Brevet FR2542450A1 — publié le 19840914

La présente invention se réfère å la mesure numérique d'une tension électrique ou de la grandeur qu'elle représente. On sait qu'il est possible de mesurer une telle grandeur de façon treks précise en faisant intervenir une tension de comparaison ou d'équilibrage de méme signe ou de signe opposé, et en faisant varier celle-ci jusqu'a obtenir l'annulation de l'écart entre les valeurs absolues des deux tensions en cause. Si, lorsque l'équilibre est ainsi réaliste, l'on envoie la tension de comparaison d > un convertisseur analogique-numérique, on a l'indication de la valeur de la tension à mesurer. L'expérience montre toutefois qu'on se heurte a des inconvénients, notamment du fait du manque de souplesse des convertisseurs analogiquesnumériques dds qu'on exige qu'ils comportent un nombre de chiffres élevé, comme cela est nécessaire quand on désire une grande précision. L'invention vise au contraire à permettre d'effectuer de telles mesures avec un convertisseur analogique-numérique 9 nombre de chiffres réduit, tout en conservant la possibilité de parvenir a un résultat a plus grand nombre de chiffres. Conformément a vention, au cours d'une première phase opératoire, on applique la tension d'écart initiale (alors égale a la tension a mesurer) a un premier convertisseur, du type analogique-numérique a nombre de chiffres relativement limitE, on envoie la sortie de ce premier eonvertisseur 9 un second, de type numérique-analogique a plus grand nombre de chiffres, et l'on utilise la sortie de ce second convertisseur en guise de tension de comparaison ou équilibrage de premiers approximation, puis, au cours d'une seconde phase, on amplifie la tension d'écart résiduelle en la multipliant par une puissance déterminez de la base de numération utilisée, on applique la tension ainsi amplifiée au premier convertisseur, on envoie la sortie numérique de celui-ci au second, mais en la décalant de façon a la diviser par la meme puissance de la base de numération que ci-dessus et l'on utilise la tension résiduelle analogique ainsi obtenue comme complément dvéquilia brage ou comparaison de la tension a mesurer. On comprend aisément que si par exemple on travaille en binaire avec un premier convertisseur a 9 bits (plus signe)9 on puisse au cours de la premiere phase obtenir une précision correspondant a un neuvième 9 bit seulement (donc 1/2 ), mais que Si le second convertisseur peut recevoir 18 bits, on arrive lors de la seconde phase a 1/218, ce qui est considérable. Même en admettant qu'on se contente pour ce second convertisseur de 16 bits seulement, la précision atteint encore 1/216, ce qui est plus que suffisant dans l'immense majorité des cas. Le dessin annexé, donné a titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer La figure unique de ce dessin montre le schéma électrique général d'un dispositif suivant l'invention. La tension u à mesurer apparat entre la masse et le point 1. Elle est appliquée a l'entrée non-inverseuse 2 d'un amplificateur opérationnel 3 dont l'autre entrée 4 est reliée a la sortie 5 pour réaliser un gain égal a l'unités On retrouve donc à cette sortie 5 la même tension u que ci-dessus. La sortie 5 est reliée a travers une résistance 6 a l'entrée leverseuse 7 d'un second amplificateur opérationnel 8 dont l'autre entrée 9 est reliée a la masse. là encore il est prévu une boucle de contre-réaction entre l'entrée inverseuse 7 et la sortie 10, mais la boucle en question renferme une résistance 11 permettant -d'obtenir un gain réglable qui peut entre égal ou supérieur a l'unité. De la sortie 10 partent deux conducteurs 12, 13. Le conducteur 12 aboutit au premier plot 14 d'un commutateur 15 & deux directions. Le second conducteur 13 arrive quant a lui a l'entrée--16 d'un amplificateur simple 17 prévu pour réaliser un gain d'amplification nettement déterminé, par exemple 256, ainsi qu'on ltexpliquera plus loin.La sortie 18 de l'amplificateur 17 est reliée a travers un interrupteur 19 à la premier entrée 20 d'un amplificateur opérationnel 21 dont la sortie 22 est directement reliée à l'entrée inverseuse 23 pour assurer là encore un gain égal h l'unité. On notera qu'entre la masse et la premidre entre 20 de l'amplificateur 21 est branché un condensateur 24. La sortie 22 de l'amplificateur 21 est reliée par un conducteur 25 au second plot 26 du commutateur 15 sus mentionné. Le plot central 27 de celuisci est relié de son coté a l'entrée non-inverseuse 28 d'un amplificateur opérationnel 29 dont la sortie 30 est là encore reliée à l'entrée inverseuse 31 pour réaliser une haute impédance avec un gain égal a l'unité. la sortie 30 de l'amplificateur 29 est reliée par un conducteur 32 a l'entrée analogique d'un convertisseur analogique-numérique 33. Ce convertisseur est prévu pour fonctionner en binaire avec 9 bits (éléments binaires) plus une indication de signe. Sa sortie numérique est envoyée sur un câble multiple 34 du genre dit "bus".Ce câble ou bus 34 transmet la sortie du convertisseur 33 a l'entrée numérique d'un autre 35 fonctionnant a l'inverse, c'est-à-dire en numérique-analogique, mais avec 16 bits. La sortie analogique 36 de ce convertisseur est reliée a l'entrée inverseuse 37 d'un amplificateur opérationnel 38 dont l'entrée non-inverseuse 39 est reliée a la masse. Il est la encore prévu une boucle de contre-rEaction avec une résistance 40 de réglage de gain interposée entre l'entrée 37 et la sortie 41 de l'amplificateur. Cette sortie 41 est reliée par un conducteur 42 et une résistance 43 a l'entrée inverseuse 7 de l'amplificateur 8. Le bus 34 est encore relié à un micro-processeur 44 qui commande les deux convertisseurs 33 et 35 par l'intermédiaire de lignes respectives 45 et 46. Le bus 34 aboutit en outre à une série de mémoires 47, 48, 49 dont le contenu peut être transféré par un autre bus 50 à une sortie d'information 51. Le fonctionnement est le suivant : Initialement, l'interrupteur 19 est fermé et le commutateur 15 est à sa première position correspondant au plot 14, comme indiqué en traits pleins. Lorsque la tension u est appliquée au point 1, comme l'appareil est au repos il n'apparatt pas de tension à la sortie 41 de l'amplificateur 38. Tout se passe donc comme si le conducteur 42 était coupé. La tension u, qui est alors égale à la tension d'écart (c'est-adire à la différence entre la tension à mesurer et celle destinée a l'équilibrer et qui est encore inexistante), est transmise par les amplificateurs 8 et 29 à la ligne 32 qui l'applique au convertisseur 33. Celui-ci, convenablement commandé par le micro-processeur 44 a travers la ligne 45, émet sur le cable 34 une sortie numérique à 9 bits et signe laquelle est envoyée au second convertisseur 35.Ce dernier transforme les signaux numériques qu'il reçoit-en une tension analogique qu'il envoile au conducteur 42 a travers l'amplificateur 38. L'entrée 7 de l'amplificateur 8 reçoit ainsi deux tensions, la première u étant celle à mesurer et l'autre - qu'on appellera ci-aprds contre-tension venant s'ajouter a la précédente ou s'en retrancher, suivant les signes respectifs. En fait, les choses sont prévues de façon que les signes soient opposés et c'est la différence entre les valeurs absolues des deux tensions en cause qui constitue ce qu'on a désigné plus haut du nom de tension d'écart, laquelle est numériquement relevée par le convertisseur 33 avec une précision de 9 bits. Mais quand la contrestension est ainsi apparue sur l'entrée 7 de l'amplificateur 8, elle n'équilibre la tension a mesurer u qu'avec une approximation correspondant au plus à la valeur d'un neuvième bit pour le convertisseur 33. Pour permettre d'aller au-delS de cette limite, au cours d'une seconde phase le microprocesseur 44 commande alors les opérations suivantes en vue desquelles il Û été convenablement programmé 10 I1 actionne le commutateur 15 de manière a envoyer au convertisseur 33 la tension d'écart telle qu'elle apparalt à la sortie de l'amplificateur 17, c'est-â-dire multipliée par le gain de celui-ci (256 dans l'exemple dEctit), tension qui apparat d'ailleurs également aux bornes du condensateur 24. 20 I1 ouvre l'interrupteur 19 on isolat ainsi de l'entrée du dispositif le condensateur 24 qui conserve, a la façon d'une mémoire, la valeur de la tension d'écart ainsi amplifiée. 30 I1 décale l'entrée du convertisseur 35 de façon que celui-ci puisse enregistrer un certain nombre de bits supplémentaires 9 la suite de ceux qu'il avait déjà enregistrés au cours de la première phase opératoire. On comprend qu'on peut ainsi obtenir une précision considérable en utilisant un convertisseur analogique-numérique 33 à nombre de bits relativement limité. On notera a cet égard que lors de la presibre opération la précision de la mesure était réalisée sur 9 bits. lors de la seconde, on opère sur 8 bits significatifs. Mais en fait le neuvième bit de la première mesure se combine avec le premier de la seconde, de sorte que le résultat final est a 16 bits significatifs. Bien entendu, pour que les bits supplémentaires ainsi relevés par le convertisseur 33 au cours de la seconde phase puissent être associés à ceux qu'il avait antérieurement transmis a l'autre convertisseur 35, il faut qu'ils soient à l'échelle de ceux-ci. Il est donc nécessaire que l'amplificateur 17 comporte un gain égal à une puissance de 2 (puisqu'on travaille en binaire) d'ordre correspondant au plus petit de ces bits supplémentaires. En d'autres termes, le décalage du convertisseur 35 doit représenter une division par 2 égale a l'inverse de la multiplication par 2 résultant de l'amplificateur 17.Dans le cas précité où le gain 8 de cet amplificateur 17 est égal a 256, c'est-à-dire a 2 on peut ainsi ajouter huit bits a la valeur principale de huit bits également, relevée lors de la première comparaison et obtenir-finalemeat un nombre binaire de 8 + 8 = 16 bits, soit une précision supérieure au cinquantemillième. Une fois la seconde comparaison terminée, le micro-processeur 44 intervient encore pour transmettre le résultat final a la sortie d'information 51 ettsu aux mémoires 47, 48 et 49. Le dispositif peut alors fonctionner a nouveau, étant noté que si le signal d'entrée n'a pas considérablement varié, l'on peut se dispenser de revenir préalablement a zéro, à la façon connue dans les systèmes dits "servoconvertisseurs . On comprend que l'invention permet ainsi de transmettre une indication numérique de la valeur de la tension a mesurer avec une précision considérable, et en tous cas bien plus grande que celle qu'on pourrait obtenir si l'on travaillait en une seule phase avec le premier convertisseur 33 dont la capacité en chiffres est relativement limitée. On notera a cet égard que le procédé suivant l'invention se rapproche dans une certaine mesure de celui dit d approximations successives, dans lequel on détermine par successions des fractions de plus en plus petites de la grandeur A mesurer. Mais ici l'on opère en deux phases seulement, en établissant au cours de chacune d'elles un nombre a plusieurs bits ou chiffres et en opérant par décalage de manière que, grdce a la présence de l'amplificateur 17, les deux nombres ainsi obtenus puissent s'écrire a la suite l'un de l'autre. En outre, on utilise un convertisseur analogique-auswerique de capacité (en chiffres ou bits) nettement inférieure a celle correspondant au nombre finalement obtenu. Bien entendu, la mesure peut concerner non pas la tension elle-même, niais ce a quoi elle correspond. Si par exemple elle provient d'ua capteur de pression, l'appareil peut être prévu de manière à donner une indication suivant une unité de mesure telle que le kilogramme, le Mégapascal, etc.... D'autre part, dans ce qui précède on a supposé qu'on travaillait en binaire, mais l'invention est également applicable lorsqu'on spire par voie décimale. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précade n'a été donnée qu a titre d'exemple et quelle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. On conçoit par exemple que la tension a mesurer et la contre-tension pourraient être amenées aux deux entres d'un couparateur agencé de manière a mesurer l'écart par soustraction, auquel cas elles devraient être évidemment de même signe. REVENDICATIONS 1. Procédé pour exprimer numériquement la valeur d'une tension électrique, ou de ce que cette tension reprEsente, en faisant apparattre une contre-tension de même signe, ou de signe contraire, qu'on fait varier jusqu'à réaliser l'annulation de l'écart entre les valeurs absolues des deux tensions en cause et en opérant par approximations successives, caractérisé en ce qu'au cours d'une première phase on applique la tension d'écart a un premier convertisseur (33) de type analogique-numérique, comportant un nombre de chiffres détermine, on envoie la sortie de ce premier convertisseur a un second (35), de type numérique-analogique, comportant un nombre de chiffres supérieur a celui du premier et l'on utilise la sortie analogique de ce second convertisseur (35) comme contre-tensiou d'équilibrage de première approxlmation, puis, au cours d'une seconde phase, on amplifie la tension d'écart résiduelle suivant une puissance de la base de numération utIlIsée, on applique la tension ainsi amplifiée au premier convertisseur (33), et l'on envoie la nouvelle sortie de celui-ci au second (35), mais en la décalant de manière a la diviser par la même puissance de la base de numération que celle sus-indiquée, ce second convertisseur (35) engendrant ainsi un complément de tension d'équilibrage qui permet d'obtenir pour la tension a mesurer une indication numérique A nombre de chiffres plus grand que celui auquel il serait possible de parvenir on une seule phase avec le premier convertisseur (33). 2. Dispositif pour la mesure, par mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, d'une tension électrique ou de la grandeur qu'elle représente par création d'une contre-tension, détection de la différence ou écart entre cette contre-tension et celle a mesurer, et en opérant par approximations successives, caractérisé on ce qu'il comprend les éléments suivants dont certains au moins sont connus soit à l'état isolé, soit dans des combinaisons différentes de celle ci-après - une entrée générale (1) a laquelle est appliquée la tension a mesurer - des moyens (2 - 6) pour transmettre cette tension à un point de détermination d'écart (7) sans possibilité de réaction entre la tension qui apparaît sur ce point et celle appliquée a l'entrée - un convertisseur analogique-numérique (33) a nombre de chiffres déterminé propre a être relié a ce point de détermination d'écart (7) - une première et une seconde vole (12 - 15, 27 - 32 ;; 16 26, 27 - 32) pour assurer cette liaison entre le point de détermination d'écart (7) et le convertisseur analogique-numérique (33) > la seconde voie présentant par rapport a la première une amplification de gain déterminé correspondant à une puissance donnée de la base de numération utilisée ;; - un convertisseur numErique-analogique (35) propre d recevoir la sortie du convertisseur analogique-numérique (33) et comportant un nombre de chiffres plus grand que celui-ci - des moyens (37 - 43) pour appliquer la sortie du convertisseur numérique-analogique (35) au point de détermination d'écart (7) - des moyens (44, 46) pour décaler le convertisseur numériqueanalogique (35) de manière qu'il puisse enregistrer sélectivement soit une première indication correspondant au nombre de chiffres du convertisseur analogique-numérique (33) quand ce dernier est relié au point de détermination d'écart (7) par la première voie (12 - 15, 27 - 32), soit à un nombre de chiffres supplémentaire quand ce convertisseur (33) est relié au point précité (7) par la seconde voie (16 - 26 ; 27 - 31) - des moyens (44) pour commander la sélection entre la première et la seconde voie (12-15, 27-32 ; 16-26, 27-32) et le décalage du convertisseur numérique-analogique, de manière que lors d'une première phase la liaison entre le point de détermination d'écart (6, 7) et le convertisseur analogique-numérique (33) s'effectue par la première voie, le convertisseur numérique analogique émettant une contre-tension qui correspond a une première approximation de la tension à mesurer, tandis qu'au cours d'une seconde phase la liaison précitée s'effectue par la seconde voie, le convertisseur numErique-analo- gique recevant alors une approximation complémentaire qui s'ajoute a la précédente - et des moyens pour afficher ou enregistrer la valeur correspondant aux chiffres successifs transmis par le convertisseur analogique-numérique (33) au convertisseur numérique-analogique (35). 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde voie de liaison (16-26, 27-32) comprend un condensateur (24) propre à jouer le rôle de mémoire, ainsi qu'un interrupteur (19) interposé entre les moyens d'amplification (17) de cette voie et ledit condensateur.