Brevet FR2606231A1 — publié le 19880506

Dans de nombreux domaines de mesure ou d'analyse, notamment de phénomènes vibratoires, on utilise maintenant des algorithmes, transformée de Fourrier rapide (FFT) par exemple. Ceux-ci sont appliqués de façon numérique à des signaux issus de capteurs, préalablement échantillonnés à une fréquence dite d'échantillonnage fe. Dans le cas d'analyse de certains phénomènes, par exemple, ceux liés aux machines tournantes et principalement celles dont le fonctionnement comporte de nombreuses phases transitoires, la puissance de La méthode est considérablement accrue si on peut disposer d'une fréquence d'échantillonnage synchrone à la vitesse de rotation telle que : fe = K . fm ou fm est une fréquence de référence directement issue de celle de la rotation et K un facteur tenant compte des moyens ultérieurs d'analyse (taille mémoire par exemple) et de la finesse souhaitée d'analyse. Dans certains cas précis, par exemple l'analyse vibratoire d'un élément de robot (bras, poignet), la rotation de l'organe analysé dépend de celle d'une partie motrice au travers d'une cinématique complexe.La prise d'information concernant la rotation (fm) n'est parfois possible qu'au niveau de l'organe moteur. Le facteur K devra alors contenir le rapport de transmission. K sera alors introduit sous la forme K = N/D ou N et D sont deux nombres entiers tels que : 1 1 Il existe des dispositions électroniques qui permettent d'opérer cet artifice. On citera par exemple un circuit électronique synthétiseur de fréquence dans lequel un oscillateur dont la fréquence est commandée par une tension émet en sortie une fréquence qui, divisée par un coefficient N, est comparée avec la fréquence de référence au moyen d'un comparateur de phase. La différence de phase donne naissance à une tension dont la composante continue, isolée par un filtre passe-bas, est exploitée comme tension d'erreur en agissant sur la réactance variable de l'oscillateur susdit. Ainsi, la fréquence divisée susdite est synchrone de la fréquence de référence.L'oscillateur émet alors en sortie une fréquence multiple par N de la fréquence de référence qui, divisée par un coefficient D devient une fréquence d'échantillonnage dans le rapport indiqué ci-dessus de la fréquence de référence. Ce circuit bien connu présente certaines limites d'emploi dues notamment à la commande de type analogique de l'oscillateur commandé par une tension. Ainsi dans des applications où le générateur fonctionne en oscillateur asservi à une fréquence susceptible de varier, ce qui est le cas de tous les régimes transitoires très fréquents en robotique, la constante de temps du filtre devient gênante Il s'agit alors par des montages particuliers de trouver un compromis entre le temps de réponse et la stabilité du circuit qui n'a pas donné entière satisfaction. La présente invention entend remédier à cet incon vénient en proposant un synthétiseur de fréquence de type numérique dont l'usage est particulièrement adapté aux régimes transitoires. En outre, sa mise en place sur le dispositif à étudier est très facile et son intégration dans un appareillage de mesure, d'analyse et de traitement des données ne nécessite pas d'adaptation complexe tant du point de vue équipement que du point de vue logiciel ou moyens informatiques de traitement des données. A cet effet, l'invention a donc pour objet un synthétiseur numérique de fréquence d'échantillonnage dans un rapport donné réglable NID d'une fréquence de référence variable, utile en particulier pour le traitement numérique de la mesure et l'analyse des phénomènes vibratoires d'une pièce tournante. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, ce synthétiseur comporte un générateur de fréquence de base fixe, un générateur de fréquence de référence, un périodemêtre recevant en entrée chacune des fréquences de base et de référence et émettant en sortie une valeur numérique correspondant au rapport de la fréquence de base sur la fréquence de référence, ladite valeur numérique étant introduite dans un circuit calculateur pour être divisée par K préalablement introduit dans le calculateur (K = N/D), le résultat étant appliqué en tant que coefficient diviseur d'un circuit diviseur de fréquence recevant en entrée La fréquence de base, la fréquence émise en sortie du diviseur étant Ladite fréquence d'échantillonnage. Dans un second mode de réalisation, le périodemètre reçoit en entrée la fréquence de référence et une fréquence émise par un premier circuit diviseur de la fréquence de base par le coefficient réglable N et émet en sortie une valeur numérique correspondant au rapport de ladite fréquence de base divisée par N sur la fréquence de référence, ladite valeur numérique étant appliquée en tant que coefficient diviseur d'un second circuit diviseur recevant en entrée ladite fréquence de base, la fréquence de sortie de ce second circuit étant conduite à L'entrée d'un troisième circuit diviseur, dont le coefficient diviseur réglable est le coefficient D, émettant en sortie ladite fréquence d'échantillonnage. Dans chacune de ces variantes de réalisation, le générateur de fréquence de référence est constitué par un capteur associé de manière simple à au moins un index porté par un arbre tournant émettant donc une fréquence proportionnelle à la fréquence de rotation dudit arbre. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d'exemple purement indicatif et non limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention. - la figure 2 est un schéma d'un second mode de réalisation de l'invention. - la figure 3 est un premier schéma d'un périodemétre convenant au synthétiseur selon l'invention. - la figure 4 est un second schéma d'un périodemétre. En se reportant tout d'abord à la figure 1, on voit un mécanisme de transmission 1 représenté symboliquement, qui comporte un arbre tournant d'entrée 2 et un arbre tournant de sortie 3 sur lequel il est nécessaire de procéder à des mesures de vibrations et d'effectuer une analyse de celles-ci, telle, par exemple, qu'une analyse d'ordre. On supposera dans le cas d'espèce que l'arbre 2 est aisément accessible alors que l'arbre 3 ne l'est pas. Le rapport de transmission entre les deux arbres peut être quelconque mais connu. L'utilisateur en tiendra compte dans son choix de K = N/D. Le mécanisme 1 peut illustrer de manière schématique une channe cinématique, mise en oeuvre dans un appareil du type robot ou analogue. Il est nécessaire, pour procéder au traitement, notamment numérique, des valeurs à analyser sur l'arbre 3, de disposer d'une fréquence d'échantillonnage qui, par hypothèse, ne peut être directement prélevée au niveau de la rotation de L'arbre 3 mais doit être déduite de la rotation de l'arbre 2, qui constitue la source de fréquence de référence variable notamment dans les périodes de régime transitoire. Cette fréquence d'échantillonnage fe sera telle que fe = NID fm si fm est la fréquence de référence, c'està-dire par exemple, la fréquence de rotation de l'arbre 2. La production de la fréquence fm peut se faire de manière simple, et connue, en disposant sur l'arbre 2 un repère 4 qui, à chaque fois qu'il passe devant un capteur 5, compatible avec le repère 4, engendre une impulsion ou plus généralement un signal électrique qui, mis en forme de manière également connue, est apte à être traité par un périodemêtre 6. Ce périodemètre reçoit également une fréquence fo de base émise par un oscillateur 7, en continu et dont la longueur d'onde est notablement plus courte que celle associée à la fréquence de référence. Par un dispositif simple qui sera explicité en regard des figures 3 et 4, le pêriodemètre 6 émet en sortie une valeur numérique M qui constitue Le résultat de ta division de la fréquence de base fo par la fréquence de référence fm. Cette valeur numérique est reçue par un calculateur numérique 8 qui la traite en la multipliant par le coefficient D et en La divisant par le coefficient N. En 9a et 9b, on a représenté des moyens par lesquels lesdits coefficients N et D sont entrés et mémorisés dans le calculateur 8. Le résultat L (valeur numérique), issu du calculateur 8 est transmis au diviseur de fréquence 10 qui reçoit fo et émet fe. Mx D En effet, on voit que fe = fo/L ; or L = donc fe = fo x N ; par ailleurs on sait que fo = M x fm, ce MxD qui donne fe = N x fm. L'avantage du synthétiseur selon ce mode D de réalisation par rapport aux synthétiseurs connus à oscillateur commandés par une tension, réside dans un temps de réponse extrêmement court obtenu sans problèmes d'instabilité, le circuit ne comportant aucun composant de type analogique. La figure 2 illustre une seconde version du synthétiseur selon L'invention simplifiée, donc de prix de revient encore plus bas que celui précédemment décrit. On retrouve sur cette figure certains des éléments déjà décrits avec les mêmes références. On remarquera que maintenant le pério demeure 6 reçoit d'une part la fréquence de référence fm et d'autre part une fréquence fa sous-multiple de la fréquence fixe de base fo telle que fa = fo/N, opération réalisée par le diviseur 11 dans lequel N est introduit au moyen de lla. Le périodemètre émet une valeur numérique M1 qui est la division de fa par fm. Cette valeur M1 est alors affectée comme coefficient diviseur dans un circuit diviseur 12 de fréquence, qui reçoit la fréquence fo. La fréquence qui en sort est, quant à elle, divisée par un circuit diviseur 13 dans lequel, par le moyen 13a, le coefficient diviseur est choisi å la valeur D. La fréquence délivrée est la fréquence d'échantillonnage. En effet, fo est divisée par M1 puis par D. On peut Fa donc écrire fe = fo x 1 . On a vu que M1 = -- et que MID fm fa = fo x 1, donc fe = N Fa x f m x 1 = fm x N N fa D D Par rapport à la version de la figure n 1, ce mode de réalisation permet l'économie d'un calculateur remplacé par trois diviseurs qui sont des composants très bon marché et aisément disponibles. Le périodemètre, identique pour les deux versions, peut être réalisé comme représenté aux figures 3 ou 4. Sur la figure 3 on voit un repère 4 de l'arbre 2 qui fournit les impulsions à la fréquence fm au moyen d'un capteur 5. Ce signal de fréquence fm agit sur une bascule 14 dont les sorties complémentaires Q et Q sont reliées aux entrées de deux portes ET 15a et 15b. Les autres entrées de ces mêmes portes reçoivent le signal de fréquence fa ou fo émis, suivant la version, par le diviseur 11 (fa) ou L'oscillateur (horloge) 7 (fo). Les sorties de ces deux portes sont connectées à deux compteurs 16a, 16b. A chaque front positif (par exemple de L'impulsion fournie par Le capteur 5) la bascule 11 inverse l'état de ses sorties. Ceci a pour effet, pendant la durée d'un tour, de rendre, par exemple, passante la porte 15a et bloquée la porte 15b.Dans cet état, le circuit 16a compte les impulsions fournies par le diviseur 11 ou l'horloge 7 tandis que dans le circuit 16b, alors inactif, on peut lire le nombre M, M1 de ces mêmes impulsions comptées au tour précédent. Par ce système, on obtient une valeur de M, M1 par tour de l'arbre 2. Dans le cas de variations rapides de la fréquence de rotation de celui-ci, il peut être utile pour un meilleur suivi, de disposer des valeurs M, M1 plusieurs fois par tour. Dans le cas où l'on dispose, sur l'arbre 2, de plusieurs index dont la régularité de répartition est rigoureuse, une simple intégration du nombre d'index au facteur K règle avantageusement le problème. Si on dispose de e index, à la répartition aléatoire, il est néanmoins possible par une gestion modifiée du périodemètre précédemment décrit, d'obtenir e valeurs de M, M1 par tour. C'est ainsi, en effet, qu'à chaque impulsion provenant du capteur 5, les sorties Q et Q de la bascule 11 sont inversées, et commandent, en alternance, par les portes logiques ET 15a 15b , le blocage ou de déblocage des compteurs 16a, 16b. Chaque valeur lue correspond å une fraction de M ou M1 correspondant à l'espacement anguraire entre deux index et est rangée dans une table structurée en pile, de laquelle à tout moment, après bien entendu qu'un tour complet de l'arbre 2 a été fait, on peut obtenir Les valeurs M ou M1 en faisant la somme des P dernières valeurs rangées. La figure 4 représente une variante de réalisation de la figure 3 dans le cas d'une pluralité d'index. L'arbre 2 est représenté avec ses index 41,42,43 et 44 qui défilent devant le capteur 5. La source 7 ou 11 de fréquence de base (ou de son sous-multiple) est connectée à une entrée de cinq portes logiques ET 51 à 55 (une porte de plus que le nombre d'index), la sortie de ces portes aboutissant cinq circuits de décomptage 16a à 16e. Les portes 51 à 55 sont commandées par un registre 60 à décalage circulaire dont le décalage s'effectue à chaque impulsion provenant du capteur 5. On notera, en regard de cette figure comme en regard de la figure 3 que les circuits comportent une porte 61 de synchronisation qui permet de n'autoriser la commande de commutation de la bascule ou le décalage du registre, qu'en synchronisme avec l'oscillateur de manière que cette opération s'effectue sans perte d'impulsion au comptage. On voit sur la figure 4 que le registre a cinq bits dont quatre sont affectés à la valeur 1 et un à la valeur 0. Ainsi chaque compteur est associé par permutation circulaire au comptage des impulsions de fréquence de base correspondant à la période de la rotation d'un repère. Le compteur inactif (16b dans le cas de la figure) peut être lu et remis à zéro avant le décalage suivant. La valeur lue correspond à la valeur M ou M1. On dispose donc de quatre valeurs par tour ,de la fréquence de référence fm, ce qui permet de suivre très fidèlement les phénomènes de période transitoire sans pour autant demander une mise en place soigneuse et laborieuse des index sur l'arbre "de référence". L'invention n'est pas limitée à la description qui vient d'être donnée et notamment à ce cas précis d'application. Elle convient pour synthétiser n'importe quelle fréquence d'échantillonnage quelle que soit la fréquence de référence. Elle trouve une application intéressante dans le domaine des appareils de mesure. REVENDICATIONS 1. Synthétiseur numérique de fréquences d'échantillonnage dans un rapport donné K réglable d'une fréquence de référence variable utile notamment au traitement numérique de mesures de vibrations, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur (7) de fréquence (fo) de base fixe, un générateur (4,5) de fréquence (fm) de référence, un périodemètre (6) recevant en entrée chacune des fréquences de base (fo) et de référence (fm) et émettant en sortie une valeur numérique (M) correspondant à la division de la fréquence de base (fo) par la fréquence de référence (fm), ladite valeur numérique (M) étant introduite dans un circuit calculateur (8) pour être divisée par K sous la forme K = N/D, préalablement introduits dans le calculateur, le résultat L étant appliqué en tant que coefficient diviseur d'un circuit diviseur (10) de fréquence recevant en entrée ladite fréquence de base (fo), la fréquence émise en sortie du diviseur étant ladite fréquence d'échantillonnage (fe). 2. Synthétiseur numérique de fréquences d'échantillonnage dans un rapport donné N/D réglable d'une fréquence de référence variable, utile notamment au traitement numérique de mesures de vibrations, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur (7) de fréquence de base (fo) fixe, un générateur (4,5) de fréquence de référence (fm), un périodemètre (6) recevant en entrée la fréquence de référence (fm) et un sous-multiple (fa) de la fréquence de base (fo) émise par un premier circuit diviseur (11) de cette fréquence de base (fo) par le coefficient N réglable, et émettant en sortie une valeur numérique (M1) correspondant à la division du sous-multiple (fa) susdit par La fréquence de référnece (fm), ladite valeur numérique (M1) étant appliquée en tant que coefficient diviseur d'un second circuit diviseur (12) recevant en entrée ladite fréquence de base (fo), la fréquence de sortie de ce second circuit étant conduite à L'entrée d'un troisième circuit diviseur (13), dont le coefficient diviseur réglable est le coefficient D, émettant en sortie ladite fréquence d'échantillonnage (fe). 3. synthétiseur selon la revendication 1 ou la revendication -2 caractérisé en ce que le générateur de fréquence (4,5) est constitué par un capteur (5) associé à au moins un index (4) porté par un arbre (2) tournant émettant des impulsions à une fréquence proportiennelle à la fréquence de rotation dudit arbre (2). 4. Synthétiseur selon La revendication 3 caractérise en ce que le périodemètre (6) susdit comporte une bascule (14) recevant en entrée les impulsions du générateur (4,5) de fréquence de référence et dont les sorties complémentaires sont reliées à deux portes ET (15a, 15b) recevant la fréquence de base (fo) susdite ou son sous-multiple (fa) chaque porte étant, en sortie, reliée å un circuit (1 Sa, 16b) de décomptage des impulsions de la fréquence de base ou de son sous-multiple traversant la porte (ET) correspondante rendue passante. 5. Synthétiseur selon la revendication 4 caractérisé en ce que, le générateur comportant un seul index (4), à chaque changement d'état de la bascule (14), les circuits de comptage (16a, 16b) sont successivement lus et remis à zéro pendant le blocage de la porte correspondante, la valeur extraite constituant la valeur numérique (M, M1) susdite. 6. Synthétiseur selon la revendication 4 caractérisé en ce que, le générateur comportant plusieurs (p) index (4), à chaque changement d'état de la bascule (14), les circuits de comptage (16a,16b) sont successivement lus pendant leur verouillage, la valeur ainsi extraite étant rangée dans une table structurée en pile, les valeurs (M, M1) étant obtenues par sommati-on des e dernières valeurs. 7. Synthétiseur selon la revendication 3 caractérise en ce que, le générateur de fréquence comportant une pluralité e d'index (41 à 44), le périodemètre susdit comporte etl circuits de décomptage (16a à 16e) des impulsions de la fréquence de base (fa) ou de son sous multiple (fo) qui leur parviennent au travers de etl portes ET (51à 55) commandées par un registre (60) de e+1 bits à décalage circulaire commandé par chaque impulsion de générateur de fréquence de référence dont un bit est affecté de la valeur 0, Le compteur bloqué contenant la valeur (M,M1) susdite étant Lu et remis à zéro avant le décalage suivant.