Brevet FR2544141A1 — publié le 19841012

ï, 2544141 La présente invention concerne le domaine des transfor- mateurs -de l'analogique au numérique et, plus particulière- ment, un transformateur de courant en fréquence, nouveau et amélioré, ayant une gamme dynamique accrue. Un domaine d'utilisation de la présente invention est la transformation de lumière en impulsions électriques ayant une fréquence proportionnelle à l'intensité de la lumière, bien que les principes -de la présente invention puissent être mis en oeuvre de diverses autres manières Un transformateur lumière/fréquence' constitue une application de transformateur courant/fréquence dans lequel la lumière reçue par une cellule photo-électrique engendre un courant proportionnel qui est transformé en impulsions ayant une fréquence proportionnelle à l'intensité de la lumière Avec de faibles niveaux de courant, c'est-à-dire de faibles niveaux de lumière, la sortie de fréquence peut devenir trop basse pour une courte durée de mesure Egalemênt, si le faible niveau de courant fait que la fréquence de sortie est inférieure à la fréquence de ligne, la source de courant, c'èst-à- dix_ la cellule photo-électrique, peut subir une modulation donnant une correspondance inexacte entre la fréquence de sortie et l'amplitude de la lumière ou du- courant. La présente invention a donc pour objet fondamental d'apporter un transformateur courant/fréquence nouveau et amélioré Elle a plus particulièrement pour but d'apporter un tel transformateur ayant une gamme dynamique accrue. Elle se propose encore d'apporter un transformateur lumière/fréquence qui fonctionne efficacement avec un temps de mesure court, aussi bien à des niveaux de lumière élevés que bas. Elle a encore pour but d'apporter un tel transformateur qui soit de fonctionnement efficace et de construction simple. Ces buts sont atteints en ce sens que la présente invention apporte un transformateur courant/fréquence com- prenant une source de courant, par exemple une cellule photo-électrique, un transformateur tension/fréquence, un intégrateur dans la boucle de rétroaction du transformateur, la source de courant étant réunie à la jonction d'addition du transformateur et de l'intégrateur, de telle sorte que la fréquence des impulsions de sortie provenant du transforma- teur est directement proportionnelle à l'amplitude du courant provenant de la source et inversement proportion- nelle à l'amplitude du courant injecté depuis le transforma- teur dans la jonction d'addition, et des moyens de commande adaptés à atténuer le courant injecté depuis le transforma- teur vers la jonction d'addition pour augmenter la fréquence des impulsions de sortie Les moyens d'atténuation commandés comprennent des moyens pour augmenter la résistance dans te chemin suivi par le courant injecté depuis le transformateur vers la jonction d'addition en réponse à la présence d'un signal de commande. Les avantages et caractéristiques précités de la présente invention ainsi que d'autres, ressortiront claire- ment de la description qui va suivre faite en référence aux dessins' annexés dans lesquels: la figure 1 est un circuit schématique d'un transformateur courant/fréquence selon la présente invention et la figure 2 est un graphique montrant les formes d'ondes illustrant les modes de fonctionnement à courants élevé et bas du transformateur de la figure 1. Dans un transformateur courant/fréquence de base, il est prévu un transformateur tension/fréquence avec un intégrateur dans la boucle de rétroaction et une source de courant réunie à la jonction d'addition Le courant provenant de la source est accumulé par l'intégrateur qui l'applique au transformateur appliquant la première portion ou portion verticale d'une onde en dents de scie, et, lorsque l'onde excède une amplitude de seuil, et un temps prédéterminé après, le transformateur injecte du courant dans la jonction d'addition, fournissant ainsi 'la seconde partie ou partie descendante l'onde en dents de scie Ce fonctionnement cyclique fournit un signal de fréquence de 254414 à sortie à partir du transformateur qui est proportionnel à l'amplitude du courant Selon la présente invention, lorsque l'amplitude du courant est faible et que l'on désire une sortie de fréquence accrue pour s'adapter à un temps de mesure court, le courant injecté dans la jonction d'addition est atténué par des moyens de commande compris dans la voie d'injection de courant entre le transformateur et la jonction d'addition Les moyens d'atténuation commandés comprennent des moyens formant résistance et des moyens formant interrupteur qui répondent à un signal de commande pour placer lesdits moyens formant résistance dans ladite voie d'injection de courant Un transformateur courant/- fréquence selon la présente invention est représenté à la figure 1 et il comprend une source de courant généralement désignée par 12 Dans la structure représentée, la source de- courant 12 est une cellule photo-électrique du type au silicium grâce à quoi le circuit transforme les niveaux de lumière en une fréquence proportionnelle Le circuit de la figure 1 comprend, en outre, un intégrateur constitué d'un amplificateur opérationnel 14 et d'un condensateur 16 En particulier, l'amplificateur 14 comporte des bornes d'entrée négative et positive, respectivement 18 et 20, et une bande de sortie 22 Le condensateur 16 est monté entre la borne de sortie 22 et la borne d'entrée négative 18 de -l'amplifica- teur 14 La jonction du condensateur 16 et de la borne d'entrée 18 de l'amplificateur constitue la jonction d'addition pour le circuit transformateur de la figure 1 d'une manière qui sera décrite plus loin L'amplificateur 14 est également réuni par les lignes 24 et 26 aux tensions polarisées appropriées, désignées respectivement par plus V et moins V Une diode 28 est montée entre la borne de sortie 22 de l'amplificateur et la terre La borne d'entrée négative 18 de l'amplificateur 14 est réunie à la cellule photo-électrique 12 par l'intermédiaire d'une résistance 30. Un condensateur 32 est monté entre la terre et la jonction entre la cellule photo-électrique 12 et la résistance 30. Dans le circuit de la figure 1, la cellule photo-électrique 12 est orientée par rapport à l'amplificateur 14 et au 2544141- condensateur 16 de manière à servir de source de courant négatif au circuit En procédant à' des modifications appropriées dans les connexions de polarité relatives entre la cellule photo-électrique 12, l'amplificateur 14 et le condensateur 16, la cellule photo-électrique 12 pourrait être montée de manière à servir de source de courant positif au circuit. Le transformateur selon la présente invention comprend en outre un transformateur tension/fréquence généralement désigné par la référence 40 A titre d'exemple, dans un circuit illustratif, le transformateur 40 peut être un transformateur tension/fréquence National Semiconductor LM 331 La sortie de l 'intégrateur, qui-est la jonction de la borne de sortie de l'amplificateur 22 et du condensateur 16,. est réunie par une résistance 42 au courant à la borne du transformateur 40, désigné l IN à la figure 1, qui est également la fiche 7 du transformateur LM 331 La combinaison en série d'une diode 44 et d'une résistance 46 est réunie entre la borne de seuil TH du transformateur 40 qui est également la fiche 6 du transformateur LM 331 L'anode de la diode 44 est réunie à la borne TH Une borne de courant de référence désignée par REF I qui est également la fiche 2 du transformateur LM 331 est réunie par une résistance variable 48 à la terre, et les bornes de seuil et de courant de référence sont également réunies ensemble par la ligne 50. Lorsque la tension appliquée à la borne IIN excède la tension de seuil mesurée à la borne de seuil TH, une minuterie interne est déclenchée dans le transformateur 40. Une source de courant interne ayant une valeur fixée par la résistance réglable 48 est également mise en service Pour déterminer la durée de la minuterie, une résistance 52 est montée entre une borne R/C du transformateur 40 et une tension d'alimentation plus V, et un condensateur 54 est monté entre la borne RC et la terré La borne RC constitue également la fiche 5 du transformateur LM 331 La durée de la minuterie est fixée selon la relation 1 1 RC o R est l'amplitude de la résistance 52 et C est l'amplitude du condensateur 54. 254414 Â Le transformateur 40 comprend également une borne à partir de laquelle la charge est injectée dans la jonction d'addition de circuit, laquelle borne est identifiée par I OUT et constitue la borne 1 du transformateur LM 331 Le courant est injecté par le transformateur 40 au point sommateur de circuit par une voie comprenant la ligne 60 et la voie émetteurcollecteur d'un transistor 62 qui est normalement en service En particulier, le transistor 62 est du type PNP ayant une borne émetteur 64 réunie à la ligne 60, une borne collecteur 66 réunie à la jonction d'addition du condensateur 16 et de la borne d'entrée de l'amplifica- teur 18 et une borne de base 68 Une résistance 70 est montée entre la ligne 60 et la terre Le transformateur 40 comprend également une borne de fréquence de sortie désignée par FOUT qui constitue également la borne 3 du transforma- teur LM 331 Cette borne est réunie par une ligne 72 à un circuit qui utilise les impulsions de sortie de la manière qui va être décrite Une résistance 73 est montée entre la ligne 72 et la tension polarisée positive plus V Selon la présente invention, il est prévu des moyens, pour atténuer le courant injecté dans la jonction d'addition et d'une manière contrôlée Ces moyens comprennent des moyens interrupteurs se présentant sous la forme d'un transistor PNP 74 ayant des bornes de base d'émetteur et de collecteur respectivement désignées par 76, 78 et 80 Un signal de commande est appliqué à la base du transistor 74 au moyen d'une résistance 82 réunie par une ligne 84 à une source de signaux de commande La natu e du-signal appliqué à la ligne 84 commande le fonctionnement des moyens d'atténuation de la manière qui va être décrite La base-76 est également réunie par l'intermédiaire d'une résistance 86 à la source de tension polarisée positive plus V et l'émetteur 78 est également réuni par la ligne 88 à cette source Le collecteur 80 est réuni à la borne de base 68 du transistor 3.5 62 et également à la terre par l'intermédiaire d'une résistance 90 Il est prévu un autre transistor PNP 94 ayant des bornes de base, de collecteur et d'émetteur respective- ment *désignées par 96, 98, 100 La borne de base 96 est réunie à la terre, la borne de collecteur 98 est réunie à la jonction d'addition du condensateur 16 et de l'entrée. d'amplificateur 18, et la borne d'émetteur 100 est réunie à la ligne 60 par l'intermédiaire d'une résistance 106. Le circuit de la figure 1 fonctionne comme suit. Supposons que le signal sur la ligne 84 soit positif et d'amplitude suffisante, par exemple de 5 volts, pour mettre hors circuit le transistor 74 Ce transistor 74 étant hors circuit, la tension appliquée sur la borne de base 68 est nulle, ce qui met en circuit le transistor 62 Avec le transistor 62 en circuit, la majorité du courant provenant de la borne IOUT du transformateur 40 passe par la ligne et par la voie émetteur/collecteur du transistor 62 vers la jonction d'addition, c'est-à-dire la jonction du conden- sateur 16 et la borne d'entrée 18 de l'amplificateur Cela donne une pente descendante à la forme d'onde appliquée à la borne IIN du transformateur tandis que la minuterie du transformateur 40 est en circuit -Lorsque le temps est écoulé, la source de courant dans le transformateur 40 est déconnectée et la rampe ascendante provenant de la source de courant 12, c'est-à-dire de la cellule photo-électrique, commence de nouveau Cette action cyclique engendre une fréquence de sortie sur la ligne 72 selon l'équation ISIGNAL = IOUT ( 1 RC) FOUT o 1 SIGNAL est le courant en dents de scie appliqué à la borne IIN du transformateur, R 'est l'amplitude, de la résistance 52 et C l'amplitude du condensateur 54 Ceci est illustré à la figure -2 o l'onde 110 représente l'onde en dents de scie appliquée à la borne I du transformateur et IN l'onde 112 représente l'onde de sortie d'impulsion sur la ligne 72 Comme il ressort de la figure 2, l'onde en dents de scie 110 a des amplitudes minima et maxima respectivement A 1 et A 2 et a des parties descendante et ascendante respectivement 114 et 116 qui se rencontrent en un point. Chaque impulsion dans l'onde 112 a des bords d'attaque et de fuite respectivement 118 et 120 correspondant aux débuts des parties descendante et ascendante, respectivement 114 et 116, de l'onde en dents de scie L'intervalle de temps entre les impulsions de l'onde-112 est déterminé par l'intervalle de temps entre les pics de l'onde en dents detscie 110. Ainsi, dans le circuit de la figure 1, la sortie de l'intégrateur est une fonction en dents de scie dans laquelle le temps de dents de scie est exactement propor- tionnel à l'amplitude du courant d'entrée dans l'intégra- teur Le courant d'entrée est obtenu à partir de la source de courant 12 et, lorsque le courant provenant de la source 12 est relativement faible, la fréquence des impulsions sur la ligne 72 est également relativement vaste avec pour résultat que l'intervalle de temps entre les impulsions sur la ligne 72 est relativement grand Lorsqu'il est souhaita- ble de mesurer la période des impulsions-sur la ligne 72 avec un intervalle de mesure relativement court, il peut y avoir trop peu d'impulsions ou même une absence d'impulsions pendant l'intervalle de mesure, ce qui empêche d'effectuer une mesure exacte ou efficace Par exemple, lorsque l'on utilise la cellule photo-électrique 12 pour mesurer l'inten- sité de lumière, avec la fréquence d'impulsions sur la ligne 72 proportionnelle à l'intensité de la lumière reçue par la cellule photoélectrique 12, à des niveaux de faible lumière, la période des impulsions sur la ligne 72 peut être trop grande pour être utilisée avec de courts intervalles de mesure. Lorsque l'on détermine que la fréquence des impulsions sur la ligne 72 est trop faible, le signal de commande sur la ligne 84 est mis sur un niveau nul ou faible suffisant pour mettre en circuit le transistor 74 avec pour résultat que le transistor 62 est mis hors circuit Dès lors, la voie principale pour le courant provenant de la borne I du OUT transformateur 40 se fait le long de la ligne 60 et uniquement au travers de la borne émetteur/collecteur du transistor 94 vers la jonction d'addition L'amplitude du courant est déterminée par le rapport RA/(RA+RB) dans lequel R est la résistance 70 et R est la résistance 106 Le A B courant injecté à partir de la borne IOU du transformateur est donc divisé par le même rapport Par suite, la fréquence des impulsions sur la ligne 72 est augmentée du même rapport pour équilibrer le courant de signal et la charge engendrée par le courant de la cellule photo-électrique. Ce qui précède est illustré par les formes d'ondes 126 et 128 de la figure 2 En particulier, la forme d'onde en dents de scie 126 appliquée à la borne I du transformateur IN a un intervalle relativement plus petit entre les amplitudes minima et maxima respectivement A 3 et A 4 L'atténuation du courant injecté à la jonction d'addition réduit l'étendue de la partie descendante 129 de l'onde en dents de scie, diminuant ainsi la distance entre les pics de cette onde. Par suite, il se produit une augmentation dans la fréquence des impulsions de sortie comme cela est représenté par l'onde 128. Dans le circuit de la figure 1, la résistance 30 et le condensateur 32 forment un filtre passe bas pour éliminer les modulations de courant lorsque la lumière incidente sur la cellule photo-électrique 12 est fournie par une source de lumière à courant alternatif La diode 44 et la résistance 46 fournissent une certaine compensation de température au circuit Lorsque la température s'élève, la fréquence peut s'élever Ensuite, la chute de tension avant sur la diode 44 augmentera et il en résulte que plus de courant sera engendré par la source de courant, ce qui compensera la modification. Dans le transformateur courant/fréquence selon la présente invention, la source de courant 12 peut être autre qu'une cellule photo-électrique donnée à titre d'exemple. Ainsi, il peut s'agir d'un détecteur d'ions et d'une résistance sensible à la température ou à l'humidité réunis à une source de tension. L'un des domaines d'utilisation du transformateur selon la présente invention est la commande d'exposition d'un appareil photographique dans lequel la cellule photo- électrique 12 transforme la lumière utilisée pour exposer le film en une fréquence proportionnelle -pour la mesure Une telle commande d'exposition trouve son application dans un appareil de réalisation de microphotographies o l'on peut avoir affaire à une vaste gamme d'intensités de lumière, en particulier du fait de situations o l'on a à la fois dé la lumière transmise et de la lumière réfléchie Ainsi, la lumière transmise d'une source peut avoir une intensité d'approximativement 21 528 lux, tandis que la lumière réfléchie par un spécimen sur une lame de microscope peut être de très bas niveau, par exemple d'environ 1,08 lux. Dans un tel appareil, la ligne 72 du circuit de la figure 1 est réunie à un circuit de mesure de la période des impulsions de sortie et un tel circuit peut avoir un temps- de mesure relativement court, par exemple de 1/3 de seconde. Ainsi, à des niveaux de lumière extrêmement faibles donnant des courants faibles à partir de la cellule photo-électrique 12, la période des impulsions sur la ligne 72 peut même être plus grande que la durée de l'intervalle de mesure En conséquence, un signal de commande est appliqué à la ligne 84 faisant débuter l'atténuation du courant injecté comme indiqué précédemment pour augmenter la fréquence des impulsions de sortie pour de tels bas niveaux de lumière et donner une compatibilité -avec l'intervalle de mesure En outre, la cellule photo-électrique 12 peut être du type au silicium qui a une réponse à large spectre Le transforma- teur selon la présente invention, avec les deux modes qui en augmentent la gamme dynamique, permet une commande d'exposi- tion du type précité pour mettre à profit l'avantage d'une cellule photoélectrique au silicium avec une réponse à large spectre. A titre d'exemple-, dans un circuit illustratif, la cellule photoélectrique 12 peut être du type au silicium, le condensateur 16 avoir une capacité d'environ 2 200 picofarads, la résistance 30 une valeur d'environ 2,2 K et le condensateur 32 une capacité d'environ 22 microfarads Le transformateur 40 est un transformateur tension/fréquence National Semiconductor LM 331,-la résistance 42 a une valeur d'environ 3, 9 K, la résistance 46 une valeur d'environ 390 K, la résistance 48 une valeur maximale de 20 K, la résistance 52 une valeur d'environ 4,7 K le condensateur 54 C a une valeur d'environ 2 200 picofarads, la résistance 73 une valeur d'environ 3,9 K, et les diodes 28 et 44 sont du type 1 N 914 La résistance 70 a une valeur d'environ 10 K, les résistances 82, 86 et 90 ont chacune une valeur d'environ 3,9 K, et la résistance 106 a une valeur d'environ 499 K. Il est donc clair que la présente invention remplit les buts qu'elle s'était fixés Bien qu'une forme d'exécution de l'invention ait été décrite en détail, cela n'a été fait qu'à titre d'illustration sans caractère limitatif. il REVENDICATIONS 1 Transformateur courant/fréquence comprenant une source de courant ( 12), un transformateur tension/fréquence ( 40), un intégrateur ( 14,16) dans la boucle de rétroaction dudit transformateur, ladite source de courant ( 12) étant réunie à la jonction d'addition dudit transformateur ( 40) et dudit intégrateur ( 14,16), de telle sorte que la fréquence des impulsions de sortie provenant dudit transformateur ( 40) est directement proportionnelle à l'amplitude du courant provenant de ladite source ( 12), et inversement proportion- nelle à l'amplitude du courant injecté depuis le transforma- teur ( 40) vers la jonction d'addition, caractérisé -en ce qu'il comprend des moyens de commande ( 60 à 106) pour atténuer le courant injecté depuis ledit transformateur ( 40) vers la jonction d'addition pour augmenter la fréquence des impulsions de sortie. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'atténuation commandés ( 60 à 106) comprennent des moyens ( 70,106) pour augmenter la résistance dans la voie suivie par le courant injecté à partir dudit transformateur ( 40) vers la jonction d'addition en réponse à la présence d'un signal de-commande. 3 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens atténuateurs commandés comprennent des moyens formant résistance ( 106) et des moyens formant interrupteurs ( 74,62) sensibles à un signal de commande adapté à introduire lesdits moyens formant résistance ( 106) dans la voie d'injection du courant. 4 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens atténuateurs commandés comprennent a) des premiers moyens formant interrupteur ( 62) normalement fermés en série entre ladite voie et ladite jonction d'addition, b) une dérivation en parallèle avec lesdits premiers moyens formant interrupteur ( 62), ladite dérivation compre- nant en série des seconds moyens interrupteurs ( 94) normale- ment fermés et des premiers moyens formant résistance ( 106), 25441 41 c) des seconds moyens formant résistance ( 70) montés en parallèle avec ladite voie; et d) des moyens sensibles à un signal ( 74) réunis en relation de commande avec lesdits premiers moyens interrup- teurs 62 grâce à quoi la voie suivie par ledit courant injecté se fait normalement entièrement au travers desdits moyens interrupteurs ( 64) et, lorsque lesdits premiers moyens interrupteurs sont ouverts en réponse à un signal de commande, le courant injecté est atténué par une quantité qui est déterminée par le rapport entre lesdits premiers et seconds moyens ( 106-et 70) formant résistances. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source de courant est constituée d'une cellule- photoélectrique ( 12) - 6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite cellule photoélectrique ( 12) est du type au silicium.