Brevet FR2604792A1 — publié le 19880408

La présente invention concerne un dispositif pour traiter les signaux de sortie d'un pont de résistances alimenté en tension continue ou en intensité continue avec inversion périodique de la polarité, comportant une horloge qui fournit un signal d'horloge commandant cette inversion, un amplificateur de pont et un convertisseur tension-fréquence qui présente des entrées de signal et de référence, aux entrées de signal duquel on amène la tension de sortie du pont, amplifiée, et dont la fréquence de sortie constitue le signal de sortie du circuit. Dans les applications nécessitant une mesure à haute précision, par exemple dans la technique de pesage, on utilise dans les dispositifs de traitement de signal en vue de l'évaluation des ponts de résistances, une alimentation sous tension alternative, une amplification de la tension alternative ainsi qu'ensuite un redressement tenant compte de la phase. On arrive ainsi à supprimer, comme il le faut, les influences des tensions de contact et des tensions thermo-électriques, ainsi que le glissement du point zéro des amplificateurs. Ces dispositifs ont 1' inconvénient de nécessiter des circuits coûteux et des procédures de réglage et d'étalonnage. En outre il faut stabiliser la tension. d'alimentation à l'égard des influences extérieures pour que la sensibilité du dispositif n'en soit pas influencée. Avec le dispositif conforme à l'invention, on évite ces inconvénients dès lors que l'alimentation instantanée du pont est employée comme tension de référence du convertisseur tension-fréquence; que l'inversion de la polarité de l'alimentation du pont est synchronisée avec la fréquence de sortie; et que la mesure de la fréquence du signal de sortie s'effectue en formant dans des unités d'évaluation montées en aval la valeur moyenne sur un nombre entier de périodes de cadence d'inversion. On arrive à supprimer l'influence des tensions de contact et des tensions thermo-électriques en inversant la polarité de l'alimentation du pont de façon que la durée de l'alimentation positive soit en moyenne égale à la durée de l'alimentation négative. De plus, pour supprimer les erreurs de mesure, on synchronise l'inversion avec les cycles de sortie cadencés du convertisseur tension-fréquence. Pour éliminer l'influence de la valeur instantanée de l'alimentation du pont sur la fréquence de sortie, on emploie cette valeur instantanée comme valeur de référence déterminant la pente de la caractéristique tension-fréquence du convertisseur. Si l'on mesure la fréquence de sortie sur une certaine durée pendant laquelle l'alimentation du pont est aussi longtemps positive que négative, les tensions d'erreur, additives, mentionnées ci-dessus sont sans influence sur le résultat. En outre, l'invention produit en sortie un signal analogique en fréquence qui, du fait de son caractère également numérique, est facile à transmettre et à convertir en une valeur numérique. Une réalisation avantageuse du dispositif et des extensions du dispositif conforme à l'invention s'énoncent comme suit: - - le convertisseur tension - fréquence est d'un type à transport de charge quantifié et il est réalisé avec des circuits du type commutateurcondensateur; - on établit le potentiel de référence de l'alimentation du pont de façon à maintenir les signaux de sortie du pont à un potentiel approximativement constant par rapport à la tension d'alimentation de l'électronique montée en aval. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaissent de la description qui suit d'un exemple de réalisation. Aux dessins annexés: - la figure 1 est un schéma - bloc d'un dispositif selon l'invention pour traiter les signaux de sortie d'un pont de résistances; - la figure 2 représente un mode de réalisation du dispositif de la figure 1, basé sur le transport de charge quantifié, avec des dispositions du type commutateur-condensateur; - la figure 3 représente l'allure, en fonction du temps, de signaux importants qui apparaissent dans le dispositif de la figure 2; et - la figure 4 est un schéma - bloc d'une variante de réalisation, dans laquelle on établit le potentiel de référence du pont de façon à maintenir les signaux de sortie du pont à un potentiel approximativement constant par rapport à la tension d'alimentation de l'électronique montée en aval. Le dispositif représenté à la figure 1 comporte un pont de résistances constitué de quatre résistances de pont 13, 14, 15 et 16. Les quatre résistances 13 à 16 du pont ont, à l'état d'équilibre, la même valeur de résistance R et, lors d'un déséquilibre, varient de la même valeur de résistance A R, c'est-à-dire du même facteur (1 E) avec t =t R/R. Chaque paire de résistances diagonalement opposées varie dans le même sens, contraire à celui dans lequel varient les deux autres résistances. Le pont de résistances est alimenté par une source de tension continue 10 à la tension Uv, par l'intermédiaire de commutateurs inverseurs 11 et 12. Les commutateurs 11 et 12 sont manoeuvrés simultanément par un signal de commande de façon à commuter entre les valeurs + Uv et - Uv la tension UvBR d'alimentation du pont, appliquée aux bornes de l'une des diagonales du pont. En fonction du désiquilibre des résistances 13 à 16 du pont, il apparaît, aux bornes de l'autre diagonale du pont, la tension de sortie du pont UBR que l'on applique aux entrées 17 et 18 d'un amplificateur 19 de la tension du pont. On appelle v le facteur d'amplification de l'amplificateur 19. La tension de sortie amplifiée v. UBR, produite par l'amplificateur du pont 19 est appliquée aux entrées de signal 21 et 22 d'un convertisseur tension-fréquence 25, qui présente en outre deux entrées de référence 20 et 23 et une entrée de commande 24. La tension d'alimentation du pont UVBR est amenée, comme tension de référence, aux entrées de référence 20, 23 et l'entrée de commande 24 reçoit le signal de commande qui pilote les commutateurs 11 et 12. Le convertisseur tension-fréquence 25 transforme la tension v. UDR amenée aux entrées de signal 21 et 22 en une tension alternative qui apparaît à la sortie 26 et dont la fréquence faus est donnée par la relation suivante: U+Sig U-Sig v.UBR aus U U e u 0 +Ref Ref. UVBR dans lequelle: U.+sig: tension à l'entrée de signal 21 U-sig: tension à l'entrée de signal 22 U+Ref: tension à l'entrée de référence 20 U-Ref: tension à l'entrée de référence 23 fo: fréquence d'étalonnage du convertisseur tension- fréquence 25. Comme la tension de sortie du pont de résistances obéit de façon générale à la relation: UBR = k UVBR On obtient finalement: f = v À k À f0 aus = *R f R L'emploi de la tension d'alimentation. instantanée du pont comme tension de référence élimine l'influence de sa valeur absolue; le résultat est indépendant de la valeur de la tension d'alimentation Uv8R du pont. Ceci est connu de l'homme de l'art. Le signal de commande qui inverse d'une part la polarité de la tension d'alimentation UvBR du pont au moyen des commutateurs 11, 12 et d'autre part, par l'intermédiaire de l'entrée 24, la fonction du convertisseur tension-fréquence 25 lorsque la tension de signal est négative, est fourni par un circuit de synchronisation 27 qui reçoit un signal d'horloge délivré par une horloge 28. Si l'on regroupe toutes les tensions d'erreur, comme les tensions thermoélectriques, les tensions de contact et les tensions résiduelles, ou tensions d'offset, de l'amplificateur 19 du pont et du convertisseur tension-. fréquence 25 dans une tension d'offset Uoffs, on obtient pour les deux polarités de la tension d'alimentation UvBR du pont les fréquences de sortie suivantes à la sortie 26 du convertisseur tension-fréquence 25: +U BR + Uoffs faus+ = V Àff +UvBR a-UBR + Uoffs faus- =vÀ'f0 -UvBR - Dès lors, si on mesure dans une unité d'évaluation 29 reliée à la sortie 26 du convertisseur tension-fréquence 25, la fréquence de sortie faus de façon telle que les deux polarités de la tension d'alimentation UVBR du pont interviennent dans le résultat pendant une durée identique, et si on forme la moyenne des deux fréquences mesurées faus+ et faus-, alors l'influence de Uoffs disparaît. Il est nécessaire de commuter, au moyen du signal de commande appliqué à l'entrée de commande 24, le convertisseur tension-fréquence 25 lorsque la tension d'entrée est négative dans les cas o, comme dans l'exemple de la figure 2, le convertisseur tension- fréquence ne fonctionne pas de manière symétrique par rapport aux tensions d'entrée. La figure 2 représente, plus en détail, un exemple de réalisation du dispositif de la figure 1 et la figure 3 représente les allures, en fonction du temps, des principaux signaux qui apparaissent dans le circuit de la figure 2. Le pont de résistances, représenté à la figure 2, constitué des résistances 33, 34, 35, 36 reçoit, par 1' intermédiaire des commutateurs inverseurs 31 et 32, la tension d'alimentation du pont UVBRR de la part de la source de tension continue 30 qui fournit la tension Uv. La fonction de ces éléments correspond à celle des éléments correspondants de la figure 1 et ne sera donc pas à nouveau exposée. L'amplificateur du pont 39 est constitué de deux amplificateurs opérationnels 40, 41 et de trois résistances 42, 43, 44. Dans ce circuit connu de l'homme de l'art, les résistances 42 et 44 ont habituellement la même valeur ohmique. Si l'on désigne cette valeur ohmique par R44 et celle de la résistance 43 par R43, l'amplificateur du pont 39 amplifie la tension de sortie du pont UBR = U37 - U3e, qui se présente à ses sorties 37 et 38, selon l'équation: U47 U48 (U37 - U38) ' (1 + 2 R44 R43 Aux deux sorties 47, 48 de l'amplificateur 39 du pont est relié un circuit RC comportant une résistance 49 et un condensateur 50. Deux commutateurs 51 et 52, pilotés ensemble par un signal de commande, amènent, dans l'une de leurs positions, représentée sur la figure 2, la tension d'alimentation Uvet du pont aux bornes d'un second condensateur 100, tandis que, dans leur autre position, ils relient le condensateur 100 en parallèle avec le condensateur 50. Les deux bornes du condensateur 50 sont reliées aux deux entrées d'un comparateur 53 de sorte que la tension UK qui apparaît aux bornes du condensateur 50 constitue la tension d'entrée du comparateur 53. La sortie du comparateur 53 est reliée à l'une des entrées d'une porte NON OU exclusif qui pilote les commutateurs 31 et 32. Cete autre entrée de la porte NON OU exclusif 54 correspond donc à l'entrée de commande 24 de la figure 1. La sortie de la porte NON OU exclusif 54 est reliée à l'entrée de déclenchement d'une bascule monostable 55 dont la sortie est reliée à l'entrée de déclenchement d'une seconde bascule monostable 58 qui fournit à sa sortie 59 le signal de commande destiné aux commutateurs 51 et 52. Ceux des constituants du circuit décrits jusqu'ici qui sont reliés aux sorties 47, 48 de l'amplificateur 39 du pont, forment le convertisseur tension-fréquence dont le mode de fonctionnement repose sur le principe du transport quantifié de la charge. La sortie 59 de la bascule monostable 58 forme la sortie du convertisseur tension-fréquence, à laquelle est reliée l'unité d'évaluation, non représentée à la figure 2. Le circuit de synchronisation 27 de la figure 1 est formé à la figure 2 par une bascule de type D, dont l'entrée D reçoit le signal d'horloge fourni par l'horloge 57. L'entrée d'horloge de la bascule D 56 est reliée à la sortie de la bascule monostable 55. Le signal de sortie de la bascule D 56 forme le signal de commande qui d'une part pilote les commutateurs 31, 32 et se trouve d'autre part appliqué à la porte NON OU exclusif 54. On décrit ci-après le fonctionnement du circuit de la figure 2 en référence aux diagrammes de la figure 3. Ces diagrammes représentent l'allure qu'ont, en fonction du temps, la tension UN aux bornes du condensateur 50, la tension d'alimentation UvBeR du pont, et les signaux 01 à 06, qui apparaissent aux point du circuit repérés de la même façon à la figure 2. Admettons tout d'abord que la tension d'alimentation UveR du pont ait la valeur positive +Uv. Les sorties 47, 48 de l'amplificateur 39 du pont fournissent donc au condensateur 50, à travers la résistance 49, une intensité qui fait croître la tension UN aux bornes du condensateur. Dès que la tension UK dépasse, par valeur croissante, la valeur de seuil du comparateur 53, le signal de sortie 0, du comparateur 53 passe du niveau logique bas L au niveau logique haut H. En fonction de l'état du signal de commande 05 présent à son autre entrée, la porte NON OU exclusif 54 va soit transmettre le signal i sans le modifier, soit l'inverser, ce qui donne le signal 02. Dans le diagramme de la figure 3, on admet qu'en présence du niveau haut H du signal 05, les commutateurs 31 et 32 occupent la position correspondant à la tension d'alimentation positive UvBR du pont, de sorte que, pour cette polarité de la tension d'alimentation du pont, le signal oi est transmis sans être modifié. A l'apparition du flanc croissant du signal 02z, la bascule monostable 55 bascule de sorte que son signal de sortie 03 passe au niveau haut H pendant une durée prédéterminée. A l'apparition du flanc décroissant du signal 03, c'est la seconde bascule monostable 58 qui bascule, de sorte que son signal de sortie 04 passe également au niveau haut H pendant une durée prédéterminée. Le signal l4 fait passer, pendant la durée de son niveau haut H, les commutateurs 51 et 52 dans l'autre position. En conséquence, le condensateur 100, qui, jusqu'à présent, était chargé sous la tnesion d'alimentation instantanée du pont, se retrouve monté en parallèle avec le condensateur 50 et se décharge dans celui-ci. Il fournit alors la charge: AQ = (-UvBR - Urest) C100 relation dans laquelle Cioo est la capacité du condensateur 100. La tension Urest est égale à la tension aux bornes des condensateurs au moment o le condensateur se sépare du condensateur 50. Le changement de signe s'obtient par la liaison, représentée sur la figure 2, des commutateurs 51 et 52 avec les bornes du condensateur 50. Lors du transport de la charge, la tension Ux du condensateur 50 se modifie de la valeur: Q = ______ (-UvBR - Urest) C100 LUK =5 C50 + C100 C50 + C100 Après écoulement du temps prédéterminé par la bascule monostable 58, le condensateur 100 se sépare à nouveau du condensateur 50 et passe sous la tension d'alimentation UvBR du pont. La tension d'offset du comparateur 53 peut être maintenue à une valeur suffisamment faible pour être négligeable par rapport à la valeur de la tension d'alimentation Uv8R du pont, de sorte que la tension résiduelle Urest, que représente le condensateur 100 lors de sa séparation d'avec le condensateur 50, n'est définie que par les valeurs des condensateurs 50 et 100 et par la valeur instantanée de la tension d'alimentation UvgR du pont, et ne donne donc lieu à aucune erreur systématique. Pour cela, il faut que la mise en circuit du condensateur 100 aux bornes du condensateur 50 ne se fasse que suffisamment brièvement pour que la charge prise par les condensateurs en fonction de la tension de sortie UsR du pont reste négligeable. En raison de la charge continuelle d'une part et des cycles d'équilibrage de charge agissant en compensateurs d'autre part, la tension UK prend une valeur moyenne fixe. Pour que les charges, amenées en permanence avec le courant traversant la résistance 49, ne décalent pas de façon continue cette valeur moyenne de la tension Ux, il faut que la charge amenée au cours des cycles d'équilibrage de charge compense en moyenne ce courant. Le nombre de cycles nécessaire par unité de temps résulte de l'équation d'équilibrage de la charge: i *T.0 R49 Taus = UVBR C100 dans laquelle Taus est la période de la fréquence faus du signal de sortie. En tenant compte dans cette équation de la relation donnant l'intensité qui passe par la résistance 49, on obtient: UVBR ' C100 ' faus (v UBR UVBR 2(C0 + C R aus 2.(C50 + Cl00)/R49 le second terme dans la parenthèse du second membre de l'équation est la valeur moyenne de la tension UK aux bornes du condensateur 50. En tenant compte de la relation évoquée plus haut donnant la tension de sortie UBR du pont, on obtient: f AR C100 aus (. _ _100_) 1 fa (v R 2 (C50 + C100) R49 C100 La tension d'alimentation instantanée UvsR du pont n'a pas d'influence. Dans l'équation on ne tient pas compte de ce qu'entre l'instant o la valeur de seuil du comparateur 53 est dépassée par valeur supérieure et celui de la mise en oeuvre de la compensation, il s'écoule l'intervalle de temps conditionné par la bascule monostable 55. Cet intervalle de temps provoque un décalage de la valeur moyenne de la tension UK, et ce décalage est fonction de la tension de sortie instantanée UBR du pont, puisque pendant cet intervalle de temps, la tension Ux continue à se modifier avec la pente déterminée par la tension de sortie UBR du pont. Le circuit de synchronisation formé par la bascule D 56 fait que l'inversion de polarité de la tension d'alimentation UvBR du pont est synchronisée avec l'instant du dépassement, par valeur croissante, de la valeur de seuil, et qu'elle se produit donc avant l'instant de la compensation de charge, comme le montre la figure 3. Ainsi, le dépassement du seuil présente la même valeur pour les deux sens de fonctionnement et agit donc dans le sens d'un facteur constant, qui vient modifier l'amplification du système, dont on tient compte en étalonnant la pente de la caractéristique tension- fréquence et qui n'influence pas le résultat de la mesure. Lorsque le signal d'horloge 06, qui influence la polarité de la tension d'alimentation du pont, modifie son niveau, la bascule D 56 ne modifie son état qu'à l'apparition du flanc croissant suivant du signal de sortie 03 de la bascule monostable 55. Ce n'est qu'à cet instant que le niveau du signal 05 se modifie et provoque l'inversion de la polarité de la tension d'alimentation UVBR du pont. La tension de sortie UBR du pont, et donc la tension de sortie v. UBR de l'amplificateur 39 du pont changent de signe et la tension Ui diminue à nouveau. Après dépassement, par valeur croissante, de la valeur de seuil, le signal de sortie 01 du comparateur 53 bascule à nouveau pour passer au niveau bas L. En même temps que l'inversion de polarité de la tension d'alimentation UvBR du pont, le changement de niveau du signal ó5 à la seconde entrée de la porte NON OU exclusif 54 rend le signal o2 équivalent à la négation du signal #1 du comparateur pour la suite de la durée de cette polarité d'alimentation du pont. Après écoulement du délai conditionné par la bascule monostable 55, à l'apparition du flanc décroissant du signal ó3, la bascule monostable 58 bascule et un cycle d'équilibrage de la charge se déclenche. Dans l'intervalle de temps au cours duquel le signal 0 3 présente le niveau haut H tandis que la tension d'alimentation UvBR du pont a déjà changé de polarité, le condensateur 100 se charge sur cette nouvelle tension. Le cycle de compensation qui est ensuite déclenché a donc déjà lieu avec la polarité correcte. C'est la raison pour laquelle on introduit un retard au moyen de la bascule monostable 55. Comme la tension UK se trouve déjà, à l'instant de la compensation, à la valeur qui est identique pour tous les cycles d'équilibrage de charge qui suivent, la durée qui s'écoule jusqu'au déclenchement de la compensation qui suit correspond exactement à celle des cycles suivants. Le mode de synchronisation choisi évite donc des erreurs lors de l'inversion de polarité. Il faut encore ajouter une remarque concernant l'état, non défini avec précision, du signal de sortie 01 du comparateur 53 ainsi que du signal 02 de la porte NON OU exclusif 54 au cours du processus d'inversion. Les éventuels changements de niveau sont sans influence sur le déroulement si la bascule monostable 55 ne peut pas être rebasculée pendant la durée au cours de laquelle son signal de sortie ó3 présente le niveau haut H. Le fonctionnement du circuit nécessite que la fréquence de sortie produite faus ne devienne pas inférieure à la fréquence du signal d'horloge o6 qui commande l'inversion de polarité de la tension d'alimentation UVBR du pont, sinon le seuil du comparateur risquerait de ne pas être dépassé. Du fait de l'alimentation symétrique avec tension positive et tension négative, la tension UK resterait alors autour d'une valeur moyenne non définie. la figure 4 représente un exemple de réalisation simplifié d'un dispositif dans lequel on établit le potentiel de référence de l'alimentation du pont de façon à maintenir la tension de sortie du pont à un potentiel approximativement constant par rapport à l'alimentation du circuit électronique monté en aval. L'agencement de base correspond à celui de la figure 1 et tous les éléments qui correspondent à ceux de la figure i sont munis des mêmes références et ne sont pas décrits à nouveau car ils ont la même fonction. En plus sont représentés deux conducteurs et 61 sur lesquels on dispose de la tension d'alimentation positive +UvE et de la tension d'alimentation négative -UvE pour les différents constituants du circuit électronique. A cela s'ajoute un circuit de régulation constitué d'un amplificateur 62 et de deux résistances 63 et 64. Les résistances 63 et 64 forment un diviseur de tension qui place l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 62 à un potentiel fixe par rapport aux tensions d'alimentation +UVE et -UVE. L'entrée inverseuse de l'amplificateur est reliée à la sortie du pont reliée à l'entrée 18 de l'amplificateur 19 du pont. La sortie de l'amplificateur 62 est reliée à la borne de tension négative de l'alimentation du pont. On réalise ainsi une boucle de régulation qui régule la tension négative d'alimentation du pont à un potentiel tel que l'entrée 18 de l'amplificateur 19 du pont est maintenue à un potentiel constant par rapport à la tension d'alimentation du circuit électronique monté en aval du pont. Ceci minimise les décalages des tensions d'entrée en mode commun de l'amplificateur 19 et du circuit électronique monté en aval. On ramène ainsi à un minimum les erreurs provoquées par une réjection insuffisante, en mode commun, des étages mentionnés, erreurs qui apparaissent lors d'une modification de la tension en mode commun dans les signaux de sortie du pont, lorsqu'on inverse la polarité de la tension d'alimentation du pont. On obtient une meilleure réjection si la structure de la régulation est telle qu'elle maintient directement constante la tension en mode commun. Dans ce but il ne faut pas relier l'entrée inverseuse de l'amplificateur à une sortie du pont, mais à la tension en mode commun (Ui7 + U18e)/2 à l'entrée de l'amplificateur 19. Eventuellement il faut monter l'amplificateur 62 en intégrateur. Un procédé de ce type est courant pour l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour traiter les signaux de sortie d'un pont de résistances alimenté en tension continue ou en intensité continue avec inversion périodique de la polarité, comportant une horloge (28) qui fournit un signal d'horloge commandant cette inversion, un amplificateur de pont (19) et un convertisseur tension- fréquence (25) qui présente des entrées de signal et de référence, aux entrées de signal duquel on amène la tension de sortie du pont, amplifiée, et dont la fréquence de sortie constitue le signal de sortie du circuit, caractérisé en ce que l'alimentation instantanée du pont est employée comme tension de référence du convertisseur tension-fréquence; en ce que l'inversion de la polarité de l'alimentation du pont est synchronisée avec la fréquence de sortie; et en ce que la mesure de la fréquence du signal de sortie s'effectue en formant dans des unités d'évaluation montées en aval la valeur moyenne sur un nombre entier de périodes de cadence d'inversion. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur tension-fréquence est d'un type à transport de charge quantifié et en ce qu'il est réalisé avec des circuits du type commutateur- condensateur. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on établit le potentiel de référence de l'alimentation du pont de façon à maintenir les signaux de sortie du pont à un potentiel approximativement constant par rapport à la tension d'alimentation de l'électronique montée en aval.