Brevet FR2702581A1 — publié le 19940916

CIRCUIT MULTIPLICATEUR A POTENTIOMETRES ET COMPTEUR D'ENERGIE ELECTRIQUE INCORPORANT UN TEL CIRCUIT La présente invention concerne un circuit électroni- que pour réaliser le produit de deux signaux de tension. L'invention trouve une application particulière dans les compteurs d'énergie électrique alternative destinés à mesurer l'énergie consommée, par exemple par les abonnés au secteur Dans ce cas, les signaux de tension à multiplier représentent la tension et le courant fournis dans une charge constituée par les installations électriques montées en aval du compteur. On connait des circuits multiplicateurs de tensions entièrement analogiques utilisant des amplificateurs à réponses logarithmiques et exponentielles Ces amplifica- teurs nécessitent des compensations thermiques et temporel- les qui induisent des défauts de linéarité et des décalages d'autant plus importants que les signaux à multiplier sont faibles Ces compensations sont difficiles à réaliser de façon précise sur toute la plage de fonctionnement du circuit. On connait également des circuits multiplicateurs à potentiomètre, dans lesquels l'une des tensions à multiplier est convertie en une valeur numérique servant à commander la position du curseur du potentiomètre Le potentiomètre est soumis à l'autre tension à multiplier, et sa sortie délivre donc le signal proportionnel au produit Lorsqu'une résolu- tion importante est recherchée, le potentiomètre doit comporter un nombre élevé de résistances connectées en série Pour que la réponse du circuit soit linéaire, il est nécessaire que les différentes résistances aient des caractéristiques aussi uniformes que possible Cette condition est d'autant plus difficile à réaliser qu'il y a un nombre élevé de résistances dans le potentiomètre Les circuits à potentiomètre connus sont donc difficiles à optimiser à la fois en termes de résolution et de linéarité. Le but de la présente invention est de proposer un circuit multiplicateur à potentiomètre ayant une meilleure linéarité à résolution donnée, et qui convienne particuliè- rement pour une réalisation sous forme de circuit intégré. Le circuit selon l'invention comprend deux modules multiplicateurs comprenant chacun au moins un potentiomètre commandable pour régler le rapport d'amplitude entre un signal de sortie et un signal d'entrée du module multipli- cateur, chaque potentiomètre étant constitué par un réseau de résistances en série associé à un ensemble d'interrup- teurs montés chacun entre un noeud respectif du réseau de résistances et une sortie commune du potentiomètre Les potentiomètres ont des caractéristiques sensiblement identiques et sont commandés de la même manière par une unité de commande séquentielle, de sorte que les rapports d'amplitude des modules multiplicateurs sont constamment sensiblement égaux Un premier module multiplicateur reçoit comme signal d'entrée le premier signal de tension et délivre un signal de sortie proportionnel au produit des deux opérandes Le second module multiplicateur reçoit comme signal d'entrée une tension de référence et délivre comme signal de sortie un signal de rétroaction Le circuit comprend en outre des moyens pour comparer le signal de rétroaction au second signal de tension et, en cas d'écart significatif entre ces deux signaux, produire des signaux de correction adressés à l'unité de commande séquentielle pour modifier de façon correspondante les rapports d'amplitude. La linéarité de la réponse résulte de l'identité des rapports d'amplitude des deux modules multiplicateurs Cette identité peut être obtenue avec une précision élevée car elle ne dépend que de l'identité des caractéristiques des résistances de même rang au sein des potentiomètres Or, notamment dans la technique des circuits intégrés, l'une des précisions les plus grandes qu'on puisse obtenir sans réglage est rencontrée dans l'appariement des valeurs de deux résistances géométriquement semblables, voisines et imbriquées Ainsi, les rapports d'amplitude des deux modules peuvent être rendus pratiquement égaux en appariant les résistances de même rang des potentiomètres La précision dans l'identité des rapports d'amplitude est d'ailleurs d'autant plus grande que les potentiomètres comportent un nombre élevé de résistances En effet, la différence entre les rapports d'amplitude est une moyenne des erreurs sur les rapports unitaires des résistances prises deux à deux. Statistiquement, cette moyenne est d'autant plus faible que le nombre de résistances est important. L' invention concerne également un compteur d' énergie électrique alternative consommée dans une charge, comprenant des moyens pour fournir deux signaux de tension, l'un proportionnel à la tension appliquée à la charge, l'autre proportionnel à l'intensité du courant qui traverse la charge, un circuit multiplicateur du type défini ci- dessus, délivrant un signal de puissance proportionnel au produit algébrique des deux signaux de tension, et des moyens exploitant le signal de puissance pour fournir une indica- tion de l'énergie électrique consommée dans la charge. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exem- ples de réalisation préférés et non limitatifs Aux dessins annexés les figures 1 et 2 sont des schémas représentant respectivement deux formes de réalisation d'un circuit multiplicateur selon l'invention; les figures 3 et 4 représentent deux variantes de réalisation des modules multiplicateurs du circuit de la figure 2; et la figure 5 est un schéma d'un compteur d'énergie électrique suivant l'invention. Les circuits électroniques représentés aux figures 1 et 2 comprennent chacun deux modules multiplicateurs Ml et M 2 Le premier module Ml reçoit comme signal d'entrée un signal de tension Vl représentatif du premier opérande à multiplier, et délivre un signal de sortie Vs proportionnel à Vi avec un rapport d'amplitude kl = I Vs/Vil Le second module M 2 reçoit comme signal d'entrée une tension de référence constante Vr et délivre comme signal de sortie un signal de rétroaction V'2 proportionnel à Vr avec un rapport d'amplitude k 2 =IV'2/Vr A. Les rapports Vs/Vl et V'2/Vr sont réglés par une unité de commande séquentielle LCI cadencée par un signal d'horloge H. Le circuit comporte en outre deux comparateurs Cl, C 2 ayant chacun deux entrées recevant respectivement le signal de rétroaction V'2 issu du second module M 2 et un signal de tension V 2 représentatif du second opérande à multiplier Le comparateur Cl délivre un signal C+ représen- tant la différence V 2 V'2 lorsqu'elle est positive Le comparateur C 2 délivre un signal C représentatif de la différence V 2 V'2 lorsqu'elle est négative Ces deux signaux C+, C sont deux signaux de correction respective- ment adressés à une entrée d'incrémentation et à une entrée de décrémentation de l'unité de commande séquentielle LCI. L'unité LCI comprend un compteur qui, à chaque période du signal d'horloge H, est incrémenté d'une valeur correspon- dant au signal de correction C+, ou décrémenté d'une valeur correspondant au signal de correction C- La période du signal d'horloge H est choisie inférieure à l'échelle de temps des variations du signal de tension V 2 L'unité de commande séquentielle commande les modules Ml, M 2 en fonction de la valeur du compteur comme il sera expliqué plus loin. Dans l'exemple représenté à la figure 1, les deux modules Mi, M 2 sont chacun constitués par un potentiomètre Pl, P 2 Les potentiomètres Pl et P 2 sont de constitution identique Ils comprennent chacun un réseau de m résistan- ces en série Rll, R 12,, Rlm lR 21, R 22,, R 2 ml connecté entre une borne Xl lX 2 l recevant le signal d'entrée Vl lVrl du module et une borne opposée Y 1 lY 2 J reliée à la masse, et associé à un ensemble de m + 1 interrupteurs I 10, I 11,, Ilm lI 20, I 21,, I 2 ml L'interrupteur Ilj lI 2 jl ( O borne X 1 lX 2 l et la sortie C Pl lCP 2 l. Pour chaque indice j compris entre 1 et m, les résistances Rlj et R 2 j sont appariées de manière à avoir des caractéristiques (valeurs ohmiques) sensiblement identiques. Lorsque le circuit est réalisé sous forme intégrée, chaque résistance peut être constituée par une zone de silicium à dopage contrôlé ayant des dimensions de l'ordre de quelques dizaines de microns Les résistances appariées ont alors des caractéristiques géométriques aussi semblables que possible et sont disposées de manière spatialement imbriquée Pour chaque indice j compris entre O et m, les interrupteurs Ilj et I 2 j sont dans la même position (ouverture ou fermeture) commandée par un signal Qj issu de l'unité de commande séquentielle LCI Ainsi, les rapports d'amplitude kl, k 2 des modules multiplicateurs sont constamment sensiblement égaux. L'unité de commande séquentielle LCI élabore les signaux QO, Q 1,, Qm en fonction de la valeur de son compteur de façon qu'il n'y ait toujours qu'une seule paire d'interrupteurs Ilj, I 2 j qui soit fermée Les comparateurs CI, C 2 et l'unité LCI réalisent un asservissement continu du rapport d'amplitude kl à la valeur V 2/Vr Ainsi, le signal de sortie Vs du circuit est égal à V 1 x V 2/Vr, avec une précision de l'ordre de 1/m L'écart significatif que doivent permettre de détecter les comparateurs Cl et C 2 entre les signaux V 2 et V'2 est de l'ordre de Vr/m. Le nombre m de résistances par potentiomètre est choisi en fonction de la précision recherchée Si toutes les résistances pouvaient avoir exactement la même valeur ohmique, on aurait kl = k 2 = j/m, o j désigne l'indice de la paire d'interrupteurs fermés à l'instant considéré Dans la pratique, la reproductibilité des caractéristiques sur un grand nombre de résistances est difficile à obtenir mais, avec la disposition consistant à apparier les résistances de même rang des potentiomètres Pi, P 2, on obtient une très bonne identité entre les rapports kl et k 2, même si ces rapports peuvent différer légèrement de la valeur j/m En outre, pour les raisons statistiques évoquées précédemment, l'identité entre les rapports kl et k 2 est même meilleure que celle entre les valeurs ohmiques des résistances appariées. Dans l'exemple représenté à la figure 1, le signal de sortie Vs a toujours le même signe que le signal de tension Vi, du moins lorsque Vr est positive, de sorte que ce circuit permet une multiplication sur deux quadrants (V 2 > 0). On notera qu'un circuit analogue à celui de la figure 1 peut être utilisé pour réaliser une multiplication sur quatre quadrants Il suffit de ne pas relier à la masse les bornes YI, Y 2 des potentiomètres Pi, P 2, mais de leur adresser respectivement l'inverse -Vi du premier signal de tension Vi, et l'inverse -Vr de la tension de référence Vr. La multiplication sur quatre quadrants est alors obtenue avec un fonctionnement analogue, la résolution étant tou- tefois divisée par 2 pour un même nombre m de résistances. La figure 2 représente une autre manière de réaliser une multiplication sur quatre quadrants. Dans ce circuit, le premier module multiplicateur Ml comporte un amplificateur à gain variable Ai dont l'entrée est reliée à la sortie C Pl du potentiomètre Pi, et dont la sortie délivre le signal de sortie Vs, et le second module multiplicateur M 2 comprend un amplificateur à gain variable A 2 dont l'entrée reçoit la tension de référence Vr et dont la sortie est reliée à la borne X 2 du potentiomètre P 2 Le gain de chacun des amplificateurs Ai, A 2 peut prendre la valeur + 1 ou -1 en réponse à un signal binaire de commande de signe CS issu de l'unité de commande séquentielle LCI Le signal CS commande donc le signe des rapports Vs/V 1 et V'2/Vr L'unité LCI élabore le signal de commande de signe CS de façon telle que le gain de l'amplificateur A 2 soit égal à - 1 ou + 1 lorsque la valeur de son compteur est négative ou positive, respectivement Le même signe est alors imposé à l'amplificateur Ai, de sorte qu'on a Vs = +Vl x V 2/Vr quels que soient les signes de Vi et V 2 (on pourrait également imposer à Ai un gain de signe contraire, auquel cas on aurait Vs = -Vl x V 2/Vr). La figure 3 représente une variante de réalisation du second module multiplicateur M 2 de la figure 2 Le module M 2 représenté à la figure 3 comprend, outre le potentiomètre P 2, un second potentiomètre P 3 qui a également une constitu- tion sensiblement identique à celle des potentiomètres Pl et P 2 (résistances R 31, R 32,, R 3 m montées en série entre deux bornes X 3, Y 3; interrupteurs I 30, I 31,, I 3 m reliés à la sortie commune CP 3) La borne X 2 du potentiomètre P 2 reçoit la tension de référence Vr, tandis que la borne correspondante X 3 du potentiomètre P 3 reçoit l'inverse -Vr de la tension de référence, obtenu en sortie d'un inverseur B 2 Un commutateur Isr relie sélectivement une borne o le signal de sortie V'2 du module est produit à l'une ou l'autre des deux sorties CP 2, CP 3 des deux potentiomètres P 2, P 3, en réponse au signal de commande de signe CS issu de l'unité LCI La sortie CP 2 est à la tension k 2 x Vr, tandis que la sortie CP 3 est à la tension -k 2 x Vr, la sortie sélectionnée par le commutateur Isr dépendant du signe du signal de tension V 2. La figure 4 montre une manière avantageuse de réaliser un inverseur utilisable à la place de l'inverseur B 2 de la figure 3 Cet inverseur comprend un amplificateur D 2 dont l'entrée positive est reliée à la masse, l'entrée négative est reliée aux deux extrémités correspondantes Y 2, Y 3 des réseaux de résistances en série des deux potentiomè- tres P 2, P 3 du module, et la sortie est reliée à la borne opposée X 3 du réseau de résistances en série du potentiomè- tre P 3, la borne X 2 du potentiomètre P 2 recevant toujours la tension de référence Vr Ainsi, la résistance totale du potentiomètre P 2 constitue la résistance d'entrée de l'inverseur, tandis que la résistance totale du potentiomè- tre P 3 constitue la résistance de rétroaction de l'inver- seur Les valeurs de ces deux résistances totales sont identiques avec un degré de précision très élevé car leurs résistances individuelles sont appariées et le nombre de résistances dans chaque réseau réduit, statistiquement, les écarts résiduels entre les valeurs des résistances appa- riées. Sur les figures 2 à 4, on a représenté quatre manières de réaliser un module multiplicateur à commande de signe Les modules Ml, M 2 représentés à la figure 2 réali- sent la multiplication avec commande de signe sans dédouble- ment des potentiomètres, et donc avec un encombrement minimal Le module M 2 représenté à la figure 3 a l'avantage d'une plus grande précision, l'inverseur (amplificateur de gain -1) introduisant moins de distorsions qu'un amplifica- teur à gain commandé La précision est encore optimisée lorsque l'inverseur utilise comme résistances d'entrée et de rétroaction les résistances totales des potentiomètres (figure 4) dont les valeurs ohmiques sont rendues pratique- ment identiques par construction Dans la pratique, suivant les propriétés recherchées, on pourra donner à chacun des deux modules du circuit l'une des constitutions représentées aux figures 2 à 4, les deux modules n'ayant pas nécessaire- ment la même constitution. La figure 5 représente un compteur d'énergie électrique incorporant un circuit multiplicateur 18 selon l'invention Ce compteur comporte des moyens de génération de signaux de tension analogiques de mesure Vl, V 2 respecti- vement proportionnels au courant traversant une charge 10 dont la consommation est à mesurer et à la tension aux bornes de cette charge Le schéma de la figure 5 correspond à une alimentation de la charge en courant alternatif monophasé à partir d'une borne de neutre N et d'une borne de phase Ph Mais le compteur peut être adapté à une alimenta- tion polyphasée par simple duplication de ces composants avant regroupement pour affichage unique. Les moyens de génération de Vl comportent une résistance série S parcourue par le courant qui traverse la charge 10 et un préamplificateur différentiel 12 dont les entrées sont reliées aux bornes de la résistance S et dont la sortie délivre le premier signal de tension Vi. Les moyens de génération de V 2 comportent un pont diviseur R 1-R 2 dont le point milieu fournit V 2 Les résis- tances Ri et R 2 sont choisies de façon à ce que V 2 soit compatible avec le fonctionnement du circuit multiplicateur. Le circuit 18 assure la multiplication sur quatre quadrants des signaux Vl et V 2 Il peut par exemple être conforme à celui représenté à la figure 2, éventuellement avec les variantes représentées aux figures 3 et 4 Le circuit 18 reçoit la tension de référence Vr et le signal d'horloge H issu d'une horloge 16 Son signal de sortie Vs, représentatif de la puissance instantanée, attaque un convertisseur tension-fréquence 24 cadencé par le signal d'horloge H, qui convertit les valeurs successives de Vs en impulsions représentant chacune un quantum d'énergie sur des sorties F+ et F-, suivant que l'énergie est positive ou négative, c'est-à-dire suivant le signe de Vs Le convertis- seur 24 peut avoir une constitution classique et comporter notamment un intégrateur analogique d'entrée associé à un générateur de facteur d'échelle 26 déterminant le coeffi- cient de proportionnalité entre Vs et la fréquence de sortie F Dans le mode de réalisation illustré à la figure 5, o l'affichage de sortie comprend un voyant 34 donnant une impulsion lumineuse à chaque incrémentation d'une énergie déterminée (par exemple 1 Wh) et un compteur totalisateur 32, un bloc 28 est prévu pour effectuer une division de fréquence entre la fréquence de sortie des impulsions F+ et F-, afin de fournir d'une part, sur une sortie 30 commandant le voyant 34, des impulsions pour chaque incrémentation à visualiser, et d'autre part, sur une sortie 36 attaquant le compteur totalisateur 32, une impulsion pour chaque incré- ment correspondant à un accroissement d'une unité du chiffre le moins significatif sur le compteur totalisateur 32. il REVENDICATIONS 1 Circuit électronique pour réaliser le produit de deux opérandes représentés par des premier et second signaux de tension (Vi, V 2), caractérisé en ce qu'il comprend deux modules multiplicateurs (Mi, M 2) comprenant chacun au moins un potentiomètre (Pi, P 2) commandable pour régler le rapport d'amplitude (kl, k 2) entre un signal de sortie (Vs, V'2) et un signal d'entrée (Vi, Vr) du module multiplicateur, chaque potentiomètre étant constitué par un réseau de résistances en série (Rll, , Rlm; R 21,, R 2 m) associé à un ensemble d'interrupteurs (I 10,, Ilm; I 20,, I 2 m) montés chacun entre un noeud respectif du réseau de résistances et une sortie commune (CP 1, CP 2) du potentiomètre, en ce que les potentiomètres ont des caractéristiques sensiblement identiques et sont commandés de la même manière par une unité de commande séquentielle (LCI), de sorte que les rapports d'amplitude (kl, k 2) des modules multiplicateurs sont constamment sensiblement égaux, en ce qu'un premier module multiplicateur (Ml) reçoit comme signal d'entrée le premier signal de tension (Vi) et délivre un signal de sortie (Vs) proportionnel au produit des deux opérandes, tandis que le second module multiplicateur (M 2) reçoit comme signal d'entrée une tension de référence (Vr) et délivre comme signal de sortie un signal de rétroaction (V'2), et en ce que le circuit comprend en outre des moyens (Ci, C 2) pour comparer le signal de rétroaction (V'2) au second signal de tension (V 2) et, en cas d'écart significatif entre ces deux signaux (V'2, V 2), produire des signaux de correction (C+, C-) adressés à l'unité de commande séquentielle (LCI) pour modifier de façon correspondante les rapports d'amplitude (kl, k 2). 2 Circuit selon la revendication 1, pour une multiplication sur deux quadrants, caractérisé en ce que le premier module multiplicateur (Ml) comprend un potentiomètre unique (Pi) dont le réseau de résistances a une borne (Xi) recevant le premier signal de tension (VI) et une borne opposée (YI) reliée à la masse, le signal de sortie (Vs) étant disponible à la sortie (CP 1) de ce potentiomètre, et en ce que le second module multiplicateur (M 2) comprend un potentiomètre unique (P 2) dont le réseau de résistances a une borne (X 2) portée à la tension de référence (Vr) et une borne opposée (Y 2) reliée à la masse, le signal de rétroac- tion (V'2) étant disponible à la sortie (CP 2) de ce poten- tiomètre. 3 Circuit selon la revendication 1, pour une multiplication sur quatre quadrants, caractérisé en ce que le premier module multiplicateur (MI) comprend un potentio- mètre unique (Pi) dont le réseau de résistances a une borne (Xi) recevant le premier signal de tension (VI) et une borne opposée (Yi) recevant l'inverse (-Vl) du premier signal de tension, le signal de sortie (Vs) étant disponible à la sortie (CP 1) de ce potentiomètre, et en ce que le second module multiplicateur (M 2) comprend un potentiomètre unique (P 2) dont le réseau de résistances a une borne (X 2) portée à la tension de référence (Vr) et une borne opposée (Y 2) portée à l'inverse (-Vr) de la tension de référence, le signal de rétroaction (V'2) étant disponible à la sortie (CP 2) de ce potentiomètre. 4 Circuit selon la revendication 1, pour une multiplication sur quatre quadrants, caractérisé en ce que chaque module multiplicateur (Ml, M 2) comprend des moyens de sélection de signe respectifs (Ai, A 2; Isr) commandables pour fixer le signe du rapport (Vs/Vl, V'2/Vr) entre son signal de sortie et son signal d'entrée, et en ce que les moyens de sélection de signe des premier et second modules multiplicateurs sont commandés conjointement par l'unité de commande séquentielle (LCI) de façon qu'il y ait une relation prédéterminée entre les signes respectifs des rapports (Vs/Vl, V'2/Vr). 5 Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins un des modules multiplicateurs (M 2) comprend un potentiomètre unique (P 2) et des moyens de sélection de signe constitués par un amplificateur à gain commandé (A 2) dont le gain prend la valeur + 1 ou -1 en réponse à un signal de commande de signe (CS) issu de l'unité de commande séquentielle (LCI), le signal d'entrée (Vr) de ce module étant adressé à une borne (X 2) du réseau de résistances dudit potentiomètre unique par l'intermédiaire de cet amplificateur à gain commandé. 6 Circuit selon la revendication 4 ou 5, caracté- risé en ce qu'au moins un des modules multiplicateurs (Ml) comprend un potentiomètre unique (Pi) et des moyens de sélection de signe constitués par un amplificateur à gain commandé (Ai) dont le gain prend la valeur + 1 ou 1 en réponse à un signal de commande de signe (CS) issu de l'unité de commande séquentielle (LCI), cet amplificateur à gain commandé ayant une entrée reliée à la sortie (CP 1) dudit potentiomètre unique et une sortie produisant le signal de sortie (Vs) de ce module. 7 Circuit selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'au moins un des modules multi- plicateurs (M 2) comprend deux potentiomètres (P 2, P 3) et des moyens de sélection de signe constitués par un commutateur (Isr) reliant sélectivement une borne o le signal de sortie (V'2) du module est produit à l'une ou l'autre des deux sorties (CP 2, CP 3) desdits potentiomètres (P 2, P 3), le signal d'entrée (Vr) du module étant adressé d'une part à une borne (X 2) du réseau de résistances de l'un desdits potentiomètres et d'autre part, par l'intermédiaire d'un inverseur (B 2; D 2), à une borne correspondante (X 3) du réseau de résistances de l'autre desdits potentiomètres, les autres bornes (Y 2, Y 3) des réseaux de résistances desdits potentiomètres étant portées au potentiel de la masse. 8 Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit inverseur comprend un amplificateur opération- nel (D 2) dont l'entrée positive est reliée à la masse, l'entrée négative est reliée à deux bornes correspondantes (Y 2, Y 3) des réseaux de résistances des deux potentiomètres du module, et la sortie est reliée à la borne opposée (X 3) du réseau de résistances en série de l'un des potentiomètres (P 3) du module, la borne opposée (X 2) du réseau de résistan- ces en série de l'autre potentiomètre (P 2) recevant le signal d'entrée (Vr) du module. 9 Compteur d'énergie électrique alternative consommée dans une charge ( 10), comprenant des moyens (Rl, R 2, S, 12) pour fournir deux signaux de tension (Vl, V 2) l'un proportionnel à la tension appliquée à la charge, l'autre proportionnel à l'intensité du courant qui traverse la charge, un circuit multiplicateur ( 18) délivrant un signal de puissance (Vs) proportionnel au produit algébrique des deux signaux de tension (Vl, V 2), et des moyens ( 24, 28, 32, 34) exploitant le signal de puissance (Vs) pour fournir une indication de l'énergie électrique consommée dans la charge, caractérisé en ce que le circuit multiplicateur ( 18) est un circuit électronique conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 8.