Brevet FR2496360A1 — publié le 19820618

CODEUR NUERIOUE RTIOldETRIOUE DE POSITION D'UN CURSEUR DE POTENTIOMETRE La présente invention s'intéresse à un codeur électrique capable de convertir la position du curseur d'un potentiomètre en une valeur numérique représentant cette position, délivrée sous forme de signaux électriques à codage binaire. Le terme potentiomètre est pris ici dans un sens très général; il peut s'agir d'un potentiomètre à piste circulaire (codage de position angulaire) ou linéaire (codage de position linéaire); il peut s'agir d'un potentiomètre à piste continue ou à plots, ou même plus généralement un commutateur à plots dans lequel chaque plot serait relié à une résistance de sorte que le changement de position du commutateur correspondrait directement à un changement de résistance, le curseur du potentiomètre étant constitué par l'élément mobile pouvant venir en contact avec un plot ou un autre selon la position du commutateur. On s'intéresse ici à une conversion de la position du curseur du potentiomètre en une valeur numérique, et la relation qui lie la position à la valeur numérique est fonction de la relation entre la position du curseur et la valeur de la résistance du potentiomètre, cette valeur de résistance constituant en effet un paramètre intermédiaire de conversion. Une application particulière de la présente invention consiste à convertir en une valeur numérique la position d'un programmateur électromécanique de machine, ce programmateur étant par exemple constitué par un bouton de commutation pouvant être manoeuvré en rotation et être mis dans un certain nombre de positions avec une variation discrète ou continue de ces positions. Chacune des positions du commutateur correspond à une valeur de résistance variable mise en série dans un circuit, et chaque valeur de résistance correspond à une fonction à accomplir par la machine ou à un réglage particulier d'un paramètre de fonctionnement de la machine. On cherche à traduire cette résistance variable en une information numérique qui servira justement à la commande numérique du fonctionnement de la machine. Un des buts de l'invention est de réaliser cette conversion en évitant d'avoir à utiliser des résistances étalons en grand nombre pour comparer la valeur de la résistance variable aux résistances étalons. Un autre but particulièrement important de l'invention est de réaliser un codeur de position dans lequel l'information numérique obtenue en sortie ne dépend pas de la tension d'alimentation du potentiomètre dont la position est codée. Un autre but encore est de réaliser un codeur numérique dans lequel il puisse y avoir une relation quelconque monotone entre la valeur de la résistance du potentiomètre et la valeur numérique de sortie, et non pas forcément une relation linéaire. Enfin , on a cherché à réaliser un codeur numérique sous forme de circuit intégré alimenté en basse tension continue (quelques volts), pouvant être couplé au potentiomètre qui, lui, est alimenté sous une tension élevée qui est par exemple celle du secteur alternatif à 220 volts. Ceci est particulièrement important par exemple si le codeur numérique selon l'invention est couplé à un programmateur électromécanique d'appareil électroménager (machine à laver etc...) et que l'on veut maintenir, pour des raisons de compatibilité, une alimentation de 220 volts sur le programmateur électromécanique. Pour atteindre ces buts, la présente invention propose un codeur numérique qui comprend une résistance fixe Rg en série avec un premier élément de définition de courant servant à définir un courant de référence 10 dans cette resistance Rg, et, en parallèle sur le tout, un ensemble en série d'une résistance variable R1 comprenant un potentiomètre P1 et une pluralité éléments de régulation de courant en parallèle, chacun pouvant être mis en service par un interrupteur respectif et établissant un courant dans un rapport connu avec les autres et avec 10 et chacun étant piloté par Io 0 pour recopier 10 à un coefficient de proportio- nalité connu près, les deux ensembles en série étant alimentés en parallèle par une source de tension commune quelconque, le codeur comprenant encore un amplificateur différentiel ayant ses entrées reliées à la résistance fixe et à la résistance variable pour détecter l'écart entre les chutes de tension dans ces deux résistances et pour fournir un signal d'autorisation ou d'arrêt de comptage à un circuit de comptage qui incrémente le nombre d'elements de régulation en service jusqu'à égaliser lesdites chutes de tension. Le premier élément servant à définir le courant I01que l'on appellera aussi selon l'habitude "Générateur de courant de référence", comprend un transistor MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur) à drain et grille réunis.Les seconds éléments de régulation, également appellés par commodités "Générateurs de courant" sont aussi des transistors MOS et, pour recopier le courant 10 à un facteur près, ils ont leur grille et'leur source reliées à celles du transistor du premier élément définissant 10. Le circuit de comptage est couplé aux interrupteurs pour commander successivement la fermeture de chacun d'eux. L'arrêt du comptage a lieu quand l'amplificateur différentiel indique l'égalité des chutes de tension dans les résistances fixe et variable. La sortie numérique du codeur est alors prélevée dans le circuit de comptage. La source de tension quelconque qui alimente la résistance fixe et la résistance variable peut être en particulier une tension alternative du secteur; elle n'a pas besoin d'être une tension continue régulée à une valeur fixe. Cependant, il est souhaitable que l'établissement par comptage, de la valeur numérique cherchée se fasse toujours pendant des alternances d'un signe donné de la tension du secteur, et de préférence au sommet de ces alternances ; on prévoit donc que le circuit de comptage comporte une autre entrée d'autorisation commandée par un circuit de synchronisation établissant un signal d'autorisation de fonctionnement du codeur pendant une fraction d'alternance positive de la tension du secteur, autour du pic de cette alternance. Le circuit de comptage comprend en principe un compteur binaire sur les sorties duquel est prélevée l'information numérique de sortie cherchée, et un registre-décodeur relevant les sorties du compteur et ayant p sorties commandant chacune un interrupteur du second élément de régulation de courant, le registre-décodeur fournissant, pour un nombre m appliqué à ses entrées par le compteur, un signal sur les m premières sorties du registre-décodeur et un signal complémentaire sur les p - m autres. Le registre-décodeur comporte lui-même normalement un décodeur 1 parmi p et un ensemble de p transistors MOS en série, alimentés par une basse tension continue, les sorties du décodeur 1 parmi p étant couplées chacune, dans l'ordre de leur numération, à une grille d'un transistor MOS correspondant dans le même ordre ; les drains des transistors servent de sortie, éventuellement après inversion, au registre-décodeur pour commander les interrupteurs du second élément de régulation de courant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente un schéma montrant les dif férents éléments du codeur numérique de position réalisée. Sur la figure unique; on a représenté un potentiomètre P1 ayant un curseur dont on rechercheà repérer la position sous forme numérique. On ne reviendra pas sur ce qu'on a dit dans le préambule : le potentiomètre peut être un commutateur mettant en série une.résistanceou une autre selon sa position. Le potentiomètre P1 est éventuellement en série avec une résistance fixe pour constituer au total une résistance variable R1, résistance dont la valeur constituera un paramètre analogique d'information sur la position du curseur du potentiomètre. Cette information de grandeur résistive est traduite en valeur de courant I1 traversant la résistance variable R1 lorsqu'une tension est appliquée aux bornes de celle-ci. On cherche, selon l'invention, à mesurer le courant I1, mais, pour s'affranchir des variations de la tension donnant naissance à ce courant, et en particulier pour pouvoir utiliser une tension d'alimentation non régulée ou même effectivement variable telle qu'une tension alternative, on prévoit de faire la mesure de I1 en la comparant à un courant 10 parcourant une résistance fixe connue Rg et en asservissant le courant I1 aux variations de R1 de telle sorte que la chute de tension aux bornes de Rg reste toujours égale à la chute de tension aux bornes de R1. Pour cela, on prévoit d'une part que la résistance Rg est mise en série avec un élément servant à définir un courant de référence lo, d'autre part que la résistance R1 est mise en série avec un élément de régulation de courant coT ande délivrant un courant I1 variable par in crUments, avec de plus un amplificateur différentiel AD détectant ltecart des chutes de tension aux bornes de Rg et R1 et commandant, en fonction du sens de cet écart, l'application d'incréments d'augmentation du courant I1 de l'élément de régulation de courant variable. L'ensemble en série de la résistance Rg et de l'élément servant à définir le courant de référence est alimenté par une tension Vg qui peut être constante ou va rible ou alternative, et l'ensemble en série de la résistance variable R1 et de son élément de regulation de courant variable est egaleent alimenté par la tension V0. Si V0 - V1 est la- chute de tension aux bornes Ro et si V0 - V2 est la chute de tension aux bornes de R1, on aura, lorsque l'amplificateur différentiel aura égalisé ces chutes de tension, Rg 10 = R1 Il ; de cette manière, la résistance R1 est proportionnelle à Io/Iî, Ro étant constante. Selon l'invention on s'arrange pour que le courant I1, variable par incréments sous la commande de l'amplificateur différentiel AD, soit maintenu en permanence proportionnel au courant 10 et que le coefficient de proportionalité soit facilement déterminable en fonction des incréments de courant appliqués par l'élément de régulation de courant variable. On verra d'ailleurs que ces incréments n'ont pas besoin d'être réguliers, c'est-àdire tous identiques. Pour parvenir à ce résultat, on prévoit que l'élément utilisé pour définir le courant 10 est constitué par un transistor ìMOS T10 dont le drain et la source sont réunis selon un montage classique. Un autre transistor T20, dont on verra le rôle plus loin, est placé en série avec le transistor T10 pour compléter le montage finissant le courant de référence dans la résistance Rn. Quand à l'élément de régulation de courant variable I1, il comprend une pluralité de transistors MOS T11, T12, T13...Tlp, chacun en série avec un interrupteur commandé constitué par un transistor MOS correspondant, respectivement T21 en série avec T11, T22 en série avec T12.., T2p en série avec Tlp. Tous ces éléments en série sont mis en parallèle pour constituer l'élément de régulation de courant variable I1. Le montage en parallèle ainsi constitué est, on le rappelle, en série avec la résistance variable R1 le tout étant alimenté par la tension V. Chacun des transistors T11, T12.... Tlp, reçoit sur sa grille la tension appliquée à la grille du transistor T10 de sorte que les tensions grille-source des transistors T11, T12.... Tîp sont égales à la tension grille-source du transistor T10. I1 s'agit là d'un montage dit en "miroir de courant" dans lequel chacun des transistors Tll à Tlp reproduit le courant dans T10, à un coefficient près qui correspond au rapport entre la géométrie d'un transistor considéré et la géométrie du transistor T10. Pour mieux faire comprendre les cosses, on peut donner un exemple : si le transistor Tll est trois fois plus petit que le transistor Tl0, le courant parcourant Tll sera 10 /3 ; si le transistor T12 est 10 fois plus petit que le transistor T10, le courant parcourant T12 sera Io/10, etc. Selon que les transistors T21, T22.... T2p qui servent d'interrupteurs pour le courant parcourant les transistors T11, T12.... Tlp, sont dans un état passant ou bloqué, on aura un courant I1, dans R1, plus ou moins important. Si k1, k2.... k p sont les rapports des géométries des transistors Tll, T12.... Tlp, à la géométrie du transistor T10, on pourra dire que le courant I1 est égal au courant 10 multiplie par un coefficient qui est la somme des facteurs ki des transistors qui sont effectivement parcourus par un courant, c'est-à-dire de ceux dont les interrupteurs respectifs sont passants. L'asservissement selon l'invention de la chute de tension R1 I1 à la chute de tension Rg 10 lors des variations de R1 consistera à commander la fermeture d'interrupteurs choisis parmi T21 à T2p jusqu'à aboutir à une combinaison de fermetures et d'ouvertures d'interrupteurs telle que la somme des courants dans les transistors dont les interrupteurs sont ouverts produisent une chute de tension R1 Il qui-équilibre exactement la chute de tension Rg 10. Selon une particularité de l'invention, on fait en sorte que la recherche de 11 équilibre se fasse par incrémentation du courant Il de manière monotone, c'est-àdire que l'on fermera successivement des interrupteurs adjacents, sans rouvrir les interrupteurs précédemment fermés, jusqu'à obtenir l'équilibre. il y aura alors une correspondance directe entre les numéros des interrupteurs fermés et la valeur de la résistance R1. On peut établir par ailleurs une correspondance binaire entre les numéros des interrupteurs fermés et une valeur numérique représentative de la résistance Rl donc de la position du curseur du. potentiomètre P1. On a intérêt dans ce cas à prévoir, lors de la construction du codeur selon l'invention, que les géo métries des transistors Tell, T12 .. 6 Tîp sont déterminées en fonction des positions intéressantes du curseur du potentiomètre P1 (ces positions correspondant à des valeurs de résistance R1 bien déterminées et le passage d'une position intéressante à une autre position intéressante immédiatement consécutive entrainant une modification de courant correspondant justement à l'adjonction d'un transistor Tli supplementaire dans le circuit). On voit que l'on a toute latitude pour établir une fonction de codage quelconque mais monotone entre des valeurs de résistance R1 et une valeur numérique de sortie du codeur. On peut mentionner ici qu'il est particulièrement souhaitable de prévoir que les géométries des transistors rlos servant d'interrupteurs (T21, T22... T2n) sont les mêmes ou dans les mêmes rapports que les géométries des transistors respectifs qu'ils commandent (Tll,...,lp) afin que la chute de tension qu'ils introduisent lorsqu'ils sont passants soit la même pour tous. De la même façon, il faut préciser maintenant le rôle du transistor T20 en série avec le transistor T10 constituant le générateur du courant 10: étant donné que des interrupteurs T21 à T2p sont prévus dans l'élément de régulation du courant Il et qu'ils produisent une chute de tension même lorsqu'ils sont dans l'état passant, on établit une chute de tension correspondante dans la branche du courant 1o grâce au transistor T20, conducteur en permanence (grille à V+). La géométrie de ce transistor T20 doit aussi être choisie dans le rapport convenable.Ces dispositions améliorent le phénomène de miroir de courant entre le transistor T10 et les transistors Tll à Tip De plus, on peut mentionner que l'élément de régulation de courant constitué par les transistors Tll à Tlp peut comprendre un transistor, tel que Tll mis en service en permanence pour laisser passer un courant de polarisation Il minimum.Dans ce cas, on conçoit que l'on n'a pas besoin d'un transistor fonctionnant en commutateur en série avec Tll. Cependant on garde malgré tout un transistor T21 polarisé en permanence dans son état conducteur par une tension V+ appliquée sur sa grille, ce transistor créant comme le transistor T20 une chute de tension éui- valente à celle des commutateurs T22 à T2p. La géométrie de T21 est choisie en conséquence. On va maintenant indiquer comment l'amplificateur différentiel commande successivement la mise en service des transistors T22, T23 etc.. jusqu'à obtenir l'équilibre. Cette fonction est réalisée par un circuit de comptage directement connecté à la sortie de l'amplificateur différentiel AD qui fournit un circuit d'autorisation ou d'arrêt de comptage selon le signe de l'écart entre les chutes de tension Rg 10 et R1 Il. Le circuit de comptage comporte, pour effectuer la fermeture successive des interrupteurs T22 à T2p, un compteur binaire C sur les sorties duquel est prélevée l'information numérique de sortie du codeur selon l'invention (sorties Q1 à QN) . Ce compteur comporte une entrée d'autorisation ou d'arrêt de comptage couplée à la sortie de l'amplificateur différentiel. il comporte aussi une entrée d'horloge destinée à établir le comptage, donc la fermeture successive des interrupteurs, à une fréquence fixe. Le circuit de comptage comprend en outre un élément jouant un rôle de décodeur et de registre, qu'on appellera registre-décodeur, qui reçoit les sorties Q1 à QN' et qui posséde p sorties commandant chacune un interrupteur de l'élément de régulation du courant Il ; le registre-décodeur fournit, pour un nombre m appliqué à ses entrées par le compteur, un signal sur les m premières sorties du registre-décodeur et un signal complémentaire sur les p - m autres. Autrement dit, si le contenu du compteur C est m, les interrupteurs T21 à T2m seront fermés et les interrupteurs Tm+l à T2p seront ouverts. Lors de l'incre- mentation d'une unité du compteur C, un interrupteur sup plentaire se fermera sans que les autres s'ouvrent, in crémentant donc ainsi d'une certaine quantité (dépendant du facteur de géométrie du transistor correspondant) le courant Il circulant dans R1. Le registre-décodeur comporte de préférence un décodeur D(4parmi p) constitué par une série de p portes recevant chacune les sorties du compteur binaire C et cablées de manière à délivrer chacune une sortie unique pour un compte déterminé du compteur C. Le registre-décodeur comprend également une partie qu'on peut appeler registre E qui comprend un ensemble de p transistors MOS en série, T31 à T3p, alimentés par une basse tension continue V+. Chaque sortie du décodeur D commande une grille d'un transistor T3i respectif et peut le bloquer ou le rendre conducteur selon l'état de la sortie correspondante du décodeur D. Plus précisemment, les sorties du décodeur 1 parmi p sont couplées, dans l'ordre de leur numérotation, à une grille d'un transistor MOS correspondant dans le même ordre de numérotation; ainsi, la sortie C1 du C2 la grille du transistor T32; etc; la sortie Cp au transistor T3p. Le décodeur V fournit, si le compteur C a un contenu m, une sortie Cm à zéro et toutes les autres à un. Ainsi, seul le transistor T3m sera bloqué, tous les autres étant conducteurs. Les sorties du registre E sont prises sur les drains des transistors T31 à T3p, après inversion dans des inverseurs respectifs Il I2.... ip'î. Chacune des sorties du registre, c 'est-à-dire des sorties de ces inverspeurs commande un interrupteur respectif T22 à T2p (le transistor T21 n'étant pas commandé pour conserver un courant de polarisation I1 en permanence). Le registre E a un fonctionnement très simple si le compteur C a un contenu m, le décodeur D désigne la sortie Cm, les transistors T31 à T3m mettent à la masse les entrées des inverseurs il à Im ; les transistors T3m+l à T3p mettent les inverseurs I' à Ip~l à V+. m+1 p-I Les inverseurs I'1 à I'p-1 inversent ces données. I1 en résulte que les m premiers transistors T12, T13.... etc, sont mis en service pour établir le courant et et les p - m autres sont mis hors service. Lorsque le compteur C incrémente son contenu d'une unité pour passer à m+l, un transistor de plus est mis en service. C'est donc le registre E qui établit, sous la commande du compteur C et du décodeur D, l'aspect monotone de la recherche de I1, étant bien entendu que la fonction monotone obtenue n'est pas forçément linéaire et dépend notamment des géométries relatives des transistors Tll à Tlp. Pour chaque position du curseur du potentiomètre P1, l'amplificateur- différentiel autorise le comptage du compteur C et donc la mise en service successive cumulée d'un certain nombre de transistors de l'élément 'de régulation du courant I1, jusqu ce que le courant soit tel que la chute de tension R1 I1 équilibre Rg lo Z alors, l'amplificateur différentiel arrête le comptage et on peut lire sur la sortie du codeur, c'çst- -dire sur les sorties du compteur C, une valeur numérique binaire correspondant au codage recherché de la position du curseur du potentiomètre P1. On a déjà mentionné qu'un des avantages de l'invention était de permettre d'avoir une alimentation Vg pas forçément constante et même éventuellement alternative pour les résistances Rg e. Rl, l'influence de cette tension étant éliminée du fait de la mesure ratiométrique de courants effectuée. Cependant, il est souhaitable, si la tension V0 est alternative, que la mesure soit faite lorsque VQ est à son maximum, c'est-à-dire par exemple pendant une fraction d'alternance positive de la tension autour du pic de cette alternance. On prévoit donc à cet effet un circuit de synchronisation S couplé à l'horloge de comptage du compteur C, pour définir une fenêtre d'alternance positive autour du pic de tension à chaque période du secteur, pour n'autoriser le fonctionnement de l'ensemble du décodeur, et en particulier du compteur C, cue dans la fenêtre définie par le circuit. REVENDICATIONS 1. Codeur numérique de position d'un curseur de potentiomètre, caractérisé par le fait qu'il comprend une résistance fixe (Ro) en série avec un élément servant à définir un courant de réference Io; une rdsis- tance variable R1 comprenant le potentiomètre (P1), en série avec une pluralité de générateurs de courant en parallèle (Tîî,T12..) chacun pouvant être mis en service par un interrupteur respectif (T21,T22..)chaque générateur de courant établissant un courant dans un rapport connu avec les autres et avec 10 et étant piloté par 10 pour suivre proportionnellement les variations de IO, les deux en-sembles en série mentionnés étant alimentés par une tension commune, le codeur comprenant encore un circuit de comptage (C,D,E) couplé aux interrupteurs pour commander successivement la fermeture de chacun d'eux, et un amplificateur différentiel (AD) dont les entrées sont reliées aux résistances pour déterminer le signe de l'écart entre les chutes de tension aux bornes des résistances fixe et variable, et pour fournir en conséquence au circuit de comptage un signal d'autorisation ou d'arrêt de comptage, la sortie du codeur étant prélevée dans le circuit de comptage. 2. Codeur numérique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément servant a définir le courant de référence comprend un transistor MCS (T10) à drain et grille reunis, et que chaque générateur de courant comprend un transistor MOS (Tll,T12..) ayant sa grille reliée à la grille du transistor MOS (T10). 3. Codeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément déLinissant le courant de référence comprend un autre transistor MOS, conducteur en permanence en série avec le premier 4. Codeur numérique selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que les transistors MOS des générateurs de courant ont, par rapport au transistor MOS dé; finissant le courant de référence, des coefficients choisis individuellement pour établir une relation particulière choisie entre les valeurs de résistance du potentiomètre et les nombres de sortie codés du codeur. 5. Codeur numérique selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la tension commune appliquée aux résistances- fixe et variable est une tension alternative du secteur. 6. Codeur numérique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le circuit de comptage comporte une autre entrée d'autorisation commande par un circuit de synchronisation (S) établiss nt un signal d'autorisation de fonctionnement du codeur pendant une fraction d'alternance positive de la tension du secteur, autour du pic de cette alternance. 7. Codeur numérique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le circuit de comptage comprend un compteur binaire (C) sur les sorties duquel est prélevée une information numérique de sortie du codeur, et un registre-décodeur (DE) recevant les sorties du compteur, et ayant p sorties commandant chacune un interrupteur du second élément de régulation de courant, le registredécodeur fournissant, pour un nombre m appliqué à ses entrées par le compteur, un signal sur les m premières sorties du registre-décodeur et un signal complémentaire sur les p - m autres. 8. Codeur numérique selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le registre-décodeur comporte un décodeur 1 parmi p (D) et un ensemble de transistors MOS en série, alimentés par une basse tension continue, les sorties du décodeur 1 parmi p étant couplées chacune, dans l'ordre de leur numérotation, à une grille d'un transistor MOS correspondant dans le même ordre, et les drains des transistors servant de sorties, éventuellement après inversion, au registre-décodeur. 9. Codeur numérique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérise par le fait que les interrupteurs sont constitués par des transistors MOS commandés par leur grille. 10. Codeur numérique selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les rapports entre les géométries des transistors MOS servant d'interrupteurs sont les mêmes que les rapports entre les géométries des transistors MOS servant de générateurs de courant.