi- tion se trouve à 50% de la gamme dynamique par exemple. de 5 V, tous les signaux allant de 0 à 20. dB, donc jusqu'à 2,5 V, à la sortie de l'amplificateur loga- rithmique sont affichés sur les graduations 0-1 de l'ordonnée de l'oscilloscope cathodique, et les signaux allant de 20 dB à 40 dB sont affichés sur les graduations 2 à 5. Pour des tensions de signaux allant de 0 à 20 dB, il n'y a donc besoin que de 20% de l'échelle, tandis qu'on dispose de 80% de l'échelle pour les tensions de signaux allant de 20 à 40 dB. Le choix de la valeur de la tension de transition n'est qu'une question d'adaptation aux nécessités pra- tiques. Si, comme représenté à la fig. lb. la gamme d'affichage va de O à 50 dB, et que l'on souhaite com- primer les signaux de O à 30 dB sur une graduation de l'ordonnée et afficher les signaux de 30 à 50 dB sur les graduations 1 à 5 de l'échelle, la tension de tran- sition est choisie égale à 3V et les caractéristiques de l'amplificateur, qui ne sont pas forcément linéaires, sont choisies de façon correspondante. On choisira donc ici une première caractéristique avec le gain Vla = tg a 1= 1/3, et une seconde caractéristique avec le gain V2a = tga 2a 2. Les deux caractéristiques étant alors désignées par la et 2a. On peut, par contre, étendre le procédé de manière à prévoir une autre transition avec une autre caractéristique passant par une seconde tension de transition, comme représenté sur la fig. le (ici la caractéristique lb est une caractéristique non li- néaire). Dans une variante, le procédé peut être mis en oeuvre de manière que les tensions de transition soient prédéterminées de façon à pouvoir déterminer également des critères d'évaluation; par exemple, jus- qu'à une première tension de transition 4 (fig. le), c'est-à-dire la caractéristique lb fortement comprimée, sont affichés les signaux provenant-de la structure du matériau (bruit de granulation), tandis qu'entre cette tension de transition et une seconde tension de transition 5 (caractéristique 2b) apparaissent les amplitudes de signaux pour une classe d'importance secondaire, et que les amplitudes de signaux qui corres- pondent, par exemple, à des défauts et dont la gamme dynamique nécessite une grande partie de l'échelle sur l'oscilloscope cathodique sont affichées avec une troisième caractéristique 3b. La fig. le illustre une telle mise en oeuvre. Dans cet exemple, pour la pre- mière gamme correspondant au bruit de granulation, on dispose du premier quart de la première graduation (0 - 0,25) correspondant à 0 - 10 dB; pour les affichages d'importance secondaire,on dispose des graduations allant de 0,25 à 2 correspondant à 10 dB - 30 dB, et, pour les affichages importants allant de 30 dB à 50.dB, on dispose des graduations 2 - 5. Un circuit approprié pour la mise en oeuvre du procédé est représenté sur la fig. 2 sous la forme d'un bloc 6. Sur l'entrée 13 de ce circuit est appliquée la tension de signal u2 délivrée par l'amplificateur logarith- mique 8. L'amplificateur opérationnel 7 fournit une am- plification de base qui est donnée par les éléments de contre-réaction R1, R2, R3 et R4, R3 et R4 étant en pa- rallèle sur R2, et l'amplification globale de l'ampli- ficateur opérationnel est réduite au gain V1. Le poten- tiomètre R6 dans le bloc 15 permet de régler un seuil de tension 4 (fig. la - le) sur la base du transistor 17 de manière que le circuit collecteur-émetteur soit bloqué. La tension de sortie u3 de l'amplificateur opé-- rationnel est également appliquée, par l'intermédiaire de la résistance R5 et dela diode D, sur la base du transistor. Lorsque la tension de sortie u2 de l'amIpli- ficateur opérationnel à contre-réaction dépasse le seuil de tension sur la base du transistor de commutation, le circuit collecteur-émetteur devient conducteur, à la suite de quoi la branche de contre-réaction constituée par R3 et R4 devient inefficace et la contre-réaction- n'est plus déterminée que par les résistances R2 et R1, et le gain augmente de la valeur V1 à une valeur V2. Grâce à un autre transistor de commutation 18, le poten- tiel au point 12 de ltamplificateur opérationnel 7 est si- multanément décalé de manière que les deux caractéris- tiques se coupent en un point souhaité (fig. 3). Si le potentiel du point 12 n'était pas décalé de façon prédéterminée, lors du passage du transistor 17 à l'état conducteur, on obtiendrait une caractéristique plus raide qui couperait l'axe des abscisses pour une valeur de tension quelconque (par exemple OV) (caractéristique 2c de la fig. 3). Cependant, il est nécessaire que les deux caractéristiques se coupent au point 4. Pour cette raison, lors du passage dans l'état conduc- teur du transistor 17, il y a simultanément un décalage de potentiel prédéterminé Au au point 12, grâce à quoi la caractéristique 2c est décalée parallèlement à elle- même de manière à couper la caractéristique 1 au point 4 pour donner la caractéristique 2. Le dispositif peut être étendu au moyen de plusieurs circuits, correspondant au bloc 15, branchés en parallèle. pour lesquels sont respectivement réglés d'autres seuils de tension 5, et qui augmentent par paliers l'amplification globale de l'amplificateur opé- rationnel à contre-réaction. Un tel autre circuit branché en parallèle est indiqué schématiquement par le bloc 16. Dans un autre agencement représenté à la fig. 4, au moins deux amplificateurs 18a et 18b sont branchés en parallèle, l'amplificateur 18a possédant la carac- téristique 1 (fig. la) et, à partir d'une tension de transition 4, qui, par exemple, peut être déterminée par un agencement de diodes 19, on passe à un second amplificateur 18b possédant un gain plus élevé, et les tensions de sortie des deux amplificateurs sont addi- tionnées, par exemple dans un réseau 20, de manière à obtenir une caractéristique plus raide à partir de la tension de transition 4. La tension de transition nécessaire peut être produite par exemple au moyen d'une diode Zener ou d'une série de diodes 19 (éven- tuellement réglable). Dans les exemples décrits, l'amplificateur 8 est un amplificateur possédant une caractéristique logarith- mique, comme cela est le cas actuellement pour les essais non destructifs de matériaux à l'aide d'im- pulsions ultrasonores. Cependant, ce procédé peut également être utilisé avec un amplificateur 8 linéaire. Si, par exemple, on doit afficher ou représenter des amplitudes de tension linéaires allant de 0 à 5 V,la gamme de tension allant de 0 à 3 V étant comprimée sur une graduation et la gamme de tension allant de 3 à V étant dilatée sur les graduations 1 à 5, pour une gamme dynamique de 5 V la tension de transition devra être choisie égale à 3 V. La caractéristique 1 devra alors posséder une pente de tg, = 1/3 et la carac- téristique 2 une pente de tga 2 2. Le procédé suivant l'invention et les circuits pour sa mise en oeuvre permettent de comprimer de fai- bles amplitudes 'de tension ou respectivement de faibles impulsions de tension, qui apparaissent de façon domi- nante notamment lors de l'amplification logarithmique, dans une proportion qui correspond aux conditions pra- tiques et de décomprimer ou de dilater les amplitudes de tension plus importantes sur une longueur d'échelle plus importante. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nulle- ment à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plusparticulièrement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour modifier le gain d'un amplifica- teur en fonction de la tension d'un signal, amplifica- teur qui possède une caractéristique linéaire ou une caractéristique non linéaire pour couvrir une gamme dynamique plus importante, pour comprimer ou dilater des valeurs d'affichage ou de mesure dans une gamme d'affichage ou dynamique prédéterminée, caractérisé par le fait que les amplitudes de tension (u2), provenant d'un amplificateur (8), de réalisation connue sont appliquées à un circuit d'amplification (6), possé- dant au moins deux caractéristiques différentes (1,2) qui se raccordent de manière a présenter, pour au moins une tension de transition prédéterminée (4), une transi- tion continue mais avec un point d'inflexion, et à former, pour l'affichage ou la mesure, des amplitudes de tension (u3) qui présentent une allure d'affichage ou dynamique différente dans des gammes partielles des amplitudes-de tension appliquées (u2). 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les caractéristiques (1,2) sont des caractéristiques linéaires. 3.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la première caractéristique (1) est une caractéristique non linéaire, notamment une carac- téristique logarithmique, et, par le fait que la seconde caractéristique (2) est une caractéristique linéaire. 4.- Circuit pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'une première voie (R2) et au moins une seconde (RY, R4) voies de contre-réaction-sont branchées en parallèle sur un amplificateur opérationnel (7) et déterminent une première caractéristique d'amplification (1), et par le fait, qu'au-delà d'un seuil de tension (4) qui peut être pré-sélectionné, la seconde voie de contre- réaction (R3, R4) est rendue inefficace et une seconde caractéristique d'amplification (2) est déterminée par le fait que la mise hors circuit de la seconde voie de contre-réaction se fait par l'intermé- diaire d'un commutateur électronique (17), et par le fait qu'en même temps que la misehors circuit de la seconde voie de contre-réaction, un cdômmutateur électronique (18) applique sur l'entrée (12) de l'am- plificateur.opérationnel (7) une tension de polarisa- tion de valeur telle que la seconde caractéristique d'amplification (2) passe par le point correspondant à la tension de transition (4). 5.- Circuit suivant la revendication 4, caractérisé par le fait qu'une ou plusieurs voies de contre-réaction (16) sont branchées en parallèle sur la voie existante (15), ces voies devenant efficaces au-delà de tensions de transition (5) pré-sélectionnables mais cependant respectivement plus importantes et déterminant d'autres caractéristiques d'amplification (3b). 6.- Circuit suivant la revendication 4 pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les voies de contre-réaction (R1, R2, R3, R4) sont constituées par des résistances ohmiques et fournissent des caractéristiques linéaires. 7.- Circuit pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins deux amplificateurs (18a, 18b) possédant des caractéristiques différentes sont branchés en parallèle, que les seuils de réponse des amplificateurs correspondent à des valeurs de tension différentes, et par le fait que les tensions de sortie des ampli- ficateurs sont additionnées dans un réseau (20) ou un élément semblable.