Impédancemètre à lecture directe du module et de l'argument
La présente invention a pour objet un impëdan- cemètre à lecture directe du module et de l'argument d'une impédance électrique simple ou complexe, impédancemètre utilisable dans une large gamme de valeurs de l'impédance et dans une large bande de fréquences et permettant d'opérer sans tarage en une région étendue de fréquences et de niveaux et ce, de préférence, en n'utilisant qu'une seule échelle de lectures des modules ; cet appareil peut tre auxiliairement agencé pour permettre l'étude de déphasages relatifs de signaux, de courbes de réponse de quadripôles.
L'impédancemètre selon l'invention est caracté- risé en ce qu'il comprend deux voies d'amplification identiques de deux signaux dérivés d'une mme ten- sion de mesure au moyen de deux montages diviseurs de tension disposés en parallèle dont l'un est constitué de résistances et l'autre comprend une résistance étalon et l'impédance à mesurer, et dont les points intermédiaires sont reliés aux centrées des deux voies d'amplification entre les sorties desquelles est connecté un indicateur de module et aux sorties desquelles sont connectés des circuits transformant leurs signaux en d'autres signaux servant à actionner un indicateur de déphasage relatif fournissant la mesure de l'argument.
Le dessin ci-annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention ainsi que des graphiques explicatifs.
La fig. 1 est un schéma simplifié de cette forme d'exécution.
La fig. 2 est un schéma plus complet de ladite forme d'exécution.
La fig. 3 donne les diagrammes de circuit réalisés sur les deux positions actives d'un combinateur de la fig. 2.
La fig. 4 donne un exemple des circuits que peut comporter l'une des voies d'amplification et de mesure du dispositif de la fig. 2 ; et,
la fig. 5 montre des graphiques de signaux utiles pour l'exposé de la mesure de l'argument par ce dispositif.
On voit à la fig. 1 une source fournissant une tension de mesure Ve dont un pôle est à la masse et l'autre relié au point commun d'attaque de deux diviseurs de tension, dont les autres extrémités sont également à la masse. L'un de ces diviseurs de tension comporte deux résistances fixes Ri et R2 et a son point intermédiaire relié à la borne d'entrée 2 d'un amplificateur A2. L'autre de ces diviseurs de tension comporte deux impédances Z1 et Z2 et a son point intermédiaire relié à la borne d'entrée 1 d'un amplificateur Ai. Les amplificateurs A1 et A2 sont identiques.
Entre leurs sorties est branché un indicateur de module Mz qui est du type général des logomètres ou quotientmetres. Les sorties des amplificateurs attaquent également un circuit C) dans lequel les signaux sont traités pour finalement actionner un indicateur d'argument Mcp, mesurant le déphasage relatif entre les deux signaux entrants dans (D.
Des éléments Zt et Zo, l'un est l'impédance à mesurer, l'autre est une résistance étalon.
La tension prélevée sur le diviseur R-R2 fournit une tension de référence, soit V,, en phase avec l'oscillation Ve et de valeur déterminée par le rapport des résistances, soit donc :
V,. =V,. R,/ (Ri+R2). (1)
La tension prélevée sur le diviseur Zl-Z2 fournit une tension dépendant de l'impédance à mesurer, soit Vo, déphasée par rapport à Ve puisqu'on sup pose l'impédance à mesurer complexe, donc de la forme (R+IX). On a : K, =V,.Zs/(Zi+Z,)(2) et le déphasage ç est, dans les conditions indiquées plus loin :
(p = arc tg X/R.
(3)
Ces tensions V, et V, sont amplifiées en A. et
A1, respectivement, les gains des amplificateurs étant identiques. Un indicateur M7 branché entre les sorties des amplificateurs A1 et Ao indique donc directement le rapport des deux tensions d'entrée. Il est pourvu d'une échelle que l'on calibre d'après la formule 5 bis ci-dessous. Le phasemètre qui lui fait suite, en X, traite les signaux pour actionner l'indi- cateur M (p du déphasage relatif entre les deux voies d'amplification. Ce dernier indique donc directement l'argument de l'impédance à mesurer.
Comme le générateur fournissant la tension de mesure a une sortie asymétrique, c'est-à-dire une sortie ayant un pôle à la masse, et qu'il est directement connecté au réseau des diviseurs de tension, sans l'intermédiaire d'un transformateur, aucun effet nuisible dû à des capacités parasites n'est à consi dérer dans le montage d'entrée. Les amplificateurs sont identiques entre eux et à réponse le plus linéaire possible. Les mesures sont donc précises pour autant qu'on puisse établir un rapport convenable entre la valeur de l'impédance à mesurer et l'élément qui lui est associé dans le diviseur de tension Zl-Z2.
Lorsqu'on dispose l'impédance à mesurer en Zig, la valeur de la résistance Zt doit 8tre au moins cent fois plus grande que la partie réelle de l'impédance.
Alors la relation (2) devient sensiblement :
V, =V,.Z,/Zj.(4)
Cette disposition convient pour mesurer des valeurs de Z relativement faibles.
Lorsqu'au contraire, on dispose l'impédance à mesurer en Z1, la valeur de la résistance Zg doit tre prise au moins cent fois plus petite que la partie réelle de l'impédance pour qu'on puisse écrire encore la relation (2) sous la forme de la relation (4).
Cette seconde disposition convient pour mesurer de grandes valeurs de Z.
Bien entendu, lorsqu'on change l'emplacement de l'impédance à mesurer, il est nécessaire de modifier en mme temps la valeur de l'autre élément du diviseur dont fait partie cette impédance et il faut aussi modifier le rapport du diviseur Ri-Rg si l'on veut pouvoir mesurer de plus grandes impédances.
Soit Q, le rapport de ce dernier diviseur lorsque l'im- pédance à mesurer Z est en Zig et soit R4 la valeur de la résistance étalon placée en Zi. On désigne donc par Z la valeur de l'impédance à mesurer. L'indicateur Mz affiche le rapport des tensions de sortie des amplificateurs. Les voies étant équilibrées, ce rapport est :
a = Z/ (R4 Q) (5) ou
Z = a. R4. Q. (5 bis)
Soit P, le rapport du diviseur Rl-Rs lorsqu'on place l'impédance à mesurer (Z) en Z1 et R3 la valeur de la résistance étalon placée alors en Zi.
Le rapport affiché sur M7 devient, si l'on croise les entrées des amplificateurs A1 et A2 :
a = P. Z/R. (6)
Pour pouvoir mesurer des valeurs de Z cent fois supérieures, par exemple, d'un cas sur l'autre, sur le mme emplacement de la mme échelle de lecture de il suffira d'établir le montage pour que 100z selon (5) soit égal à Z selon (6), c'est-à-dire, pour que :
100. Rl. Q.
P. = R ; (7) et, de façon plus générale, en désignant par n le rapport désiré des valeurs d'impédance à mesurer,
n. R. Q. P. = Rs. (8)
Le passage de l'impédance à mesurer d'une position à l'autre dans son diviseur de tension implique donc diverses commutations. Bien entendu, on devra prévoir un jeu de résistances Ru et un jeu de résistances R4, sélectionnables en fonction des valeurs estimées de Z en chacun des deux groupes de valeurs possibles de Z, relativement basses et relativement élevées les unes par rapport aux autres.
De plus, le phasemètre 0 peut tre, et doit de préférence, tre sensible au signe de la partie imaginaire de l'impédance à mesurer. L'inversion vers le haut de la position de l'impédance à mesurer dans son diviseur de tension produit, si elle est effectuée sans une autre commutation, une erreur de signe dans la mesure du déphasage. Pour éviter cet effet, il suffit d'une commutation entre les sorties des diviseurs de tension et les entrées des amplificateurs, et comme celle-ci a déjà été faite pour obtenir une lecture correcte de Mz (voir le texte se rapportant à la formule (6) ci-dessus) il n'est pas nécessaire d'en effectuer une autre pour la lecture de M cp qui sera directement juste.
L'impédancemètre dont le principe a été explique en regard de la fig. 1 est représenté de façon plus détaillée à la fig. 2 qui montre les moyens né- cessaires pour effectuer l'ensemble des commutations évoquées ci-dessus.
A partir d'une borne d'application de la tension de mesure Ve, il comporte une paire de diviseurs de tension à résistances, respectivement Rll-Rl2 et R21-R23, un premier jeu de résistances R3, manuellement sélectionnables pour leur mise en circuit, un second jeu de résistances R4, également sélectionnables en simultanéité, des résistances du jeu Ra, d'ailleurs, par manoeuvre du commutateur de sélection Cl, et un commutateur-combinateur C2 à quatre bancs de trois plots chacun, les bancs étant repérés c2i, c22, c23 et c24, les plots en chaque banc étant repérés a, b et c, en correspondance de banc à banc.
L'armature du banc c2, est reliée à la borne 1 d'entrée de la voie d'amplification Ai. L'armature du banc c24 est reliée à la borne 2 d'entrée de la voie d'amplification A2. Entre les armatures des bancs c22 et c23 est connectée chaque impédance à. mesurer Z.
Les plots a correspondent à une position qui sera définie plus loin. Ce qu'il convient de noter ici c'est qu'en cette position, les armatures des bancs c22 et c23 sont déconnectées et les armatures des bancs c2l et c24 sont reliées à des prises d'affaiblisseurs e, et e2 respectivement.
Le plot c du banc c21 est relié à la prise inter médiaire du diviseur de tension gll-Rl2, le plot b du banc Ce4 est relié au point intermédiaire du diviseur de tension R2i-R22. Les plots b des bancs c2l et c23 sont reliés ensemble à l'armature du contact de Ci relative aux résistances R3. Les plots c des bancs c23 et c24 sont reliés ensemble à l'armature du contact de Ci relative aux résistances R4.
Le commutateur Ci est un simple commutateur de gammes sur lequel il est inutile d'insister. On peut cependant noter qu'il contient une position, marquée E, qui sert à l'équilibrage des deux voies d'amplification. Le plot E du banc des résistances Rg est relié à la prise intermédiaire du diviseur R21- R22, et le plot E du banc des résistances R4 est relié à la prise intermédiaire du diviseur Rll-R12
Les résistances Ru et R21 sont avantageusement prévues ajustables. L'équilibrage des voies s'effectue par réglage du taux de contre-réaction des amplificateurs A1 et A2 de ces voies.
Ces amplificateurs sont identiques et incorporent chacun une contreréaction en courant d'un taux élevé pour que leur réponse (courant de sortie/tension d'entrée) soit le plus linéaire possible. Un montage adéquat est représenté en Ai, sur la fig. 4 pour l'un des amplificateurs. Dans cet exemple, il y a, d'une part, deux étages d'amplification dont le premier comprend une pentode et, d'autre part, un circuit de contreréaction de courant passant par un pont détecteur, constitué par des redresseurs au germanium par exemple. Sur l'autre diagonale du pont est branché l'enroulement correspondant de l'indicateur de module Mu de sorte que cet enroulement est traversé par le courant moyen de sortie de l'amplificateur, proportionnel à la tension d'entrée.
L'autre enroulement de Mz sera similairement branché dans la sortie de l'amplificateur A2 et Mz, du genre des lo gomëtres ou quotientmètres, a son indication proportionnelle au rapport des tensions d'entrée des amplificateurs. Par un montage tel que celui indiqué, chaque amplificateur, identique à l'autre, a une très bonne stabilité dans le temps.
Pour assurer la linéarité des signaux de sortie vis-à-vis des signaux d'entrée des amplificateurs, la tension d'entrée de chaque amplificateur devra demeurer dans des limites raisonnables pour que les courants de sortie appliqués sur les enroulements de M% ne soient pas trop élevés ou, au contraire, trop bas. Si ces courants étaient trop forts, ce qui indiquerait des tensions trop importantes à l'entrée des amplificateurs, les réponses pourraient devenir non linéaires. Si ces courants étaient trop faibles, la précision de l'indication en souffrirait.
Un galvanomètre
G (fig. 2) est inséré dans l'alimentation d'un des enroulements de Mz et permet de rendre visibles l'une et l'autre de ces conditions indésirables et, à la suite de sa lecture, l'opérateur pourra agir sur le niveau de la tension d'entrée pour rétablir des conditions satisfaisantes de fonctionnement de l'appareil de mesure.
Ceci étant dit, le commutateur Cl étant sur une position autre que l'équilibrage, alors, lorsque C2 est en position b et l'impédance Z en circuit, le schéma électrique de l'entrée de l'impédancemètre est tel que celui indiqué en (b) sur la fig. 3 : le diviseur de tension R21-R22 est relié à l'entrée de l'amplificateur
A2, borne 2, et le diviseur de tension Z-R3 est relié à la borne 1 d'entrée de l'amplificateur Aj. Lorsque le combinateur C2 est amené en position (c), le sché- ma devient celui indiqué en (c) sur la fig. 3 : le diviseur de tension Rll-R12 est relié à la borne 1 et le diviseur de tension R4-Z est relié à la borne 2.
En passant du schéma (b) au schéma (c), on assure en outre une interversion des voies d'amplification A, et A2. Cette interversion est assurée pour ne pas complémenter le déphasage mesuré en M (p, ce qui serait sans cela le cas en raison de la structure du phasemètre de l'appareil.
Ce phasemètre comprend, dans chaque voie d'amplification, un double écrter, El pour la voie A, et E2 pour la voie A2. Ce montage écrte, en un premier étage, les unes des alternances du signal sortant de l'amplificateur A1, un second étage écr- tant les autres des alternances de ce signal. Un exemple de circuit, classique en lui-mme, en est donné sur la fig. 4. Les signaux alternatifs tels qu'indiqués en (a) et (e) sur les graphiques de la fig. 5 sont ainsi convertis en signaux sensiblement rectangulaires mais insuffisamment toutefois pour leur exploitation finale.
Aussi, chaque sortie d'écrter attaque une bascule de Schmitt, B, pour la sortie de El, B2 pour la sortie de E. Ces bascules délivrent alors des formes d'onde convenables telles que celles représentées sur les graphiques (b) et (i) de la fig. 5.
Ces formes d'onde sont dérivées, graphiques (c) et (g) respectivement de la fig. 5, pour tre appliquées à la commande par entrées distinctes d'un basculeur bistable B (p, fig. 2 et 4, avec suppression en chaque entrée, par exemple par court-circuitage au moyen d'une diode comme indiqué, des impulsions de dérivation d'une polarité prédéterminée. La commande de E est donc en fait assurée par deux séries d'impulsions du genre de celles des graphiques (d) et (h) de la fig. 5. Le basculeur bistable délivre sur ses plaques des signaux tels que ceux indiqués sur les graphiques (i) et (j) de la fig. 5.
Ces signaux sont de formes d'onde rectangulaires et varient entre deux niveaux de tension constante, le niveau +Vl (faible) et +V2 (fort) par exemple. Ces variations sont tou tefois de sens contraire d'un signal à l'autre. Un indicateur tel qu'un voltmètre Mcp est branché entre les sorties plaque du basculeur bistable. Il est donc soumis à un courant alternatif de forme d'onde recangulaire dont les largeurs des alternances sont fonction des temps de récurrence des impulsions de commande, plus précisément de la phase relative des impulsions de l'un et l'autre de ces signaux de commande.
Par la conversion de signaux alternatifs en signaux d'impulsion modulés en position pour l'attaque du basculeur bistable et par l'action des signaux de plaque de ce basculeur bistable sur l'in- dicateur de mesure M (p, on assure l'affichage et la lecture directe du déphasage relatif des signaux d'entrée, puisque cet indicateur fournit une mesure de la composante continue du signal qui lui est ap pliqué et que, de façon évidente, cette composante continue (indiquée en V.. sur le graphique (k) de la fig. 5) mesure ledit déphasage.
On doit noter que si le déphasage est nul ou égal à 180 , la composante continue V, s'annule.
De plus, lorsque le déphasage change de signe, la composante continue change elle-mme de signe.
Le dispositif décrit permet donc d'indiquer le signe du déphasage, ce qui est important dans l'im- pédancemètre car ce signe indique le caractère capa citif ou selfique de l'impédance en étude. Mais, il faut pour cela que lorsque l'impédance change de place dans son diviseur de tension, que ce signe soit maintenu, d'où l'interversion des voies d'amplification assurée par le combinateur Ça.
En pratique toutefois, un tel phasemètre ne fonctionne pas au zéro ou au voisinage du zéro car les signaux des deux voies sont en concordance et le basculeur bistable est amené à un état instable.
Pour y remédier, il suffit alors d'opérer un déphasage de 1800 sur une voie seulement, par exemple au niveau de la bascule de Schmitt. C'est ce qui est indiqué par l'inverseur C3t. Cet inverseur permet à l'opérateur de prélever le signal de sortie de E" sur l'une ou l'autre des plaques et donc d'inverser à volonté la phase de ce prélèvement. On ramène donc la condition au voisinage de 180 et le phasemètre donne alors une lecture significative puisque le basculeur bistable revient à un état bien défini.
Il reste à considérer la position (a) du commutateur-combinateur C2, en laquelle l'impédance Z et les diviseurs de tension et jeux de résistances étalons et fixes sont déconnectés des bornes 1 et 2 des voies de mesure. Ces bornes 1 et 2 sont alors reliées à des prises d'atténuateurs à résistances, ex et e.,, att6nua- teurs à plots par exemple et, par exemple encore, capables d'tre ajustés chacun de 5db en Sdb. D s'agit là d'une commodité additionnelle, mise à la disposition de l'usager, pour lui permettre d'exploiter aussi l'appareil décrit en phasemètre ou encore en dispositif d'étude de la réponse de quadripôles.
En de tels cas, les signaux dont on désire mesurer le déphasage sont appliqués aux bornes des atténuateurs et les quadripôles ont leur entrée reliée à une de ces bornes et leur sortie à l'autre. Pour l'étude des réponses, une échelle en décibels (db) peut tre prévue sur le cadre de M (p. Cette mme position additionnelle pourra permettre à l'utilisateur d'exploiter l'appareil pour effectuer des mesures comparatives d'affaiblissement de circuits de transmission, par exemple en fonction de la fréquence, les sorties de ces circuits étant branchées aux bornes des atté- nuateurs.