Brevet FR2484110A1 — publié le 19811211

-1- La présente invention concerne un procédé et un dispo- sitif pour l'obtention de la dérivée d'un signal élec- trique analogique variant lentement en fonction d'un paramètre. Dans la présente description et comme on le verra par la suite, l'adverbe "lentement" est à rapprocher de la vitesse de traitement des éléments électroniques composant le dispositif selon l'invention. L'invention s'applique tout particulièrement, quoique non exclusivementau calcul très précis des vitesses verticales dé cabines d'avion, en vue de réaliser leur régulation en variation de pression, ou après correction, en vitesse ascensionnelle ou descensionnelle. Le dispositif selon l'invention convient donc notamment au traitement des signaux issus de capteurs de pression barométrique, c'est-à-dire de transducteurs pression- signal électrique analogique. Il constitue donc plus précisément un variomètre de haute précision. Dans la technique actuelle sont connus des dispositifs variométriques pneumatiques et électroniques. Les premiers ne fournissent pas d'information exploi- table pour des variations lentes de pression et sont surtout utilisés comme indicateurs de vol, notamment dans les aéronefs de conception simple. Les seconds utilisent des transducteurs pression- signal électrique analogique et ledit signal est dérive à l'aide d'un circuit R.C. et d'un amplificateur pour fournir un signal de vitesse verticale. La -2 - précision du signal fourni est insuffisante pour indiquer des variations lentes destinées à être exploitées pour la régulation de pression interne d'une cabine d'aéronef pressurisée. La présente invention pallie ces inconvénients grâce à une combinaison de technologie numérique et de technologie analogique permettant d'obtenir une résolu- tion très élevée. A cette fin, selon l'invention, le procédé pour l'obten- tion de la dérivée d'un signal électrique analogique P variant lentement en fonction d'une variable t, est remarquable en ce que l'on convertit une première valeur analogique Pl que prend ledit signal P pour une première valeur t1 de la variable t en une première valeur numérique que l'on mémorise durablement et que l'on reconvertit en permanence et au moins partiellement en une valeur analogique P12, et l'on forme une première différence analogique 6 P = P1 - P12, qui est ensuite convertie en une seconde valeur numérique que l'on mémorise également, après quoi, on compare une seconde valeur analogique P2 que prend ledit signal P pour une seconde valeur t2 de la variable t et ladite valeur analogique P12, pour former une seconde différence analogique P2-P12 que l'on convertit en une toisi.ème valeur nurnrique, puis on soustrait ladite seconde valeur numérique de cette troisième va- leur numérique, de façon à former la valeur numérique d'une troisième différence AP=P2-P1 et l'on divise la valeur numérique de cette troisième différence par la valeur numérique de la différence At=t2-t1 des valeurs t2 et t1 de ladite variable t. * On obtient ainsi, sous forme numérique, le rapport à P P2 P1 A t t2-t -3- Avantageusement, afin d'obtenir une résolution élevée, la formation desdites première et seconde différences analogiques s'accompagne d'une amplification de gain élevé. Etant donné que la valeur analogique reconvertie P12 s'élimine d'elle-même dans le calcul, il n'est pas indispensable qu'elle soit absolulement égale à Pl. Dans ces conditions, il est suffisant que la valeur analogique P12 soit obtenue par conversion numérique- lO analogique des bits de poids le plus élevé dudit premier code numérique représentatif de la valeur analogique Pl. Comme on-le verra par la suite, la première différence âP = P1-P12 correspond pratiquement à l'erreur introduite par le dispositif de mise en oeuvre de l'invention dans la valeur de P par la double conversion et la mise en mémoire intermédiaire. Bien entendu, la suite des différentes opérations peut être répétée en permanence, pour donner de façon continue AP le rapport à. L'invention peut être mise en oeuvre pour l'obtention de la dérivée de n'importe quel signal électrique analogique P, fonction de n'importe quelle variable t. Toutefois, dans une application particulièrement intéres- sante de l'invention, mentionnée ci-dessus, il est avantageux que le signal électrique analogique P soit représentatif de la pression à l'extérieur ou à l'intérieur d'un aéronef en fonction de l'altitude de ce dernier, cette altitude étant elle-même une fonction du temps t. Un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention est -4- associé à un générateur du signal électrique analogique P et comporte avantageusement un multiplexeur à deux entrées et à sortie unique pourvu de moyens de liaison commandée entre chacune desdites entrées et ladite sortie, l'une desdites entrées du multiplexeur recevant le signal P dddit générateur; un comparateur dont la sortie est reliée à l'autre entrée dudit multi- plexeur et dont une entrée reçoit également le signal P provenant du générateur; un convertisseur analogique- numérique dont l'entrée est reliée à la sortie dudit multiplexeur; une première mémoire destinée à recevoir dudit convertisseur analogiquenumérique au moins une partie de la première valeur numérique représentative de la valeur analogique P1; un convertisseur numériqueanalogique qui est en liaison permanente avec ladite première mémoire et dont la sortie est réunie à l'autre entrée dudit comparateur; une seconde méxmoire destinée à recevoir dudit convertis- seur analogique-numérique ladite secomne valeur numérique représentative de ladite première différere PP=P1-Pl12et des moyens de commande, d'horloge et de calcul destinés à commander de façon sélective lesdits moyens de liaison commandée du multi- plexeur, à diriger ladite première valeur numérique vers ladite première mémoire, à diriger ladite seconde valeur numérique vers ladite seconde mémoire, à soustraire ladite seconde valeur numérique de la troisirme pour former la valeur numérique de la troisième différence AP=P2-P1, à former la valeur numérique de la différence At=t2-t1 et à diviser les valeurs numériques de AP et At. Ledit comparateur est avantageusement formé par un amplificateur différentiel à gain élevé, déterminé par la valeur de deux résistances dont l'une est montée entre l'entrée, reliée au convertisseur numérique- analogique,et la sortie dudit amplificateur différentiel, tandis que l'autre desdites résistances est montée dans la liaison entre ledit convertisseur numérique- -5- analogique et ledit amplificateur différentiel. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est un schéma temporel destiné à illustrer le fonctionnement du dispositif selon l'invention. La figure 2 est le schéma synoptique d'un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention, montré par la figure 2, comporte un capteur-transducteur 1, susceptible de délivrer un signal électrique analogique P, représentatif d'une pression, par exemple une pression atmosphérique variant en fonction de l'altitude de 0 à 3000 m. Le signal P varie par exemple de 10 millivolts par millibar et, par exemple, la pression varie de un millibar par seconde. Le dispositif de la figure 2 est par exemple monté à bord d'un aéronef. Ainsi, lorsque à l'instant t1, l'aéronef se trouve à une certaine altitude A1, le signal P fourni par le capteur 1 présente la valeur Pl. tandis qu'à l'instant t2, lorsque l'aéronef se trouve à une autre altitude A2, le signal P prend une valeur différente P2. Ceci est montré sur la figure 1, qui illustre la variation du signal P en fonction du temps t. La sortie du capteur 1 est reliée en parallèle, d'une part, à une première entrée 2a d'un circuit multiplexeur 2 et, d'autre part, à l'entrée positive d'un amplifica- teur différentiel 3, dont le gain est par exemple égal à 256, soit 2. Sur la figure 2, le multiplexeur 2 est schématisé comme comportant deux interrupteurs 2c et 2d en parallèle l'un sur l'autre et respectivement en série entre deux entrées 2a et 2b du multiplexeur 2 et la -6 - sortie unique 2e de celui-ci. La sortie de l'amplificateur différentiel 3 est reliée à l'entrée 2b du multiplexeur 2, tandis que la sortie 2e de ce dernier est réunie à un convertisseur analogique- numérique 4, par exemple à 12 bits, dont la sortie est connectée par une liaison 5a à un microprocesseur 5. Par des liaisons 5b et 5c, le microprocesseur S est apte à commander les interrupteurs 2c et 2d. Par d'autres liaisons 5d et 5e, le microprocesseur 5 est en liaison avec une mémoire 6. De plus, une autre mémoire 7 est reliée au microprocesseur par une liaison 5f. La sortie de la mémoire 7 est reliée à un convertisseur numérique-analogique, par exemple à 8 bits, dont la sortie est reliée à l'entrée négative de l'amplificateur différentiel 3 par une résistance 9. Par ailleurs, une résistance 10 est montée entre la sortie et l'entrée négative de l'amplificateur différentiel 3. Ainsi, les résistances 9 et 10 permettent de déterminer le gain de l'amplificateur différentiel 3. Le processus de fonctionnement du dispositif selon l'invention comprends trois séquences successives et respectivement répétitives, commandées par les moyens d'horloge et de comptage du microprocesseur 5. La première séquence de fonctionnement se produit à l'instant t, et, à ce moment, le microprocesseur ferme l'interrupteur 2c et ouvre l'interrupteur 2d (grâce aux liaisons 5b et 5c), de sorte que la valeur P1 est transférée directement au convertisseur 4, qui le numérise avec une résolution de 12 bits et transmet au microprocesseur 5 la valeur numérique correspondante. -7- Ce microprocesseur sélectionne les huit bits de poids le plus élevé de cette valeur numérique à 12 bits reorésen- tative de la valeur P1 et les transfère, par la liaison f, dans la mémoire 7, o ils restent emmagasinés jusqu'à la fin du processus. Le convertisseur numérique-analogique 8 transforme ces huit bits en une valeur analogique P12, appliquée sur l'entrée négative de l'amplificateur différentiel 3, par l'intermédiaire de la résistance 9. Grâce à la mémoire 7, la valeur-analogique P12 reste en permanence jusqu'à la fin du processus, sur la sortie du convertis- seur 8. Cette première séquence est suffisamment rapide et la variation du signal P est suffisamment lente pour que l'on puisse considérer que, pendant son déroulement ledit signal P n'a pas évolué, c'est-à-dire qu'à l'instant ti1 auquel cette première séquence se termine, la valeur Pl1 correspondante est pratiquement égale à Pl. De ce fait, le signal de différence 6P qui apparaît à l'instant tl à la sortie de l'amplificateur 3 et qui est égal à HEP =P11-P12, est pratiquement égale à 6p P lP12- Dans ces conditions, dP représente l'erreur introduite par le dispositif sur la valeur P1 et due à la double conversion (par les convertisseurs 4 et 8) et par la mise en mémoire intermédiaire (dans la mémoire 7). Dans la.seconde séquence du processus (à l'instant t1l), le microprocesseur 5 ouvre l'interrupteur 2c et ferme l'interrupteur 2d, de sorte que le signal de différence 6P est transmis au convertisseur 4 qui le numérise, après quoi ledit microprocesseur 5 entre dans la mémoire 6 (par la liaison 5d) la valeur à 12 bits représentative -8- de 6P. Ensuite, le microprocesseur 5 ouvre l'interrupteur 2d, l'interrupteur 2c restant également ouvert. Les interrupteurs 2d et 2c sont ainsi maintenus ouverts pendant un espace de temps At,par exemple égal à 1 seconde, menant à l'instant t2. A la fin de l'espace de temps At, c'est-à-dire à l'instant t2, commence la troisième séquence, le micro- processeur 5 fermant alors l'interrupteur 2d. A l'instant t2, l'entrée positive de l'amplificateur différentiel 3 reçoit, du capteur 1, la valeur P 2' tandis que l'entrée négative dudit amplificateur reçoit toujours la valeur P12 du convertisseur.8. A la sortie de l'amplificateur différentiel 3 apparaît donc la différence P2-P12, qui est numérisée par le convertisseur 4,puis transmise au microprocesseur 5. Ce dernier appelle alors le signal de différence 6P de la-mémoire 6 (par la liaison 5e) et retranche celui-ci de la différence P2-P12, de sorte qu'il forme la valeur P -P -6P=P -P -(P -P)= P-P= AP. 2 12 2 12 1 12 21 Ainsi, à sa sortie 5g, le microprocesseur peut fournir AP le rapport At, c'est-à-dire la vitesse de variation de la pression P en fonction du temps t. AP Après un délai de lecture du signal à _ a la sortie 5g, At les mémoires 6 et 7 et les convertisseurs 4 et 8 sont remis à zéro. L'interrupteur 2d est ouvert et l'interrup- teur 2c est fermé et un nouveau cycle peut recommencer. On remarquera que, quoique n'utilisant qu'un convertis- seur analogique-numérique de 12bits, on obtient sur -9- le rapport,t une résolution relative de 20 bits, si A t les dérives cumulées de l'amilificateur différentiel 3 et du con- vertisseur numérique-analogique 8 sont inférieures pendant At à la valeur du 20ème bit de l'amplitude maxinale numérisée de P,ce qui est parfaitement possible. Cette résolution relative est due à l'airplification Par 28 (=256) des signaux de différence,par rapport à la raesure directe de P. En effet, la variation de pression maximale étant de l'ordre de 1 millibar par seconde, ALP sera toujours inférieur à la 256 èmepartie de P, compte tenu du fait que At est de l'ordre de 1 seconde. On aura donc, après At, à l'entrée de l'amplificateur 3, deux signaux dont la différence est inférieure ou de l'ordre de P avec une résolution de 8 bits pour le signal appliqué à l'entrée négative, donc avec une signification sur la 256 èmepartie dudit signal. Or, la multiplication par 256 (2 8) de cette différence, effectuée par l'amplificateur 3, ramène la valeur ana- logique du signal de différence au niveau de la valeur du signal analogique représentatif de P et issue du dé- tecteur 1. Sur cette différence analogique, on obtient une signi- fication sur la 4096ème partie, du fait de la conversion analogique-numérique à 12 bits effectuée par le conver- tisseur 4, ladite conversion étant rendue possible sur toute l'échelle dudit convertisseur, par l'amplification par 256. On obtient donc une signification sur la 256 x 4096 = 1.048.576ème partie (2 2) de P, c'est-à- dire une signification sur la variation AP correspondant au vingtième bit de P, avec un décalage sensiblement fixe ou erreur fixe (qui de toute façon est prise en compte pour former le signal d'erreur du circuit) portant notamment sur les quatre bits de poids le plus faible de la conver- sion numérique-analogique de la première séquence du procédé selon l'invention. -10- REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1.- Procédé pour l'obtention de la dérivée d'un signal électrique analogique P variant lentement en fonction d'une variable t, caractérisé en ce que l'on convertit une première valeur analogique P1 que prend le signal P pour une première valeur t1 de la variable t en une première valeur numérique que 1 'on mémorise durablement et que 1 'on reconvertit en permanence et au nxins partiellemaent en une valeur analogique P 12 et l'on forme une première différence analogique 6P=P1-P12' qui est ensuite convertie en une seconde valeur numérique que l'on mémorise également, après quoi on compare une seconde valeur analogique P2 que prend ledit signal P pour une seconde valeur t2 de la variable t et ladite valeur analogique P12' pour former une seconde différence analogique P2-P 12 que l'on convertit en une troisième va- leur numérique, puis on soustrait ladite seconde valeur numérique de cette troisième valeur numérique, de façon à former la valeur numérique d'une troisième différence AP=P2-P1 et l'on divise la valeur numérique de cette troisième différence par la valeur numérique de la diffé- rence At=t2-t1 des valeurs t2 et t1 de ladite variable t. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formation desdites première et seconde diffé- rences analogiques s'accompagne d'une amplification de gain élevé. 3.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la valeur analogique P12 est obtenue par conversion numérique-analogique des bits de poids le plus élevé de ladite première valeur numérique représentative de la valeur analogique P1. ' 11- 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la suite des différentes opérations est répétée en permanence, pour donner de façon continue le rapport à. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le signal électrique analo- gique P est représentatif de la pression à l'extérieur ou à l'intérieur d'un aéronef en fonction de l'altitude de ce dernier, cette altitude étant elle-même une fonc- tion du temps t. 6.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 5, associé à un générateur (1) du signal électrique analogique P, caractérisé en ce qu'il comporte un multiplexeur (2) à deux entrées et à sortie unique pourvu de moyens (2c, 2d) de liaison commandée entre chacune desdites entrées (2a, 2b) et ladite sortie (2e),l'une desdites entrées (2a) du multiplexeur (2) recevant le signal P dudit générateur (1); un comparateur (3) dont la sortie est reliée à l'autre entrée (2b) dudit multiplexeur (2) et dont une entrée reçoit également le signal P provenant du générateur (1); un convertisseur analogique-numérique (4) dont l'entrée est reliée à la sortie (2e) dudit multiplexeur (2); une première mémoire (7) destinée à recevoir dudit convertis- seur analogique-numérique (4) au moins une partie de la première valeur numérique représentative de la valeur analogique P1; un convertisseur numérique-analogique (8) qui est en liaison permanente avec ladite première mémoire (7) et dont la sortie est réunie à l'autre entrée dudit comparateur (3); une seconde mémoire (6) destinée à recevoir dudit convertisseur analogique-numérique (4) ladite seconde valeur numérique représentative de ladite première différence ÈP = P1-P12 et des moyens de commande, d'horloge et de calcul (5) destinés à commander de façon sélective lesdits moyens de liaison commandée du multi--- 12- plexeur (2), à diriger ladite première valeur numérique vers ladite première mémoire (7), à diriger ladite seconde valeur numérique vers ladite seconde mémoire (6), à sous- traire ladite seconde valeur numérique de la troisième pour former la valeur numérique de la troisième différence AP = P2 - Pl, à former la valeur numérique de la différence At = t2 - t1 et à diviser les valeurs numériques de AP et At. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit comparateur (3) est formé par un amplifi- cateur différentiel à gain élevé, déterminé par la valeur de deux résistances (9,10) dont l'une (10) est montée entre l'entrée, reliée au convertisseur numérique-analo- gique (8), et la sortie dudit amplificateur différentiel (3), tandis que l'autre (9) desdites résistances est montée dans la liaison entre ledit convertisseur numérique- analogique (8) et ledit amplificateur différentiel (3). 8.- Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le convertisseur analogique- numérique (4) présente une plus grande résolution que le convertisseur numérique-analogique (8). 9.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande, d'horloge et de calcul sont constitués par un micropro- cesseur (5). 10.- Variomètre de précision, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, un capteur de pression baromé- trique susceptible de convertir celle-ci en un signal électrique analogique et, d'autre part, un dispositif tel que spécifié sous l'une quelconque des revendications 6 à 9.