Brevet FR2546688A1 — publié le 19841130

Modulateur numérique d'impulsions en largeur et en fréquence L'invention se rapporte à un modulateur numérique d'impulsions en largeur et en fréquence (modulateur LIFI). Dans l'électronique de stabilisation de satellites, par exemple de satellites de télécommunications stabilisés sur trois axes, il est usuel d'utiliser des régulateurs électroniques qui fonctionnent selon la méthode de la modu- lation d'impulsions en largeur et en fréquence, voir "IEEE Transactions on Automatic Control", Janvier 1965, James E. Vaeth On utilise généralement une ou plusieurs tuyères de poussée de petit modèle, en général entre 10 et 100 N pour, par actionnement judicieux de ces tuyères de poussée, mainte- nir le satellite dans la position stable souhaitée Le régu- lateur électronique doit être en mesure d'enclencher et de déclencher ces tuyères de poussée avec la plus grande préci- sion possible et en particulier en économisant le plus possible le carburant Dans de nombreux cas, on complète ce dispositif de stabilisation de position d'un satellite en lui adjoignant des roues gyroscopiques. Conformément à l'état de la technique, on utilisait jusquaici des modulateurs LIFI fonctionnant de façon analo- giqueo Ce modulateur LIFI analogique présente la boucle de régulation représentée sur la figure 1 l Les inconvénients du type de modulateur analogique réalisé jusqu'ici résident dans son imprécision relativement grande, la grande comple- xité en matière de technique de commutation avec grandes constances de temps, la nécessité de l'emploi de nombreux éléments discrets et sa dérive en longue duréeo L'objet de l'invention est de mettre au point un modulateur LIFI numérique qui permette de réaliser tous les types de modulateurs LIFI et qui puisse être fabriqué avec les composants qui satisfont aux exigences imposées en technique spatiale, en particulier également pour les satel- lites commerciaux. Ce résultat est atteint en utilisant la fréquence d'entrée en tant que grandeur opérationnelle pour le modula- teur LIFI,ici un intégrateur, qui, en tant qu'additionneur- soustracteur, additionne et soustrait les impulsions de la fréquence d'entrée et les impulsions d'une contre-réaction, ici un discriminateur à seuil inférieur et supérieur, la contre-réaction, c'est-à-dire le discriminateur, étant repré- sentée par un réseau décodeur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le seuil supérieur du discriminateur est assimilé à la capacité de comptage maximale de l'intégrateur Il est, par ailleurs, avantageux qu'un multiplicateur de taux d'impulsions soit monté en amont du modulateur LIFI. Selon une autre caractéristique de l'invention, un complément à 2 est transformé en deux fréquences de sortie complémentaires correspondantes qui servent d'entrées au modulateur. En plus de son caractère d'utilisation universel, ce modulateur LIFI numérique offre l Davantage particulier de permettre de réaliser des constantes de temps très petites à très grandes, la précision n'étant déterminée que par l'im- portance des moyens mis en oeuvre Des paramètres du modula- teur peuvent être établis extrêmement simplement et des systèmes numériques et analogiques sont facilement adaptables. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente encore une fois l'état de la technique de régulation lors de la réalisation d'un modu- lateur LIFI analogique; les figures 2 a, 2 b, 2 c représentent les types de discriminateurs possibles; la figure 3 a représente la réalisation d'un inté- grateur en tant que compteur additionneur-soustracteur; la figure 3 b représente le schéma de régulation pour un modulateur LIFI numérique; la figure 3 c représente le schéma de régulation pour un modulateur à entrée binaire parallèle; la figure 3 d représente un multiplicateur de taux d'impulsions; les figures 3 e, 3 f représentent des variantes pour le multiplicateur de taux d'impulsions; la fiture 3 g représente la relation entre le seuil supérieur et le seuil inférieur la figure 4 est un schéma synoptique d'un modula- teur LIFI numérique; la figure 5 représente un convertisseur pour complé- ment à 2 en fréquence de sortie; la figure 6 représente un convertisseur pour signe et valeur absolue en fréquence de sortie. La figure 1 représente le schéma de régulation d'un modulateur LIFI analogique Celui-ci comprend pour l'essentiel un intégrateur I et un discriminateur D ainsi qu'un poste sommateur S auquel on réinjecte le signal de sortie ua Sur ce poste sommateur Sg on applique également le signal d'entrée ue Le signal obtenu après la sommation est désigné par ux. Le signal de sortie de l'intégrateur I porte la référence ui. Le discriminateur comporte les seuils de coupure us O et u. Le seuil de coupure uso O peut être en phase, en opposition de phase ou également nul par rapport au seuil de coupure usl En utilisant ces critères, trois types de discriminateurs sont possibles, lesquels sont représentés sur les figures 2 a, 2 b, 2 c Le type seuil de coupure uso O =O est ici désigné en tant que type de discriminateur A et les deux autres types en résultant, B et C. Dans ce modulateur LIFI analogique, comme déjà briè- vement expliqué, l'inconvénient réside tout d'abord dans le fait que l'intégrateur idéal ne peut pas être réalisé en raison du courant de décalage dans l'amplificateur opérationnel. Au lieu,de cela, on choisit en général un organe de transfert de premier ordre L'erreur ne peut alors être ramenée à une valeur relativement faible que si les seuils se situent dans la zone approximativement linéaire L'erreur relative de tous les composants déterminés en fonction du temps a toute- fois un effet très préjudiciable Des constantes de temps particulièrement grandes ne peuvent être réalisées qu'avec des méthodes extrêmement compliquées. L'idée de départ est de remplacer l'intégrateur I à poste sommateur S monté en amont par un compteur additionneur- soustracteur et d'utiliser la fréquence d'entrée f V comme grandeur opérationnelle pour le modulateur LIFI On compte les impulsions PV/ P Ret par analogie par rapport à un compteur simple, on a: Z(t) = f (fv f R) (t) dt = (PV PR) (t) il en résulte la fonction de transfert Z (s) 1 H(s) = s (fv f R) (s) La figure 3 a représente la relation par un schéma de régulation Dans ce schéma, on a représenté par f V la fréquence d'entrée et par f R le signal de la contre-réaction, qui reste encore à expliquer, du modulateur LIFI A la sortie de l'intégrateur 1/S apparaît la position Z du compteur. Le schéma de régulation pour un modulateur LIFI numérique est illustré sur la figure 3 bo L'intégrateur 1/S avec poste sommateur monté en amont est un élément de base décrit sur la figure 3 a Le discriminateur Di peut être réalisé par un réseau décodeur qui commande la contre-réaction fm Les réalisations sont décrites ultérieurement Pour m l'intégrateur analogique on a: ui (s) = * ux (s) fi Pour l'intégrateur numérique, on a: zi () = (s) = i xs s Il en résulte l'analogie suivante: Modulateur analogique Modulateur numérique u (s) = 1 u (s) Z (s) = f (s) iTs x i S Uel ux, ui um j fe fx Zi' fm uso, Usl zz O, Zsl n = N e f f x e m x m Pour le modulateur relations: LIFI numérique, on a ainsi les Intervalle entre impulsions initiales Intervalle entre impulsions 2 Largeur des impulsions Largeur des impulsions t = Zsl pa f tp = Z si Z O Zs 1 Zfs t B = 3: f m e On dispose de quatre types de modulateurs qui peuvent être utilisés selon le cas. a) Modulateur à entrée de fréquence et fréquence pouvant être choisie librement. b) Modulateur à entree de fréquence et fréquence prédéterminée, c) Modulateur à entrée binaire parallèle à complément à 2. d) Modulateur à entrée binaire parallèle avec signe et valeur absolue. a) Modulateur à entrée de fréquence et fréquence pouvant être choisie librement. Le réseau décodeur pour la réalisation du discri- minateur représente une mise en oeuvre de moyens importants. Il peut être supprimé, si le seuil supérieur peut être assimi- lé à la capacité de comptage de l'intégrateur. Zsl Zmax c'est-à-dire lorsque la fréquence d'entrée de l'extérieur n'est pas prédéterminée. Par ailleurs, la largeur t B de l'impulsion peut éga- lement être établie (voir fig 3 g) si, lorsqu'en atteignant le seuil Zsl, le compteur est ramené à Zs O et est à nouveau compté en avant par permutation de ses entrées V-R Le réseau décodeur est ainsi complètement supprimé. L'intégrateur fonctionne de façon bipolaire Son contenu numérique doit être interprété en code à décalage. MSB reporter (carry) 7 1 1 1 6 1 1 1 O 1 1 O 1 4 1 i O O + 3 1 O 1 1 par ex Z 1 1 0 O 1 s 2 i O i O -1 O 1 1 1 -2 O 1 O 13 0 10 -4 0 1 0 0 -3 O -4 O 5 O O 1 i par ex Zsl -6 O O 1 O -7 O O O 1 -8 O O O O extraire (borrow) MBS = chiffre binaire le plus signi- ficatif. Si l'intégrateur se trouve dansla zone positive, lors de sa remise à zéro on lui imprime le complément à 1 de zsl* Le modulateur représenté sur la figure 4 est soumis à la condition f empêchent un dépassement. Comme grandeurs d'entrée pour le modulateur repré- senté sur la figure 4, on utilise +f et -f On applique en outre, le signal fm de la contre-réaction comme on peut le voir sur la figure 3 b Les grandeurs d'entrée +f, -f parvien- nent à des portes ET inverseuses U, à U 4 comportant deux entrées, U 1 et U 3 recevant la grandeur d'entrée positive -f et U 2 et U 4 la grandeur d'entrée négative -f A chacune des secondes entrées des portes ET U 1 à U 4 on injecte le signal de sortie, qui reste encore à expliquer, de bascules. Les sorties des portes ET U 1 à U 4 aboutissent à deux portes OU inverseuses 1 02 la sortie des portes ET U 1, U 2 étant appliquée à la porte OU 1 et la sortie des portes ET U 3, U 4 à la porte OU 2 Le signal de sortie d'une porte ET U 5 est en outre injecte à la porte OU 01 Les deux signaux d'entrée de la porte ET U 5 sont le signal fm de la contre-réaction et le signal de sortie, encore à expliquer, d'une bascule A la porte OU 02 est par ailleurs envoyé le signal de sortie d'une autre porte ET U 6 à l'entrée de laquelle est également appliqué, comme pour la porte ET UP, le signal fm de la contre-réaction ainsi que le signal de sortie de bascules. Le signal de sortie de la porte OU 1 est appliqué à l'entrée additive d'un compteur ZI, tandis que le signal de sortie de la porte OU 02 est appliqué à l'entrée soustrac- tive du même compteur Le signal de sortie de la porte OU 1 est en outre envoyé sous forme d'impulsion d'horloge à une bascule F 2 Le nombre de compteurs ZI' Zn est quelconque et dépend uniquement de l'exactitude de la définition recher- chée Le signal de sortie de la porte OU 02 est également appliqué sous forme d'impulsion d'horloge à une bascule F 4. Le signal de sortie de la porte OU 2 aboutit par ailleurs à quatre portes OU Exclusif U à U 12 ' Ces portes OU Exclusif U 9 à U 12 comportent deux entrées, chaque seconde entrée recevant un signal qui correspond au code dual commençant o par 2 etc I La sortie des portes OU Exclusif U 9 à U 12 est appliquée au compteur Z 1 Ce couplage est répété en fonction du nombre de compteurs utilisés en général on n'utilise que deux compteursLa sortie du ou des compteurs Z 1 à Zn aboutit à des bascules F 1 et F et leur sert d'impulsion 1 3 d'horloge Ces bascules F 1, F 3 sont raccordées aux autres bascules F 2, F 4 de manière que les entrées I et K des bascules P, F 4 soient reliées aux sorties des bascules F 1, F 3 Les entrées I et les entrées K des bascules F 1, F 3 ne sont pas nécessaires dans cet exemple de réalisation. La sortie du ou des compteurs Z à Z aboutit 1 n en outre à une porte ET U 7, dont le signal de sortie est appliqué au compteur Z 1 à Zn l'état des bascules F 1 à F 4 est synchronisée avec le reste du circuit du fait que les sorties des bascules F 2 et FA sont réinjectées sur les bas- cules F 1 a 4 Par ailleurs, la sortie de la bascule F 4, qui représente en même temps la sortie négative du modulateur LIFI, est appliquée à la porte ET U 6, tandis que la sortie de la bascule F 2, qui représente en même temps la sortie positive du modulateur LIFI, est appliquée à la porte ET U 5. Pour finir, la sortie, polarisée dans le sens contraire des deux sorties respectives précitées, des bascules F 2, F 4, est appliquée à une porte ET U dont la sortie forme à chaque fois la seconde entrée des portes ET U 1, U 4 et dont la sortie représente également après inversion la seconde entrée des portes ET U 3, U 2. Il y a lieu de préciser encore que le circuit constitué des portes Exclusif U à U 12 peut être augmenté en conséquence si on utilise plus d'un compteur qui sert à représenter le seuil inférieur des compteurs Zso. b) Modulateur à entrée de fréquence et fréquence prédéterminée. Avec fréquence d'entrée prédéterminée, la condi- tion Z 51 = Zmax, ne peut pas être respectée et Zsl doit donc être extrait du code, pour le reste, le principe tel que décrit en a) reste valable On utilise à cet effet l'accouple- ment à des régulateurs qui fonctionnent suivant un principe analogue. c) Modulateur à entrée binaire parallèle avec complément à 2. En montant un multiplicateur de taux d'impulsions en amont des modulateurs déjà décrits ici, l'adaptation peut s'effectuer à un point d'intersection parallèle. Si donc le signal à moduler est numérique, par exemple régulation de balayage par calculateur, l'adaptation est comme représentée sur la figure 3 c. Comme f N et si T = a M e f on a les relations suivantes: Zsî, T t SI__ pa n e (Z SI Zs 0) T tp P n e t _ (Z 1 S Zso) T t E M -ne pu K = On utilise un multiplicateur de taux d'impulsions P Celui-ci représente une logique séquentielle (voir fig 3 d), dont le taux d'impulsions de sortie est égal au taux d'im- pulsions d'entrée multiplié par une valeur inférieure à 1. M est déterminé par le circuit et est un chiffre de la base 2. On doit avoir N H (s) =) V = V- n (s) M d'o b) Porte P (fe= const =fn) voir fig 3 f. Pour la conversion binaire-fréquence, voir fig 3 c, 4 on monte en amont un multiplicateur de taux d'impulsions W en tant que Porte P, voir fig 5 Le MSB (chiffre binaire le plus significatif) commande la fréquence de sortie +fa et -fa Sur le dessin, le complément à 2 du train d'impulsions de sortie du multiplicateur de taux d'im- pulsions W est formé dans la zone négative Lorsque le multi- plicateur de taux d'impulsions produit une impulsion, aucune impulsion n'apparaît à la sortie -fa, et inversement. Les sorties +fa, -fa agissent sur les entrées de la fig 4. Pour le reste, ce qui a été dit pour le modula- teur à entrée de fréquence et fréquence pouvant être choisie librement reste valable. d) Modulateur avec entrée binaire parallèle avec signe et valeur absolue. Ici aussi un multiplicateur de taux d'impulsions en tant que porte P est monté en amont, voir fig 3 c, 4; la valeur absolue commande la fréquence et le signe la sortie +f et -f, voie fig 6 Les sorties +f, -f représentent à nouveau les entrées pour le modulateur selon la figure 4. REVENDICATIONS 1 Modulateur numérique d'impulsions en largeur et en fréquence (modulateur LIFI), caractérisé par le fait qu'on utilise la fréquence d'entrée (f) comme grandeur opé- rationnelle pour le modulateur LIFI, ici un intégrateur (l/s), qui, en tant que compteur additionneur-soustracteur additionne et soustrait les impulsions de la fréquence d'entrée (fe) et les impulsions (fm) d'une contre-réaction, ici un discriminateur (Di) à seuil inférieur et supérieur (ZSO et Z 51), la contre-réaction, c'est-à-dire le discrimi- nateur (Di),étant représentée par un réseau décodeur. 2 Modulateur LIFI selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le seuil supérieur (Zsl) du discriminateur (Di) est assimilé à la capacité de comptage maximale (Zmax) de l'intégrateur (/s) 3 Modulateur LIFI selon la revendication 1, à entrée parallèle, caractérisé par le fait qu'un multipli- cateur de taux d'impulsions (e) est monté en amont du modu- lateur LIFI. 4 Modulateur LIFI selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'un complément à 2 (LSB, MSB) est transformé en deux fréquences de sortie complémentaires correspondantes (+fa, -fa) qui servent d'entrées au modula- teur (fig 5).