FR2458816A1 - Procede et installation de conversion analogique/numerique - Google Patents

Abstract

A.PROCEDE ET INSTALLATION DE CONVERSION ANALOGIQUENUMERIQUE. B.PROCEDE DE CONVERSION CARACTERISE PAR LE COMPTAGE D'IMPULSIONS N ASSOCIEES A LA RESISTANCE DE MESURE R QUE L'ON CORRIGE A L'AIDE DE COMPTAGE DES IMPULSIONS N ET N ASSOCIEES A DEUX RESISTANCES DE REFERENCE R, R SUIVANT UNE FORMULE DE CORRECTION. C.L'INVENTION S'APPLIQUE A LA CONVERSION ANALOGIQUENUMERIQUE.

Description

l 2458816 La présente invention concerne un procédé et une

installation pour la conversion analogique/ numérique de gran-

deurs de mesure, fournies sous la forme de signaux électriques sur des résistances de mesure et qui sont représentées par de telles grandeurs. L'invention s'applique en particulier à des

bascules monostables et/ou astables, pour assurer cette conver-

sion analogique/numérique.

Les bascules monostables et astables sont des compo-

sants électroniques de temporisation, qui peuvent gtre réalisés soit sous la forme de circuits intégrés, soit à partir de

composants distincts ou discrets. Dans les deux cas, le dérou-

lement chronologique des opérations de basculement est toujours déterminé par un élément RC (résistance-condensateur). Dans cet

élément RC, il y a une proportionnalité par rapport à la résis-

tance, ce qui permet de convertir une.grandeur de mesure qui se présente sous la forme d'une grandeur analogique constituée par la valeur d'une résistance, en une grandeur numérique, par

le comptage des impulsions de cadence en commandant le bascule-

ment d'une bascule monostable ou astable.

Lorsqu'on utilise une bascule monostable, cette bascule est déclenchée par une impulsion de déclenchement ou un flanc d'impulsion fourni de façon extérieure, par exemple par un microprocesseur, pour passer à l'état quasistable, qui correspond à l'intervalle de temps Tv défini par l'élément RC associé à la bascule, puis la bascule revient de nouveau à son état stable. Entre, d'une part la durée Tv et d'autre part la capacité C et la résistance R de l'élément RC, on a la relation suivante TV = R. C * Qn q1 (1) Dans cette relation q1 est une constante tenant compte du seuil de déclenchement de la bascule. Si dans ces conditions, pendant la durée Tv, un générateur de cadence qui peut lui aussi faire

partie du microprocesseur qui fournit l'impulsion de déclenche-

ment ou le flanc de déclenchement à la bascule, donne des impul-

sions de cadence qui sont comptées dans un compteur et enregis-

trées dans une mémoire; ces deux éléments sont de préférence également intégrés au microprocesseur; ainsi pour le nombre N d'impulsions comptées, dont la durée Tt découle de la relation Tt = k/fl, relation qui relie la fréquence fl de la cadence et un coefficient fixe k, on obtient la relation suivante: T f * R *C* n q1(2 N. = v k (2) 1 tk relation dans laquelle on peut utiliser la durée Tv ou la

grandeur R qui lui est proportionnelle. Il y a ainsi une rela-

tion de proportionnalité entre le nombre N1 des impulsions de cadence et la valeur de la résistance R, si bien que le nombre N constitue une représentation numérique de R. Dans le cas d'une bascule astable, il existe entre la fréquence f2 des impulsions de cadence qui apparaissent à sa sortie et un élément RC qui est associé à la bascule, la relation suivante par rapport à la résistance R et la capacité C f2 1(3) R. C -n q2 Dans cette relation, q2 est une constante qui tient compte du eeuil de déclenchement de la bascule. Lorsqu'on prédétermine une durée de porte T à l'aide d'une porte en aval ou d'un microprocesseur, durée pendant laquelle les impulsions fournies par la bascule astable sont comptées dans un compteur, on a la relation suivante entre le nombre N des impulsions ainsi

comptées et la fréquence f2 des impulsions ou encore la résis-

tance R qui lui est inversement proportionnelle à savoir T 22, = Tg. f2 R. C.n q2 (4) Cette formule permet d'obtenir une grandeur numérique pour la

valeur de la résistance R à partir du nombre d'impulsions comp-

tées N2.

Dans les deux solutions décrites ci-dessus pour la conversion analogique/numérique, la conversion utilise une série de facteurs qui peuvent varier notamment en fonction de la

température et du vieillissement des composants, et qui influen-

cent la précision de la conversion. C'est ainsi que la capacité du condensateur de l'élément RC, les seuils de déclenchement des bascules ainsi que les diverses fréquences de cadence, sont soumis à des phénomènes de dérive et ces fausses valeurs se

retrouvent dans le résultat de la conversion analogique/numéri-

que. A cela s'ajoute le cas échéant, et en particulier pour la détection de grandeurs de mesure qui se trouvent sur plus d'une résistance de mesure, d'autres grandeurs parasites ayant leur origine dans d'autres parties du circuit de mesure comme par exemple les inverseurs entre les diverses résistances de mesure. La présente invention a pour but de créer un moyen permettant de faire une conversion analogique/numérique selon les équations (2) ou (4) ci-dessus, en améliorant la précision de cette conversion et en supprimant notamment l'influence

d'une série de sources d'erreurs, propres au circuit.

A cet effet, l'invention concerne un procédé de conversion analogique/numérique caractérisé en ce qu'en plus du nombre d'impulsions de cadence Ni de la résistance de mesure i Ri associée, on compte un nombre d impulsions de cadence NR et un nombre d'impulsions de cadence NmR pour deux résistances de référence R1, R2, fixes, de valeurs RR et m À RR, connues (m étant supérieur à 1 (m>l)); en ce que pour chaque résistance de mesure Ri en utilisant une bascule monostable, on corrige suivant la relation: (m-l)-N. +N -m NR R. = Ri NmR N R

et en utilisant une bascule astable, on corrige selon la rela-

tion: i. R - NmR NR Ri = (m-l) - RR Ni RmR m N-N L'invention permet par l'addition de deux résistances de référence, fixes, qui n'augmentent que très peu des groupes de composants numériques simples, tels que des bascules monostables ou astables, de créer un convertisseur analogique/numérique, ayant une très grande précision de conversion. Des convertisseurs analogiques/numériques fonctionnant selon l'invention, présentent un pouvoir de résolution de 12 à 13 bits et plus. Le nombre de composants nécessaires pour la mise en eouvre de l'invention est

notablement inférieur à celui des procédés de conversion analo-

giques/numériques connus, procédant par exemple par approxima-

tion successives, ou suivant le procédé à double pente ou encore le procédé à une seule rampe ou encore le procédé d'équilibrage de charge. De plus, les composants utilisés sont peu coûteux car les exigences relatives au respect des tolérances et au coefficient de température acceptable sont plus grandes. A la place de tensions de référence que l'on ne peut obtenir que difficilement, il suffit d'avoir deux résistances de référence peu coûteuses. En outre, la réalisation du circuit simplifie les liaisons vers les circuits extérieurs à commander comme

par exemple les microprocesseurs.

Le coefficient m peut 9tre de préférence un nombre supérieur à 1 pour arriver à un programme de calcul aussi simple que possible; toutefois en principe, il est possible

d'utiliser un nombre non entier.

Dans la réalisation pratique de l'invention, au cours d'un cycle de mesure ou de conversion, à l'aide d'un multiplexeur analogique, on branche la ou les résistances de mesure, et en outre deux résistances de référence, fixes, séparément et successivement sur l'élément RC, déterminant le temps d'une bascule monostable ou d'une bascule astable, et les impulsions de cadence, comptées, que l'on ontient pour les résistances de référence, permettent-alors d'effectuer un

calcul de correction sur les résultats de comptage correspon-

dant aux diverses résistances de mesure, pour exclure l'influence

des erreurs liées au circuit, dans le processus de conversion.

La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés, dans lesquels: - la figure i est un schéma-bloc d'un convertisseur

analogique/numérique comportant une bascule monostable.

- la figure 2 est un schéma-bloc d'un convertisseur

analogique/numérique comportant une bascule astable.

- la figure 3 représente le schéma d'un mode de

réalisation préférentiel d'une bascule monostable.

Le convertisseur analogique/numérique représenté à la figure 1, comprend une bascule monostable K comportant un groupe constructif B contenant ses composants actifs, et dont l'élément RC qui détermine le temps comporte un condensateur C, ce convertisseur pouvant 8tre branché alternativement par l'intermédiaire d'un multiplexeur M, qui est de préférence un multiplexeur analogique réalisé à l'aide de semi-conducteurs, une résistance de mesure Ri (le cas échéant également plusieurs

autres résistances de mesure Ri, successives) et les deux résis-

tances de référence R1, R2 pour un branchement en série. La résistance de référence R1 à pour valeur RR et la résistance de référence R2 la valeur m-RR (m >l). La ou les résistances de mesure Ri représentent chacune une grandeur de mesure analogique,

qu'il faut transformer en une grandeur numérique.

Un étage de commande S est relié à l'entrée de la bascule K; cet étage S fournit une impulsion de commande à la

bascule K qui passe alors de son état stable à son état instable.

A la sortie de la bascule K, il est prévu un compteur Z qui est en outre relié à un générateur de signaux de cadence T pour compter les impulsions de cadence fournies par ce générateur T,

aussi longtemps que la bascule K se trouve dans son état quasi-

stable ou instable. De plus, le compteur Z est relié à un cal-

culateur numérique R servant à faire un calcul de correction suivant une formule donnée ultérieurement. En pratique, l'étage

de commande S, le générateur de signaux de cadence T, le comp-

teur Z et le circuit de calcul R peuvent faire partie d'un microprocesseur comme cela est suggéré à la figure 1 par le

regroupement de ces diverses parties en un seul bloc.

Le fonctionnement du convertisseur analogique/numé-

rique de la figure 1 se déroule suivant un cycle de mesure selon lequel successivement la ou les diverses résistances de mesure Ri et les deux résistances de référence fixes, R1 et R2

sont branchées par le multiplexeur M sur l'élément RC détermi-

nant le temps de la bascule K. Pour chacune des résistances, la bascule K est déclenchée par une impulsion de déclenchement fournie par l'étage de commande S et quitte son état stable pour passer à son état quasistable, et pour revenir de nouveau

à l'état stable après une durée Tv donnée par l'équation (1).

Pendant cette durée Tv, le compteur Z reçoit les impulsions de cadence du générateur de signaux de cadence T; le compteur Z

compte ainsi les impulsions correspondant aux diverses résis-

tances de mesure Ri, pour la première résistance de référence R1 et la seconde résistance de référence R2 c'est-à-dire les

nombres d'impulsions de cadence Ni, NpR N. Ces nombres d'im-

pulsions de cadence Ni, N R et NMR sont fournis par le compteur Z au circuit de calcul R qui utilisant ces grandeurs ainsi que les grandeurs m et RR, fixes en mémoire, fait un calcul de correction, numériquerpour la ou chaque résistance de mesure R.

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suivant la formule (m-l).Nl+NmR Rm.NR ( i NR -NR Cette formule donne ainsi la valeur précise numérique de la

résistance de mesure R. correspondante.

Le convertisseur analogique/numérique représenté à

la figure 2 est réalisé à partir d'une bascule astable K' com-

portant à son tour un groupe B à composants actifs ainsi qu'un condensateur C dans son élément RC qui détermine le temps; à ce composant RC un multiplexeur M associe respectivement en série, chaque fois une résistance de mesure R. du groupe de i plusieurs résistances de mesure Ri ou encore l'une des deux résistances de référence, fixes, Ri, R2. La ou les résistances de mesure R. représentent la ou les grandeurs de mesure sous forme analogique alors que les résistances de référence Ri et

R2 ont pour valeurs respectivement RR et m-RR (m > l).

Une porte TS est reliée à la sortie de la bascule K' (figure 2); l'ouverture et la fermeture de la porte TS sont commandées par un étage de commande S' et lorsqu'elle est ouverte, la porte laisse passer lès impulsions de cadence venant de la bascule K' vers le compteur Z. Le compteur Z est associé en outre à un calculateur numérique R' qui, partant des impulsions de cadence comptées par le compteur Z pour les diverses résistances, à partir de la bascule K', effectue un

calcul de correction suivant la formule donnée ultérieurement.

Dans la réalisation pratique, la porte TS, l'étage de commande SI, le compteur Z et le calculateur R' peuvent êtrè réunis dans un microprocesseur comme cela est suggéré par le regroupement

de ces divers éléments dans un seul bloc à la figure 2.

Le fonctionnement du convertisseur analogique/ numérique de la figure 2 se fait suivant un cycle de mesure dans lequel successivement la ou les diverses résistances de mesure Ri ainsi que les deux résistances de référence Ri et R. sont branchées par le multiplexeur M, séparément sur l'élément-RC

déterminant le temps de la bascule K'. Pour chacune des résis-

tances de mesure, l'étage de commande S' fixe une durée de porte Tg, prédéterminée, toujours identique sur la porte TS; cette

porte TS reste ouverte pendant cette durée et ainsi les impul-

sions de cadence de la bascule K' peuvent arriver au compteur Z. Le compteur Z comprte de cette façon et suivant la relation (4) donnée cidessus, un nombre d'impulsions de cadence N1 associées à l'une ou à chacune des résistances de mesure R ainsi que les

nombres d'impulsions de cadence N R et NmR pour les deux résis-

tances de référence R1 et R2. Suivant les nombres d'impulsions de cadence Ni, NR et NmR, le calculateur R' détermine alors

pour chacune des résistances de mesure Ri, en utilisant égale-

ment les grandeurs enregistrées de façon fixe en mémoire pour m et RR, un calcul de correction suivant la formule: N NmN -N R (m-l) R N N-NmR * NR R (6) R Ni NR-N R m N R Nm

on aboutit ainsi aux valeurs précises pour les diverses résis-

tances de mesure Ri.

A la fois le convertisseur analogique/numérique de la-figure 1 et celui de la figure 2 fournissent ainsi la valeur numérique précise associée aux diverses résistances de mesure,

valeur précise qui n'est entachée d'aucune influence des gran-

deurs parasites mentionnées précédemment.

De façon préférentielle, on peut prévoir une porte NAND (encore appelée "NON-ET") ou une porte NOR (encore appelée "NON-OU") avec une entrée de déclencheur de Schmitt pour la bascule monostable, et de réaliser le générateur de signaux de cadence comme bascule astable, qui en combinaison avec la porte NAND ou la porte NOR, forme la bascule monostable. La figure 3 montre un exemple de réalisation d'un tel montage; à la figure 3, on a utilisé les mêmes références qu'à la figure 1 pour

désigner les éléments identiques ou correspondants.

Le montage de la figure 3 comporte une bascule monostable K, commandée, reliée à une source de tension continue

par l'intermédiaire d'un interrupteur 16 qui de façon préfé-

rentielle (non représenté) peut être un commutateur électroni-

que; la bascule K comporte une capacité C en série sur le commutateur 16 qui est relié à une entrée d'une porte NAND (NON-ET) 17 reliée à l'entrée de déclenchement de Schmitt. La résistance de mesure R1 (le cas échéant d'autres résistances de mesure R. non représentées) et les résistances de référence R1, R2 peuvent être branchées séparément par l'intermédiaire du commutateur du multiplexeur M, à la ligne 18 reliant la capacité C à l'entrée concernée de la porte NAND 17; on forme

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ainsi un élément RC déterminant le temps, qui-se compose de la capacité C et de celle des résistances Ri, R1 ou R2, choisies,

de façon à déterminer la durée d'ouverture de la porte 17.

Une bascule astable servant de générateur de signaux de cadence est intégrée à la bascule monostable K; cette bas- cule astable utilise la même porte NAND, 17 et comporte une capacité fixe C qui est reliée à l'autre entrée de la porte NAND 17. En outre, il est prévu une résistance constante Rs qui est également reliée à cette autre entrée de la porte 17

ainsi qu'à la sortie de la porte 17.

L'élément RC formé de la capacité C et de la résis-

tance R présente une constante de temps qui est notablement s inférieure à la constante de temps de l'élément RC respectif de la bascule monostable. La sortie de la porte 17 est reliée à l'entrée d'un compteur Z qui correspond au compteur Z de la

figure 1.

Ce montage est commandé de façon automatique, de préférence par un microprocesseur, de la façon suivante: on branche tout d'abord la résistance Ri à la ligne de liaison 18 à l'aide du multiplexeur M. Puis ou simultanément à cela, le commuteur 16 qui est dans l'état représenté en trait plein, commute dans l'état représenté en pointillé; dans cet état le

commuteur 16 relie le condensateur C à la source de tension 15.

La porte 17 bascule ainsi immédiatement en position d'ouverture, si bien que la bascule astable formée par cette porte et le condensateur Cs et la résistance R, commence à osciller suivant une fréquence constante déterminée par l'élément de temps Cs, Rs; pour cela, la porte ouverte 17 constitue un élément actif pour ce circuit oscillant qui en principe forme une bascule astable. Ce circuit oscillant forme un amplificateur inversé, couplé.

La porte 17 présente pour ce comportement oscilla-

toire un coefficient d'amplification non linéaire, très impor-

tant et comme cela a déjà été décrit, cette oscillation commence en mame temps que s'ouvre la porte 17, pour donner naissance à des impulsions de signaux de cadence à fréquence constante; ces impulsions sont comptées dans le compteur Z. La constante de temps de ce générateur de signaux de cadence est réglée en

fonction des constantes de temps possibles de la bascule mono-

stable de sorte qu'aussi longtemps que la porte est chaque fois

ouverte, il y a toujours un nombre relativement important d'im-

pulsions de signaux de cadence, qui sont comptées dans le comp-

teur; on a au moins suffisamment d'impulsions pour arriver à

la résolution souhaitée de la conversion analogique/numérique.

De préférence, ces rapports peuvent être choisis de façon à

compter au moins quelques milliers d'impulsions dans le compteur.

La porte 17 reste ouverte jusqu'à ce que le condensateur C se soit chargé par la résistance Ri, importante, pour déplacer le seuil de déclenchement de la porte 17 et fermer de nouveau celle-ci; la bascule astable s'arrgte alors d'osciller et ne fournit plus d'impulsions de cadence. L'état de comptage qui en résulte est fourni à la mémoire d'un calculateur R (figure 1),

puis le compteur Z est remis à zéro pour le comptage suivant.

Puis le commutateur 16 bascule en arrière dans la position

représentée en trait plein et décharge de nouveau le condensa-

teur C. Le multiplexeur M coupe le branchement de la résistance Ri et raccorde la résistance R1 sur la ligne 18 en fermant son commutateur, puis le comptage se fait pour cette nouvelle résistance, A la suite de cela, on effectue le comptage pour la résistance R2 et en partant de ces trois états de comptage qui sont mis en mémoire séparément, le circuit effectue le

calcul de correction pour la résistance Ri selon l'équation (5).

Il est également possible d'utiliser dans ce montage une porte NOR à la place d'une porte NAND. Dans ce cas, le contact 21 du commutateur est à la masse et l'autre contact 22 est relié à la-source de tension 15. En outre, les résistances Ri, R1, R2 se branchent sur la source de tension 15 et non sur

la masse. Pour le reste le circuit est inchangé.

On peut également envisager de modifier le schéma' représenté à la figure 3 de façon que la ou les résistances de mesure Ri ainsi que les résistances de référence R1, R2 soient parallèles entre elles en étant branchées à la plaçe de la résistance R, entre l'entrée et la sortie de la porte 17, par l'intermédiaire d'un multiplexeur et pour que l'élément RC qui détermine la durée T de la porte 17 soit constant, pour que la durée T soit toujours identique et que pendant cette durée, le compteur Z puisse compter un nombre d'impulsions de cadence dépendant de la valeur de celle des résistances Ri, R1, R2 qui est branchée, en provenance de la bascule astable et que le circuit calcule la valeur corrigée de la résistance R. suivant

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l'équation (10).

Dans les exemples de réalisation selon les figures 1 et 2, on peut effectuer toutes les opérations nécessaires aux mesures et au calcul de correction, jusqu'à l'affichage ou autres fournitures de la valeur corrigée de la résistance de mesure Ri, pour que ces opérations se fassent automatiquement,

de préférence sous la commande d'un microprocesseur.

R E V E N D I CA T I 0 N S

1 ) Procédé de conversion analogique/numérique des grandeurs de mesure fournies par une résistance de mesure, par le comptage d'un nombre d'impulsions de cadence déterminé par le basculement d'une bascule monostable ou astable, par l'inter- médiaire d'un élément (RC), déterminant le temps, et dans lequel est branchée cette résistance de mesure, ce comptage constituant une mesure numérique de la grandeur de mesure correspondante, procédé caractérisé en ce qu'en plus du nombre d'impulsions de cadence(Ni) de la résistance de mesure (Ri), on compte un nombre d'impulsions de cadence(NR) et un nombre d'impulsions de

cadence (NmR) pour deux résistances de référence (R1, R2), -

fixes, de valeurs (RR et m * RR), connus (m étant supérieur à 1 (m>l)), en ce que pour chaque résistance de mesure (Ri) en utilisant une bascule monostable, on corrige suivant la relation: (m-l)-N. + N - m-N R.= N nR.R = NmR R R et en utilisant une bascule astable, on corrige selon la relation: R. = (m-1) R [ NR NmR 1 m'-NmR NR i RR&W N -Nr m NR-N Ri = (ml). RR fR1NR 'mNR 2 ) Montage pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 à l'aide d'une bascule monostable, d'un étage de commande pour faire passer la bascule à son état instable, d'un générateur de signaux de cadence et un compteur pour compter les impulsions de cadence qui arrivent pendant l'état instable de la bascule, installation caractérisée par une première et une seconde résistances fixes (R1, R2) de valeurs (RR et m-RR

(m>l)), ces résistances étant branchées sélectivement par l'in-

termédiaire d'un multiplexeur (M) à la place de la résistance de mesure (Ri) dans un élément (RC) déterminant le temps de mise en oeuvre de la bascule (K), et par un circuit de calcul (R} pour effectuer le calcul de correction: =5(m-l).Ni+NmR _m.NR R i R= R. RR RN m R NR R à l'aide du nombre des impulsions de comptage (Ni) associées à la résistance de mesure (Ri), du nombre (NR) associé à la premire rsistance fixe (R), et du ombre (NmR) associ la première résistance fixe (R 1) et du nombre (N MR) associé à la

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seconde résistance fixe (R2).

3 ) Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 à l'aide d'une bascule astable à laquelle est associée une porte, un étage de commande pour ouvrir et fermer la porte ainsi qu'un compteur pour compter les impulsions de cadence venant de la bascule et traversant la porte, installation caractérisée par une première et une seconde résistances fixes (R1, R2) de valeurs (RR) et (m-RR (m> 1)),

résistances qui peuvent tre branchées sélectivement par l'in-

termédiaire d'une multiplexeur (M) à la place d'une résistance de mesure (Ri) sur l'élément (RC) déterminant le temps de fonctionnement de la bascule (K'), ainsi qu'un circuit de calcul (R') pour effectuer le calcul de la correction: 1lNNR 'M-N N mN -NR Ri = (m-) RR N R -.R -NR i 'RI..Nm NR NR NmR à l'aide du nombre des impulsions de cadence (Ni) de chacune des résistances de mesure (Ri), du nombre (NR) de la première

résistances fixe (R1) et du nombre (NmR) pour la seconde résis-

tance fixe (R2).

4 ) Installation selon la revendication 2, caracté-

risée en ce que la bascule monostable (K) est une porte NAND ou une porte NOR (17) avec une entrée de déclenchement de Schmitt, une entrée de la porte étant ou pouvant être reliée à l'élément (RC), déterminant le temps de la bascule monostable et en ce que le générateur de signaux de cadence est une bascule astable (17, Cs, Rs) avec un élément (RC), particulier (Cs, Rs) qui détermine la fréquence du signal de cadence, cet élément

branché à la fois à l'autre entrée et à la sortie de cette -

porte (17).

56) Installation selon la revendication 3, caracté-

risée en ce que la bascule astable comporte une porte NAND ou NOR avec une entrée de déclenchement de Schmitt, l'élément (RC) qui détermine le temps de fonctionnement de cette bascule pouvant être branché ou est branché à cette entrée et à la sortie, et en ce que la durée de fonctionnement de cette porte est déterminée par un autre élément (RC) qui est relié à l'autre

entrée de cette porte.