Traduction Brevet 4.275

BREVET 4.275.363 METHOD OF AND APPARATUS FOR DRIVING AN ULTRASONIC TRANSDUCER INCLUDING A PHASE LOCKED LOOP AND A SWEEP CIRCUIT Traduction du brevet à partir de la page 4 du brevet, 2ème colonne : "The third object…" (partie technique uniquement)

Le troisième objet de la présente invention est de fournir une méthode qui permet de trouver automatiquement un point résonnant, de se verrouiller sur cette dernière et de pouvoir redémarrer une nouvelle recherche lorsque cette fréquence de résonance dépasse les valeurs surveillées par la boucle à verrouillage de phase. FIGURE 1 Schéma fonctionnel

Un capteur ultrasonique 1 est relié à un circuit PLL (boucle à verrouillage de phase 2). Cette dernière se compose d'un oscillateur commandé par tension (VCO 3), d'un amplificateur 4 et d'un comparateur de phases 5, qui sont reliés entre eux afin de former une boucle. L'amplificateur 4 est relié au capteur ultrasonique 1 qui envoie aussi les signaux au comparateur de phases 5. L'amplificateur 4 est aussi relié à un détecteur de résonance 6, qui est lui-même relié à bascule de remise à zéro 7. Le générateur de rampe 8 est relié à la bascule 7 et au VCO 3. De plus, un comparateur à fenêtre 9 est relié entre le comparateur de phases 5 et la borne S de la bascule 7. Lorsque les oscillations commencent, la tension du générateur de rampe 8 est initialisée et alors le balayage de fréquence commence. Pendant cette période du balayage, la tension de sortie "b" du comparateur de phases 5 est maintenue à une valeur centrale. La sortie du générateur de rampe 8 alimente une autre entrée du VCO 3 de telle sorte que la fréquence d'oscillations soit balayée sur une gamme de fréquence qui est différente de celle de la gamme de fréquences du PLL. Par conséquent, le capteur ultrasonique 1 est piloté par une tension ou un courant d'excitation qui balaye d'une basse vers une haute fréquence.

2 Lorsque la fréquence de résonance du capteur ultrasonique 1 est détectée par le détecteur de résonance 6 ceci a pour effet de remettre à zéro la bascule 7 qui bloque le générateur de rampe 8. De ce fait, la fréquence d'oscillation du VCO 3 est verrouillée à la fréquence de résonance du capteur ultrasonique 1. A partir de ce moment, la tension "b" du comparateur de phases 5 peut modifier la valeur centrale de la tension du générateur de rampe 8 (qui est fixe) en fonction des erreurs détectées - C'est la gestion PLL. En conséquence, même lorsque la fréquence de résonance du capteur ultrasonique 1 change, quelles qu'en soient les causes, le capteur ultrasonique 1 fonctionnera toujours correctement tant que la fréquence de résonance se situera à l'intérieur de la "bande passante" gérée par la boucle à verrouillage de phase 2. Le comparateur de fenêtre 9 surveille toujours cette fréquence de résonance. Si un changement de fréquence intervient et que la fréquence de résonance sort de la "bande passante" gérée par la boucle à verrouillage de phase 2, le comparateur de fenêtre 9 active la bascule 7, qui remettra en fonction le générateur de rampe 8 afin de redémarrer la recherche de fréquence (scan) afin, de nouveau, pouvoir retrouver une nouvelle fréquence de résonance. Les fréquences indésirables du capteur ultrasonique 1 sont habituellement situées aux fréquences hautes de sa fréquence de résonance fondamentale. Il est donc souhaitable de commencer l'oscillation du générateur de rampe 8 à la fréquence la plus basse de sorte que la fréquence d'oscillations ne puisse pas être verrouillée sur ces fréquences "non conformes". A noter que le capteur ultrasonique peut être soit un capteur d'électrostriction ou d'un capteur magnétostrictif, et que son mode d'opération peut être basé sur un point résonnant parallèle ou un point résonnant série. Quand le capteur ultrasonique est un modèle résonnant série, il est recommandé d'insérer un inverseur d'impédance entre l'amplificateur 4 et le capteur ultrasonique, afin que ce dernier soit alimenté en courant et non en tension.

3 FIGURE 2 (Les références désignant les différents blocs indiquées fig 2 sont les mêmes que celles employées fig 1)

Schéma détaillé

Le VCO 3 a deux bornes entrées, la borne 10 d'entrée de la tension ("h") du générateur de rampe et la borne 11 d'entrée de la tension ("d") du comparateur de phases. La borne 10 reçoit les signaux pour l'oscillation rapide (scan), et la borne 11 reçoit des signaux de la gestion du PLL. Ces signaux commandent indépendamment la fréquence d'oscillation. La sortie "c" du VCO 3 est amplifié par l'amplificateur 4 et est appliquée sur l'enroulement primaire du transformateur de liaison 12. Le signal recueilli sur le secondaire traverse l'inductance (13), le primaire 15 du transfo différentiel 14 pour détecter la vitesse vibratoire, puis dans les éléments d'électrostriction 20, 21 des bornes positives 18, 19 qui sont isolées par un isolateur 17 du capteur électrostriction 16 qui sert de capteur ultrasonique 1. Le signal est aussi recueilli au secondaire du transfo 22, aux bornes de la résistance 23, aux fins de détection et mesure du courant du capteur. Le signal "es" recueilli sur le secondaire 24 du transformateur différentiel 14, est amené à la borne 25 du comparateur de phases 5, ainsi que le signal "it" à la borne 26 du comparateur de phases 5. Les phases de ces entrées sont comparées. Il en ressort un signal proportionnel à l'écart de phase de ces 2 signaux qui est intégré par le filtre passe-bas 27, qui fournit donc une tension "continue" "d", proportionnelle à l'erreur de phase de ces 2 signaux. Cette tension "d" commande le VCO 3. Cette tension "d" est "surveillée" par le comparateur de fenêtre 9. Si cette tension, d'erreur donc, dépasse une valeur prédéterminée, ce comparateur déclenche (via le circuit OU 28) la bascule de remise à zéro 29 qui génère le signal "f". Ce sont les consignes du comparateur de fenêtre 9 qui déterminent la gamme de fréquence à l'intérieur de laquelle il y aura verrouillage du PLL. Le circuit 39 appelé COMP sur la fig 2, effectue (entres autres) une remise à zéro (par l'intermédiaire du circuit OU 28) lors de la mise sous tension du système. La bascule de remise à zéro 29 est déclenchée soit lors d'une mise sous tension, soit lorsque l'erreur de fréquence sort des limites prévues du comparateur de phases 5. A ce moment le signal "f" de remise à zéro est envoyée au commutateur analogique 31 (générateur de rampe 8) afin de décharger le condensateur 32 (la rampe - dent de scie - recommencera donc à zéro) et aussi au commutateur 34 (via la porte 33) qui décharge le filtre 27 de sortie du comparateur de phases 5. Dès la fin de l'impulsion "f", le commutateur 31 revient à sa position première (ouvert). Et la bascule 7, déclenchée par le front descendant du signal "f", ferme le commutateur 36 par le créneau "k". Ce qui a

4 pour effet de commencer la charge du condensateur 32 (donc génération de la dent de scie "g") par le générateur à courant constant 37. Ce même créneau "k", via la porte 33, ferme aussi le commutateur 34, ce qui a pour effet d'invalider la tension du filtre du comparateur (car en ce moment, nous scannons en fréquence et les erreurs détectées par le comparateur ne doivent pas venir perturber le scan). La dent de scie "g" attaque un ampli à grande impédance d'entrée et ressort en signal "h", signal de commande en tension pour le VCO 3. La dent de scie "h" est aussi envoyée au comparateur 39 qui, dès que la dent de scie aura atteint une tension prédéterminée, déclenchera la bascule de remise à zéro 29. Cette opération détermine la fin du signal dent de scie. Le capteur d'électrostriction 16 est donc balayé progressivement par une basse fréquence jusqu'à une haute et ainsi de suite. Il est à noter que le courant du capteur devient minimal à une fréquence de résonance parallèle. Par conséquent, si une valeur minimale du signal "it" est détectée par le détecteur résonnant 6, il remet à zéro la bascule 7 (par le signal "j"), le signal "k", ouvrant le commutateur 36, stoppe alors la charge du condensateur 32. Ce condensateur maintient donc la tension de charge "g" à la même valeur (qui correspond à la fréquence détectée comme étant une fréquence de résonance). Le VCO 3 délivre alors un signal à la même fréquence. Au même instant, le signal "k" ouvre aussi le commutateur 34 qui permet au filtre du comparateur de délivrer au VCO 3 la tension d'erreur proportionnelle à l'erreur de phase. La fonction PLL est active et "suit" les éventuels écarts du transducteur 16. Mais il peut arriver, le PLL étant en action, que la fréquence de résonance du capteur 16 dérive de façon importante, en raison d'un capteur usé ou de tous autres causes, ce qui va rendre difficile la tâche d'asservissement du PLL. Dans ce cas, la tension d'erreur "d" du comparateur sera aussi élevée. Cette forte élévation sera détectée par le comparateur à fenêtre 9 qui re-déclenchera le processus de remise à zéro, scan, etc... jusqu'au moment (fréquence) où un nouveau point résonnant sera trouvé.

5 FIGURE 3 Diagramme des principaux signaux

La figure 3 représente le diagramme de fonctionnement des différents signaux que nous venons de décrire. L'abscisse est divisée en trois sections : A : Phase durant laquelle le circuit PLL 2 ne se verrouille pas, avec le signal dent de scie "h" et le timing des autres signaux. B : Phase durant laquelle le verrouillage est effectué (blocage de la montée dent de scie "h" et mise en action de la tension d'asservissement "d". C : Phase indiquant le moment où le comparateur à fenêtre 9 détecte un trop grand écart et relance le processus de scan pour un nouvel accrochage à la fréquence de résonance. La section A : La mise sous tension est effectuée à T0. La bascule de remise à zéro 29 délivre l'impulsion "f" (T0 à T1). Le commutateur 31 se ferme afin de décharger le condensateur 32 et la bascule 7 active le commutateur 36. Dès la fin du créneau "f", le condensateur 32 commence à se charger : début de la dent de scie "h". A fur et à mesure que la tension du signal "h" monte, la fréquence "c" du VCO 3 (appliquée au capteur) augmente aussi. C'est le comparateur 39 qui, dès que l'amplitude de la dent de scie aura atteint une tension prédéterminée, déclenchera le créneau "f" qui provoquera la remise à zéro de l'ensemble pour un nouveau scan. Le signal "it" montre qu'à un moment donné, la fréquence de résonance a été trouvée (comme précisé, il n'est pas décrit la phase de verrouillage à ce moment – voir section B – ceci afin de pouvoir tracer la forme du signal complète durant tout le scan). La section B : De T3 à T4, le fonctionnement est le même que la section A. A T4, un point résonnant est détecté par le détecteur de résonance 6 qui génère le signal "j" qui a pour effet de remettre à zéro la bascule 7. Le commutateur 36 s'ouvre et donc la charge du condensateur 32 s'arrête, la tension du signal "h" reste fixe (fréquence "c" en sortie du VCO fixe). Dans le même temps, le commutateur 34 s'ouvre permettant au filtre de délivrer, par le comparateur de phases 5, une tension d'erreur proportionnelle à l'écart de phases (de fréquence). Cette période est le temps T5.

6 La section C : Le point T6 représente le moment où le signal "d" (tension d'erreur) augmente trop par exemple. Le point résonnant sort donc de la "zone de surveillance", en raison d'un capteur usé ou de tous autres causes, comme cité précédemment. A ce moment, cette tension "d" étant surveillée par le comparateur à fenêtre 9, ce dernier déclenche la bascule 29 afin de générer le créneau "f" qui reprendra les opérations décrites entre T1 et T3, jusqu'au nouveau point résonnant T8.

La description du fonctionnement ci-dessus est basée sur une détection de résonance parallèle minimum, (détectée par le détecteur de résonance 6). Mais il est possible de concevoir ce détecteur de résonance afin qu'il détecte un point de résonance pour un courant de capteur maximum. De plus, étant donné que toute l'opération de PLL (en particulier le détecteur de résonance 6) suit mais détecte la fréquence de résonance après que cette fréquence ait été appliquée au capteur (pour cause de retards - délais de commutation - dans toute la chaîne), il n'est pas utile (souhaitable) que le détecteur de résonance ait une sensibilité élevée. Sa conception peut (et doit) donc être très simple.

Par Asl, Octobre 2006, Sous réserve de traduction…