Brevet FR2829321A1 — publié le 20030307

ENTREE ANALOGIQUE POUR CIRCUIT ELECTRONIQUE L'invention concerne une entrée analogique adaptable au niveau électrique de sortie d'un capteur sensible à un paramètre physique. Les automatismes électriques ou électroniques comportent généralement une ou plusieurs entrées de signaux, notamment de signaux analogiques fournis par des capteurs de paramètres physiques tels que pression, température, déplacement linéaire ou tout autre type de paramètre. L'automatisme est réalisé pour assurer des fonctionnalités préprogrammées à partir du niveau ou de l'état de ces paramètres. La figure 1 a montre le synoptique d'une entrée analogique 10 de l'état de l'art connectée à la sortie d'un capteur 12 fournissant à l'entrée analogique une tension Vs fonction d'un paramètre physique utilisé par l'automatisme. L'entrée analogique 10 comporte essentiellement, un convertisseur analogique/numérique 14 attaqué, par son entrée analogique 16 à travers une interface d'adaptation de niveau 18, par la tension Vs en sortie du capteur et une référence de tension Vr 20 pour le convertisseur analogique/numérique 14. Le convertisseur analogique/numérique 14 fournit une information numérique, à sa sortie numérique 22, fonction du niveau de la tension d'entrée Vs appliquée à son entrée analogique 16. Cette information numérique est utilisée par un circuit électronique de traitement, par exemple un automatisme. La référence de tension 20 est nécessaire pour obtenir la précision de conversion en numérique de la tension analogique appliquée à l'entrée 16 du convertisseur analogique/numérique 14. La dynamique théorique du niveau d'entrée analogique Vs est une valeur fixe correspondant à la dynamique habituelle normalisée des capteurs, par exemple de 0 à 10 volts. Les figures 1 b, 1 c et 1 d montrent respectivement trois types de capteurs 24,26 et 28 pouvant être connectés à l'entrée analogique de la figure 1 a. Le capteur connecté à l'entrée analogique peut être : - soit un capteur 0-10 volts 24 (voir figure 1 b) fournissant une tension comprise précisément entre 0 et 10 volts correspondant à la plage de tension analogique admise par l'entrée analogique pour bénéficier de la résolution maximale du convertisseur analogique/numérique. L'inconvénient d'un tel capteur 0-10 volts c'est qu'il nécessite une tension d'alimentation régulée de façon à ce qu'il fournisse une tension de sortie maximale toujours égale à 10 volts. - soit un potentiomètre 26 (voir figure 1 c) utilisé pour des mesures de position linéaire ou angulaire. Le potentiomètre 26 fournit une tension variable entre 0 volt et la tension du point chaud 30 du potentiomètre en fonction de la position du curseur. Le point chaud 30 du potentiomètre est habituellement au potentiel de la tension d'alimentation Vcc du système électrique comportant entre autre l'automatisme. Cette tension d'alimentation Vcc est peu stable et parfois non régulée, chaque élément électronique du système comportant son propre dispositif de régulation. L'inconvénient de l'utilisation du potentiomètre 26 de la figure 1 c alimenté par la tension non régulée Vcc est que, si la tension d'alimentation Vcc devient inférieure à la tension maximum admise par le convertisseur analogique/numérique, on ne bénéficie pas de la résolution du convertisseur, lorsque le curseur se trouve au niveau du point chaud 30 du potentiomètre. Par contre, si la tension d'alimentation Vcc dépasse la tension maximale admise par le convertisseur analogique/numérique, le déplacement mécanique du curseur s'en trouve limité à cette tension maximale du convertisseur, ce qui limite d'autant la plage de mesure du paramètre en l'occurrence le déplacement maximum possible du curseur jusqu'au point chaud du potentiomètre. En outre, la tension de sortie du potentiomètre, pour une même position du curseur, variera en fonction de la tension Vcc appliquée à son point chaud, ce qui nuit à la fiabilité d'une mesure de position. Pour éviter cet inconvénient, dans l'art antérieur, on utilise le capteur régulé 28 de la figure 1 d. Le capteur régulé 28 comporte le potentiomètre 26 de la figure 1 c dont le point chaud 30 est alimenté par la tension d'alimentation Vcc à travers un régulateur de tension 32 à fin de maintenir le point chaud du potentiomètre sensiblement égal à 10 volts, ce qui comporte l'inconvénient d'augmenter le coût du capteur et donc celui de l'automatisme. Pour pallier les inconvénients des entrées analogiques de l'art antérieur, l'invention propose une entrée analogique pour circuit électronique destinée à être connectée à une sortie électrique d'un capteur de mesure d'un paramètre physique, le capteur étant alimenté par une tension d'alimentation Vcc et fournissant à sa sortie électrique une tension analogique Vs fonction du paramètre à mesurer, l'entrée analogique comportant au moins un convertisseur analogique/numérique de résolution RN, caractérisé en ce qu'elle comporte un calculateur commandant le convertisseur analogique/numérique pour effectuer, une conversion analogique-numérique de la tension d'alimentation Vcc, le convertisseur analogique/numérique fournissant au calculateur une valeur numérique Ralim de la tension d'alimentation Vcc du capteur, une conversion analogique-numérique de la tension analogique Vs du paramètre à mesurer, le convertisseur analogique/numérique fournissant au calculateur une valeur numérique r de la tension analogique Vs à mesurer, le calculateur fournissant une valeur numérique Vn du paramètre à mesurer telle que : Vn = (r/Ralim). RN. Un des principaux objets de l'invention est que l'entrée analogique soit fiable et assure une même précision de mesure quelle que soit la tension d'alimentation du capteur ou quel que soit le type de capteur. D'autres objets de cette invention sont : de bénéficier de la résolution du convertisseur analogique/numérique. - de gérer des dépassements de la plage nominale de mesure de l'entrée analogique. Un autre objet de type économique de l'invention est de diminuer le coût de l'entrée analogique en simplifiant sa fabrication. Dans une variante de l'invention, l'entrée analogique comporte au moins deux convertisseurs analogiques/numériques, un premier convertisseur pour numériser la tension d'alimentation Vcc et un deuxième convertisseur pour numériser la tension analogique Vs en sortie du capteur. Dans une autre variante de l'invention, l'entrée analogique comporte un seul convertisseur analogique/numérique et un multiplexeur des signaux issus de différents capteurs, chacun des signaux étant numérisés séquentiellement par le convertisseur analogique/numérique, le multiplexeur étant piloté par le calculateur. L'invention sera mieux comprise à l'aide d'un exemple de réalisation de l'entrée analogique selon l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquelles : - la figure 1 a représente un synoptique d'une entrée analogique de l'état de l'art ; - les figures 1 b, 1 c et 1 d montrent respectivement trois types de capteurs habituellement connectés à l'entré analogique de la figure 1 a ; - la figure 2 représente un synoptique d'une entrée analogique selon l'invention comportant deux convertisseurs analogiques/numériques ; - la figure 3 représente un synoptique d'une entrée analogique selon l'invention comportant un seul convertisseur analogique/numérique et un multiplexeur de signaux. La figure 2 représente le synoptique d'une entrée analogique 40, selon l'invention, alimentée par une tension d'alimentation Vcc et recevant par une borne d'entrée 42 la tension analogique Vs en sortie d'un capteur. Dans la réalisation de la figure 2 le capteur est un potentiomètre 44 connecté par son point chaud à la tension d'alimentation Vcc et par son point froid à un potentiel de référence Vm, par exemple la masse de l'entrée analogique. L'entrée analogique 40 comporte un premier 46 et un second 48 convertisseurs analogique/numérique, le premier convertisseur 46 recevant par son entrée analogique 50 à travers un premier adaptateur de tension 52, la tension d'alimentation Vcc, le second convertisseur 48 recevant par son entrée analogique 54 à travers un second adaptateur de tension 56, la tension analogique Vs à mesurer prise au niveau du curseur du potentiomètre 44. Le premier convertisseur analogique/numérique 46 fournit à sa sortie numérique 58, la valeur numérique de la tension d'alimentation Vcc, le second convertisseur 48 fournissant à sa sortie numérique 60 la valeur numérique r du niveau de tension analogique Vs du capteur. L'entrée analogique 40 comporte un calculateur 64 programmé pour piloter les deux convertisseurs analogiques/numériques, le calculateur recevant les deux informations numériques Ralim et r des convertisseurs analogiques/numériques et fournissant une information numérique Vn fonction de la position du curseur du potentiomètre 44 telle que : Vn = (r/Ralim). RN. Nous allons par la suite décrire le fonctionnement de l'entrée analogique 40 selon l'invention. Le calculateur est configuré pour effectuer les séquences suivantes : - pendant une première période de temps T1, le calculateur 64 commande la conversion, par le premier convertisseur 46, de la tension analogique d'alimentation Vcc du capteur en une première valeur numérique Ralim, puis la mise en mémoire de cette première valeur numérique dans une RAM 68 du calculateur ; - pendant une seconde période suivante de temps T2, le calculateur 64 commande la conversion, par le deuxième convertisseur 48, de la tension analogique Vs du capteur en une deuxième valeur numérique r, puis la mise en mémoire de cette deuxième valeur numérique dans la RAM ; - pendant une troisième période suivante T3, le calculateur effectue le calcul de la valeur numérique Vn correspondant au paramètre réel mesuré par le capteur en tenant compte de la tension Vcc d'alimentation soit dans cet exemple la position du curseur du potentiomètre 44, telle que : Vn = (r/Ralim) * RN RN étant la valeur numérique du nombre d'états possibles en sortie du convertisseur analogiquelnumérique liée à sa résolution. Par exemple, si l'on utilise des convertisseurs analogiques/numériques à huit bits, le nombre d'états possibles mesurés par le convertisseur sera de 256. La précision de mesure de la tension de sortie pour une tension de pleine échelle de 10 volts, sera fonction de la résolution du convertisseur. La figure 3 représente un synoptique d'une autre entrée analogique 70 selon l'invention comportant un multiplexeur de signaux 72 et un seul convertisseur analogique/numérique 74. Le convertisseur analogique/numérique 74 reçoit, à travers un adaptateur de tension 76, la tension d'une des entrées sélectionnées du multiplexeur de signaux 72. Le multiplexeur 72 comporte n+1 entrées (eO, e1, e2,... ex,... en) et une sortie 78 connectée à travers l'adaptateur de tension 76 à l'entrée analogique 80 du convertisseur analogique/numérique 74. La première entrée eO (par exemple) du multiplexeur est connectée à la tension d'alimentation Vcc chacune des autres entrées du multiplexeur (e1, e2,.. ex,.. en) étant connectée à un respectif capteur C1, C2,... Cn fournissant respectivement des tensions Vs1, Vs2... Vsn correspondant aux différents paramètres physiques mesurés par ces capteurs. L'avantage de l'entrée analogique 70 selon l'invention est que les capteurs peuvent être de nature différente tels que ceux des figures 1 b, 1 c, 1d. L'entrée analogique 70 comporte un calculateur 82 configuré pour piloter le convertisseur analogique/numérique 74 et le multiplexeur de signaux 72. Le calculateur 82 reçoit les informations numériques de la sortie numérique 84 du convertisseur analogique/numérique 74 et fournit à une sortie numérique 86 une information numérique Vnx (avec x = 1, 2,... n), fonction du paramètre physique mesuré par le capteur et corrigé en fonction de la tension d'alimentation Vcc telle que Vnx = (rx/Ralim). RN. Nous allons par la suite décrire le fonctionnement de l'entrée analogique 70 selon l'invention. Le calculateur est configuré pour effectuer les séquences suivantes : - pendant une première période de temps T10 : commande par le calculateur de la sélection de l'entrée cO du multiplexeur et conversion, par le convertisseur analogique/numérique 74 de la tension analogique d'alimentation Vcc du capteur présente à cette entrée cO du multiplexeur 72 en une première valeur numérique Ralim puis, mise en mémoire de cette première valeur numérique dans une RAM 86 du calculateur ; - pendant des suivantes périodes de temps T11, T12,.. T1 n, commande par le calculateur de la sélection séquentielle des entrées e1, e2,... ex,.. en du multiplexeur et conversion, par le convertisseur analogique/numérique 74, de la respective tension analogique Vs1, Vs2,... Vsx,.. Vsn en sortie du respectif capteur Cl, C2,... Cx,... Cn en une respective valeur numérique r1, r2,.. rx,.. rn et mise en mémoire de chacune de ces valeurs, puis calcul de la respective valeur numérique Vn1, Vn2,.. Vnx,... Vnn de la valeur correspondant aux la tensions Vs1, Vs2,.. Vsx,.. Vsn en sortie des respectifs capteurs C1, C2,.. Cx,.. Cn, de telle façon que : Vnx = (rxiRalim) * RN avec x=1, 2,... n La séquence des mesures des tensions Vs1, Vs2,... Vsx,.. Vsn, donc de la séquence des sélections des entrées du multiplexeur, peut être assujettie à des priorités préprogrammées dans le calculateur. Dans le cas particulier où l'entrée analogique se trouve connectée à un capteur 0-10 volts tel que celui de la figure 1 b, la mesure de la tension Vcc est inutile, dans ce cas le calculateur fournira une valeur numérique de la tension analogique en sortie du capteur telle que : Vsx = (rx/Rio). RN Rio étant la valeur numérique correspondant à la tension de sortie maximum du capteur soit 10 volts. Dans la réalisation de l'entrée analogique de la figure 3 comportant des entrées multiples, le calculateur 64 est configuré pour tenir compte du type de capteur utilisé pour chaque entrée et faire le calcul adapté. Dans l'entrée analogique de la figure 3, la séquence de calcul peut être différente, ainsi on peut effectuer la mesure de la tension d'alimentation Vcc, la mesure d'une des entrées sélectionnées du multiplexeur et le calcul de la valeur numérique de la tension au niveau de cette entrée, puis passer à la mesure de l'entrée suivante. La configuration du calculateur, selon les différentes réalisations de l'entré analogique selon l'invention, peut être obtenue par programmation, à l'aide d'une suite d'instructions enregistrées dans une mémoire morte du calculateur. Dans une variante de l'entrée analogique selon l'invention, le convertisseur analogique/numérique présente une résolution supérieure à la résolution annoncée de l'entrée. Une résolution supérieure du convertisseur analogique numérique à celle nécessaire à la précision de mesure pour la plage de mesure annoncée permet la mesure de dépassements des valeurs des paramètres à mesurer. Par exemple, un convertisseur de huit bits permettra la mesure de 256 niveaux de tension alors qu'un convertisseur de 10 bits permettra de mesurer 1024 niveaux. En effet, il est parfois utile de pouvoir gérer des dépassements des paramètres physiques se traduisant par un dépassement de la tension en sortie du capteur par rapport à une valeur maximale annoncé pour l'entrée analogique. Ces dépassements sont possibles dans la mesure où la gamme de tension de mesure de l'entrée analogique est supérieure à la tension d'alimentation du produit afin d'être capable de la mesurer. L'entrée analogique selon l'invention permet la détection des dépassements par le fait que le calculateur prend en compte la tension d'alimentation du capteur. L'avantage de l'entrée analogique selon l'invention réside dans le fait qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser une référence de tension pour le convertisseur analogique/numérique, le calculateur prenant en compte la valeur de la tension d'alimentation du capteur, ce qui diminue le coût des automatismes. Le capteur peut être alimenté par la tension du système qui peut varier sans changement de précision de la mesure du paramètre. REVENDICATIONS 1. Entrée analogique (10,40, 70) pour circuit électronique destinée à être connectée à une sortie électrique d'un capteur (12,24, 26, 28,44) de mesure d'un paramètre physique, le capteur étant alimenté par une tension d'alimentation Vcc et fournissant à sa sortie électrique une tension analogique Vs fonction du paramètre à mesurer, l'entrée analogique comportant au moins un convertisseur analogique/numérique (14,46, 48,74) de résolution RN, caractérisée en ce qu'elle comporte un calculateur (64,82) commandant le convertisseur analogique/numérique pour effectuer, une conversion analogique/numérique de la tension d'alimentation Vcc, le convertisseur analogique/numérique fournissant au calculateur une valeur numérique Ralim de la tension d'alimentation Vcc du capteur, une conversion analogique/numérique de la tension analogique Vs du paramètre à mesurer, le convertisseur analogique/numérique fournissant au calculateur une valeur numérique r de la tension analogique Vs à mesurer, le calculateur fournissant une valeur numérique Vn du paramètre à mesurer telle que : Vn = (r/Ralim). RN. 2. Entrée analogique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux convertisseurs analogiques/numériques (46, 48), un premier convertisseur pour numériser la tension d'alimentation Vcc et un deuxième convertisseur pour numériser la tension analogique Vs en sortie du capteur. 3. Entrée analogique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le calculateur est configuré pour effectuer les séquences suivantes : - pendant une première période de temps T1, le calculateur (64) commande la conversion, par le premier convertisseur (46), de la tension analogique d'alimentation Vcc du capteur en une première valeur numérique Ralim, puis la mise en mémoire de cette première valeur numérique dans une RAM (68) du calculateur ; - pendant une seconde période suivante de temps T2, le calculateur (64) commande la conversion, par le deuxième convertisseur (48), de la tension analogique Vs du capteur en une deuxième valeur numérique r, puis la mise en mémoire de cette deuxième valeur numérique dans la RAM ; - pendant une troisième période suivante T3, le calculateur effectue le calcul de la valeur numérique Vn correspondant au paramètre réel mesuré par le capteur en tenant compte de la tension Vcc d'alimentation telle que : Vn = (r/Ralim) * RN 4. Entrée analogique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte comporte un seul convertisseur analogique/numérique (74) et un multiplexeur (72) des signaux issus de différents capteurs (c1, c2,... cn), chacun des signaux étant numérisés séquentiellement par le convertisseur analogique/numérique, le multiplexeur étant piloté par le calculateur (82). 5. Entrée analogique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le capteur est un potentiomètre connecté par une de ses deux extrémités à la tension d'alimentation Vcc et par son autre extrémité à un potentiel de référence Vm, le potentiomètre fournissant au dispositif une tension analogique Vs proportionnelle à la position de son curseur. 6. Entrée analogique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le capteur fournit une tension analogique normalisée de valeur maximale correspondant à la résolution RN du convertisseur analogique-numérique. 7. Entrée analogique selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le convertisseur analogique/numérique (74) reçoit à travers un adaptateur de tension (76) les tensions en sortie du multiplexeur de signaux (72), le multiplexeur (72) comportant n+1 entrées (eO, e1, e2,. en) et une sortie (78) connectée à travers l'adaptateur de tension (76) à l'entrée analogique (80) du convertisseur analogique/numérique (74), la première entrée eO du multiplexeur étant connectée à la tension d'alimentation Vcc chacune des autres entrées du multiplexeurs (e1, e2,.. en) étant connectée à un respectif capteur Cl, C2,... Cn fournissant respectivement des tensions Vs1, Vs2... Vsn correspondant à différents paramètres physiques mesurés. 8. Entrée analogique selon la revendication 7, caractérisée en ce que le calculateur est configuré pour effectuer les séquences suivantes : - pendant une première période de temps T10 : commande par le calculateur de la sélection de l'entrée cO du multiplexeur et conversion, par le convertisseur analogique/numérique (74) de la tension analogique d'alimentation Vcc du capteur présente à cette entrée cO du multiplexeur (72) en une première valeur numérique Ralim puis, mise en mémoire de cette première valeur numérique dans une RAM (86) du calculateur ; - pendant des suivantes périodes de temps T11, T12,.. T1 n, commande par le calculateur de la sélection séquentielle des entrées e1, e2,... ex,.. en du multiplexeur et conversion, par le convertisseur analogique/numérique 74, de la respective tension analogique Vs1, Vs2,... Vsx,.. Vsn en sortie du respectif capteur C1, C2,... Cx,... Cn en une respective valeur numérique r1, r2,.. rx,.. rn et mise en mémoire de chacune de ces valeurs, puis calcul de la respective valeur numérique Vn1, Vn2,.. Vnx,... Vnn de la valeur correspondant aux la tensions Vs1, Vs2,.. Vsx,.. Vsn en sortie des respectifs capteurs C1, C2,.. Cx,.. Cn, de telle façon que : Vnx = (rxIRalim) * RN avec x=1, 2, oo. n 9. Entrée analogique selon la revendication 8, caractérisée en ce que la séquence des mesures des tensions Vs 1, Vs2,... Vsx,.. Vsn donc de la séquence des sélections des entrées du multiplexeur peut être assujettie à des priorités préprogrammées dans le calculateur. 10. Entrée analogique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le convertisseur analogique/numérique présente une résolution supérieure à la résolution annoncée de l'entrée analogique, une résolution supérieure du convertisseur analogique/numérique à celle nécessaire à la précision de mesure pour la plage de mesure annoncée permettant la mesure de dépassements des valeurs des paramètres à mesurer.