Brevet FR2687789A1 — publié le 19930827

DISPOSITIF POUR LA CONVERSION D'UNE GRANDEUR ELECTRIQUE EN UN SIGNAL ELECTRIQUE DONT LA FREOUENCE EST REPRESENTA- TIVE DE LADITE GRANDEUR, ET CAPTEUR UTILISANT LE PRINCIPE DUDIT DISPOSITIF. La présente invention concerne un dispositif pour la conversion d'une grandeur électrique, par exemple une tension ou une intensité, en un signal électrique dont la fréquence est représentative de ladite grandeur. Elle a plus particulièrement pour objet un convertisseur du type comprenant un intégrateur dont le condensateur d'intégration est chargé par un courant électrique repré- sentatif de la grandeur électrique que l'on veut conver- tir et est déchargé périodiquement par des quantités d'électricité calibrées, déclenchées lorsque la tension à la sortie de l'intégrateur franchit un seuil déterminé. Ces quantités d'électricité calibrées sont habituellement engendrées par un condensateur de calibrage alternative- ment relié à une source de courant à tension constante et à l'entrée de l'intégrateur, par l'intermédiaire d'un circuit de commutation commandé par un détecteur de niveau connecté à la sortie de l'intégrateur. Dans le cas o la tension du courant à mesurer est sus- ceptible de varier de part et d'autre de la valeur de la -2 - tension de la source ou, d'une façon équivalente, lorsque ce courant passe d'une valeur positive à une valeur néga- tive, on utilise pour effectuer la connexion entre le condensateur de calibrage et l'entrée de l'intégrateur, un circuit inverseur piloté par un détecteur de signe connecté à la sortie de l'intégrateur. Il s'avère qu'en utilisant un montage inverseur de type classique à six interrupteurs, les charges transférées du condensateur de calibrage au condensateur d'intégration ne sont pas identiques dans un sens et dans l'autre et, qu' en conséquence, le facteur d'échelle du convertisseur est différent selon que le courant à convertir est posi- tif ou négatif Cette différence est particulièrement notable dans le cas o l'on utilise une technologie CMOS pour la réalisation du circuit de commutation: L'injection de charge dans le sens grille/drain est dif- férente de l'injection de charge dans le sens grille/source. Il est clair que cette dissymétrie est particulièrement gênante dans le cas o le courant que l'on veut convertir présente une valeur moyenne quasi-nulle. L'invention a donc plus particulièrement pour but de sup- primer cet inconvénient. Elle propose, à cet effet, un convertisseur du type sus- dit dans lequel les charges calibrées sont obtenues au moyen de deux circuits de calibrage alimentés à partir de la même source et reliés à l'entrée de l'intégrateur, l'un de ces circuits comprenant un premier condensateur relié à la source par l'intermédiaire d'un premier inter- rupteur et à l'entrée de l'intégrateur par l'intermédiaire d'un second interrupteur et l'autre cir- cuit de calibragre comprenant un deuxième condensateur de même capacité que le premier, relié à la source par l'intermédiaire d'un amplificateur inverseur en série -3 - avec un troisième interrupteur et à l'entrée de l'intégrateur, par l'intermédiaire d'un quatrième inter- rupteur, la commande des susdits deuxième et quatrième interrupteurs étant assurée par au moins un circuit mono- stable déclenché par un circuit de détection du niveau de la tension de sortie de l'intégrateur et par un circuit de commutation aiguillant le signal de commande produit par le circuit monostable vers le deuxième ou vers le quatrième interrupteur selon que la tension de sortie de l'intégrateur est positive ou négative: La commande des premier et troisième interrupteurs peut alors s'effectuer de faaçon synchrone en dehors des périodes d'émission du signal de commande par le circuit monostable. Avantageusement, le susdit circuit inverseur présente un gain ajustable, réglé de manière à compenser la dissymé- trie existant entre les charges des deux condensateurs de calibrage. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux des- sins annexés dans lesquels: La figure 1 est le schéma synoptique permettant de faire apparaître les inconvénients des convertisseurs connus; La figure 2 représente, d'une faaçon analogue, un convertisseur selon l'invention; Les figures 3 et 4 sont des schémas d'un cap- teur asservi utilisant le principe du conver- tisseur selon l'invention; La figure 5 est le schéma synoptique d'une variante d'exécution du convertisseur selon 1 'invention. -4- Tel que représenté sur la figure 1, le convertisseur fait intervenir un intégrateur I représenté de façon classique par un amplificateur opérationnel A en parallèle avec un condensateur d'intégration Cl Cet intégrateur I est connecté par son entrée E à une source de tension U à mesurer, par l'intermédiaire d'une résistance Rl et à un condensateur de calibrage C 2, par l'intermédiaire d'un circuit inverseur Dans cet exemple, ce circuit inverseur fait intervenir, de façon classique, deux paires d'interrupteurs Si à 54, l'une des paires Si, 52 étant destinée à assurer la connexion dans un premier sens, de l'intégrateur I, au condensateur C 2, tandis que l'autre paire 53, 54 permet d'effectuer cette connexion en sens inverse. Le condensateur de calibrage C 2 est, quant à lui, relié à une source de courant GTR à tension constante VZ par l'intermédiaire de deux interrupteurs synchrones 55, 56. La sortie S de l'intégrateur I est reliée, d'une part, à l'entrée d'un sélecteur 57, par l'intermédiaire d'un cir- cuit comprenant, successivement, un redresseur à double alternance 2, un détecteur de niveau 3 à seuil réglable SD, et un circuit monostable 4 et, d'autre part, à l'entrée de commande du sélecteur 57, par l'intermédiaire d'un détecteur de signe 5. Le sélecteur 57 a deux sorties 1 et 02 dont l'une, 01, commande la paire d'interrupteurs Si, 52 et l'autre, 02, la paire d'interrupteurs 53, 54. Le circuit monostable 4 présente une sortie complémentée qui assure la commande simultanée des interrupteurs 55 et 56. Un cycle de fonctionnement du circuit précédemment décrit comprend l'application d'une charge calibrée à l'entrée E de l'intégrateur I à la suite de la fermeture d'un couple d'interrupteurs Si, 52 ou 53, 54, le sens de cette charge étant déterminé par le détecteur de signe 5 de manière à obtenir une variation de charge dans un premier sens (décharge) du condensateur Ci Suite à la réouverture de la paire d'interrupteurs Si, 52 ou 53, 54 (à la fin de la période métastable du circuit monostable 4), le condensa- teur Ci, alimenté par le courant de la source U, subit une variation de charge en sens inverse, tandis que le couple d'interrupteurs 55, 56 est fermé momentanément de manière à obtenir une recharge du condensateur C 2. Lorsque la valeur absolue de la tension à la sortie de l'intégrateur I atteint le seuil SD, le circuit mono- stable 4 bascule et provoque le démarrage d'un nouveau cycle de fonctionnement. La fréquence des créneaux engendrés par le circuit mono- stable 4 est donc fonction du niveau de tension de la source U que l'on veut convertir. Comme précédemment mentionné, lorsqu'on réalise le cir- cuit de commutation à l'aide de composants de technologie CMOS, on constate un déséquilibre dans les charges trans- mises par les couples d'interrupteurs Si, 52 et 53, 54. Ceci est dû au fait que l'injection de charge engendrée par les interrupteurs Si et 52 est différente de celle émanant des interrupteurs 53 et 54 En fait, on ne décharge pas le condensateur Ci d'une charge de valeur QO = CO V 2, mais d'une valeur QO El dans un cas, et QO + E 2 dans l'autre cas Le facteur d'échelle du conver- tisseur n'est donc pas le même selon que le courant pro- venant de la source U est positif ou négatif. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, qui décrit un circuit similaire au précédent (dans lequel les mêmes composants portent les mêmes références), cet inconvé- nient est supprimé grâce à l'emploi d'un circuit de cali- brage des impulsions faisant intervenir deux condensa- -6- teurs de calibrage C 3, C 4 reliés, d'une part, l'un à l'autre grâce à une jonction portée à la masse et, d'autre part, à l'entrée de l'intégrateur I, par l'intermédiaire de deux interrupteurs respectifs S'l, S'2 pilotés par le circuit sélecteur 57. La charge de ces deux condensateurs C 3, C 4 s'effectue au moyen d'une source de courant à tension constante Vo dont l'une des bornes est reliée à la masse, tandis que l'autre borne est reliée au condensateur C 3 par l'intermédiaire d'un interrupteur S'3 et au condensateur C 4 par l'intermédiaire d'un interrupteur S'4 en série avec un amplificateur inverseur IN à gain variable. Les capacités des condensateurs de calibrage C 3, C 4 sont théoriquement identiques Toutefois, la dissymétrie engendrée par l'injection de charge des interrupteurs S'1, S'3 S'2, S'4 peut s'assimiler à une dissymétrie des capacités des condensateurs C 3, C 4 (la capacité du condensateur C 3 ayant une valeur Co et la capacité du condensateur C 4 ayant une valeur Co ( 1 + E)). Pour compenser cette dissymétrie, on règle le gain G de l'inverseur IN à une valeur G = ( 1) 1 + La charge du condensateur C 3 (obtenue par la fermeture de l'interrupteur S'3) sera donc égale à Co Vo, tandis que la charge du condensateur C 4 (obtenue par la fermeture de l'interrupteur S'4) aura pour expression E CO ( 1 + E) x VO ( 1 E)Covo On constate donc que, grâce à un simple réglage du gain de l'inverseur IN, il devient possible de compenser -7- l'injection de charge des interrupteurs et donc de symé- triser les gains de conversion On rappelle à ce sujet que le facteur d'échelle d'un convertisseur de ce type est inversement proportionnel à une charge Ki E = _ QO Il s'agit là d'un avantage important auquel s'ajoute le fait que l'on réduit le nombre total d'interrupteurs. Bien entendu, l'invention peut avoir de multiples appli- cations, similaires à celles des convertisseurs antérieu- rement connus. En particulier, le principe général de ce convertisseur peut être utilisé pour réaliser un capteur asservi, du type de celui représenté figures 3 et 4 qui utilise un circuit similaire à celui de la figure 2 Toutefois, l'intégrateur I est, ici, remplacé par un ensemble (bloc 8) comprenant un capteur accélérométrique 9 utilisant un pendule P qui se déplace dans un champ magnétique et dont le mouvement est entretenu grâce à une bobine B qui reçoit l'impulsion calibrée en provenance du condensateur C 3 ou du condensateur C 4 La position angulaire du pen- dule P est mesurée par un détecteur d'écart 10 dont la sortie est connectée au point S (qui correspond à la sor- tie de l'intégrateur I de la figure 2), par l'intermédiaire d'un réseau correcteur 11 Le principe de fonctionnement d'un tel capteur est bien connu. L'invention ne se limite pas aux modes d'exécution précé- demment décrits. Ainsi, la commande du circuit de commutation associé au condensateur de calibrage pourrait faire intervenir deux détecteurs de niveau 14, 15 connectés au point S, à savoir: un détecteur 14 de niveau haut SH et un détec- -8- teur 15 de niveau bas SB, et deux bascules monostables 16, 17 respectivement reliées, par leurs entrées, aux détecteurs de niveau 14, 15 et, par leurs sorties, aux bornes de sortie 01, 02 (qui sont connectées aux bornes de commande des interrupteurs S'1, S'2). Dans ce cas, le couple d'interrupteurs S'3, S'4 est com- mandé par une porte ET dont les deux entrées sont respec- tivement connectées aux sorties complémentées des deux bascules monostables 16, 17. Un avantage de cette solution consiste en ce qu'il réduit la complexité et le coût du circuit et, qu'en outre, il permet de régler indépendamment le seuil des détecteurs de niveau. -9 - Revendications 1 Dispositif pour la conversion d'une grandeur physique en un signal électrique dont la fréquence est représentative de cette grandeur, ce dispositif compre- nant un intégrateur (I) dont le condensateur d'intégration (Ci) est chargé par un courant électrique représentatif de ladite grandeur et est déchargé périodi- quement par des quantités d'électricité calibrées par un condensateur (C 2), déclenchées lorsque la tension à la sortie de l'intégrateur (I) franchit un seuil déterminé, la liaison entre le condensateur de calibrage (C 2) et l'entrée de l'intégrateur (I) comprenant un circuit inverseur piloté en fonction du niveau de sortie de l'intégrateur (I), caractérisé en ce que les susdites quantités d'électricité calibrées sont obtenues au moyen de deux circuits de calibrage alimentés à partir de la même source de courant (Vo), l'un de ces circuits comprenant un premier condensateur (C 3) relié à ladite source (Vo) par l'intermédiaire d'un premier interrupteur (S'3) et à l'entrée de l'intégrateur (I), par l'intermédiaire d'un second interrupteur (S'î), et l'autre circuit de cali- brage comprenant un deuxième condensateur (C 4), de même capacité que le premier, relié à la source (VO) par l'intermédiaire d'un amplificateur inverseur (IN) en série avec un troisième interrupteur (S'4) et à l'entrée de l'intégrateur (I) par l'intermédiaire d'un quatrième interrupteur (S'2), la commande des susdits deuxième et quatrième interrupteurs (S'i 1, S'2) étant assurée par au moins un circuit monostable ( 4) déclenché par un circuit de détection ( 2, 3) du niveau de la tension de sortie de l'intégrateur (I). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gain du susdit amplificateur inverseur (IN) est réglé de manière à compenser la dissy- - métrie existant entre les charges des deux condensateurs de calibrage (C 3, C 4). 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la commande des susdits deuxième et quatrième interrupteurs (S'î, S'2) est assurée par un seul circuit monostable ( 4) déclenché par un circuit de détection de niveau ( 3) de la valeur absolue de la ten- sion de sortie de l'intégrateur (I) et par un circuit de commutation ( 4, 57), aiguillant le signal de commande produit par le circuit monostable ( 4), vers le deuxième ou vers le quatrième interrupteur (S'î, S'2), selon que la tension de sortie de l'intégrateur (I) est positive ou négative. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la commande du circuit de commuta- tion associé aux condensateurs de calibrage (C 3, C 4) com- prend deux détecteurs de niveau ( 14, 15) connectés à la sortie de l'intégrateur (I), à savoir: un détecteur ( 14) de niveau haut (SH) et un détecteur ( 15) de niveau bas (SB), et deux bascules monostables ( 16, 17) respective- ment reliées, par leurs entrées, aux détecteurs de niveau ( 14, 15) et, par leurs sorties, aux bornes de commande des susdits deuxième et quatrième interrupteurs (S'î, S'2), les susdits premier et troisième interrupteurs (S'3, S'4) étant commandés de façon synchrone par une porte (ET) dont les deux entrées sont respectivement connectées aux sorties complémentées des deux bascules monostables ( 16 et 17). Capteur accélérométrique asservi, utilisant un circuit similaire à celui d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, à la place du susdit intégrateur (I), un ensemble comportant un détecteur uti- il - lisant un pendule (P) mobile dans un champ magnétique et dont le mouvement est entretenu grâce à une bobine (B) recevant les susdites quantités d'électricité calibrées émanant des condensateurs (C 3 et C 4), la position angu- laire de ce pendule (P) étant mesurée par un détecteur d'écart ( 10) dont le signal de sortie est appliqué au susdit détecteur de niveau ( 3).