Brevet FR2721406A3 — publié le 19951222

FR 2721406 A3 19951222 FR 9506562 A 19950602 CIRCUIT POUR LA MESURE PRECISE D'UNE RESISTANCE ELECTRIQUE La présente invention concerne un circuit pour la mesure précise d'une résistance électrique comportant un microcontrôleur, dans lequel à une première borne de liaison du microcontrôleur est raccordée un condensateur électrique;; qui peut être relié à une source de tension continue d'alimentation, à une deuxième borne de liaison du microcontrôleur est raccordée une résistance de référence, à une troisième borne de 1 iaison du microcontrôleur est raccordée la résistance à mesurer, et une borne d'interruption du microcontrôleur est raccordé un comparateur, le microcontrôleur comportant pour la commutation sur la borne respective, une commande ainsi qu'un compteur relié à la borne d'interruption Un circuit de ce type renvoie la mesure précise d'une résistance électrique inconnue à la mesure de la constante de temps d'un circuit RC, R étant la résistance électrique inconnue, c'est-à-dire à mesurer et C, la capacité d'un condensateur électrique, qui peuvent être ou sont mortes en série entre eux. Le fonctionnement ou le déroulement de la mesure d'un circuit connu de ce type, comportant un microcontrôleur, est le suivant : La deuxième et la troisième borne de liaison du microcontrôleur étant ouvertes, on ferme la première liaison. Ceci a pour effet de relier la source de tension continue d'alimentation au condensateur électrique et ce dernier est chargé à la tension nominale de la source de tension continue d'alimentation. Le courant de charge du condensateur électrique converge dans le temps vers zéro, ce qui fait que la résistance iterne de la source de tension continue d'alimentation ne joue aucun rôle pour la tension finale au condensateur électrique, en particulier lorsque le temps de charge a été choisi suffisamment long. Dès que le condensateur est chargé à la tension continue nominale, la première liaison est ouverte.Ceci est assuré par la commande du microcontrôleur. Ensuite le troisième branchement est ouvert et en même temps le compteur du microcontrôleur démarre. Du fait de la fermeture de la troisième liaison; il se produit une décharge du condensateur par la résistance électrique à mesurer, raccordée à la troisième liaison. Cette décharge s'effectue de manière connue selon une fonction de temps exponentielle. Dès qu'une tension de seuil donnée est atteinte ou que l'on passe au-dessous de cette valeur; au comparateur raccordé à la borne d'interruption du microcontrôleur, la sortie du comparateur est commandée de manière que le compteur du microcontrêleur est stoppée par la borne d'interruption. Les valeurs du compteur constituent donc un critère de la résistance électrique à déterminer, lorsque la capacité du condensateur est connue.Etant donné que le condensateur électrique du circuit R C présente une tolérance de capacité et une dépendance à l'égard de la température, on procède encore de manière connue à une mesure comparative avec une résistance de référence connue. A cet effet la procédure de mesure decrite ci-dessus est renouvelée, la deuxième liaison du microcontrôleur, à laquelle est raccordée la résistance de référence citée, étant activée à la place de la troisième liaison. Comme résultat de la procédure de mesure exécutée avec la résistance de référence, on a des chiffres au compteur qui correspondent à la résistance de référence. Les deux chiffres du compteur satisfont de manière idéale aux équations : (1) Zx = K R R, - C (2) Z Zrif = K . Rref . C A partir des tormules (1) et (2) on peut alors calculer la résistance électrique à mesurer comme étant (3) Riz = Rref Z 2 rw f Zx = valeur du compteur correspondant à la résistance électrique à mesurer Z,,f = valeur du compteur correspondant à la résistance de référence C = capacité du condensateur électrique K = constante Rx = valeur de la résistance électrique à mesurer; Rr.f = valeur de la résistance de référence. La formule (3) indiquée ci-dessus ne tient toutefois pas compte encore du fait que la deuxième et la troisième liaisons présentent des résistances internes Ron En tenant compte de ces résistances internes Ron; qui peuvent être supposées égales pour la deuxième et la troisième liaisons, on a pour les valeurs du compteur correspondant aux formules (1) et (2) indiquées ci-dessus, les équations suivantes (4) Z, = K K (R + Ron) . C (5) Z,f = K - (Rrwf + Ron) . C Sans connaissance précise des résistances internes Ron il n'est donc pas possible de calculer ou de déterminer la valeur de la résistance électrique à mesurer. Les résistances internes Ron dépendent de différents paramètres.Dans le cas d'une réalisation d'un circuit de ce type en technologie CMOS, les résistances internes Ron dépendent de la température, de la tension d'alimentation et de la commande du processus. Pour évaluer les résistances internes Ron citées, on connaXt les procédés suivants Les résistances internes Ron sont mesurées individuellement en cours de production et communiquées au microcontrôleur. La commande de processus est ainsi enregistrée. Si la température du circuit et la dépendance à l'égard de la température des résistances internes Ror} sont connues, la valeur de résistance correspondante de chaque résistance interne Ron peut être estimée. Il en va de même pour la dépendance des résistances internes R à i 'é g a r d de la tension d'alimentation.Dans le cas où celle-ci et la dépendance fonctionnelle de chaque résistance interne Ron à l'égard de la tension d'alimentation sont connues, la résistance interne Roll correspondante peut être déterminée. Si ces trois paramètres sont pris en compte, on obtient outre les mesures individuelles correspondantes pour chaque résistance interne R o n un champ caractéristique de correction tridimensionnel, duquel résulte une complexité tout aussi élevée de mémoire et de calcul. L'invention a donc pour but de réaliser un circuit du type précité qui permette, avec des moyens relativement simples, une mesure précise d'une résistance électrique des mesures précises par exemple dans la plage de temperatures allant de +15 "C à +100 "C environ avec une résolution de température de Ce but est atteint suivant l'invention avec un circuit du type précité en ce que le microcontraleur comporte une quatrième borne de liaison à laquelle est raccordée une deuxième résistance de référence, la première et la deuxième résistance de référence possédant des valeurs nominales de résistance différentes l'une de l'autre. Du fait que le microcontrôleur comporte une quatrième borne de liaison, à laquelle est raccordée une deuxième résistance de référence, il est possible de déterminer à chaque mesure de la résistance électrique inconnue, la valeur actuelle de la résistance interne de la liaison correspondante. En plus des mesures décrites en liaison avec le circuit connu du type précité; de la résistance électrique non connue et de la première résistance de référence, il est possible de réaliser avec le circuit suivant l'invention donc au moyen de la deuxième résistance de référence, une troisième mesure. Conformément aux formules mathématiques (4) et (5) indiquées ci-dessus, on obtient pour la deuxième résistance de référence (6) Zl t 2 = K (Rref2 + Rr,) - C dans laquelle Rrwf2 = = valeur de résistance de la deuxième résistance de référence. A partir des équations (4), (5) et (6) il est donc possible d'éliminer les résistances internes Ron des bornes de liaison correspondantes et de déterminer comme suit la résistance R inconnue z z - R . Zref . Rref2 - Zref2 Ref (7) Rx = K C 2, f 2 - Z r f A partir de l'équation (7) on voit qu'une détermination de la résistance inconnue est possible, si les valeurs de résistance de la première et de la deuxième résistance de référence sont différentes l'une de l'autre. Il est particulièrement avantageux que les valeurs de la première et de la deuxième résistances de référence diffèrent d'une valeur aussi grande que possible.Dans ce cas il faut veiller en outre ce que les résistances internes des liaisons correspondantes ne présentent qu'un domaine linéaire limité, c'est- - dire de résistance pure. Au-dessus d'un courant électrique déterminé, la résistance interne correspondante devient de plus en plus grande, c'est-à- dire qu'elle passe dans un domaine non 1 inéaire. Afin que les équations mathématiques indiquées ci-dessus soient valables, la première et la deuxième résistances de référence doivent avoir des dimensions telles que les bornes de liaison du microcontrôleur se trouvent toujours dans le domaine de résistance pure, c'est-à- dire linéaire. Diverses autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortent de la description détaillée qui suit d'un exemple de montage du circuit suivant l'invention, représenté sur le dessin. Le dessin représente par un schéma fonctionnel, une forme de réalisation du circuit 10 avec un microcontrôleur 12 indiqué sous la forme d'un bloc, qui comporte une première borne de liaison 14, une deuxième liaison 16, une troisième liaison 18, une quatrième liaison 20 ainsi qu'une liaison d'interruption 22. A chacune des bornes de liaison 14, 16, 18 et 20 est associé un interrupteur 24, 26, 28 ou 30. L'interrupteur 24 est prévu entre la premiere borne de liaison 14 et une borne de tension 32 du microcontrôleur 12. Les interrupteurs 26, 28, 30 sont montés entre la borne de liaison 16, 18 ou 20 correspondantes et la masse 34. A la borne de tension 32 est raccordée une source de tension continue d'ai imentation 36 dont la résistance interne est désignée par la référence 38. La source de tension continue d'alimentation 36 est connectée par l'un de ses pales à la borne de tension 32 et par son second pôle, est reliée à la masse 34. Un condensateur électrique 40 est connecté d'une part à la première borne de liaison 14 et d'autre part à la masse 34. Entre la première borne du condensateur 40, désignée par la référence 42 et la deuxième borne de liaison 1S, est montée une première résistance de référence 44, entre la troisième borne 18 et la première borne 42 du condensateur électrique 40, est montée la résistance électrique 46 à mesurer et entre la quatrième borne 20 du microcontrôleur 12 et la premiere borne 42 du condensateur 40, est montée une deuxième résistance de référence 48. Un comparateur 50 est monté entre la première borne 42 du condensateur 40 et la borne d'interruption 22 du microcontrôleur 12. Les interrupteurs 24, 26, 28 ou 30 sont commandés au moyen d'une commande 52, qui sur la figure n'est également représentée que sous la forme d'un bloc. A la borne d'interruption 22 est associé un compteur 54 indiqué également sous la forme d'un bloc seulement. Pour mieux i Ilustrer le fonctionnement du circuit 10 suivant l'invention on se réfère à l'exemple de dimensionnement suivant : on détermine d'abord la fréquence maximale du compteur 54. Pour un microcontrôleur à quatre bits entrant en ligne de compte d'un point de vue technique et économique, elle est au maximum de 250 k H z pour un oscillateur de 2 M H z. Si la capacité du condensateur 40 est fixée par exemple à 0,68 pF, pour des raisons de place et de prix de revient, il est possible d'utiliser un condensateur à feuille peu sujet à des courants de fuite. Si la tension de seuil du comparateur 50 est fixée à 40 % de la tension de la source de tension continue d'alimentation 36, il est avantageusement possible de se trouver encore dans le domaine d'une assez grande montée, dans la courbe caractéristique de décharge du condensateur 40. Pour cette tension de seuil, entre le début de la décharge du condensateur et l'instant où est atteinte cette tension de seuil, le temps qui s'écoule est de 0,915. T avec T = R.C. A partir de l'équation 0,915. l= - c'est-à-dire f, 1 : 250 kHz = 0.915.R.C on obtient, avec C = 0,68 pF pour la résistance R R = 6,4 ohms. La résistance 46 utilisée, à mesurer; pour laquelle doit être prévu un capteur de température, destiné à mesurer une température, par exemple entre +15 C et +100 "C, doit donc modifier sa résistance électrique d'au moins 6 ohms/O,l K environ. Cette condition ne peut être satisfaite avec des résistances P T C du commerce ou par une résistance PT1000, car celles-ci sont d'un ordre de grandeur trop bas, en raison de leurs faibles résistances absolues. Les résistances NTC peuvent toutefois être utilisées pour le circuit suivant l'invention. La deuxième résistance de référence 44 est choisie pour le circuit 10 suivant l'invention par exemple de manière que le courant maximal traversant la quatrième borne de liaison 20 se situe encore - comme déjà dit plus haut -, dans le domaine de résistance pure. Le domaine de résistance pure se termine pour un microcontrôleur 12 à 4 bits du commerce, du type précité, par exemple à environ 3 mA. Avec une tension d'alimentation continue de 3 V par exemple, on calcule donc pour la deuxième résistance de référence 44, une valeur de résistance de Rref2 = 3 V : 3 mA = 1 k ohm. La première résistance de référence 44 doit se situer sur l'axe logarithmique de la relation fonctionnelle entre la valeur de résistance et la température au moins approximativement au milieu du domaine de résistance donné, ce qui dans l'exemple de réalisation concret donne pour la première résistance de référence par exemple Rrre = 15 k ohm. Le comparateur 50 est nécessaire pour assurer la reproductibilité du seuil de commande. Si par exemple on utilisait directement la borne d'interruption 22 du microcontrôleur 12, il faudrait s'attendre à cause de la détérioration interne possible de la tension d'alimentation à un comportement non reproductible du seuil de commande. Si la tension d'alimentation externe est également détériorée, il est opportun de filtrer la ligne d'alimentation du comparateur 50. Il faut veiller tout particulièrement à ce que l'entrée du comparateur soit peu sujette à des courants de fuite. Le circuit 10 suivant l'invention présente les avantages selon lesquels lorsqu'on utilise des capteurs de température appropriés, par exemple dans la plage de températures comprise entre + 1 5 C et +100 C, il est possible d'obtenir une résolution de température Un autre avantage réside dans le fait que l'on peut utiliser un microcontrôleur standard 12 programmable à masques, que l'on V trouve à un prix relativement avantageux. Avec un dimensionnement approprié et l'utilisation de composants convenables, on obtient cet autre avantage d'une consommation de courant moyenne extrêmement réduite, de l'ordre de 10 uA par exemple, de sorte que des batteries longue durée interchangeables, installées de maniere fixe peuvent former la source d'énergie par exemple pendant une période d'environ 11 ans. D'autres avantages du circuit suivant l'invention résident dans un coût moindre des composants utilisés, dans des coûts de fabrication et un encombrement réduits, de sorte que le circuit suivant l'invention peut être utilisé par exemple pour concevoir un répartiteur électrique des coûts de chauffage. REVENDICATIONS 1. Circuit pour la mesure précise d'une résistance électrique (46) comportant un microcontrôleur (12), dans lequel à une première borne de liaison (14) du microcontrôleur (12) est raccordé un condensateur électrique (40), qui peut être relié à une source de tension continue d' alimentation (36), à une deuxième borne de liaison (16) du microcontrôleur (12) est raccordée une résistance de référence (44), à une troisième borne de liaison (18) du microcontrôleur (12) est raccordée la résistance (46) à mesurer; et à une borne d'interruption (22) du microcontrôleur (12) est raccordé un comparateur, le microcontraleur (12) comportant pour la commande de liaison (14, 16, 18) respective, une commande (52) ainsi qu'un compteur (54) relié à la borne d'interruption (22), caractérisé en ce que le microcontrôleur (12) comporte une quatrieme borne de liaison (20) à laquelle est raccordée une deuxième résistance de référence (48), la premiere et la deuxième résistance de référence (44, 48) possédant des valeurs nominales de résistance différentes l'une de l'autre. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le microcontrôleur (12) est configuré en technologie CMOS. 3. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comparateur (50) est une bascule de Schmitt numérique. 4. Circuit selon les revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que le comparateur (50) présente une tension de seuil définie. 5. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur (40) est un condensateur à feuille peu sujet à des courants de fuite. 6. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux résistances de référence (44, 48) sont des résistances NTC.