Brevet FR2508177A1 — publié le 19821224

La présente invention concerne un montage pour la représentation d'une resistance de précision variable à l'aide d'au moins une résistance fixe variable. Des resistances de précision sont fréquemment utilisées en technique, par exemple pour l'étalonnage d'appareils de mesure et de régulation. La conversion de grandeurs physiques, telles que température, pression, humidité, course en angle, en une grandeur électrique mesurable directement presente un intérêt particulier. Des exemples sont fournis par la mesure de température à l'aide de sondes équipees de résistances sensibles à la temperature ou la conversion de pression, humidité ou déplacement en position angulaire d'un potentiometre. Pour permettre l'emploi d'un circuit de mesure et de régulation, le capteur et le système de saisie des valeurs mesurées doivent être précis et, par suite de la nécessité d'interchangeabilité des modules, ajustés indépendamment. La précision des instruments d'étalonnage utilisés doit être supérieure d'une classe au moins à celle du système employé. Lorsque le capteur est une résistance variable, son étalonnage est jusqu'à présent une opération croûteuse, qui ne peut être effectuée qu'avec des résistances de précision. Il existe pour chaque capteur des courbes d'étalonnage particulières, sous forme de tableaux. Pour étalonner un appareil, il est nécessaire de rechercher la grandeur physique sur le tableau correspondant, de lire la valeur de la résistance appropriee, puis de l'ajuster sur une résistance de precision. Cette opération est longue et entraîne facilement des erreurs de report. Des potentiomètres de precision sont par exemple des résistances de précision connues. La résistance entre les bornes de ces appareils dépend de l'angle de rotation ajusté sur l'axe du potentionetre. Le réglage angulaire peut être effectué a l'aide d'un montage de commande électronique. Un tel montage présente toutefois les inconvénients suivants. La résistance de potentiomètres bobinés varie brusquement d'une spire à l'autre. Cet inconvenient n'existe pas dans le cas de potentiomètres équipées de résistances a couches, mais le coefficient de température du matériau de telles résistances ne satisfait pas aux conditions requises. I1 est généralement impossible de fabriquer des potentiomètres avec une linéarité suffisante.Le reglage dlectroméca- nique de l'angle ne peut donc pas être effectue avec une précision suffisante. On connait par ailleurs des décades de précision. Elles sont constituées par de nombreuses résistances discrètes, différentes le cas échéant et que des organes de commutation permettent de connecter suivant les combinaisons les plus diverses, afin d'obtenir une résistance totale différente. Des conditions extrêmement sévères sont impo sées aux sélecteurs ou relais de commutation pour la production d'une décade de précision. Des résistances de précision sont en outre nécessaires en nombre éleve et doivent de plus faire l'objet d'un equilibrage précis individuel. Les contacts des commutateurs ou relais sont généralement sensibles à la corrosion, qui produit une variation de résistance.Une commande électronique de la valeur de la résistance serait certes possible a l'aide d'un organe de réglage électromécanique, mais est très coûteuse. L'invention a pour objet une résistance de précision ne comportant ni de nombreuses résistances équilibrées individuellement, ni un nombre correspondant d'organes de commutation, mais permet néanmoins prédétermination ou le réglage extrêmement fin d'une valeur de resistance précise. Une reproductibilité et une stabilité elvées de la valeur de résistance doivent être assurées, ainsi que la possibilité d'un réglage précis de la résistance à l'aide de l'information délivrée par un calculateur ou un microprocesseur. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, une prise, reliée à une première borne, d'une résistance de référence connectée à une source de tension de référence est reliée par une ligne de tension de référence à une entrée d'un convertisseur numérique-analogique commandé; la sortie du convertisseur numérique-analogique est reliée à un amplificateur de sortie, qui convertit le courant de sortie en une tension proportionnelle; et la sortie de l'amplificateur de sortie est reliée avec une prise de la ligne de tension de référence comportant une résistance à un amplificateur sommateur, dont la sortie est reliée à une seconde borne de façon que la résistance totale du montage entre la première et la seconde borne représente un multiple de la résistance de référence proportionnel au nombre binaire affiché sur le convertisseur numerique-analogique. Le principe de l'invention consiste, de préférence à l'aide d'une seule résistance de précision fixe, appelée résistance de référence, et d'un circuit comportant un convertisseur numérique-analogique commande par des nombres binaires différents, à former à la sortie de ce circuit une résistance totale qui représente un multiple de la résistance de référence fonction du nombre binaire prédéterminé, le terme "multiple" designant aussi bien des multiples entiers que des fractions décimales. Une telle résistance de précision est réalisable avec des composants relativement simples du commerce, comme l'indique la description détaillée ci-après. La condition essentielle est la disponibilité d'une résistance de référence, qui doit dans une large mesure correspondre au cas théorique de la loi d'Ohm. De telles résistances peuvent être produites. Comme le montrera un exemple numérique ultérieur, il est ainsi possible de réaliser une résistance réglable ou programmée qui, dans le cas d'un convertisseur numérique-analogique à 16 bits, est ajustable par bonds de 0,01 n entre in,00 et 655,35 n. De telles valeurs de résistance précises et ajustables avec une très grande finesse permettent d'effectuer des étalonnages et les opérations d'équilibrage les plus diverses avec une très-grande fiabilité. Le montage est réalisable sar.s pièces mécaniques, telles que des contacts de commutation, de sorte-qu'aucun vieillissement par corrosion n'est possible. Lorsque le montage comprend des orgar.es mécaniques, pour la commutation d'étendue de mesure par exemple, il peut être conçu de façon qu'une faible partie seulement de la résistance de contact des commutateurs intervienne. Il est possible pour des applications particulières de limiter l'imprécision à 10 ppm de l'étendue de réglage maximale, selon le dimensionnement du montage. Pour des applications générales, 30 ppm sont toutefois réalisables sans dispositions particulières quand on tient compte des propriétés des composants actuellement commercialisés. Pour des cas limites, il est possible de porter le pas ou la finesse à 1/250 000, par l'emploi d'un convertisseur N-A à 18 bits par exemple. Le montage selon l'invention permet aussi de réaliser des résistances négatives. Le montage selon l'invention est également utilisable comme étage d'entrée d'une sortie de potentiomètre, moyennant un faible appareillage supplémentaire. La position angulaire du curseur du potentiomètre est alors commandée. La résistance de sortie du curseur est extrêmement faible dans ce cas. La résistance ou la position angulaire du potentiomètre est commandée par une information numérique. Cette dernière se présente sous forme d'un nombre binaire qui détermine directement la résistance ou la position angulaire. La commande du convertisseur numérique-analogique peut être assurée de façon particulièrement avantageuse par un microprocesseur branché en amont du convertisseur numérique-analogique. Diverse. tableaux de linéarisation par exemple peuvent étr e mémorisés dans le microprocesseur, de sorte qu'un étalonnage peut s'effectuer directement en grandeurs physiques. Un tel appareil est utilisable comme circuit d'interface de toute installation de calcul. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente le schéma de principe du montage selon l'invention; la figure 2 représente le schéma détaillé correspondant à la figure 1; la figure 3 représente le schéma synoptique d'une source d'étalonnage complète, intégrant la résistance de précision selon figures 1 et 2 et comprenant en outre des sorties en courant et tension, qui sont également ajustables avec,precision à des multiples de valeurs de référence; la figure 4 représente le schéma détaillé du. montage de sortie en courant selon figure 3; et la figure 5 représente le schéma détaillé du montage de sortie en tension selon figure 3. Des bornes 1 et 2, servant à prélever la résistance R ajustée, sont représentées sur la figure 1. Une source de tension de référence, délivrant une tension de réference U1 extérieure, est reliée à la borne 1. Cette dernière est reliée a une résistance de réference 3, qui constitue l'élément essentiel de l'invention et dont un multiple est formé à l'aide des autres éléments du montage. Le courant I(x) circulant dans la résistance est mesurable électroniquement. La tension U(x) appliquée aux bornes 1 et 2 se calcule à l'aide du courant I(x) connu et de la résistance R prédéterminée. La tension x appliquée aux bornes est délivrée par une source de tension réglable. La relation connue selon la loi d'Ohm est applicable U(x) = I(x) . R (1) x La résistance de référence est réalisée en matériau Zeranin et présente un assez bon coefficient de température de 0,4 ppm/K. Le courant circulant dans le système circule intégralement dans la résistance de référence 3. La tension résultante est appliquée à un amplificateur 4 de gain 1/1. On obtient par suite U1 = U3 = R I(x) (2) La tension de sortie de l'amplificateur constitue la tension de référence Uref , qui est appliquée par un point de connexion 5 et une ligne 6 de tension de référence à une entrée 7 d'un convertisseur numérique-analogique 8 (CNA). Le CNA est un convertisseur à 16 bits, c'est-à-dire que le nombre maximal ajustable est de 2 - 1 = 65 535. Un tel convertisseur est par exemple commercialisé sous la référence DAC 9331-16 par la Société Hybrid-Systems. Une ligne de commande 9 à 16 conducteurs transmet le nombre binaire au CNA. La sortie 10 du CNA est reliée à un anplificateur de sortie 11. La tension proportionnelle au nombre binaire introduit, qui apparaît sur la sortie 12 de l'amplificateur 11, est Z est le nombre binaire ajuste. L'amplificateur de sortie 11 est relié par une résistance intermédiaire 13 et une ligne 14 à un amplificateur sommateur 15. Une prise 16 relie, par l'intermédiaire d'une résistance 17, le point due connexion 5 à la ligne 14 et par suite à la même entrée de l'amplificateur sommateur 13. La résistance intermédiaire 13 est par exemple de 30,0000 kfl, tandis que la résistance 17 est par exemple de 5,0000 kfl. D'autres résistances 18, 19 et 20 sont dimensionnées comme suit, dans l'ordre précité : 6,000; 10,0000 et 10,0000 kR. Par suite de ces données de dimensionnement, la tension U5 suivante apparaît sur l'entrée positive de l'amplificateur sommateur 15 Par suite des relations connues, on obtient ainsi I1 en résulte que par suite du CNA à 16 bits utilisé, la resis- tance de référence 3 Rref doit être dimensionnée avec précision à 3932,1 Su pour obtenir le pas souhaité de 0,01 Q. Le montage selon figure 1 représente ainsi une résistance programmable, ajustable avec précision entre 0,00 et 655,35 Q, avec un pas de 0,01 Q. Un dimensionnement modifié permet évidemment d'obtenir d'autres plages de résistance ou d'autres pas. Le CNA doit disposer d'une entrée de tension de référence, accessible de l'extérieur, comme le montre la figure. La tension de référence doit être selectable librement sur une large plage de +12 V par exemple. La precision de la tension de sortie U4 doit être meilleure que les conditions minimales, pour des tolérances de + 1,2 V. La tension de sortie U4 doit toutefois satisfaire à la fonction (3). Z est le nombre maximal ajustable, soit 65 535 dans le cas consi max derme. Le montage doit évidemment être équilibré pour assurer une précision maximale. Les dispositions d'equilibrage sont familières aux spécialistes et ne sont donc pas décrites ici. Les éléments de la figure 2 identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes repères, mais il convient de noter ce qui suit. Chaque entre de l'amplificateur de sommation 15 présente un gain de 1. L'amplificateur 4 est un suiveur en tension, qui transmet sous faible résistance la tension appliquée à la résistance de référence 3 à l'amplificateur sommateur. La même tension sert également de tension de référence Uref pour le CNA. Un inverseur 21 permet de relier au suiveur en tension ou amplificateur 4 une source de tension 22, qui délivre par exemple une tension fixe de 10 000 V. Cette tension de référence fixe est nécessaire pour les montages de sortie en courant ou tension décrits ci-après. Un autre inverseur 23 est prevu entre le point de connexion 5 et la ligne 6 de tension de référence; il permet, par un -blément inter médiaire 24, d'appliquer au choix la tension de référence Uref positive ou ndgative à l'entrée 7 du CNA, afin de produire des courants ou tensions de-sortie positifs ou négatifs et des resistances de sortie positives ou négatives. A partir de la tension de référence et du nombre binaire ajusté, le CNA delivre un courant de sortie que l'amplificateur de sortie 11 en aval convertit en une tension. Un interrupteur 25 permet de Com- muter le gain. Lorsque l'interrupteur 25 est fermé, la tension de sortie est de 1,6667 V pour une tension de référence de 10 V et Z = max 65 535. Le gain est multiplié par 10-quand l'interrupteur 25 est ouvert. La figure 2 est compréhensible à l'aide des symboles usuels les divers composants ne sont donc pas repérés. Sur la figure 3, les mêmes éléments portent de nouveau les mêmes repères. Mais il convient de noter ce qui suit. La sortie 12 de l'amplificateur de sortie 11 est reliée par une ligne 26 à un montage de sortie en courant 27 et un montage de sortie en tension 28 en parallèle, qui aboutissent à des bornes 27a, 27b ou 28a, 28b. D'autres détails sont décrits ci-après à l'aide des figures 4 et 5. Une tension de référence fixe est appliquée au CHA dès que l'inverseur 21 est basculé de la position représentée dans l'autre position, sur le contact 22a. Il est ainsi possible de prélever sur les bornes 27a/27b ou 28a/28b des courants ou tensions proportionnels au nombre binaire affiché sur le CAN. Le montage représenté définit une source d'étalonnage appropriée pour le courant, la tension et la résistance. Le montage délivre des tensions entre 65 mV et 10 V. La résolution est de 1 ;rj sur l'eten- due de 65 pV. Les courants sont compris entre 65 uA et 20 mA. La rBso- lution est de 1 nA sur l'étendue de 65 pA. La résistance est ajustable sur deux étendues comprises entre 650 n et 6,5 kD. La résolution est de 10 mfl sur l'étendue de 650 n. La figure 3 montre en outre qu'un microprocesseur 29 est branché en amont du CAN 8 et un bloc de commande 30 en amont du microprocesseur. Ce dernier est en outre relié à un convertisseur analogiquenumérique 31, en amont duquel est branche un capteur 33 de la tempéra- ture des bornes, par l'intermédIaire d'un amplificateur d'entree 32. Ces dispositifs additionnels permettent d'obtenir les résultats suivants. Le microprocesseur 29 convertit les valeurs ajustées du bloc de commande en nombres codés en binaire. Il est possible d'ajuster le système à la grandeur a mesurer (courant, tension, résistance) ou à la nature du capteur considéré. Des lignes de commande 34, aboutissant aux inverseurs précédemment décrits (inverseurs d'etendue), permettent 'en outre de commuter les étendues de mesure. Cette opération est effectuée par des signaux appropriés que délivre le bloc de commande 30. Des facteurs de correction peuvent être mémorisés dans le microprocesseur et permettre' par exemple d'effectuer un délinéarisation. Le capteur 33 permet de tenir compte de la température des bornes et par suite de délivrer une tension thermoélectrique rapportée à 0 OC. Le microprocesseur 29 produit en outre la sortie de la valeur numérique souhaitee vers le CAN 8. Dans le cas du montage de sortie en courant selon figure 4, il s'agit d'une source de courant constituee par un amplificateur d'en trée 35 (amplificateur hacheur), un amplificateur opérationnel 36 délivrant un niveau de tension suffisant, et un étage de sortie à transistors, résistant aux courts-circuits et non repéré. Une contreréaction porte sur les trois étages, de sorte que le montage complet correspond à un amplificateur opérationnel présentant les caractéristiques suivantes tension de décalage : 1 pV env., dérive : 10 nV/K env., tension de sortie > 10 V, courant de sortie > 20 mA. Les potentiomètres d'équilibrage permettent d'équilibrer le décalage et d'ajuster le gain précis. Les commutateurs d'étendue indiqués sont constitués par des relais. Le montage est dimensionné de façon délivrer selon besoin un courant de 65,535 UA, 655,35 uA ou 6,5535 mA sous une tension d'entrée de 1,6667 V. Le montage de sortie en tension selon figure 5 représente une source de tension qui, comme dans le cas de la figure 4, est équipée d'un amplificateur d'entrée 37 et d'un amplificateur opérationnel 38. Les commutateurs d'étendue sont de nouveau constitués par des relais. Le montage est dimensionné de façon à délivrer selon l'étendue une tension de sortie de 55535 mV, 655,35 mV ou 6,5535 V sous une tension d'entrée de 1,6667 V. La représentation de symboles univoques rend de nouveau inutile une description détaillée. Les courants ou tensions de mesure doivent être des courants continus ou des tensions continues. Il peut s'agir de tensions positives ou négatives. Un bruit est admissible. Les courants de mesure, de même que les tensions de mesure, ne doivent pas depasser certaines valeurs limites. Ils doivent en outre se situer sur une étendue déterminée pour obtenir la precision maximale possible. C'est ainsi par exemple que le rapport ImaX/Imin ne doit pas dépasser max min 10/1 environ. Un montage réalisé convenait pour des courants de 0,3 à 3 mA dans la résistance, par suite des valeurs adoptées pour le dimensionnement. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Montage pour la représentation d'une résistance de precision variable à l'aide d'au moins une resistance de référence fixe, carac térisé en ce qu'une prise (3a), reliée à une première borne (1), d'une résistance de référence (3) connectée à une source de tension de référence (U1) est reliée par une ligne (6) de tension de reférence à une entrée (7) d'un convertisseur numérique-analogique (8) commande; la sortie (10) du convertisseur numérique-analogique (8) est reliée à un amplificateur de sortie (11), qui convertit le courant de sortie en une tension proportionnelle (U4); et la sortie (12) de l'amplificateur de sortie (11) est reliée avec une prise (16) de la ligne (6) de tension de référence, comportant une résistance (17), à un amplificateur sommateur (15) dont la sortie (15a) est reliée à une seconde borne (2) de façon que la résistance totale du montage entre la première (1) et la seconde borne (2) représente un multiple de la résistance de référence (3) proportionnel au nombre binaire ajusté sur le convertisseur numérique-analogique (8). 2. Montage selon revendication 1, caractérisé en ce qu'une résistance intermédiaire 13, dont la valeur est un multiple de celle de la resistance (17) insérée dans la prise (16) de la ligne (6) de tension de référence, est disposée entre l'amplificateur de sortie (11) du convertisseur numérique-analogique (8) et l'amplificateur sommateur (15). 3. Montage selon revendication 1, caracterise en ce que le convertisseur numerique-analogique (8) est un convertisseur à 16 bits. 4. Montage selon revendication 1, caractérisé en ce que la sortie (12) de l'amplificateur de sortie (11) du convertisseur numerique- analogique (8) est connectée à un montage de sortie en tension (28) délivrant une tension de sortie variable, proportionnelle au nombre binaire imposé au convertisseur numerique-analogique (8). 5. Montage salon revendication 1, caractérise en ce que la sortie (12) de l'amplificateur de sortie (11) du convertisseur numériqueanalogique (8) est connectée à un montage de sortie en courant (27) délivrant un courant variable, proportionnel au nombre binaire imposé au convertisseur numérique-analogique (8). 6. Montage selon revendication 1, caractérisé en ce qu'un microprocesseur (29) est branché en amont du convertisseur numériqueanalogique (8) pour la commande.