Brevet FR2748104A1 — publié le 19971031

DISPOSITIF DE MESURE DE GRANDEUR REPRESENTEE PAR SES FONCTIONS TRIGONOMETRIQUES La présente invention a pour objet un dispositif de mesure à sortie numérique, destiné à recevoir deux signaux analogiques d'entrée représentant un vecteur de la forme T = (cos( o 0 est une pulsation et 8 une phase. La présente invention a aussi pour objet un disposi- tif de mesure à sortie numérique, destiné à recevoir deux signaux analogiques d'entrée représentant un vecteur de la forme = (cos W0t cos 8, cos W0t sin 8) o e0 est une pulsation et 8 la phase à coder numériquement. Dans les dispositifs de mesure habituels, les grandeurs analogiques sont numérisés par des convertisseurs analogi- que-numérique, en abrégé CAN, et les sorties des convertis- seurs sont appliquées à un organe de calcul numérique. Cette solution présente des inconvénients lorsqu'on cherche à obtenir une résolution élevée. Les CAN ayant un pas de quantification faible et/ou une cadence d'échantil- lonnage élevée, nécessaire à une bande passante large, sont très coûteux. L'invention vise à fournir un dispositif de mesure répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment ce ce qu'il ne met en oeuvre que des moyens simples. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif comprenant au moins un ensemble ayant: - un convertisseur tension/fréquence ayant une plage de fonctionnement contenant la fréquence N.2wo0, o N est un entier positif, - un diviseur ayant des étages successifs en cascade, recevant le signal de sortie du convertisseur à une fré- quence fi et fournissant deux composantes en phase et en quadrature u et v, prenant les valeurs 0 et 1, à a fré- quence du convertisseur divisée par N, - un multiplieur vectoriel du signal d'entrée 9 par 9 de composantes: u' = 2u- l, v' = 2v-1, - une boucle d'asservissement de la fréquence fi du convertisseur à partir d'une tension constituant un signal d'erreur apparaissant à la sortie du multiplieur vectoriel, les sorties des étages successifs de la cascade fournissant une représentation numérique de premier, avec une valeur opposée de a, ainsi qu'un addi- tionneur ou soustracteur recevant les sorties des étages correspondants des deux diviseurs. On voit que ce dispositif traite les signaux analogiques tels qu'ils sont reçus, ce qui semble a priori impliquer des calculs beaucoup plus lourds qu'un filtrage et une numérisa- tion suivis d'un calcul numérique. En fait, on arrive à un dispositif qui ne comporte que des composants logiques ou arithmétiques simples en plus du convertisseur tension- fréquence. Lorsqu'on souhaite obtenir une valeur numérique de (G0t+O) représentée par un nombre binaire, on utilisera une cascade constituée de diviseurs par deux. Dans d'autres cas, par exemple si on souhaite obtenir une valeur de (o0t+e) en degrés, minutes et secondes, on utilisera des étages effectuant une division par des facteurs différents. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. Cette description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif simple de mesure numérique de la valeur d'un angle o0t+e à partir de signaux analogiques représentant des fonctions trigonométriques sinus et cosinus; - la figure 2 est un synoptique montrant une constitu- tion possible des composants de la figure 1 permettant de mesurer une position angulaire instantanée o0t+A à partir des grandeurs cos(o0t+O) et sin( fréquence w0 /27 dans le cas des figures 3 et 4. Le dispositif dont la constitution de principe est montrée en figure 1 permet d'obtenir une représentation numérique d'un angle résolution 2,/N que l'on souhaite obtenir. La sortie du convertisseur 10 attaque un diviseur 12 constitué par une cascade 12, fournissant en sortie un signal carré à fréquence fl/N o fl1 est la fréquence de sortie du convertisseur 10. La cascade peut être constituée par des diviseurs par deux successifs, qui permettront d'obtenir une représentation de l'angle G0t+e sous forme d'un nombre binaire. La sortie de la cascade 12 peut être représentée par un vecteur ayant des composantes u et v, en phase et en quadrature, ou u et v ne peuvent prendre que les valeurs 0 et 1. Ces deux composantes sont appliqués à un multiplieur vectoriel 14 qui reçoit également les grandeurs analogiques représentant T = (sin(0t+0), cos(o0t+O)). La fréquence fi peut être asservie à la valeur Nf0 = 29Nc0 en rendant parallèles le vecteur 9 et le vecteur 9 (u',v') issu des composantes en phase et en quadrature u,v de sortie de la cascade 12 selon la formule déjà définie. Pour cela, il faut asservir fi pour obtenir: (u'/cos(o0t+E)) = (v'/sin(G0t+e)) La différence u'.sin(o0t+e)-v'.cos(o0t+ 6) constitue un signal d'erreur sin E proportionnel au déphasage entre les deux vecteurs, faible et donc assimilable à E, permettant de contrôler le convertisseur 10 à la fréquence fi = N.f0. On voit que toutes les fonctions requises sont remplies par un convertisseur tension-fréquence 10, formé par un oscillateur commandé par tension et des portes logiques simples, constituant des diviseurs par deux, et une logique simple de calcul du signal d'erreur, obtenu à partir de deux produits scalaires et d'une soustraction. Il n'est pas impératif que la cascade réalise une division par une puissance de deux, ni qu'elle soit consti- tuée de diviseurs par deux. Si en particulier on souhaite obtenir une valeur angulaire représentée non par un nombre binaire, mais par une indication en degrés, minutes et secondes, les étages peuvent être prévus pour avoir des rapports de division différents de deux. Il faut cependant terminer par deux divisions par 2. Le dispositif de la figure 1 peut être implémenté sous la forme montrée en figure 2. La cascade 12 est formée de m étages 121,122,.... 12m. La sortie du convertisseur 10 et les sorties des étages successifs fournissent les nombres binaires de poids 0,1,...,m-l,m du nombre représentant l'angle o0t+O, avec une résolution égale à 2n.2-m. La sortie du dernier étage 12m constitue un compte-tours modulo deux. Des diviseurs par deux supplémentaires peuvent être prévus pour compter un nombre de tours suffisant en donnant une indication modulo 4, 8,..., N, N étant un entier quelconque. La composante en phase u peut être prélevée a la sortie de l'étage 12m. La composante en quadrature v peun être obtenue à l'aide d'une porte OU exclusif 13 qui reçoit la sortie des étages diviseurs 12m_1 et 12m. On peut également utiliser un compteur donnant la suite 01,11,10,00 (binaire réfléchi). Le multiplieur vectoriel 14 se réduit alors à deux multiplieurs scalaires et un soustracteur permettant d'obtenir le signal analogique d'erreur u' sin(w0t+0) - v' cos(O0t+e) Après traitement, ce signal est amené à l'entrée de commande du convertisseur tension-fréquence 10. En général, un réseau correcteur à action intégrale 20 sera prévu sur la boucle de retour. Le dispositif de mesure de phase à partir d'un vecteur d'entrée n (cos Q0t cos O, cos tué en utilisant un ensemble conforme au schéma de la figure 1 en association avec un second ensemble correspondant à un sens de rotation opposé et à un échantillonneur. La figure 3 montre un tel dispositif de mesure numérique d'un angle O, appliqué à la fourniture de la valeur numéri- que d'un angle à partir de signaux analogiques fournis par un résolveur angulaire 22. Un résolveur classique est constitué par un transformateur ayant un primaire et un secondaire portés chacun par un des éléments mobiles en rotation l'un par rapport à l'autre. Le primaire comporte un bobinage unique 24 alimenté par une tension alternative à une fréquence angulaire (pulsation) de porteuse 0' Le secondaire comporte deux bobines 26 croisées, fournissant respectivement des signaux proportionnels à sin e et cos O, modulant la porteuse à fréquence angulaire o0. Dans le cas illustré sur la figure 3, le dispositif de o mesure de l'angle e comprend deux ensembles du genre montré en figure 1. L'un des ensembles comprend un convertis- seur 10a, une cascade 12a formée par exemple de m étages successifs de division par deux, formant un registre, et un multiplieur vectoriel 14a. Le second ensemble comprend un convertisseur tension- fréquence 10b et une cascade 12b identique aux éléments correspondants du premier ensemble et un multiplieur vectoriel 14b qui ne se différencie de 14a que par la complémentation logique d'une des sorties de 12b ou le changement de signe de v'. Un circuit 34 de lecture du contenu des étages de la cascade 12a fournit une sortie chaque fois qu'il reçoit, sur une entrée de commande 36, un signal obtenu par exemple à chaque front de montée du signal de sortie u ou v. On obtient ainsi des lectures successives de e aux instants tl,t2,t3, Dans la variante de réalisation montrée en figure 4, l'ensemble 10a, 12a, 14ab est identique à celui montré en figure 3. En revanche, un second ensemble comprend un convertisseur tension- fréquence 30 destiné à être asservi à la fréquence a0/2n et un multiplieur vectoriel 32 destiné à fournir le signal d'erreur. L'angle 8 dont il est question ici est un angle qu'on peut qualifier d'électrique, en ce sens qu'il peut corres- pondre à deux angles mécaniques mutuellement supplémentai- res. Dans une version o il est nécessaire de connaître O à tout instant, les sorties des étages correspondants des deux cascades peuvent être appliquées à un soustracteur 28 moyennant une gestion des débordements. Les entrées numériques peuvent respectivement s'écrire 2nnl/2m et 2nn2/2m, o n1 et n2 sont les contenus des étages successifs des cascades. Ces contenus représentent respec- tivement 0t+O et + W0t-O: la sortie nl-n2 du soustracteur représente en conséquence l'angle O = (nl-n2)n/2m modulo s. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'un dispositif suivant la figure 3 a été réalisé en adptDant une fréquence fo = 0,/2t = 3 KHz e: une valeur 2m = 4,96, ce qui conduit à une fréquence fi de 12,3 MHz. On peut ainsi mesurer un angle O avec une résolution de 0,04 , soit à peut près 2,6 minute d'angle. REVENDICA iONS 1. Dispositif de mesure à sortie numérique, destiné à recevoir deux signaux analogiques d'entrée représentables par un vecteur de la forme T = sin(o0t+6) + j cos(w0t+O) o 0, est une pulsation et 6 une phase, comprenant au moins un ensemble ayant: - un convertisseur tension/fréquence ayant une plage de fonctionnement contenant la fréquence N.2oo0, o N est un entier positif, - un diviseur ayant des étages successifs en cascade, recevant le signal de sortie du convertisseur à une fré- quence fi et fournissant deux composantes en phase et en quadrature u et v, prenant les valeurs 0 et 1, à la fré- quence du convertisseur divisée par N, - un multiplieur vectoriel du signal d'entrée T par un vecteur î de composantes u' = 2u-l, v' = 2v-1. - une boucle d'asservissement de la fréquence f1 du convertisseur à partir d'une tension constituant un signal d'erreur apparaissant à la sortie du multiplieur vectoriel, les sorties des étages successifs de la cascade fournissant une représentation numérique de S0t+6, avec une résolution 2C/N. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cascade est constituée d'étages diviseurs par deux (121,...,12m), o m est un entier positif. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le multiplieur vectoriel (14) comprend deux multiplieurs scalaires et un additionneur ou soustracteur. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le multiplieur vectoriel (14) comporte une entrée recevant la sortie du dernier étage de la cascade et une entrée recevant le résultat d'une opération logique OU EXCLUSIF (:COR) entre les soes du dernier et de l'ava.n- dernier étage de la cascade. 5. Dispositif de mesuire selon l'une quelconque des revendications précédentes, destiné à fournir l'angle de phase O, comprenant un premier dit ensemble (10 a,12a,14a) et un second ensemble (10b,12b,14b) identique au premier mais avec une valeur opposée de v', et un soustracteur (28) recevant les sorties des étages correspondants des deux diviseurs. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, permettant d'obtenir l'angle de phase 8, comprenant un dit ensemble (10a, 12a,14a) et un second ensemble ayant un convertisseur tension-fréquence et un multiplieur vectoriel (32) destiné à asservir le convertisseur (30) à la fréquence >0/27, ainsi qu'un lecteur (34) du contenu de la cascade (12a) en réponse à un front de montée ou de descente de la sortie du convertisseur tension-fréquence (30) à fréquence /2?.