Brevet FR2734965A1 — publié le 19961206

La présente invention concerne un système de compensa- tion de l'erreur de décalage d'un amplificateur opérationnel et plus particulièrement de l'erreur apparaissant dans un conver- tisseur analogique/numérique à bascule de Schmitt. La présente invention vise plus particulièrement la réalisation d'un convertisseur analogique/numérique à faible coût présentant une précision élevée aussi bien dans une plage de tension à mesurer élevée que dans une plage de tension à mesurer très faible, par exemple pour mesurer avec des préci- sions du même ordre de grandeur des tensions de quelques volts et des tensions de quelques millivolts. La présente invention s'applique notanmment à des appa- reils portables dans lesquels on cherche à mesurer en permanence l'état de charge d'une batterie par sommation des puissances fournies par cette batterie. Dans certains appareils portables, le courant fourni par la batterie correspond à l'un ou l'autre de deux états de fonctionnement, un état de veille et un état de fonctionnement dans lesquels les courants sont très différents. Toutefois, si le courant de veille correspond à des durées beaucoup plus longues que le courant de fonctionnement, il est souhaitable de mesurer oe courant de veille avec la même préci- sion que le courant de fonctionnement. C'est par exemple le cas d'un téléphone portable o le courant pendant les phases de fonctionnement peut être de 1 'ordre de 2 ampères tandis que le courant de veille peut être inférieur à 10 milliampères mais, bien entendu, dans une utilisation classique, les périodes de veille sont beaucoup plus longues que les périodes de fonction- nement. A priori, pour réaliser ce type de calcul, on utilise un microcontrôleur associé à un convertisseur analogique/numé- rique. Si l'on veut une précision de l'ordre de 1/1000, il faut donc prévoir un convertisseur analogique/numérique d'une préci- sion supérieure ou égale à 10 bits. Or, les microcontrôleurs classiques à faible coût, tels que le microcontrôleur ST6 sont couramment associés à des convertisseurs analogique/nunmérique d'une précision de seulement 8 bits (1/250). L'objet de la présente invention est d'utiliser un tel microcontrôleur à faible coût tout en convervant une précision de l'ordre de un pour mille en ce qui concerne les mesures de tension. Dans le cadre de oette approche, on connaît des circuits qui transforment des valeurs de tension en rapports cycliques de signal périodique. Il est alors possible, avec un microcontrôleur classique à faible coût qui dispose néanmoins d'une horloge et de compteurs à haute fréquenoe de calculer ces rapports cycliques à partir de comptages de temps de haute précision. Un exemple de circuit transformant des valeurs de tension d'entrée à mesurer en rapports cycliques de signal périodique est illustré en figure 1 et correspond par exemple au circuit décrit dans l'article de Mike Walne, "Simple ADC is surprisingly accurate" paru dans EDN, European Edition, 9 juin 1994 P. 154. Le circuit de la figure 1 comprend un amplificateur opérationnel INT dont la sortie est envoyée à une bascule (ou trigger) de Schmitt ST. La tension à mesurer Vin est apppliquée à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur opérationnel INT. L'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel INT reçoit la sortie A de oet amplificateur opérationnel par 1 'intermédiai- re d'un condensateur C et la sortie B du trigger de Schmitt ST par l'intermédiaire d'une résistance R. L'amplificateur opéra- tionnel a donc une fonction d'intégrateur et les tensions aux bornes A et B sont illustrées respectivement en figures 2A et 2B. Le trigger de Schmitt est un circuit qui fournit une tension à niveau haut quand son entrée a atteint par valeurs croissantes un seuil haut VH et une tension à niveau bas quand son entrée a atteint par valeurs décroissantes un seuil bas VL. Ainsi, la tension à la borne A a l'allure représentée en figure 2A. Pendant une première durée tl, la tension est croissante avec une pente égale à Vin/RC et, pendant une deuxième durée t2, elle est décroissante avec une pente (Vref-Vin)/RC, Vref étant la tension d'alimentation du trigger de Schmitt et de l'ensemble du circuit. On a donc sur la sortie B un signal à niveau haut pendant la durée t2 et un niveau bas pendant la durée tl. Si on appelle T la somme des durées tl et t2, le rapport t2/T est égal à Vin/Vref. Alors, un microcontrôleur connecté à la borne B peut calculer simplement le rapport t2/T, ces valeurs étant mesurées à partir de l'horloge interne du microprocesseur avec une préci- sion supérieure à 10 bits et des calculs étant fait avec une précision supérieure à 10 bits. Ainsi, le microcontrôleur peut effectuer les calculs avec une précision suffisante mais on s'aperçoit que la préci- sion d'ensemble du système dépend des caractéristiques de l'am- plificateur opérationnel INT. En effet, si le but est toujours d'obtenir un système à faible coût, il est connu que les ampli- ficateurs opérationnels à faible coût présentent l'inconvénient de présenter une tension de décalage (tension d'offset) entre leurs entrées. Cette tension d'offset dépend, dans une série donnére, de l'intégrateur particulier et, pour un intégrateur particulier, de sa température et de son vieillissement. Dans l'exemple donné précédemment, o l'on veut calculer avec préci- sion des tensions de l'ordre du volt et du millivolt, la tension d'offset qui sera classiquement de l'ordre de quelques milli- volts ( + 2 à + 5 mV) est loin d'être négligeable devant la plus basse des tensions à mesurer. En outre, si la tension Vin à me- surer est inférieure à la valeur absolue de la tension d'offset et que oette tension est négative, le système ne pourra plus fonctionner car on ne pourra plus avoir de pente positive pendant l'intervalle tl décrit en relation avec la figure 2B. Ainsi, les systèmes du type de oelui de la figure 1 ne sont applicables qu'à des mesures de tension d'entrée nettement supé- rieures à la tension d'offset de 1'intégrateur utilisé ou bien exigent d'employer des intégrateurs de très haute qualité, c'est-à-dire à très faible tension d'offset. Un objet de la présente invention est de permettre la réalisation d'un système de conversion analogique/numérique du type décrit en figure 1, dans lequel à la fois l'intégrateur et le microcontrôleur soient des systèmes simples à faible coût. Pour atteindre cet objet ainsi que d'autres, la pré- sente invention prévoit un système de compensation de l'erreur de décalage d'un amplificateur opérationnel, comprenant des moyens pour ajouter en permanence à l'entrée de mesure de 1'am- plificateur opérationnel une tension de compensation positive supérieure à la plus grande valeur négative possible de la ten- sion d'erreur de décalage de l'amplificateur opérationnel; et des moyens pour déterminer la valeur de la somme de la tension de compensation et de la tension d'erreur de décalage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, il est prévu, entre la borne o est disponible la tension à mesurer et la borne d'entrée non-inverseuse de l'amplificateur, la connexion en série d'une première et d'une deuxième résis- tance, la borne d'entrée non-inverseuse étant connectée à une tension haute par l'intermédiaire d'une troisième résistance et le point de raccordement des première et deuxième résistanoes étant connecté à la masse par l'intermédiaire d'un commutateur commandé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 1 'amplificateur opérationnel fait partie d'un convertisseur analogique/numérique comprenant en outre un condensateur connecté entre la sortie et l'entrée inverseuse de l'amplifi- cateur opérationnel; une bascule de Schmitt connectée à la sortie de l'amplificateur opérationnel; une résistance connectée entre la sortie de la bascule de Schmitt et l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel; et un microcontrô- leur connecté à la sortie de la bascule de Schmitt. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le microcontrôleur est programmé pour calculer la tension de décalage de l'amplificateur opérationnel, quand le commutateur est fermé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le microcontrôleur est programmé pour calculer la tension à mesurer par comptage de temps, en effectuant une correction d'erreur de décalage, quand ledit commutateur est ouvert. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite, à titre non-limitatif, en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente un circuit de convertisseur analogique/numérique selon 1' art antérieur; les figures 2A et 2B sont des courbes de tension en fonction du temps illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 1; et la figure 3 représente un circuit de convertisseur analogique/numérique selon la présente invention. Le circuit de la figure 3 comprend l'intégrateur INT, la bascule de Schmitt ST, le microcontrôleur, la résistance R et le condensateur C de la figure 1 connectés de la même façon. De plus, le circuit de la figure 3 prévoit, entre la borne d'entrée de tension à mesurer Vin et la borne d'entrée V+ de 1' intégrateur, un circuit supplémentaire ayant la double fonction de relever en permanence le niveau de l'entrée V+ de façon qu'il soit toujours positif même en cas d'existenoe d'une tension de décalage négative et d'assurer une mesure périodique, à des instants choisis, de la tension de décalage de l'amplifi- cateur opérationnel pour permettre de la corriger. Dans un mode de réalisation de la présente invention, ce circuit supplémentaire comprend entre la borne Vin et la borne V+ de l'amplificateur opérationnel des résistanoes en série R1 et R2. Une résistance R3 est connectée entre la borne d'entrée V+ et une tension de référence Vref, par exemple la tension d'alimentation de la bascule de Schmitt ST. Un commuta- teur SW, de préférence un commutateur statique cmanmandé, est connecté entre le point de connexion des résistanoes R1 et R2 et la masse. Le fonctionnement normal du circuit correspond à un état ouvert du commutateur SW. Alors, la tension sur la borne V+ est égale à: V+ [R3/(R1+R2+R3)]Vin + [(R1+R2)/(R1+R2+R3)]Vref + Vofs o Vofs est la tension de décalage (inconnue) de l'amplificateur opérationnel. Si R3 est nettement supérieur à R1 et R2, on peut écrire en première approximation: V+ = Vin + [(Rl+R2)/R3]Vref + Vofs. Le rapport (R1+R2)/R3 est choisi pour que son produit par la valeur Vref soit supérieur à la valeur maximum possible de la tension de décalage Vofs, par exemple 5 millivolts. Ainsi, si Vref=5 volts, on choisira (Rl+ R2)/R3=1/1000. On voit donc que l'approximation proposée de négliger R1 et R2 par rapport à R3 est tout à fait acceptable. Grâoe à cette mesure, la tension sur la borne V+ sera toujours supérieure à la tension sur la borne V-, dès qu'une tension Vin, même très faible, est appliquée. Le fonctionnement du système est donc assuré. En outre, à la mise en marche du système, et ensuite de façcon périodique, par exemple à chaque recharge d'une batterie si le circuit est destiné à vérifier la charge d'une batterie, on procède brièvement à une phase de mesure de la ten- sion de décalage en fermant, de préférence sous la commande du microcontrôleur, le commutateur SW. La tension sur la borne V+ est alors: V+ = [R2/(R2+R3)]Vref + Vofs, soit en première approximation: V+ = (R2/R3)Vref + Vofs. L'étape de conversion analogique/numérique est alors effectuée avec le commutateur SW fermé, de la façon illustrée en figures 2A et 2B, et l'on peut mesurer V+. Le terme [R2/(R2+R3)]Vref étant connu, Vofs peut en être déduit et cette valeur peut être mémorisée dans le microcalculateur pour servir ensuite à corriger les mesures de Vin effectuées. Par ailleurs, on a indiqué précédemment des approxi- mations dans lesquelles les valeurs de R1, R2 sont négligées par rapport à la valeur de R3. Bien entendu, le microcontrôleur pourra faire des calculs précis en tenant compte des facteurs de correction appliqués. Ainsi, grace à la présente invention, on peut effec- tuer une conversion analogique/numérique de haute précision avec un microcontrôleur dont le convertisseur analogique/nunmérique interne présente une précision limitée et avec un amplificateur opérationnel à faible coût susceptible de présenter une tension d'offset inconnue non-négligeable. Bien que 1' invention ait été exposée dans le cas d'une application à un convertisseur analogique/numérique, on notera que le système de polarisation positive de l'entrée non-inver- seuse d'un amplificateur opérationnel et de détermination de sa tension de décalage pourra trouver d'autres applications qui apparaîtront à l'homme de l'art en fonction des problèmes qui lui seront posés. REVENDICAT IONS 1. Système de compensation de 1 'erreur de décalage d'un amplificateur opérationnel (INT), caractérisé en ce qu'il camprend: des moyens pour ajouter en permanence à l'entrée de mesure de l'amplificateur opérationnel une tension de compen- sation positive supérieure à la plus grande valeur négative possible de la tension d'erreur de décalage de l'amplificateur opérationnel; et des moyens pour déterminer la valeur de la somme de la tension de compensation et de la tension d'erreur de décalage. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, entre la borne o est disponible la tension à mesurer (Vin) et la borne d'entrée non-inverseuse (V+) de l'am- plificateur opérationnel, la connexion en série d'une première (R1) et d'une deuxième (R2) résistance, la borne d'entrée non- inverseuse (V+) étant connectée à une tension haute (Vref) par l'intermédiaire d'une troisième résistanoe (R3) et le point de raccordement des première et deuxième résistances étant connecté à la masse par l'intermédiaire d'un commutateur commandé (SW). 3. Convertisseur analogique/numérique caractérisé en ce qu'il comprend: un amplificateur opérationnel associé à un système de compensation d'erreur de décalage selon la revendication 1 ou 2; - un condensateur (C) connecté entre la sortie et l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel; - une bascule de Schmitt (ST) connectée à la sortie de l'amplificateur opérationnel; - une résistance (R) connectée entre la sortie de la bascule de Schmitt et l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel; et - un microcontrôleur connecté à la sortie de la bascule de Schmitt. 4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le microcontrôleur est programmé pour calculer la tension de décalage de l'amplificateur opérationnel, quand ledit commutateur est fermé. 5. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le microcontrôleur est programmé pour calculer la tension à mesurer (Vin) par comnptage de temps, en effectuant une correction d'erreur de décalage, quand ledit commutateur est ouvert.