Brevet FR2557400A1 — publié le 19850628

La présente invention est relative aux mon- tages d'amplification différentiels à courant continu destinés à amplifier des signaux dont l'excursion à mesurer est relativement lente et faible et, en par- ticulier, plus faible que la tension d'erreur intro- duite par les perturbations dans le montage lui-même. Plus particulièrement, l'invention concerne un montage amplificateur destiné à amplifier le signal provenant d'un pont de mesure dans lequel est incorpo- ré au moins un capteur d'un paramètre tel qu'un cap- teur de température, une jauge de contrainte ou analo- gue. Actuellement, on sait réduire les influences de la température sur la dérive d'un amplificateur différentiel et augmenter le taux de rejection du mode commun de celui-ci par plusieurs artifices. Ainsi, il est connu d'utiliser deux amplificateurs opérationnels en cascade associés à un réseau d'au moins quatre résistances, mais ce montage présente l'inconvénient de présenter un gain qui dépend des valeurs des quatre résistances. En outre, ces valeurs doivent être ajus- tées avec une très grande précision. Enfin, ces amplificateurs n'ont pas une ca- ractéristique linéaire et leur décalage (off-set) et le dérive de ce décalage reste dans des limites intolérables pour de très faibles excursions de la tension d'entrée. Un tel amplificateur n'est donc pas approprié pour être utilisé avec un pont de mesure dans lequel, en général, le domaine de tension diffé- rentielle intéressant se situe prés de la tension nulle, c'est à dire lorsqu'il y a quasi-équilibre du pont. Il est également connu d'utiliser des ampli- ficateurs stabilisés par un chopper dont une descrip- tion peut être trouvé dans l'ouvrage " la Technique de l'Ingénieur" section E 1262, pages 4 et 5. Cependant, ces montages sont d'un prix de revient élevé, ont une consommation importante et ne possédant pas d' équiva- lent chez les différents fabriquants. L'invention a pour but de proposer un monta- ge amplificateur du type général indiqué ci-dessus, permettant avec un nombre minimal de composants, d'ailleurs de types couramment utilisés d'obtenir une dérive extrêmement faible voire nulle en température, une faible consommation, un taux élevé de rejection en mode commun, une faible consommation ainsi qu'une pos- sibilité de réglage de gain extrêmement commode. Le montage amplificateur suivant l'invention comportant deux amplificateurs opérationnels en cas- cade dont les entrées non inverseuses sont raccordées aux bornes d'entrée du montage, le premier amplifica- teur étant rebouclé sur son entrée inverseuse, tandis que sa sortie est connectée à l'entrée non inverseuse du second amplificateur, celui-ci comprenant une bou- cle de réaction qui en détermine un gain prédéterminé, est caractérisé en ce que les entrées non inverseuses des deux amplificateurs sont connectés auxdites bornes d'entrée du montage par l'intermédiaire de moyens de commutation pour permettre sélectivement l'inversion de polarité de cette connexion, et en ce qu'il com- prend en outre des moyens pour déterminer des cycles de fonctionnement successifs comprenant un cycle de mesure et une cycle de calcul, une mémoire pour mémo- riser pendant chaque cycle de fonctionnement le signal de sortie du second amplificateur résultant d'un si- gnal d'entrée reçu dans une première position des moyens de commutation et un circuit de calcul qui reçoit lorsque lesdits moyens de commutation sont dans une seconde position le signal de sortie dudit second amplificateur pour opérer durant le cycle de calcul la soustraction du signal mémorisé et du second signal de sortie du second amplificateur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig.1 est un schéma d'un exemple de réalisation du montage amplificateur suivant l'inven- tion dans le cas o il est chargé d'amplifier le si- gnal de mesure d'un pont comprenant des jauges de contraintes; - la Fig.2 est un diagramme des temps illus- trant le fonctionnement du montage représenté sur la Fig.1. Dans le mode de réalisation représenté à la Fig.1, le montage amplificateur suivant l'invention comprend un premier amplificateur opérationnel A1 auquel est branché en cascade un second amplificateur opérationnel A2. Plus précisément, l'entrée a non inverseuse de l'amplificateur A1 est reliée à un groupe 1 d'in- terrupteurs d'inversion, tandis que son entrée b in- verseuse est reliée à sa borne de sortie c par une boucle 2 de réaction directe. L'entrée non-inverseuse a de l'amplificateur A2 est reliée également au groupe 1 d'interrupteurs d'inversion, tandis que son entrée inverseuse b est connectée à la sortie c du premier amplificateur A1 à travers une résistance R1. L'amplificateur A2 est pourvu d'une boucle de réaction 3 comprenant une résistance R2 de réglage de gain et une résistance R3. La sortie de cet amplificateur A2 est connectée à un convertisseur analogique-numérique 4. Le groupe 1 d'interrupteurs d'inversion comporte quatre interrupteurs il à i4 qui peuvent être réalisés commodément à l'aide de transistors à effet de champ. Ils constituent un inverseur bipolaire de la tension différentielle qui lui est fournie sur les bornes d'entrée bl et b2 par un pont de mesure 5 qui dans l'exemple décrit ici est chargé de mesurer un paramètre dont on désire étudier l'évolution. Ce paramètre peut être quelconque tel qu'une température, une pression, une contrainte mécanique ou autre, mesu- ré par exemple à l'aide d'une résistance variant avec l'évolution du paramètre. Une application pratique de l'invention peut être la mesure d'un couple de serrage dans une clé dynamométrique électrique pourvue de jauges de contrainte montées dans l'une des branches du pont. Celui-ci comporte donc dans ce cas deux jau- ges Cl et C2 ainsi que deux résistances fixes et éga- les R4 et RS, bien que l'on puisse utiliser également quatre jauges. On notera toutefois que le montage amplifi- cateur suivant l'invention peut être utilisé avec d'autres sources de signaux qu'elles se présentent sous forme d'un pont de mesure ou en tant qu'impédan- ce variable simple. L'amplificateur A1 étant rebouclé en gain unité, il assure une impédance d'entrée élevée du montage. On suppose que dans l'exemple, la tension d'alimentation du pont étant égale à V, lors'd 'un déséquilibre par variation des jauges Cl et C2, il apparait aux bornes de sortie du pont une tension qui est égale respectivement à V/2 + à V et V/2 - àV. Si on appelle el, la tension de faux zéro et la dérive de cette tension pour l'amplificateur A.1, et e2 la même perturbation en ce qui concerne l'amplifi- cateur A2 et si, par ailleurs R2 + R3 = R, il vient, selon la position des interrupteurs il à i4: R 2R VS = V/2 + --- (e2 - e1) + e2 AV ( --- + 1 R R1 R 2R Dans cette équation, le terme a V( --- + 1) R1 est le terme utile rendant compte de l'évolution du paramètre à mesurer, tandis que les termes V/2 et surtout R (e2-el) + e2 sont inutiles, ce dernier ter- R me étant dû aux défauts inévitables des amplifica- teurs. V/2 dépend de la source d'alimentation dont on ne peut également maîtriser la valeur que moyennant une plus grande complexité-du circuit. Le montage amplificateur suivant l'invention comprend également un circuit de calcul 5 pourvu d'un circuit d'horloge 6, d'une mémoire 7, d'un interrup- teur d'alimentation 8 et d'un circuit d'utilisation 9 qui peut être un afficheur à diodes électrolumines- centes, par exemple. L'interrupteur d'alimentation 8 qui est raccordé a une source d'alimentation Valim est comman- a lim dé par un signal de cycle SC qui lui est appliqué par le circuit d'horloge 6. L'interrupteur d'alimentation est raccordé au pont de mesure 5, aux amplificateurs A1 -et A2 et au convertisseur 4, de sorte que ces com- posants ne sont alimentés que lorsque l'interrupteur 8 est fermé. Le rapport cyclique du signal de cycle SC est choisi de manière à n'alimenter ces composants que lorsqu'il est procédé à une mesure, seuls le circuit de calcul, la mémoire 7 et l'afficheur 9 étant alimen- tés en permanence. Il en résulte une consommation ex- trêmement faible de l'ensemble du montage. 2557400 À Durant chaque intervalle de fermeture de l'interrupteur 8, c'est à dire dans le cas décrit ici (Fig.2) lorsque le signal de cycle est haut, le circuit d'horloge produit successivement un signal de fermeture F1 pour les interrupteurs il et i4 et un signal de fermeture pour les interrupteurs i2 et i3. Pendant que le signal de fermeture F1 est haut, l'amplificateur A2 applique au convertisseur 4 une tension VS1 de la forme de l'équation donnée ci- dessus dans laquelle le terme4 V ( 2R + 1) est négatif R1 tandis que lorsque le signal de fermeture F2 est haut, le convertisseur reçoit une tension V$1 qui présente le même terme mais avec un signe positif. Le convertisseur analogique/numérique 4 est commandé durant chaque mesure pour opérer la conver- sion en numérique de la tension VS ou VS2 sous la si S2 commande d'un signal de début de conversion DB1 ou DB2, fourni par le circuit d'horloge 6, tandis que le résultat de chaque conversion est transféré au circuit de calcul 5 par un signal de fin de conversion FC1 ou FC2 que le convertisseur 4 applique à ce même circuit de calcul 5. Durant la période ou le signal SC est bas, le circuit de calcul 5 opère la soustraction de la tension V! préalablement stockée dans la mémoire 7 et de la tension VS2 avec: Vs1 - VS2 = 2AV( 2R + 1) R1 On voit que dans le résultat de cette soustraction, toute composante parasite engendrée par les tensions de faux zéro et leur dérive thermique est éliminée. Par ailleurs, on voit que le gain du montage ne dépend que du rapport de deux résistances R et R1 ce qui en pratique signifie que ce gain peut facile- ment être réglé en décomposant la résistance R en une résistance fixe R3 et une résistance réglable R2, com- me représenté à titre d'exemple sur la Fig.l. A titre d'exemple, le rapport cyclique de l'interrupteur 8 ( signal SC) peut être très faible c'est à dire 4 ms d'intervalle actif ( composés de 2ms pour la mesure de la tension VS1 et 2ms pour la mesure de la tension VS2) pour 46 ms d'intervalle inactif durant lequel le circuit 5 peut effectuer la soustrac- tion et transférer le résultat à l'afficheur 9. Il en résulte une réduction d'un facteur 50/4=12,5 de la consommation du montage. Bien entendu, il convient de tenir compte dans la détermination des durées des me- sures I et II, des temps de montée des amplificateurs A1 et A2 et du temps que met le convertisseur 4 à ef- fectuer la conversion en une valeur numérique des tensions VS1 et VS2. On notera que le montage ne comporte aucune capacité d'isolation qui sont habituellement nèces- saires dans les amplificateurs à stabilisation par un chopper. Il s'est avéré que le montage peut être réalisé avec des composants courants disponibles dans le commerce, que la dérive en température est quasi- ment nulle et que le taux de rejection en mode commun est élevé. REVENDICATIONS 1. Montage amplificateur différentiel à courant continu du type comportant deux amplificateurs opérationnels en cascade (A1,A2) dont les entrées non inverseuses (a) sont raccordées aux bornes d'entrée du montage, le premier amplificateur (A1) étant rebouclé sur son entrée inverseuse t(b)., tandis que sa sortie (c) est connectée à l'entrée non inverseuse (b) du second amplificateur (A2), celui-ci comprenant une boucle de réaction (3) qui en détermine un gain prédéterminé, caractérisé en ce que les entrées non inverseuses (a) des deux amplificateurs (A1,A2) sont connectés auxdites bornes d'entrée (bl,b2) du montage par l'intermédiaire de moyens de commutation (1) pour permettre sélectivement l'inversion de polarité de cette connexion, et en ce qu'il comprend en outre des moyens (6) pour déterminer des cycles de fonction- nement successifs comprenant un cycle de mesure et une cycle de calcul, une mémoire (7) pour mémoriser pendant chaque cycle de fonctionnement le signal de sortie (V s) du second amplificateur (A2) résultant d'un signal d'entrée reçu dans une première position des moyens de commutation (1) et un circuit de calcul (5) qui reçoit lorsque lesdits moyens de commutation sont dans une seconde position le signal de sortie dudit second amplificateur (A2) pour opérer durant le cycle de calcul la soustraction du signal mémorisé et du second signal de sortie du second amplificateur (A2). 2. Montage suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les moyens (6) pour déterminer le cycle de fonctionnement du montage, sont raccordés également à un circuit de commutation (8) connectés à son tour à une source d'alimentation pour n'alimenter lesdits amplificateurs et éventuellement une source de signaux de mesure (5), que durant ledit cycle de mesu- re. 3. Montage suivant l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que la sortie (c) dudit second amplificateur (A2) est raccordé aux- dits moyens de calcul et à ladite mémoire (7) par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique/numéri- que (4), et en ce que les moyens de calcul et la mé- moire sont des composants numériques commandés par une horloge (6). 4. Montage suivant la revendication 3, ca- ractérisé en ce que ladite horloge (6) comporte les- dits moyens pour déterminer le cycle de fonctionnement du montage. 5. Montage suivant l'une quelconque des re- vendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite sour- ce de mesure est un pont de résistances (5) dont l'une au moins est un capteur de mesure tel qu'une jauge de contrainte. 6. Montage suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de commutation (1) comprennent un inverseur bi- polaire, à semi-conducteurs, commandés par lesdits moyens (6) pour déterminer le cycle de fonctionnement du montage. 7. Montage suivant la revendication 6, ca- ractérisé en ce que ledit inverseur bipolaire comprend quatre transistors à effet de champ (il à i4).