Brevet FR2576421A1 — publié le 19860725

TRANSDUCTEUR CAPACITE - FREQUENCE NOTAMMENT POUR CAPTEURS CAPACITIFS. La présente invention se rapporte à un transducteur c'est-à-dire un circuit générateur d'un signal représentatif d'une capacité, délivrée notamment par un capteur capacitif. L'invention propose un circuit convertissant les grandeurs physiques délivrées par un capteur du type capacitif en variations de fréquences tout en résolvant le problème technique que posent les capacités parasites qui perturbent ces mesures physiques. Ces capacités parasites sont essentiellement dues aux circuits de traitement des données capacitives provenant du capteur d'une part et à la position du capteur lui-même par rapport à certains potentiels - celui du bottier par exemple - d' autre part. Ces capacités parasites ont pour conséquence de diminuer la sensibilité du capteur et d' en modifier la courbe de réponse. Pour obtenir une information juste malgré ce parasitage, il est intéressant de convertir les variations de capacités détectées par le capteur en variations de fréquence. Or les circuits actuels convertissants les capacités en fréquences nécessitent généralement un positionnement proche du capteur de façon à minimiser l'influence des capacités parasites. Dans d' éventuelles applications à l' automobile, un tel capteur capacitif peut se trouver au niveau du moteur et subir de fortes températures, ce qui peut être préjudiciable au circuit électronique de traitement associé au capteur. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients pour permettre la détection des variations d' une grandeur physique au moyen d'un capteur capacitif à sortie en fréquences tout en s' affranchissant des capacités parasites, ce qui permet en particulier d' éloigner le circuit de traitement des données délivrées par le capteur du lieu de variation de la grandeur physique considérée. -2- Ainsi, l' objet de la présente invention est un transducteur capacité - fréquence, notamment pour capteur capacitif, caractérisé en ce qu'il comporte: - un oscillateur commandé par une tension continue V, délivrant un signal SI rectangulaire périodique, de durée t et de période TI variable en fonction de la tension V, représentatif d'une capacité Co variable; - un premier circuit de charge et de décharge d'une capacité C2 variable égale à la somme de la capacité Co et d'une capacité fixe C1, le circuit étant connecté à la sortie de l'oscillateur et délivrant un signal rectangulaire périodique S2, de durée T2 fonction de la capacité C2 et de la période T1l; - un second circuit de charge et de décharge d'une capacité fixe C3, connecté en parallèle sur le premier circuit de charge et de décharge en sortie de l'oscillateur et délivrant un signal S3 rectangulaire périodique, de durée T3 fonction de la capacité C3 et de période TI; - des moyens de traitement des signaux S2 et S3, connectés en sortie des deux circuits de charge et de décharge et délivrant un signal continu de tension V variable destiné à commander l' oscillateur. D' autres caractéristiques et avantages de l' invention apparaîtront dans la description qui suit, illustrée par les différentes figures qui représentent - les figures la et lb: un schéma de principe d'un transducteur selon l'invention et les diagrammes des signaux associés; les figures 2a, 2b et 3a, 3b deux variantes d' un premier mode de réalisation du transducteur selon l'invention et les diagrammes des signaux associés 49398 I 1676 -.3- - les figures 4a et 4b un second mode de réalisation du transducteur et les diagrammes des signaux associés; - les figures 5a et 5b: une application du transducteur à une sonde de mesure de niveau de liquide. - la figure 6: des courbes de réponse d' un capteur de pression capacitif. Les éléments assurant les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats sont référencés identiquement dans les différentes figures. Selon un premier mode de réalisation représenté sur la figure la, le transducteur d'un signal représentatif d'une capacité délivrée par un capteur du type capacitif comporte un circuit oscillateur I contrôlé par une tension, - voltage controlled oscillator V.C.Oo. en vocable anglosaxon -, recevant en entrée un signal continu de tension V dont les variations sont traduites en variations de fréquences en sortie de 1' oscillateur. Les signaux issus des différents éléments du transducteur sont représentés sur la figure lb. Cet oscillateur 1 est conçu pour délivrer un signal rectangulaire périodique SI variant en fonction de la tension V appliquée en entrée. C'est précisément ce signal SI qui est représentatif de la capacité Co variable délivrée par le capteur capacitif comme l'explique ce qui suit. Le transducteur, selon l'invention, comporte de plus deux circuits 2 et 3 de charge et de décharge de capacité, montés en parallèle en sortie de l'oscillateur 1. Le premier circuit 2 est destiné à assurer la charge et la décharge d'une capacité C2 variable égale à la somme de la capacité variable CO issue du capteur capacitif associé au transducteur et d'une capacité fixe C1. Ce circuit de charge et de décharge 2 de la capacité C2 comporte par exemple d'une part un circuit 21 passe-bas du premier ordre du type RC, constitué d' une résistance fixe R2 et de la capacité C2, associé à un - 35 interrupteur 20 recevant le signal SI et commandant respectivement la charge de capacité C2 pendant le temps T - t et la décharge pendant le temps t, et d'autre part un comparateur de seuil 22 49398 I 1676 - 4 - Le comparateur de seuil 22 reçoit en entrée d' une part le signal S'2 issu du circuit RC 21 et d'autre part un signal continu de tension de seuil Vo déterminée, et délivre en sortie un signal S2 rectangulaire périodique, de durée T2, fonction de la constante de temps R2 C2 du circuit 21, et de période T1. Le second circuit 3 est destiné à assurer la charge et la décharge d'une capacité C3. Il est composé par exemple d'une part d'un circuit 31 passebas du premier ordre du type RC, constitué d'une résistance fixe R3 et de la capacité C3, associé à un interrupteur recevant le signal Si et commandant respectivement la charge de la capacité C3 pendant le temps T2 - t et la décharge pendant le temps t, et d'autre part d'un comparateur de seuil 32 fonctionnant comme le circuit 22. Ce second circuit de charge et de décharge 3 délivre un signal S3 rectangulaire périodique, de durée T3 fonction de la constante de R3 C3 du circuit et de période TI. Le transducteur comporte enfin des moyens de traitement 40 des signaux S2 et S3, connectés en sortie des deux circuits de charge et de décharge 2 et 3, délivrant un signal continu de tension V variable destiné à commander 1' oscillateur 1. Cette tension V est fonction de la capacité CO variable délivrée par le capteur capacitif et par conséquent la fréquence du signal de sortie de 1 oscillateur est aussi représentative de Co. Lorsque l' oscillateur 1 est un V.C.O. linéaire, c'est-à-dire délivrant un signal de fréquence proportionnelle à la tension qui lui est appliquée, le signal de tension V est particulièrement intéressant. Le circuit selon l'invention génère bien soit un signal significatif par son niveau de tension continue, soit un signal significatif par sa fréquence représentative des variations de capacités données par un capteur physique. Les moyens de traitement 40 permettent de maintenir la période T1 proportionnelle à la différence (T2 - T3). La période T1 sera donc de la forme [ K2 (CO + C1) - K3 C3], K2 et K3 étant respectivement fonction de R2, Vo et de R3, V'o. Dans 1' application particulière d' élimination des capacités parasites, il suffira de rendre identiques les termes K2 C1 et K3 C3 par ajustement de K2 et de 49398 1 1676 -5- K3, c' est donc la différence entre T2 et T3 qui permet d' annuler les effets dus aux capacités parasites du système. La transformation temps-tension se fera par calcul de la valeur moyenne du signal résultant de la différence (T2 - T3), cette valeur moyenne étant du type K4 T2 - T3, K4 étant fonction de K2, K3 et de l'amplitude TI des signaux. Si cette moyenne est maintenue constante, la période TI sera bien égale à la différence (T2 - T3) à un coefficient multiplicatif prêt. On peut ainsi par exemple relié le capteur au circuit de traitement par un câble blindé dont on aurait préalablement mesuré les capacités parasites pour s'en affranchir. Un moyen simple consiste à utiliser un cable blindé avec deux conducteurs actifs plus le blindage dont l'un serait relié à C2 et l'autre à C3. Dans ce cas les effets de variations en température des capacités parasites du câble blindé sont aussi éliminés. Les figures 2a, 2b et 3a, 3b montrent deux variantes de réalisation des moyens de traitement 40 des signaux S2 et 53. Sur la figure 2a, ces moyens sont constitués tout d'abord par des moyens 4 effectuant la différence logique entre les signaux rectangulaires S2 et 53, c' est-à- dire délivrant un signal S4 rectangulaire, de même période T1 que les précédents mais dont la durée T4 est égale à la différence entre les durées T2 et T3 des signaux S2 et S3. Ces moyens 4 sont par exemple une porte logique. Les moyens 40 sont constitués ensuite par des moyens 5 d'obtention d'un signal continu de tension V4 représentant la valeur moyenne du signal rectangulaire S4 - ces moyens 5 pouvant être un filtre passe-bas par exemple -. Le signal continu de tension V4 est ensuite maintenu, grâce à des moyens 6, du type comparateur - intégrateur par exemple, à une tension constante VREF et la tension V, issue de ces moyens 6, varie en fonction de la différence T2 - T3, cette tension étant destinée à piloter le VCO 1. Les différents signaux sont dessinés sur la figure 2b. 49398 1 Il 6- Sur la figure 3a, les moyens 40 de traitement des signaux S2 et S3 sont constitués tout d'abord par des moyens 7 et 8 d'obtention de la valeur moyenne des signaux S2 et S3 respectivement - ces moyens pouvant être des filtres passe-bas par exemple - chacun délivrant un signal continu S7 et S8 de tensions V7 et V8 respectivement. Les moyens 40 sont constitués ensuite par des moyens 9 de calcul de la différence analogique de ces deux signaux continus S7 et S8, cette différence étant représentée par un signal continu de tension V4. Comme précédemment cette tension V4 est maintenue égale à une tension fixe de référence VREF par les moyens 6, la tension V qui est issue commandant P oscillateur 1. La figure 3b représente les signaux des différents éléments du circuit. Cette seconde variante est particulièrement intéressante dans le cas o les temps T2 et T3 sont identiques au début des mesures faites par le capteur. Dans la première variante (figure 2a), la différence logique entre les signaux S2 et S3 réalisée par les moyens 4 ne sera jamais nulle en raison des différences entre les temps de montée, de descente et de propagation des signaux S2 et S3 respectivement. Par contre, la deuxième variante (figure 3a) permet, dans le cas o T2 = T3, d' avoir une valeur moyenne analogique 57 et S pour les signaux S2 et S3 respectivement dépendant peu des temps de montée, de descente et de propagation, de sorte que la tension V4 est quasiment nulle. On constate que l' effet de la capacité parasite due à un éloignement entre le capteur et le transducteur est annulé par différence entre les constantes de temps T2 et T3. La figure 4a représente un second mode de réalisation du transducteur selon l' invention, pour des applications plus particulières à des capteurs capacitifs dont les variations de capacités en fonction d'une grandeur physique à mesurer présentent une grande dynamique. En effet, pour les capteurs détectant les valeurs de capacités variant entre quelques picofarads et quelques centaines de nanofarads 49398 11676 -7 se pose le problème du temps de décharge des capacités: plus la valeur de la capacité est grande, plus son temps de décharge est long, or si on fixe un temps de décharge t invariable comme pour les deux modes de réalisation, ce temps risque d' être trop petit pour décharger les fortes capacités ou trop grand pour les faibles capacités dont le fonctionnement a lieu généralement à des fréquences élevées donc pendant des temps très courts. Pour résoudre ce problème, le transducteur, objet de la figure 4a, asservit le temps t nécessaire à la décharge de chaque capacité à la valeur du temps de charge différentiel. Comme précédemment, le transducteur comporte un oscillateur V.C.0. I connecté en sortie à deux circuits 2 et 3 de charge de capacité, montés en parallèle et reliés en sortie à des moyens 40 de traitement des signaux issus de deux circuits de charge, mais il comporte de plus une double bascule D 10. Chaque bascule D élémentaire comporte une entrée D alimentée sous une tension de 5 Volts, une entrée d' horloge CLK recevant des tops d'horloge, une sortie Q délivrant l'information figurant sur D à chaque front d'horloge par exemple, une sortie inverse Q délivrant l'information inverse de la précédente et une entrée de remise à zéro CLR de l'information délivrée en Q. Dans le transducteur selon l'invention pour la bascule associée au circuit de charge 2 par exemple, l'entrée horloge CLK 1 reçoit le signal Si issu de l' oscillateur 1, l'entrée CLR1 est connectée à la sortie du circuit de charge 2, la sortie QI est reliée à l'interrupteur 20 et la sortie QI est connectée aux moyens - 40 de calcul de la valeur moyenne. Au premier top d'horloge CLKI, l'interrupteur 20 étant ouvert au départ, la capacité C2 se charge et atteint le seuil Vo, le comparateur 22 déclenche alors la remise à zéro de la sortie QI, par l'intermédiaire de la borne CLRI, entraînant I' apparition d' un niveau haut sur la sortie QI9 qui commande alors la fermeture de l' interrupteur permettant la décharge de la capacité C2. 49398 1 1676 Au second top d' horloge, la capacité se charge à nouveau et le processus reprend. Ainsi, dès que la capacité C2 présente une tension à ses bornes égale au seuil V0 fixé, sa décharge est provoquée et a lieu pendant un temps égal à (TI-T2) (figure 4b). Lorsque la capacité C2 augmente, son temps de décharge aussi puisqu'il s' adapte à sa valeur. Un tel dispositif permet de passer d'une fréquence de 2 MHz à une fréquence de 1 KHz pour une variation de capacité de O10 pF à 40 nF, tout en tenant compte des capacités parasites non négligeables pour les valeurs minimales. La figure 5a représente un mode de réalisation d' un transducteur selon l'invention particulièrement adaptée à une application à une sonde de mesure de niveau de liquide dans un réservoir, décrite notamment dans le brevet français déposé au nom de la Demanderesse sous le numéro 83.12775. Dans cette sonde le niveau de liquide est obtenu par comparaison entre la valeur d'une capacité de référence et la valeur de la capacité de mesure de niveau. L' objet de la figure 5a concerne un circuit qui délivre les deux informations de fréquences représentatives des variations de la capacité égale à la somme de la capacité de référence et de la capacité de mesure de niveau par rapport à cette même capacité sans présence de liquide d'une part et des variations de la capacité de mesure de niveau par rapport à cette même capacité sans présence de liquide d'autre part, sur une même borne de sortie. Les circuits A et B sont identiques à celui de la figure 4a car les deux capacités C2 et C3 présentes sur chacun d'eux sont égales au départ et que les capacités correspondant aux liquides possibles à mesurer peuvent varier dans un rapport de 2 à IOO soit de quelques picofarads à quelques nanofarads. Ce dispositif comporte un premier circuit diviseur 12 connecté à la sortie de l'oscillateur I délivrant le signal FI dont la fréquence est la plus élevée, par l'intermédiaire d'un circuit d'inhibition 13. La sortie du diviseur 12 est de plus rebouclée sur l'entrée à travers un inverseur 14. La sortie de 1 oscillateur 1, délivrant le signal F2 de fréquence plus basse, est reliée à l'entrée d'un circuit diviseur 15 dont le signal de sortie F2, inversé à travers un circuit inverseur 16, est appliqué à la fois sur la borne 17 de remise à zéro de. ce diviseur 15, et sur la borne 18 49398 1 1676 9- de remise à zéro du premier diviseur 12. Les ordres a et b de division de deux diviseurs 12 et 15 respectivement sont égaux à plusieurs centaines avec a inférieur ou égal à b. Le fonctionnement du dispositif est le suivant, Fi et F2 étant les signaux rectangulaires issus des oscillateurs I des deux circuits A et B respectifs et F' 1 et F'2 les signaux en sortie des diviseurs 12 et respectifs. La fréquence du signal Fi, est divisée par a (a = 3 sur la figure 5b) de sorte que pendant les a premières périodes, le signal F' 1 reste à O puis passe à 1. En sortie de l'inverseur 14 le signal passe alors de I à O inhibant l'entrée du diviseur 12. Pendant ce temps, la fréquence du signal F2 est divisée par b (b = a = 3 dans le cas de la figure 5b). Etant donnée que la sortie du diviseur est inversée avant d' être reliée à la borne de remise à zéro 17 de ce diviseur 15, dès que le signal F'2 issu du diviseur 15 passe de O à 1, il repasse aussitôt après à O. Cepandant, ce signal F'2 inversé remet à zéro également la sortie du diviseur 12 de sorte que le signal F' 1 qui se trouvait alors à 1' état I repasse à 1' état O et l'entrée du diviseur 12 autorise à nouveau l'entrée du signal FI dans le diviseur. Ainsi, sur la sortie Il du dispositif, apparaît un signal rectangulaire de période T6 proportionnelle à la somme de la capacité de référence et de la capacité de niveau et de durée t6 proportionnelle à la capacité de niveau. Dans les différents modes de réalisation qui ont été décrits, seul intervient le temps de charge des capacités contrairement aux circuits intégrés monostables existant actuellement, qui font intervenir en plus une partie du temps de décharge. De plus, les capacités ont toutes un point commun qui est la masse, ce qui facilite le blindage du capteur et le montage sur un.véhicule automobile. Pour une utilisation du transducteur en oscillateur différentiel, lorsque les deux capacités des circuits de charge sont liées à la grandeur physique à mesurer, il est très intéressant de commander la remise à zéro des capacités par celle donnant le temps le plus 49398 1 1676 2-576421 - 10 - élevé. Les tensions aux bornes des capacités évoluant dans le même sens, les capacités parasites différentielles se trouvent minimiser. Un autre avantage de l'invention est celui du réglage de zéro et de pente sur la période de sortie de Poscillateur permettant la normalisation d'un lot de capteurs par simple action sur le transducteur selon l'invention. Enfin les systèmes décrits s adaptent bien aux capteurs de pression capacitif o la pression est une fonction quasi linéaire de ltinverse de la capacité de mesure. La fréquence obtenue est de la forme i pour les circuits décrits précédemment. Dans le cas K(T2 - T3) d'un capteur de pression capacitif, les variations de T2 ou T3 permettent de modifier la sensibilité et de modifier la linéarité de la courbe F = f (pression). La figure 6 représente cette courbe, dans trois cas différents: A1 correspondant à une valeur de la capacité réelle du capteur telle que la courbe présente quelques valeurs inférieures à la courbe linéaire idéale Ao; A2 correspondant à une autre valeur de la capacité réelle du capteur telle que la courbe présente des valeurs supérieures à cette droite Ao; Ao correspondant à la courbe idéale obtenue en ajoutant ou en retouchant aux deux valeurs de capacité du capteur une capacité fixe. L'invention n' est pas bien entendue limitée aux différents modes de réalisation décrits et représentés; elle comprend également tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées dans l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. 49398 11676 - l1 - REVENDICATIONS 1. Transducteur capacité-fréquence notamment pour un capteur capacitif, caractérisé en ce qu'il comporte - un oscillateur (1) commandé par une tension continue (V), délivrant un signal (SI) rectangulaire périodique, de durée (t) et de période (T1) variable en fonction de la tension (V), représentatif d'une capacité (Co) variable - un premier circuit (2) de charge et de décharge d'une capacité (C2) variable égale à la somme de la capacité variable (CO) et d'une capacité fixe (CI), ce circuit (2) étant connecté à la sortie. de l' oscillateur (1) et délivrant un signal rectangulaire périodique (S2) , de durée (T2) fonction de la capacité (C2) et de période (TI); - un second circuit (3) de charge et de décharge d'une capacité fixe (C3), connecté en parallèle sur le premier circuit de charge (2) en sortie de l' oscillateur (1) et délivrant un signal (S3) rectangulaire périodique, de durée (T3) fonction de la capacité (C3) et de période (T1); - des moyens de traitement (40) des signaux (S2 et S3), connectés en sortie des deux circuits de charge et de décharge (2 et 3) et délivrant un signal continu de tension (V) variable destiné à commander P oscillation (1). 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (40) de traitement des signaux (S2 et S3) comportent des moyens (4) effectuant la différence logique de ces signaux, connectés en sortie à des moyens de calcul (5) de la valeur moyenne du signal représentant le rapport cyclique de (S2 et S3). 49398 I 1676 - 12-. 3.. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (40) de traitement des signaux (S2 et S3) comportent des moyens (7 et 8) de calcul de la valeur moyenne de chacun des signaux respectivement (S2 et 53), connectés en sortie à des moyens (9) effectuant la différence de ces valeurs moyennes. 4. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les circuits de charge et de décharge (2 et 3) sont constitués chacun par un circuit RC (21; 31) comportant une résistance (R2; R3) fixe et une capacité (C2; C3) associé à un interrupteur (20; 30) commandant la charge et la décharge des capacités 'C2; C3) et par un comparateur de seuil (22; 32) destiné à comparer la tension aux bornes des capacités à une tension de seuil (V0; V' o). 5. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'interrupteur (20; 30) reçoit le signal (S!) de 1' oscillateur (1) et commande la charge de la capacité (C2; C3) pendant un temps égal à (TI-t) et sa décharge pendant le temps t. 6. Transducteur selon 1' une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte de plus une double bascule D(10) recevant sur ses deux entrées d'horloge (CLK1 et CLK2) le signal (SI1) issu de 1' oscillateur (1), sur ses deux bornes de remise à zéro (CLRI et CLR2) les signaux issus respectivement des circuits de charge et décharge (2 et 3) et connectée sur ses sorties (Ql et Q2) aux interrupteurs (20 et 30) de sorte que les capacités se déchargent pendant un temps qui est asserti à la valeur du temps de décharge différentiel. 7. Transducteur, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits transducteurs (A et B) selon 1' une des revendications I à 6, associés à, un dispositif destiné à transmettre les signaux (F1 et F2) issus des deux oscillateurs (1) des circuits (A et B) respectivement sur une mêmre borne de sortie Il et comportant: 49398 11676 - 13 - - un premier circuit diviseur (12) connecté à la sortie de 1' oscillateur (1) délivrant le signal (F1) dont la fréquence est la plus basse, par l'intermédiaire d'un circuit d'inhibition (13), la sortie du diviseur (12) étant de plus rebouclée sur l'entrée à travers un circuit inverseur (14) un second circuit diviseur (15) connecté à 1' entrée de 1' oscillateur (1) délivrant le signal (F2), sa sortie étant connectée, par l'intermédiaire d'un circuit inverseur (16), à la fois à la borne (17) de remise à zéro de ce diviseur (15) et à la borne (18) de remise à zéro du premier diviseur (12) les ordres de division (a et b) des deux diviseurs respectifs (12 et ) étant tels que (a) soit inférieur ou égal à b. 49398 1 1