Brevet FR2520953A1 — publié le 19830805

CONVERTISSEUR TENSION-FREQUENCE A HAUTE STABILITE La présente invention concerne des convertisseurs tension-fréquence, c'est à dire des circuits qui fournissent un siqnal de sortie oscillant ayant une fréquence représentative de la grandeur d'un siqnal de tension d'entrée Ces circuits sont par exem Dle couramment utilisés pour effectuer une conversion analogique-numérique. Les convertisseurs tension-fréquence de type connu sont essentiellement constitués d'un intégrateur, d'un comparateur, d'un circuit de commande et d'une source d'impulsions telle qu'un circuit monostable. La tension d'entrée est appliquée à l'intégrateur, dont le signal de sortie est comparé à une valeur de seuil Dar le comparateur Chaque fois que le seuil est dépassé, le comparateur envoie un sional au circuit de commande qui déclenche alors le circuit monostable pour fournir à l'intégrateur une impulsion de retour ou contre-réaction, opposée au signal d'entrée La fréquence instantanée à laquelle les impulsions de retour doivent être fournies pour maintenir le signal de sortie de l'intégrateur en-dessous du seuil dépend de l'amolitude de la tension d'entrée, et fournit donc une indication numérique de cette amplitude. Comme il n'y a pas d'horloge indépendante commandant l'instant d'apparition de chacune des impulsions de retour, l'obtention d'un haut degré de précision ne pose pas le problème de choisir entre une cadence d'horloge très élevée (nécessitant des circuits spécialisés et une -2- 1 conception délicate) et une faible vitesse de conversion En outre, l'utilisation d'une fréquence d'horloge fixe ne provoque pas de bruit Ae quantification Cependant, la précision de la conversion dépend de la nrécision du circuit de base de temps nui prend généralement la forme d'un condensateur incorporé dans le circuit monostable et déterminant la laraeur de l'impulsion de retour. En conséquence, la précision n'est généralement pas supérieure à 0,1 % 1 % Bien que cela soit suffisant pour de nombreuses applications, dans certaines circonstances comme par exemple pour la télémétrie des signaux de mesure dans des systèmes de transmission d'électricité et de contrôle de processus, une précision supérieure et une vitesse de conversion élevée sont nécessaires. Selon l'un de ses aspects, l'invention concerne un convertisseur tensionfréquence conçu pour fournir un signal de sortie oscillant avant une fréquence représentative de la valeur d'un signal de tension d'entrée, par intégration d'imoulsions à ladite fréquence, en opposition audit signal d'entrée, caractérisé en ce que la largeur de ces imnulsions est commandée de façon qu'elle conserve une relation prédéterminée avec la largeur d'impulsions de référence provenant d'une source d'horloge de référence. Selon un autre aspect de l'invention, il est fourni un convertisseur tension-fréquence comprenant des moyens d'intégration agencés pour recevoir un signal de tension d'entrée, des movens comparateurs 3- 1 agencés pour comparer le signal de sortie desdits moyens d'intégration avec une valeur de seuil prédéterminée, et des movens aqencés Dour fournir aux moyens d'intégration des impulsions de retour en opposition audit signal de tension d'entrée, à une fréquence telle que le sianal de sortie des moyens d'intégration conserve une relation prédéterminée par rapport à ladite valeur de seuil, caractérisé en ce qu'il comnorte des moyens d'horloge agencés pour fournir des impulsions de référence, et un second comparateur agencé cour comparer lesdites impulsions de retour et lesdites impulsions de référence et Pour commander les moyens fournissant les impulsions de retour de façon à conserver une relation prédéterminée entre la largeur desdites impulsions de retour et la larqeur desdites impulsions de référence. La présente invention permet de contrôler et de stabiliser la largeur des impulsions de retour, améliorant ainsi la précision de l'opération de conversion sans introduire de bruit de quantification provenant de l'horloge qui fournit les imoulsions de référence. On décrit ci-dessous, à titre d'eyem Dle, un convertisseur tensionfréquence de l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: La fig 1 est un diagramme sous forme de blocs du convertisseur; et La fig 2 est un diagramme de circuit détaillé représentant l'un des modes de réalisation du convertisseur. 1 Si l'on se réfère à la fia l un sianal de tension d'entrée à mettre sous forme numérique, de manière que son amplitude soit renrésentée nar la fréquence d'un autre signal, est appliaqué à une borne d'entrée 10 Cett borne d'entrée est reliée par l'intermédiaire d'une résistance 12 à l'entrée d'un intégrateur 14, comprenant un amnlificateur opérationnel avec rétroaction capacitive La sortie de l'intégrateur 14 est r'liée à l'une des entrées d'un comparateur 16, dont l'autre entrée reçoit une tension de seuil T Le comparateur 16 fournit à son tour un signal de sortie à un premier circuit logique 18 qui peut déclencher un circuit monostable 20 par l'intermédiaire d'un conducteur 22 Ce conducteur 22 est éqalement relié à une borne de sortie 24 du convertisseur La sortie du circuit monostable 20 est reliée à la borne de commande d'un commutateur 26 (représenté dans ce cas sous forme d'un transistor MOS commndaé par l'intermédiaire de sa base) qui fournit à l'entrée de l'intégrateur 14 une tension de référence positive V+ par l'intermédiaire d'une résistance 28. Le fonctionnement du circuit décrit jusqu'ici est tout à fait classique En conséquence, en supposant que le signal de tension d'entrée est néqatif, (ou qu'un signal d'entrée bipolaire est abaissé de façon appropriée à cet effet), la tension de sortie de l'intégrateur 14 s'élè 1 ve à une vitesse qui dépend de l'amplitude du signal d'entrée Lorsque cette tension de sortie atteint la valeur de seuil T, le comparateur 16 délivre un signal au circuit logique 18 qui déclenche, alors le circuit 1 monostable 20 Ce circuit ferme ensuite 1 commutateur 26 pendant un temps déterminé par la' durée de son état quasi-stable, provoquant ainsi l'émission d'une impulsion de retour ou contre-réaction de durée correspondante et ayant une amplitude de V+ volts appliquée à l'entrée de l'intéqrateur 14 Comme cette impulsion de retour est de polarité opposée au signal d'entrée, elle a pour effet de réduire la tension de sortie de l'intéqrateur 14 En outre, le circuit 18 continue à déclencher le circuit monostable 20 de façon que les impulsions de retour soient appliquées à l'intégrateur 14 en nombre suffisant pour équilibrer l'intégrale du signal d'entrée et maintenir ainsi la tension de sortie de l'intégrateur 14 à une valeur inférieure ou égale à la tension seuil T Par conséquent, la cadence à laquelle le circuit monostable 20 est déclenché, et, donc, la fréquence de répétition des impulsions apparaissant à la borne de sortie 24, dépend de l'amplitude de la tension d'entrée appliquée à la borne d'entrée 10. La précision de la relation liant l'amplitude du signal d'entrée à la fréquence du signal de sortie dépend en particulier de la stabilité et de la quantité de charge, ou intégrale, appliquée par chaque impulsion de retour à l'intégrateur 14 La quantité de charqe est elle-même reliée à l'amplitude (définie par la tension de référence V+) et à la largeur des impulsions de retour. 6 - 1 Afin de stabiliser la largeur des impulsions de retour, le circuit monostable 20 comporte une seconde entrée 30 au moyen de laquelle on peut contrôler la durée de sa période quasi-stable. Cette entrée 30 est reliée à la sortie d'un second intégrateur 32 qui reçoit des siqnaux d'entrée, par l'intermédiaire de résistances 34 et 36, provenant de deux commutateurs 38 et 40 (éaalement représentés sous forme de transistors MOS) Le premier de ces deux commutateurs, le commutateur 38, est connecté de façon à recevoir les mêmes impulsions de retour que celles qui sont appliquées à l'intégrateur 14 par le commutateur 26 L'autre commutateur 40 est connecté de façon à recevoir des impulsions de référence provenant d'une horloqe 42 comportant une source de fréquence à cristal 44 et alimentée par une tension de référence néqative V-. La valeur de cette tension de référence par rapport à la tension de référence positive V+ dépend du choix d'autres paramètres concernant l'horloge 42; sa polarité doit être telle que les impulsions de référence aient une polarité opposée à celle des impulsions de retour Les bornes de commande des commutateurs 38 et 40 sont connectées à un second circuit logique 46 qui reçoit les siqnîux pro Venant du premier circuit logique 18 et des impulsions de référence provenant de l'horloge 42 - Chaque fois que le circuit logique 18 déclenche le circuit monostable 20, il envoie un signal correspondant au circuit logique 46 Ce circuit 46 sélectionne certaines des impulsions de retour correspondantes (par exemple chaque impulsion, ou -7- 1 une impulsion toutes les 10 impulsions) et les applique à l'entrée du second intégrateur 32 par fermeture du commutateur 38 Pour chacurf des impulsions ainsi sélectionnées, le circuit logique 46 sélectionne et applique également une et une seule impulsion de référence au second intégrateur 32, au moyen du commutateur 40 Toute variation de la charge fournie par les deux impulsions de polarités opposées provoque une variation de la tension de sortie de l'intégrateur 32 Le circuit monostable 20 est agencé pour répondre à cette tension su son entrée 30 en faisant varier la durée de sa période quasi-stable de façon à réduire la différence entre les charoes fournies par les 2 impulsions comparées par l'intéQrateur Comme les impulsions de référence sont obtenues a partir de la tension de référence V et de la source de fréquence à cristal 44, leur amplitude et leur laraeur sont stables de sorte que la quantité de charge que chacune d'elles fournit à l'intéqrateur 32 est la même En conséquence, la largeur de l'impulsion de retour est commandée par l'intégrateur 32, de telle manière que ces impulsions fournissent également la même quantité de charge à l'intégrateur 14 et à l'intéqrateur 32. Cependant, en choisissant par exemple de façon appropriée la valeur de la constante de temps de l'intégrateur 32, on peut faire en sorte que la fréquence de l'horloge 42 n'affecte pas de façon significative le libre parcours du sianal impulsionnel apparaissant à la borne de circuit 24. 1 Un diagramme de circuit détaillé de l'un des modes de réalisation du convertisseur est représenté sur la fig 2, sur laquelle les composants correspondant de manière générale aux fonctions du circuit représenté sur la fig 1 ont été désianés par les mêmes chiffres de référence, mais augmentés de 100. Si l'on se réfère à la fig 2, un régulateur 100 fournit la tension de référence V+, à partir de laquelle on obtient la tension de référence V au moyen d'un inverseur 101 Le siqnal de tension d'entrée est fourni par l'intermédiaire de la borne d'entrée 110 et de la résistance 1 l 12 lkintégrateur 114, dont la tension de sortie est contr 8 ôlée par le comparateur 116 La sortie du comparateur 116 est connectée à 1 entrée de validation d'une bascule RS 102 oui est en fait constituée par le circuit logique 118 et aui fait également partie du circuit monostable 120 Lorsque cette bascule 102 passe au niveau haut, sa sortie Q valide un commutateur 126/138 (dans lequel les fonctions des commutateurs 26 et 38 de la fig 1 sont combinées) et désactive un autre commutateur 103 Le commutateur 126/138 fournit l'impulsion de retour par l'intermédiaire de la résistance 128 à l'intégrateur 114 et par l'intermédiaire de la résistance 134 à l'intégrateur 132, alors que le commutateur 103 interrompt un court-circuit du condensateur 104 du circuit mornostable 120 La tension aux bornes de ce condensateur 104 commence donc à s'élever à une vitesse déterminée par le courant fourni par une source de courant réglable 1 105 Un comparateur 106 contrôle cette tension et, lorsqu'elle atteint le seuil de ce comparateur, ramène la bascule 102 dans son état initial, provoquant ainsi la fin de l'impulsion de retour. La borne de sortie 124 est connectée à la sortie Q de la bascule 102. La sortie Q de la bascule 102 est également reliée à l'entrée d'horloge d'une première bascule 107 de type D dont l'entrée D est reliée au niveau logique 1 En conséquence, lorsque la bascule 102 est déclenchée, la sortie Q de la bascule 107 de tvpe D applique un signal au niveau logique 1 à l'entrée D d'une seconde bascule de tvoe D 108 L'entrée d'horloge de la bascule 108 reçoit les impulsions de référence provenant de l'horloge 142 et sa sortie Q est renvoyée à l'entrée de remise à l'état initial de la bascule 107 de façon que cette bascule 107 soit remise dans son état initial à l'arrivée de l'impulsion de référence suivante Par conséquent, il n'apparaîtra qu'une et une seule impulsion de référence à la sortie inversée Q de la bascule 108 (dans ce cas particulier, l'impulsion de référence comprend un cycle complet du signal fourni par l'horloge 142). La sortie Q inversée de la, bascule 108 de type D commande le commutateur 140 qui fournit ainsi l'impulsion de référence à l'intéqrateur 132 par l'intermédiaire de la résistance 136 La sortie de l'intégrateur 132 est reliée à la source de courant de façon à commander sa conductivité et à faire varier la vitesse à laquelle le condensateur 104 se - 1 charge, faisant ainsi varier la durée de l'état quasi-stable du circuit monostable 120. il - REVENDICATIONS 1. Convertisseur tension-fréquence conçu pour fournir un signal de sortie oscillant (en 24) dont la fréquence est représentative de l'amplitude d'un signal de tension d'entrée (en ), par intégration d'impulsions à ladite fréquence, en opposition audit signal de tension d'entrée, caractérisé en ce que la largeur desdites impulsions est commandé de façon qu'elle conserve une relation prédéterminée avec la larqeur d'impulsions de référence provenant d'une horlone de référence ( 42). 2. Convertisseur tension-fréquence comorenant des moyens d'intégration ( 14) acencés pour recevoir un signal de tension d'entrée, un comparateur ( 16) agencé pour comparer le siqnal de sortie desdits moyens d'intégration avec une valeur de seuil prédéterminée (Tl, et des moyens ( 18, 20, 26, 28) agencés pour fournir auxdits moyens d'intégration des impulsions de retour en opposition audit signal de tension d'entrée à une fréquence telle que le signal de sortie de l'intégrateur conserve une valeur prédéterminée par rapport à ladite valeur de seuil, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'horloae ( 42) agencés pour fournir des impulsions de référence, un second comparateur ( 32, 34 36, 38, 401 agencé pour comparer lesdites impulsions de retour avec lesdites impulsions de réf 4 rence et pour réguler les 12 - moyens fournissant les impulsions de retour de façon à conserver une relation Drédéterminée entre la largeur desdites impulsions de retour et la largeur desdites imoulsions de référence.