Brevet FR2656930A1 — publié le 19910712

Circuit de mesure numérique d'un signal électrique La présente invention concerne un circuit de mesure qui donne la valeur numérique d'un signal électrique. Le signal électrique dont il faut faire la mesure est un signal analogique susceptible de prendre différentes valeurs entre une valeur maximale et une valeur minimale Le rapport de ces dernières définit la dynamique de ce signal Il est ainsi connu d'utiliser, pour obtenir une mesure numérique d'un tel signal, un convertisseur analo- gique-numérique dont la dynamique propre est supérieure à celle du signal La dynamique d'un convertisseur, se définissant comme celle d'un signal, correspond au plus grand nombre qu'il peut générer, le plus petit nombre étant égal à l'unité Elle est ainsi fonction du nombre de bits de ce convertisseur. Lorsque le signal a une dynamique relativement faible, correspondant à un convertisseur 8 bits par exemple, cette solution est bien adaptée car les convertisseurs de ce type sont courants et économiques Si, par contre, le signal a une dynamique plus importante, l'emploi d'un convertisseur ayant une dynamique plus étendue, 12 bits par exemple, s'avère très coûteux. La présente invention a ainsi pour but un circuit de mesure qui donne la valeur numérique d'un signal analogique de dynamique étendue d'un coût réduit grâce à l'utilisation d'un convertisseur analogique numérique de dynamique réduite. Le circuit de mesure numérique d'un signal électrique analogique selon l'invention produit un signal de mesure et comprend un amplificateur recevant ce signal électrique suivi d'un convertisseur analogiquenumérique au moins délivrant une donnée numérique et se caractérise en ce que cet amplificateur présente un gain commandé par un signal de commande, ce gain pouvant prendre aux moins deux valeurs, et en ce que le circuit de mesure comprend aussi une unité de commande produisant ce signal de commande, mémorisant les données numériques corespondant aux deux valeurs au moins du gain et comprenant des moyens pour produire le signal de mesure à partir de ces données numériques. De plus, dans le circuit de mesure numérique d'un signal -2- électrique analogique le signal de mesure est calculé à partir des valeurs moyennes des données numériques (N) associées aux deux valeurs au moins du gain. Dans un mode de réalisation du circuit de mesure numérique d'un signal électrique, l'unité de commande conserve en mémoire un seuil de saturation, mémorise une valeur N issue du convertisseur pour un gain G 1 de l'amplificateur, mémorise une valeur N 2 issue du convertisseur pour un gain G 2 de l'amplificateur, G 1 étant inférieur à G 2,et produit un signal de mesure qui vaut N /G 1 si N 2 est supérieur au seuil de saturation et N 2/G 2 dans le cas contraire. Le circuit de mesure numérique d'un signal électrique analogique trouvera une application avantageuse dans la mesure d'un signal sinusoïdal modulé en phase ou en fréquence o l'unité de commande élabore la donnée numérique en prenant la racine carrée de la somme des carrés de deux valeurs numériques, ces valeurs numériques étant issues de deux convertisseurs analogique-numérique recevant chacun d'un démodulateur en quadrature un des deux signaux en bande de base, ce démodulateur recevant le signal sinusoïdal par l'intermédiaire de l'amplificateur. Les différents objets et caractéristiques de l'invention ressortiront avec de plus amples détails dans la description d'exemples de réalisation donnés à titre non limitatif en se référant aux figures annexées qui représentent: la figure 1, un diagramme d'un premier mode de réalisation du circuit de mesure numérique d'un signal électrique analogique selon l'invention, la figure 2, un schéma d'application de ce circuit de mesure numérique. Les éléments identiques présents dans les deux figures porteront une seule référence. Bien que l'invention s'applique à un signal variable, l'hypothèse sera faite, dans un premier temps, que le signal garde une valeur constante pendant la durée de la mesure. Le circuit de mesure numérique représenté dans la figure 1 reçoit un signal d'entrée analogique I et produit un signal de mesure M sous -3 forme numérique Il comprend essentiellement un amplificateur 1, suivi d'un convertisseur analogique-numérique 2 lui-même suivi d'une unité de commande 3. Le signal d'entrée I évolue entre une valeur minimale I et une valeur maximale IM. L'amplificateur 1 est un circuit dont on peut commander le gain de manière discrète par un signal de commande C De tels circuits sont connus, ils sont constitués, par exemple, d'un amplificateur opérationnel et d'un réseau de résistances o l'on commute ces résistances de manière à faire varier le gain Il peut également comprendre un amplificateur à gain fixe suivi ou précédé d'un atténuateur dont on fait varier l'atténuation De plus, bien qu'il soit figuré en un seul module, cet amplificateur variable peut physiquement se décomposer en plusieurs éléments disposés le long d'une chaîne de mesure, chaque élément pouvant présenter un gain ou une atténuation variable Dans le cas considéré, cet amplificateur 1 est unique et peut présenter deux valeurs de gain G 1 et G 2,G 1 étant inférieur à G 2. Le convertisseur analogique-numérique 2 a une sensibilité S qui est le plus petit signal qu'il puisse détecter Il a une dynamique D, c'est-àdire qu'il peut différencier tous les signaux compris entre S et S D Il produit une valeur numérique N. Les différentes valeurs numériques évoquées doivent satisfaire certaines relations compte-tenu de la spécification du signal d'entrée I: -I G > S m 2 IM G S S D L'unité de commande 3 produit un signal de mesure M numérique qui est la valeur du signal d'entrée I L'intervalle de temps d'observation durant lequel la mesure est faite est divisé en quatre parties: durant la première partie, l'unité de commande produit un signal de commande C qui impose à l'amplificateur 1 le gain G 1 y ensuite, elle mémorise la valeur N issue du convertisseur 2. durant la troisième partie elle commute le gain de l'amplificateur à -4la valeur G 2 par l'intermédiaire du signal de commande C, enfin, elle mémorise la valeur N 2 issue du convertisseur 2. L'unité de commande comprend également en mémoire un seuil de saturation auquel est comparée la valeur N 2 Si N 2 dépasse ce seuil la mesure est déclarée non valable et l'unité de commande produit un signal de mesure M qui vaut N 1/G Si tel n'est pas le cas, l'unité de commande fournit alors un signal de valeur N 2/G Sans sortir du cadre de l'invention, l'unité de commande peut produire un signal de mesure de tout autre manière Elle peut, par exemple, faire correspondre une seule valeur à tous les signaux d'entrée I compris entre deux valeurs déterminées. Ainsi, en employant un convertisseur de 8 bits qui possède une dynamique de 48 d B, il est possible de mesurer un signal d'entrée d'une dynamique de 64 d B, ce qui nécessiterait normalement l'emploi d'un convertisseur ll bits Il est à noter que, dans cette configuration, le circuit de mesure numérique accepterait théoriquement un signal d'entrée d'une dynamique de 96 d B si l'écart entre G 1 et G 2 était de 48 d B Cette configuration se généralisera facilement au cas o l'amplificateur 1 peut être commuté sur plus de deux gains De même, l'emploi d'un convertisseur 8 bits n'est pas limitatif. L'invention a été décrite en considérant que l'unité de commande 3 faisait une seule acquisition pour une valeur de gain donnée La mesure peut être rendue plus fiable en multipliant ce nombre d'acquisitions pendant l'intervalle de temps d'observation en jouant sur la fréquence d'échantillonnage du convertisseur par exemple L'unité de commande produit alors un résultat qui est une valeur moyenne. Jusqu'à présent, le signal d'entrée I a été supposé constant pendant l'intervalle de temps d'observation L'invention s'applique également si ce n'est pas le cas. S'il s'agit, par exemple, de mesurer la valeur crête d'un signal périodique, ce signal sera injecté sur un circuit de détection de crête connu avant d'attaquer le circuit de mesure numérique. L'invention s'applique de manière particulièrement avantageuse - lorsqu'il est nécessaire de mesurer le niveau d'un signal sinusoïdal modulé en phase ou en fréquence. Dans cette application, dont une représentation schématique est donnée à la figure 2, ce signal S est injecté sur un amplificateur 1 identique à celui précédemment décrit Cet amplificateur est suivi d'un démodulateur en quadrature 20 recevant le signal S amplifié et produisant deux signaux en bande de base J, Q déphasés de u/2 vis-à-vis de la fréquence porteuse du signal S Ces signaux J, Q sont respectivement injectés sur deux convertisseurs analogique- numérique 21, 22 identiques au convertisseur 2 de la figure 1 qui produisent les données numériques D, D'. Une unité de commande 31 qui reçoit ces données numériques élabore la valeur numérique N précédemment définie en prenant la racine carrée de la somme des carrés de D et D', ce qui découle de la nature sinusoïdale du signal d'entrée Le traitement numérique est ensuite effectué conformément à la procédure déjà décrite. L'invention s'applique sous réserve que la fréquence de modulation soit largement inférieure à la fréquence porteuse Il faut en effet considérer que le signal d'entrée S conserve la même phase pendant une durée équivalente à un quart de période de cette porteuse. L'erreur introduite par cette hypothèse sera beaucoup réduite si le signal de mesure M résulte de la moyenne d'un grand nombre d'acquisitions, ce que permet l'invention comme cela a été précisé. -6- REVENDICATIONS l/ Circuit de mesure numérique d'un signal électrique analogique produisant un signal de mesure (M) et comprenant un amplificateur ( 1) recevant ce signal électrique ( 1) suivi d'un convertisseur analogiquenumérique ( 2) au moins délivrant une donnée numérique (N), caractérisé en ce que ledit amplificateur présente un gain commandé par un signal de commande (C), ce gain pouvant prendre aux moins deux valeurs, et en ce que le circuit de mesure comprend aussi une unité de commande ( 3) produisant ledit signal de commande, mémorisant lesdites données numériques (N) correspondant aux deux valeurs au moins dudit gain et comprenant des moyens pour produire ledit signal de mesure à partir de ces données numériques. 2/ Circuit de mesure numérique d'un signal électrique analogique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit signal de mesure (M) est calculé à partir des valeurs moyennes desdites données numériques (N) associées aux deux valeurs au moins dudit gain. 3/ Circuit de mesure numérique d'un signal électrique analogique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite unité de commande ( 3) conserve en mémoire un seuil de saturation, mémorise une valeur N issue dudit convertisseur ( 2) pour un gain G 1 dudit amplificateur (G), mémorise une valeur Na 2 issue dudit convertisseur ( 2) pour un gain G 2 dudit amplificateur ( 1), G 1 étant inférieur à G 2 X et produit un signal de mesure (M) qui vaut N I/G si N 2 est supérieur audit seuil de saturation et N 2/G 2 dans le cas contraire. 4/ Application du circuit de mesure numérique d'un signal électrique analogique selon l'une quelconque des revendications précédentes à la mesure d'un signal sinusoïdal (S) modulé en phase ou en fréquence, caractérisée en ce que ladite unité de commande ( 31) élabore ladite donnée numérique (N) en prenant la racine carrée de la somme des carrés de deux valeurs numériques (D, D'), lesdites valeurs numériques étant issues de deux dits convertisseurs analogique-numérique ( 21, 22) recevant chacun d'un démodulateur en quadrature ( 20) un des deux signaux en bande de base (J, Q), ce démodulateur recevant ledit signal sinusoïdal (S) par l'intermédiaire dudit amplificateur ( 1).