Brevet FR2511783A1 — publié le 19830225

Générateurs de fonction à commande indépendante de la forme d'ondes et de la fréquence. La présente invention concerne de manière générale des générateurs de fonction, et plus particulièrement un circuit générateur de signaux triangulaires dont la forme est réglable à volonté. On connait bien les générateurs de fonc- tion dans la technique actuelle, et ils sont utilisés de ma- nière extensive pour engendrer des signaux triangulaires commandés en fréquence et qui peuvent être transformés en dif- férentes formes d'onde, par exemple, des ondes carrées, sinu- soidales, etc à des fins d'essai et de mesure Un problème associé à des générateurs de fonction de ce type connu est que la fréquence de sortie varie en même temps que la forme d'onde. En conséquence, de tels générateurs de fonction nécessitent un grand travail de réglage parce qu'il existe une interaction entre les commandes de fréquence et de forme d'ondes Dans les cas o l'on désire produire rapidement un signal de sortie de fréquence prédéterminé et de forme (ou de facteur d'utilisa- tion) prédéterminée, il est difficile d'obtenir les caracté- ristiques désirées du signal. Conformément à la présente invention, on prévoit un générateur de fonction, dans lequel, on peut commander de manière indépendante l'une de l'autre, la forme d'onde et la fréquence, sans aucune interaction entre ces deux commandes. On prévoit deux générateurs de courant pour charger et décharger un condensateur, afin d'engendrer une tension en triangle On prévoit deux convertisseurs numé- riques-analogiques à tension de référence commandable, afin de commander les générateurs de courant Des moyens de contrôle fournissent des données numériques appropriées au deux conver- tisseurs numériques-analogiques, pour permettre de faire va- rier la forme d'onde tout en maintenant la caractéristique de fréquence constante Il en résulte clairement que la fréquence 2 2 511783 et la forme d'onde du signal triangulaire de sortie peuvent être contrôlées indépendamment sans créer d'intéraction entre les deux commandes. C'est donc un objet de la présente invention de fournir un générateur de fonction perfectionné qui comporte des caractéristiques de fréquence et de forme d'onde qui peuvent commandées de manière irndépen- dante. Selon encore un autre objet de l'inven- tion, on fournit un générateur de fonction à commande numérique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, faite à titre illustratif en se référant aux dessins ci-annexés, sur lesquels la f ig- I est un schéma-bloc d'un géné- rateur de fonction usuel; la fig 2 est un schéma-montrant des détails d'un générateur de fonction de la technique antérieure; la f ig 3 est une courbe de l'amplitude en fonction du temps montrant les caractéristiques des signaux triangulaires; -la fig 4 est un schéma-bloc simplifié d'un générateur de fonction conforme à la présente invention -les fig 5 A et 5 B sont des schémas partiels montiant des générateurs de courant montant et descen- dant d'un générateur de fonction conforme à la présente inven- tion, et la f ig 6 montre les détails d'un con- vertisseur numérique-analogique utilisé dans la présente inven- tion. Sur la f ig 1 on voit un schéma-bloc d'un générateur de fonction usuel destiné à engendrer un signal tri- angulaire On a estimé utile de décrire des générateurs de fonction de la technique antérieure afin de fournir une meilleu- re compréhension de la présente invention Les courants de -3 -2511783 sortie 1 U et ID fournis par une source de courant 10 et un dissipateur de courant 12, sont acheminés de manière alterna- tive à un condensateur 16 par l'intermédiaire d'un commutateur 14 commandé par un circuit 20 de commande du commutateur La ten- sion aux bornes du condensateur 16 est amenée à la borne de sortie 22 par l'intermédiaire d'un amplificateur intermédiaire 18. Le signal de sortie de l'amplificateur intermédiaire 18 est également appliqué au circuit 20 de commande du commutateur. Ce circuit fonctionne de la manière sui- vante Si l'on suppose que le commutateur 14 est au départ dans sa position supérieure de manière à fournir le courant IU, afin de charger de manière linéaire le condensateur 16, on décrit la partie croissante de la forme d'onde triangulaire Lors- que la tension borne du condensateur 16 atteint un niveau de seuil supérieur de tension Vu, le circuit 20 de commande du commutateur branche le commutateur 14 dans sa position basse, ce qui fait passer le courant ID en provenance du condensateur 16; il en résulte que l'on décrit la partie décroissante du signal triangulaire L'opération ci-dessus se répète lorsque le signal triangulaire atteint un niveau de seuil bas VL. La fig 2 est un schéma détaillé d'un générateur de fonction usuel La source de courant 10 ' est cons- tituée de transistors 24 et 26 dont les bases sont reliées cha- cune à la sortie d'un amplificateur opérationnel 28 Les émet- teurs des transistors 24 et 26 sont reliés respectivement à travers des résistances 34 et 36 aux extrémités opposées d'un potentiomètre 32 dont le curseur est relié à une source de ten- sion positive L'amplificateur opérationnel fonctionne de ma- nière à comparer la tension d'émetteur du transistor 26 relié à l'entrée d'inversionde l'amplificateur opérationnel 28 avec la tension de référence commandable fournie par le potentio- mètre 30 et appliquée à la l'entrée directe de l'amplificateur opérationnel 28 Le courant du collecteur du transistor 24 représente le courant de charge IU de la fig 1 alors que le courant du collecteur du transistor 26 est utilisé pour 3 - commander le circuit symétrique de courant 12 ' destiné à en- gendrer le courant de décharge ID Le circuit de courant symé- trique ou image 12 ' est constitué par trois transistors 38, 40 et 42, et deux résistances 44 et 46 La jonction collecteur- émetteur du transistor 42 et la résistance 46 sont reliées en série entre le collecteur du transistor 26 et une source de tension négative Le courant de collecteur du transistor 38 représente le courant de décharge I D Le commutateur 14 est constitué par un pont de diodes comprenant quatre diodes a à d Pendant le fonctionnement, les transistors 24 et 26 condui- sent de manière égale lorsque le curseur du potentiométre 32 est réglé à sa position centrale En choisissant des résistances identiques pour les résistances 44 et 46, le courant de collec- teur du transistor 26 est reproduit de manière précise à par- tir de celui du collecteur de transistor 38 De ce fait IU est égal à ID dans ces conditions Lorsque le tension d'entrée à la borne d'entrée 23 est relativement élevée, les diodes a et d sont conductrices et les autres diodes b et c sont bloquées Le courant de charge IU est de ce fait fourni au condensateur 16 alors que le courant de décharge ID est dérivé vers la borne d'entrée 23 Comme décrit plus haut en référence à la figi 1, la partie croissante de la forme d'onde triangulaire continue (voir la période t O t 2 de la fig 3) jusqu'à ce que la tension atteigne la valeur Vu à l'instant t 2; à cet instant le commtuta- teur 14 est basculé di X fait de 11 diminution de la tension d'entrée à un niveau relativement bas Les diodes b et c de- viennent conductrices, alors que les diodes a et d sont blo- quées, ce qui engendre la partie décroissante (période t 2-t 4 de la fig 3) du signal triangulaire Si l'on considère que C représente la capacité du condensateur 16, les-périodes (t O -t 2) et t 2-t 4) sont données respectivement par les ex- pressions suivantes: T 1 = t 2-t O = Iv( 1) I u T t -t -v C 2 2 4 2 ID ( 2) T 1 + T 2 I + I) CV ( 3) 1 2 IU ID 11783 -5 _ On comprend maintenant que la période totale du signal triangulaire est une fonction C, V, IU et ID. La formule ( 3) suggère que la période est proportionnelle à la capacité C Les courants I et I sont commandés par le U D potentiomètre E 30 La période T est inversement proportionnelle aux courants I et ID En d'autres termes, la fréquence de sor- tie augmente lorsque ces courants IU et ID diminuent par change- ment de la tension de référence appliquée à l'entrée directe de l'amplificateur opérationnel 28 en passant d'une valeur élevée à une valeur faible. La forme du signal triangulaire de sortie peut être commandée dans une certaive gamme limitée en comman- dant le potentiomètre 32 On augmente IU et on diminue ID lors- que l'on déplace le curseur du potentiomètre 32 vers la droite en partant de sa position centrale De manière similaire IU di- minue et ID augmente lorsque le curseur se dirige vers l'extré- mité gauche. On comprendra mieux maintenant la présen- te invention grâce à la description suivante faite en référence aux figures 4, 5 A et 5 B. La fig 4 est un schéma-bloc simplifié d'un générateur de fonction conforme à la présente invention. La source de courant 10 " et l'absorbeur de courant 12 " comprennent respectivement des convertisseurs numériques-anal ogi ques 52, 54, destinés à la commande de forme d'ondes et qui reçoivent des signaux de sortie numériques d'un micro-processeur 50 Les convertisseurs numériquesanalogiques 52 et 54 peuvent être de toute réalisation usuelle, mais, il est préférable de dis- poser de convertisseursprésentant une résolution de 10 éléments binaires ou plus de manière à avoir une commande plus fine. Les convertisseurs 52 et 54 fournissent des tensions de sortie correspondant à l'entrée numérique de chaque convertisseur Par exemple, le micro-processeur calcule des entrées numériques ap- propriées pour les convertisseurs 52 et 54 en fonction des données enegistrées par l'utilisateur par l'intermédiaire du 6 '2511783 clavier 51 en vue d'obtenir une forme symétrique ou un rapport prédéterminé entre les périodes montante et descendante du si- gnal triangulaire Il y a lieu de noter que les entrées numéri- ques des convertisseurs 52 et 54 sont calculées de telle maniè- re que la valeur( 1 I 1) reste constante. I + ID U Un signal de commande de la fréquence est appliqué par l'intermédiaire d'une borne 27 à la borne d'entrée de la tension de référence des convertisseurs 52 et 54 Ce signal de commande de la fréquence peut être initialement sous la for- me d'un signal numérique et être ensuite converti en un signal analogique avant d'être appliqué à la borne 27 Comme cela res- sortira mieux de la description des figures 5 A et 5 B, ce signal de commande de la fréquence Vref commande la tension d'incrémen- tation des convertisseurs 52 et 54. Les figures SA et 5 B sont des schémas de modes de réalisation préférés de la source de courant 10 " et de l'absorbeur de courant 12 " de la fig 4 respectivement. La figure 6 est un schéma des convertis- seurs numériques-analogiques 52 et 54. La fig 5 A montre un mode de réalisation préféré de la source de courant 10 " qui comprend, parmi d'autres composants passifs qui leur sont associés, un convertisseur numé- rique-analogique 52, un registre à décalage 56, des amplifica- teurs opérationnels 58 et 62, et un transistor P N P 64 Le convertisseur 52 peut être un convertisseur de multiplication à dix éléments binaires tels que le modèle AD 7 533 commercialisé par la Société ANALOG DEVICES Comme cela est représenté de ma- nière symbolique sur la fig 6, un convertisseur numérique-analo- gique destiné à être utilisé comme convertisseur 52 comporte des résistances Rs 1, Rs 2 Rsn reliées en série entre la masse et une borne Vref à laquelle est appliquée la tension de réfé- ref rence commandée citée ci-dessus Vref, à partir de la borne de commande de fréquence 27 de la fig 4; ce convertisseur comporte également des résistances shunt Rpl, Rp 2 Rpn reliées à cha- que noeud des résistances série Rs, ainsi que des interrupteurs -7- électroniques 51, 52, "' Sn, reliés en série avec les résis- tances shunt R Ces interrupteurs électroniques S peuvent être p des interrupteurs réalisés avec la technique C MOS, et ils sont commandés par les données numériques de sortie du registre à décalage 56 qui présente une possibilité de verrouillage Les données numériques sont transmises aux convertisseurs à partir du micro-processeur 50 par l'intermédiaire d'un bus de données de manière conventionnelle. Une borne de sortie I du convertis- out i seur 52 est reliée à l'entrée d'inversion de l'amplificateur opérationnel 58 alors que l'autre borne de sortie Iout 2 est mise à la masse La sortie de l'amplificateur 58 est ramenée à l'en- trée de réaction RFB du convertisseur 52; comme on peut le voir fig 6, cette borne R FB est reliée à la borne Iout 1 par l'inter- médiaire de la résistance de réaction Rf L'entrée directe de l'amplificateur 58 est mise à la masse La résistance d'entrée d'un autre amplificateur opérationnel 62 est également relié à la borne de sortie de l'amplificareur opérationnel 58; ce deuxième amplificateur opérationnel 62 reçoit une tension posi- tive de référence provenant d'un diviseur à résistance compre- nant les résistances 61, 63 et 65 La sortie de l'amplificateur 62 est envoyée sur un transistor source de courant 64, dont l'émetteur est relié par l'intermédiaire de la résistance de réaction 66 à l'entrée d', nversiân de l'amplificateur 62, l'émetteur du transistor 64 est également relié par l'intermé- diaire de la résistance 68 à une source de tension positive régulée et le collecteur de ce transistor 64 fournit le courant de sortie IU. Lors du fonctionnement, le courant de sortie Ioutl du convertisseur 52 dépend des données numériques provenant du registre à décalage 56 C'est-àdire que tous les interrupteurs 51 à Sn sont dans leur position à gauche de manière à acheminer les courants équilibrés binaires corres- pondant à la borne de sortie Ioutl lorsque toutes les données numériques provenant du registre 56 sont des "un" logiques -8 2511783 Tout courant correspondant à des données numériques O est ache- miné à la borne de sortie Iout 2 * Il y a lieu de noter que le courant provenant de Ioutl est représentatif des données numé- riques transmises au convertisseur 52, et dépend également de la tension de référence Vf Un tel courant de sortie I est ref' outli envoyé à travers la résistance de réaction Rf, de manière à créer unetension de sortie négative correspondante à partir de l'amplificateur 58, sous l'action de ce dernier Une telle ten- sion de sortie est amplifiée ensuite par l'amplificateur opéra- tionnel 62, de manière à créer la tension d'émetteur du tran- sistor 64 et, à son tour, le courant de sortie Iu. L'absorbeur de courant 12 " de la fig 5 B est similaire à la source de courant 10 "; cependant, lorsque cela est nécessaire, les polarités sont inversées Les diffé- rences essentielles comprennent l'utilisation d'un transistor 78 NPN au lieu d'un transistor 64 PNP et le branchement direct de l'amplificateur opérationnel 76 L'absorbeur de courant 12 " fonctionne essentiellement de la même manière que la source de courant 10 " Pour assurer un fonctionnement similaire, on utili- se des composants passifs ayant des valeurs électriques identiques dans l'absorbeur de courant 12 ", et ils sont repérés par les mêms références numériques comportant le symbole ' Il en ré- sulte que la source de courant 10 " et l'absorbeur de courant 12 " fonctionnent respectivement de manière à fournir des courants TU et ID de même amplitude, à partir des bornes 70 et 80, lors- que l'on applique des données numériques identiques aux conver- tisseurs 52 et 54. Les registres à décalage 56 et 72 peuvent être constitués par trois registres à décalage/chargement à huit étages, reliés en cascade, tels que ceux connus sous les réfé- rences MC 14094 B commercialisés par la Société MOTOROLA, si l'on utilise comme micro-processeur 50 un micro-processeur à huit éléments binaires Dans un tel exemple, un premier registre re- çoit des données numériques en format série à son entrée de don- nées Ces données sont transférées au second et au troisième registre à décalage de manière séquentielle. En d'autres termes, toutes les données nécessaires sont chargées lorsque l'on applique trois mots de huit éléments binaires à l'entrée de données du premier registre à décalage Tous les éléments binaires de données du troisième registre à décalage et les deux derniers éléments binaires du second registre à décalage sont utilisés pour constituer les données numériques d'entrée à dix éléments binaires envoyées au convertisseur 54 Les six autres éléments binaires du deuxième registre à décalage et les quatre derniers éléments binaires du premier registre à décalage sont utilisés pour constituer les données numériques à dix éléments binaires envoyées à l'entrée du conver- tisseur 52 Les quatre éléments binaires restant des données du premier registre à décalage, peuvent être utilisés pour comman- der des interrupteurs de sélection de condensateur de synchronisa- rion 16 présentant des capacités différentes. Comme on peut le voir sur la fig 3, et comme cela ressort de la relation ( 3) précitée donnant la période totale du signal triangulaire, il faut que les deux courants IU et ID satisfassent tous les deux à la relation suivante, quelle que soit la forme d'onde choisie Constante Ul Dl 'U 2 'D 2 I Un Dn Lorsque l'on a introduit la fréquence et la forme d'onde désirées dans le micro-processeur 50 par l'intermé- diaire du clavier 51, la tension de référence convenable Vref>e:st calculée et appliquée à la borne 27, ce qui détermine la période T du signal triangulaire De même, le micro-processeur 50 calcule l'amplitude des courants nécessaires I et ID en se basant sur la relation ( 4) cidessus On obtiendra le signal triangulaire ayant la fréquence et la forme d'onde ainsi définie en fournissant ces données aux convertisseurs 52 et 54. Une autre manière de réaliser la commande de la forme d'onde sans changer la fréquence est d'utiliser une technique à base de boucle de réaction à verrouillage de phase. C'est-à-dire que le niveau de tension à l'instant t 4 de la fig 3 est échantillonné par des moyens d'échantillonnage à chaque 2511783 période T et cet échantillon est comparé avec le niveau de seuil bas VL On augmente le curant I U ou le courant ID ou cesdeux courants si la tension échantillonnée est supérieure à la valeur VL Au con- traire, on diminue le courant IU ou le courant ID ou les deux si la tension triangulaire atteint la valeur VL avant l'instant t 4. On obtient un état d'équilibre lorsque la tension échantillonnée est égale à la valeur VL. Comme cela ressort de la description qui vient d'être donnée, conformément à l'invention, on utilise deux convertisseurs numériques-analogiques à tension de référence conwnan- dable, afin de commander les courants U et ID destinés à charger et à décharger un condensateur La tension de référence est utili- sée pour déterminer la fréquence de sortie, ceci en combinaison avec la sélection de différents condensateurs, si l'on désire avoir une gamme de fréquence plus large Les moyensde commande fournissent des données numériques appropriées aux deux convertis- seurs numériques-analogiques, afin d'obtenir la forme d'onde dési- rée, tout en maintenant la valeur 1 + 1 constante. U D Il en résulte clairement que l'on peut commander de manière indépendante la fréquence et la forme d'onde du signal triangulaire de sortie sans créer d'interaction entre les deux commandes. La description ci-dessus n'a été fournie qu'à titre d'exemples nullement limitatifs, et il est évident que l'on peut y apporter des modifications ou variantes sans pour au- tant sortir de la présente invention. REVENDICATIONS 1 ) Générateur de fonction comprenant une source de courant, un circuit absorbeur de courant, un conden- sateur pouvant être relié à ladite source de courant et audit circuit absorbeur de courant, de manière à être chargé et déchar- gé alternativement afin de produire un signal de tension trian- gulaire, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande ( 27, 50, 51, 52, 54, 56, et 72) reliés à ladite source de cou- rant ( 10 ', 10 ") et audit circuit absorbeur de courant ( 12 ', 12 ") en vue de faire varier les courants produits par ces deux circuits en maintenant la somme des inverses desdits courants constante, de manière à réaliser une forme d'onde pouvant être commandée indépendamment de la fréquence. 2 ) Générateur de fonction selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle ( 27, , 52, 54, 56 et 72) comprennent des moyens ( 50,51,56, et 72) pour produire des données de commande numérique à la source de courant précitée ( 10 ',10 ") et au circuit absorbeur de courant précité ( 12 ',12 "), lesdites données numériques étant converties en signaux analogiques par des moyens de conversion numériques- analogiques ( 52,54), afin de réaliser une commande précise des dits source de courant ( 10 ',10 ") et circuit absorbeur de courant ( 12 ',12 ") 3 ) Générateur de fonction selon la reven- dlcatiorn 2, caractérisé en ce que esdits moyens de production de données de commande numériques comprennent un V'k\o-,processeur ( 50). 11 -