Brevet FR2046896A1 — publié le 19710312

La présente invention a pour objet un nouveau convertisseur numérique-analogique utilisant une technique de modulation en durée d'impulsions, et dans lequel le signal analogique désiré est obtenu par des impulsions d'intégration de,courte 5 durée et de fréquence de répétition relativement élevée au lieu d'impulsions longues de fréquence de répétition plus basses. Ceci réduit matériellement la composante ondulée ou variable des impulsions filtrées et réduit également les exigences en ce qui concerne le filtre passe-bras connecté à la sortie du convertis-10 seur. La conversion d'informations nui® riques codées en binaire en signaux analogiques quantifiés a une grande importance dans la commande de processus, dans la télémétrie, et dans beaucoup d'autres domaines0 Dans un système de laminoirs commandé 15 par un calculataur par exemple, le signal de sortie du calcula-teur a la forme d'un signal numérique/et celui-ci doit être converti en un signal analogique de façon à pouvoir être utilisé dans les circuits de commande du moteur du laminoir. Un tel convertisseur numérique-analogique est bien 20 connu dans la technique. La conversion la plus évidente utilise un réseau d'addition de courants ou un réseau de résistances en échelle, sélectionnée^ par des commutateurs analogiques. Ces commutateurs à leur tour sont commandés par les basculeurs d'un registre binaire. Ce registre enregistre 1'information numérique 25 et le niveau analogique correspondant peut être maintenu pour une durée quelconque désirée. Le plus important avantage de ce système est la réponse rapide et un signal de sortie analogique sans ondulation. Cependant, la précision du système dépend des tolérances des résistances utilisées dans le réseau d'addition de 30 courant ou dans le réseau de résistances en échelle et ceci limite sérieusement l'utilisation d'un tel dispositif. Un dispositif de conversion numérique-analogique de grande précision peut être! obtenu en utilisant des techniques de modulation en durées d'impulsions. Dans cette technique, la 35 précision de la conversion est déterminée par la précision des mesures de temps au lieu d'être déterminée par des tolérances sur les éléments. Dans un type classique de système de modulation 70 22481 2 2046896 en durée d'impulsions, le contenu d'un registre binaire est comparé au contenu d'un compteur binaire. Quand le compte du compteur ou le nombre enregistré dans ce compteur est égal à celui du registre, un circuit bi-stable, par exemple à basculeur, change 5 d'état, ce qui engendre une iirçoulsion de sortie dont la largeur varie direccement proportionnellement à l'amplitude de la quantité numérique qui doit être convertie sous, forme analogique. Pour convertir le signal de sortie pulsatoire du compteur en un signal analogique, les impulsions doivent traverser un filtre passe-bras 10 qui produit la régulation nécessaire du signal de sortie. Gomme on le comprendra, l'arrivée des impulsions longues séparées par de longs espaces de temps dans un tel signal de sortie demande l'utilisation d'un filtre de sortie ayant une longue constante de temps de façon à diminuer la composante parasite d'ondulation du 15 signal analogique final et l'amener â un niveau acceptable. La présente invention a donc pour objet un convertisseur numérique-analogique nouveau et perfectionné utilisant des techniques de modulation en durée d'impulsions capable d'avoir la même précision élevée que les dispositifs de modulation en durée 20 d'impulsion connus, mais ayant en même temps des exigences considérablement réduites en ce qui concerne le filtre de sortie du dispositif. Plus précisément un but de l'invention consiste à mettre en. oeuvre un convertisseur numérique-analogique du type décrit 25 ÇLui découpe effectivement les impulsions relativement longues des convertisseurs de modulation en durée d'impulsions classiques9 en impulsions plus courtes à fréquence de répétition élevée, ce qui réduit la composante ondulée ou variable du signal de sortie du convertisseur. 30 Suivant un mode de réalisation caractéristique de l'in vention, un convertisseur numérique-analogique est mis en oeuvre qui comprend un registre ayant une série de conducteurs de sortie transmettant des signaux d'actionnement et de blocage^ c'est-à-dire des signaux "1" et "O", représentant les chiffres binaires 35 d'un nombre binaire. Une source d'impulsions est appliquée .à un compteur binaire, ce compteur comprenant une série de circuits bi-stables connectés en cascade, chaque circuit bi-stable ayant 70 22481 3 2046896 une première borne de sortie connectée à l'entrée du circuit bi-stable suivant du compteur. Suivant un fonctionnement connu d'un circuit bi-stable, un tel circuit comporte deux bornes de sortie, les signaux apparaissant sur les deuxièmes bornes étant 5 les compléments de ceux apparaissant sur la première borne, Le nombre de circuits bi-stables du compteur est égal au nombre de conducteurs de sortie du registre. Un premier ensemble de circuits logiques,\ qui peut comprendre des circuits ET, sont connectés à des bornes de sortie sélectionnées desdits circuits bi-stables du 10 compteur tandis qu'un deuxième ensemble de circuits logiques, qui peut comprendre également des circuits ET, sont connectés aux bornes de sortie du registre ainsi qu'à la sortie du premier ensemble de circuits logiques et au moins à une des bornes de sortie des circuits bi-stables du compteur. Les signaux de sorties du 15 deuxième ensemble de circuits logiques sont alors combinées et filtrées ou intégrées de façon à produire un signâL analogique. Comme on le voit, cet arrangement est tel qu'une série d'impulsions de sortie sont engendrées pour chaque nombre binaire quelconque enregistré dans le registre, le temps total combiné de 20 ces impulsions étant directement proportionnel à l'amplitude du nombre représenté par le signal de sortie binaire. Du fait que pour la plupart des vkleurs binaires, une série d'impulsions sont engendrées et non pas une impulsion unique, les exigences du filtrage du signal de sortie du convertisseur sont réduites subtan-25 tiellement ainsi que la composante d'ondulation ou parasite variable du signal analog>ique final. Ces buts et caractéristiques de l'invention, ainsi que d'autres, seront mieux compris en se référant à la description détaillée qui va suivre et aux dessins annexés, sur lesquels : 30 - la figure 1 représente un schéma sous forme de blocs d'un mode de réalisation de. l'invention j - la figure B représente des signaux illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 représente le signal de sortie du circuit 35 de la figure 1 pour divers signaux d'entrée binaire. «• la figure if représente la courbe du nombre d'impulsions en fonction du signal de sortie d'ondulation pour le circuit de la 70 22481 2046896 figure j - la figure 5 représente un schéma partiel d'une modification du circuit de la figure 1 ; et - la figure 6 représente des signaux illustrant le fonc-5 tionnement des circuits de la figure 5. Sur les figures et en particulier sur la figure 1, le système représenté comprend un registre binaire 10 qui peut par exemple être constitué par des basculeurs FF1, FF2, FFlj. et FF8. Les basculeurs FF1 à PPÔ sont munis de deux bornes de sortie Q 10 et Q. A tous moments, le signal apparaissant sur la borne Q par exemple est le complément de celui apparaissant sur la borne Q. Le basculeur FF1 enregistre le chiffre binaire le moins significatif 2^, le basculeur FF2 enregistre le chiffre binaire suivant 1 2 2 , le basculeur FFij. enregistre le chiffre binaire suivant 2 et 15 1© basculeur FF8 le chiffre binaire suivant 2^. Les sorties Q des basculeurs FF1 à PP8 sont chacune reliées à une entrée des circuits ET associés A1, A2, Aij., A8. Un commutateur 12 est également compris dans le circuit de la figure 1 et il est constitué par un compteur comprenant des 20 basculeurs FF1J FF21, EFii.' et FF8' connectés en cascade. Comme les basculeurs du registre 10, chaque basculeur FF11 à PP8' est muni de bornes Q et Q. Les bornes Q des bascule urs du commutateur 12 sont connectées aux entrées des basculeurs suivants comme représenté. L'entrée du premier basculeur FF11 est la sortie d'un géné-25 rateur d'induisions ou générateur de synchronisation 1if. La borne Q du basculeur FF11 est connectée à l'autre entrée du circuit ET A8. La borne Q du basculeur FF1' et la borne Q du basculeur FF2' sont reliées à l'entrée du circuit ET16, la sortie de ce circuit Estant reliée à l'une des deux entrées du 30 circuit ET Aif. De même, la borne Q du basculeur FF2* et la borne Q du basculeur PPij.' sont connectées aux entrées du circuit ET 18 ainsi qu'à la borne Q du basculeur FF1'. La sortie du circuit ET 18 à son tour est connectée à l'une des deux entrées du circuit ET A2. Finalement, la borne Q du basculeur FF8* ainsi que les 35 bornes Q, des basculeurs FF11, FF2* et PPif.1 sont connectées aux entrées du circuit ET 20, la sortie de ce derhier circuit étant connectée à l'entrée du circuit ET A1. Les sorties de tous les 70 22481 s 2046896 circuits ET A1, A2, ALf. et A8 sont connectées à l'entrée d'un circuit OU 22 dont la sortie est connectée à l'entrée d'un filtre 2lj. du type RC. Le fonctionnement du circuit de la figure 1 sera mieux 5 compris en se référant à la figure 2 sur laquelle le signal A représente les impulsions de synchronisation engendrées par le générateur 11}.. Dans l'exemple donné sur la figure 2, il y a 16 impulsions de synchronisation représentées par le signal A. Ces impulsions, quand elles sont appliquées au basculeur FF1', engen-10 drent sur la borne Q le signi. B comprenant une série d'impulsions dont la fréquence est la moitié de celle des impulsions d'entrée provenant du générateur II4.. Le signal de sortie du basculeur FF21 apparaît sous la forme du signal C comprenant des impulsions ayant deux fois la largeur des impulsions du signal B, mais ayant une 15 fréquence moitié. Les impulsions de sortie apparaissant sur la borne Q du basculeur FFij.' ont la forme du signal D et celles appliquées à la borne de sortie Q du basculeur FF8* ont la forme du signal E. Le signal F de la figure 2 représente le signal appliqué 20 à l'entrée inférieure du circuit ETA8 et il est le même que le signal B. En supposant que le signal sur la borne Q, du basculeur FF8 du registre 10 soit un signal actif ou signal "1", le signal de sortie du circuit ET A8 comporte 8 impulsions pour chaque 16 impulsions de synchronisation dû signal A* Le circuit ET 16 25 engendre un signal de sortie "1" quand le signal de sortie du basculeur FF11 est négatif ou égal à "0" tandis que le signal de sortie du basculeur FF2' est positif ou égal à "1". De l'examen des signaux B et C, on voit que ceci se produit aux instants T1 T3» T5 et T7. En conséquence, le sigjial G représente le signal de 30 sortie du circuit ET 16. On peut voir que, quand le signal de sortie du basculeur FFij. du registre 10 est égal à "1", quatre impulsions sont engendrées à la sortie du circuit ET Alf, comme représenté par le signal G-, pour chaque série de 16 impulsions de synchronisation d'entrée. 35 Le circuit' ET 18 engendre un signal de sortie quand les signaux de sortie des basculeurs FF1' et FF21 sont égaux à "0" tandis que le signal de sortie du basculeur FFij.' est égal à "1". 70 22481 6 2046896 De nouveau, en examinant les signaux B, C et D, on peut voir que ceci se produit aux instants T2 et T6. En conséquence, et en supposant que le signal de sortie du basculeur FF2 du registre 10 soit égal à "1", cela signifie que le signal binaire enregis-5 tré dans le registre est le chiffre binaire 2 , et que deux impulsions sont engendrées à la sortie du circuit ET A2 comme représenté par le signal H de la figure 2 pour chaqie série de 16 impulsions d'entrée provenant du générateur Finalement, le circuit ET20 applique une impulsion de 10 sortie au circuit ET A1 quand les signaux de sortie des basculeurs FF1 ', FF2' et FFif1 sont égaux à "0" tandis que le signal de sortie du basculeur FFÔ' est égal à "1". De nouveau, en examinant les signaux B, C, D et E de la figure 2, on peut voir que ceci se produit au temps TI4. seulement. De ce fait, et en supposant que 15 lé compte ou nombre enregistré dans le registre 10 est le ehiffr© binaire 2^, une impulsion représentée par le signal J est engendrée à la sortie du circuit ET A1 pour chaque série de 16 impulsions d'entrée provenant du générateur II4.. En considérant les signaux F, G-, H et J de la figure 2, on voit que, â chaque fois 20 que le nombre binaire enregistré dans le registre 10 ssfc le chiffre 3 binaire 2 , huit impulsions sont appliquées au circuit OTJ 22 quand le compteur du commutateur 12 compte jusqu'à sa capacité maximale? Q quand il est égal au chiffre binaire 2 , quatre impulsions sont appliquées au circuit OU 22 j quand il est égal au chiffre 1 2? binaire 2 , deux impulsions sont appliquées au circuit 22 ; et quand il est égal au chiffre binaire 2^, une impulsion est appli» quée au circuit 22. Les impulsions appliquées au circuit 22 en provenance des circuits ET respectifs A1 à A8, à chaque fois que le compteur du commutateur 12 compte jusqu'à son compte maximal, 30 sont proportionnels au chiffre binaire représenté par c© circuit -ET0 Le signal de sortie du circuit OU 22 pour différentes valeurs numériques allant de 1 à 15 est représenté par les signaux de la figure 3, et on remarquera que tous ces signaux comprennent 35 une série d'impulsions, le plus grand nombre d'impulsions étant pour le nombre 8 qui se trouve au milieu de la gamme. Ces impulsions, quand elles sont appliquées au filtre 2if, engendrent un bad original 70 22481 7 2046896 signal de sorti© analogique relativement sans ondulation. Le niveau d'ondulation du signal de sortie d'une section unique du filtre RC pour une unité à six chiffres binaires est représentée sur la figure Ij.. On remarquera qu'il est relativement stable pour 5 tout le compte compris entreO et 62. Un inconvénient fondamental des convertisseurs numériques -analogiques de modulation en durée d'impulsion de type connu est qu'ils produisent le plus grand taux d'ondulation au milieu de la gamme, où la composante ondulée est K fois plus grande que 10 pour n = 1, où H est le nombre de chiffres binaires du mot et n est le nombre binaire du registre, K étant donné par la formule K = En d'autres termes, -pour un mot de donnée à quatre chiffres binaires, la plus grande ondulation se produit pour un compte égal à 8, parce que, à cet instant, les fronts avant et 15 arrière de 1'impulsion sont éloignés au maximum. Le système de la présdnte invention, par ailleurs n'est pas soumis à cet inconvénient, Il produit la plus faible ondulation au milieu de la gamme. Ceci peut se voir par exemple en considérant le taux d'ondulation à la sortie d'un codeur à six chiffres binaires représenté sur 20 la figure i}.. Ce taux d'ondulation est le plus faible pour un compte égal à 32» qui se trouve au milieu de la gamme. On remarquera en outre sur la\figure 3 que, pour un codeur à. J4. positions binaires, par exemple, le plus grand nombre d'impulsions est produit pour un compte égal à 8 qui de nouveau se trouve au milieu 2$ de la gamme et engendre le plus faible taux d'ondulation. Un autre avantage de la présente invention est qu'il est linéaire de façon inhérente, ce qui devient particulièrement clair pour des fréquences de synchronisation élevées. L'information d'un signal de modulation en durée d'induisions est contenue 30 dans la synchronisation. Pour retrouver cette information, les instants de passage des fronts avant et arrière, des impulsions du système modulé en durée d'impulsions doivent être mesurées pour un niveau donné. En supposant qu'il y ait une certaine distoHion de front des impulsions, l'erreur de temps des impulsions du système 35 de modulation en durée d'impulsions est constante, quel que soit le poids binaire de l'impulsion. Donc, le pourcentage d'erreur varie avec le contenu du registre. L'erreur de temps du système 70 22481 8 2046896 de modulation en durée d'impulsions de l'invention n'introduit pas de non linéarité parce que le nombre d'impulsions contenant l'information de temps peut être proportionnel au contenu des registres si une addition analogique est utilisée au lieu du cir-5 cuit OU 22. Il est cependant possible d'obtenir une meilleure linéarité sans remplacer 1© circuit OU 22 par un circuit d'addition analogique. Un tel arrangement est représenté sur la figure 5. Le signal de sortie du générateur d'impulsions 11}., en plus d'être 10 appliqué au commutateur 12, est aussi appliqué à une ligne à retard 26 et à un inverseur 28» Les signaux de sortie de la ligne à retard 26 et de l'inverseur 28 sont appliquées à un circuit OU 30 et le signal de sortie du circuit 30 est combiné avec le signal de sortie du circuit OU 22 dans un circuit ET 32 avant d'être 15 appliqué au réseau de filtrage 2lf. L'effet du circuit 5 est de découper le signal de sortie du circuit OU 22 en impulsions de plus faible durée. Ceci se comprend en se référant à la figure 6 où les impulsions de synchronisation provenant du générateur sont de nouveau représentées par le signal A.Ap^ès l'inversion, 20 ces impulsions apparaissent sous la forme du signal K, et, quand •lies sont retardées, elles apparaissent sous la forme du sigial L. Quand les signaux K et L traversent le circuit OU 30, un signal M est engendré. Ce signal M est alors appliqué au circuit ET 32 ainsi que le signal de sortie du circuit OU 22 qui peut comprendre 25 une impulsion relativement longue telle que celle représentée par le signal N de la figure,6. Cette impulsion est découpée en induisions de durées plus courtes qui réduisent encore le nombre d' induisions longues séparées par de longs espaces. Bien que l'invention ait été décrite à l'aide de certains 30 modes de réalisations particuliers, il est clair que de nombreuses modifications peuvent lui être apportées sans sortir du cadre de ladite invention. 35 70 22481 9 2046896 REyWDTCJTIONS 1. Convertisseur numérique-analogique comprenant un dispositif ayant une série de conducteurs de sortie transmettant des signaux représentant des chiffres ou positions binaires d'un 5 nombre binaire, une source d'impulsions, un compteur binaire connecté à cette source, ce compteur comprenant une série de. circuits bi-stables connectés en cascade, chaque circuit bi-stable ayant une première borne de sortie connectée à l'entrée du circuit bi-stable suivant du congpteur et une deuxième borne de sortie, 10 les signaux apparaissant sur ces deuxièmes bornes étant les compléments de ceux apparaissant sur les premières bornes, et un montage logique interconnectant ce dispositif et le dit compteur de sorte que ce montage engendre des induisions de sortie sur ladite série de conducteurs, le nombre total d!induisions de 15 sortie sur ces conducteurs étant proportionnel à la valeur numérique du nombre binaire enregistré dans le dispositif, un circuit mélangeur des signaaax transmis sur ladite série de conducteurs, et un filtre connecté la sortie de ce circuit mélangeur qui engendre un signal analogiquep proportionnel à l'aridlitude ou à la 20 grandeur du nombre binaire enregistré dans ledit dispositif. 2. Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel les induisions ont des durées et des amplitudes égales. 3. Convertisseur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le nombre de circuits bi-stables du compteur est égal au 25 nombre de conducteurs de sortie du dispositif. [(...Convertisseur selon la r evendi cation 1, 2 ou 3, dans leqiel3e filtre comporte un dispositif du type résistance-capacité. 5. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à ij. 30 dans lequel le nombre de eircuits bi-stables du compteur est égal au nombre de conducteurs de sortie du dispositif, ledit montage logique renfermant un premier ensemble de circuits logiques connecté à des bornes de sortie sélectionnées des circuits bi-stables du compteur et un deuxième ensemble de circuits logiques 35 connecté aux dites bornes de sortie du dispositif, ce deuxième ensemble de circuits logiques étant également connecté au premier ensemble de circuits logiques et à au moins une des bornes de 70 22481 10 2046896 sortie des circuits bi-stables, et dans lequel le filtre filtre les signaux de sortie combinés du deuxième ensemble de circuits logiques en engendrant un signal analogique. 6. Convertisseur numérique-analogique selon la revendi-5 cation 5 dans lequel le premier ensemble de circuits logiques comprend une première série de circuits logiques en nombre égal au nombre de circuits bi-stables du compteur moinq&n, dans lequel le deuxième ensemble de circuits logiques comprend une deuxième série de circuits logiques dont le nombre est égal au nombre des 10 dits conducteurs de sortie, dans lequel un dispositif est prévu qui connecte des bornes sélectionnées de sortie des circuits bi-stables du compteur aux entrées de la première série de circuits logiques, dans lequel un dispositif est prévu qui connecte une des bornes de sortie d'un des circuits bi-stables du compteur et un 15 des conducteurs de sortie aux entrées d'un des circuits logiques de la deuxième série de circuits logiques, dans lequel un dispositif est prévu qui connecte chacun des conducteurs de sortie restant à l'entrée d'un circuit logique restant associé de la deuxième série de circuits logiques et à la sortie d'un circuit logique 20 sélectionné de la première série de circuits logiques, et dans lequel un autre circuit logique est connecté aux sorties de tous les circuits logiques de la deuxième série de circuits logiques. 7. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le montage logique comporte un ensemble de circuits 25 logiques dont l'une des deux bornes d'entrée est connectée à un conducteur de sortie associé du dispositif, dans lequel un dispositif est prévu pour engendrer périodiquement des trains d'impulsions dont le nombre d'impulsions de chaque train est égal à la valeur numérique d'un des chiffres binaires représenté par un des eon-30 ducteurs de sortie du dispositif, chaque train d'induisions étsnt appliqué à l'autre borne d'entrée de l'ensemble des circuits logiques connectés au conducteur représentant le chiffre binaire correspondant au nombre d'impulsions de ce traiç, et dans lequel 1© dit filtre filtre les signaux de sortie combinés de l'ensemble de 35 circuits logiques. 70 22481 n 2046896 8.. Convertisseur selon la revendication 7» dans lequel les impulsions de tous les trains d'impulsions ont une durée égale. 9. Convertisseur selon la revendication 7 ou 8 dans 5 lequel les signaux de sortie de l'ensemble de circuits logiques sont connectés à un circuit logique supplémentaire dont le signal de sortie est appliqué audit filtre. i