Brevet FR2080519A1 — publié le 19711119

La présente invention concerne un processus de conversion analogique-numérique-analogique applicable aux systèmes de transmission de données et, plus particulièrement, à un moyen d'augmenter la résolution d'un tel système. 5 Dans les systèmes connus, un signal analogique d'entrée est appliqué à un convertisseur analogique-numérique (A-N) qui le transforme en un mot à n bits, n étant un entier. Le mot à n bits est envoyé à un convertisseur numérique-analogique (U-A) dont la sortie analogique est une approximation du signal analogique d'en-10 trée avec une représentation quantifiée. La résolution d'un système de ce type est 1/2n fois la totalité de la plage de tension du convertisseur analogique-numérique. Pour augmenter la résolution du système, on se contentait jusqu'ici d'utiliser un plus grand nombre de bits dans le pro-15 cessus de conversion analogique-numérique-analogique. Ce procédé, bien qu'étant très simple, peut être extrêmement désavantageux dans certains cas à cause des lignes supplémentaires qu'il nécessite dans un système à transmission parallèle ou des intervalles de bits supplémentaires qu'il nécessite dans un système à trans-20 mission série. Un autre procédé connu consiste à ajouter un bruit pseudo-aléatoire dans le convertisseur analogique-numérique, puis à soustraire ce bruit dans le convertisseur numérique-analogique. Ce procédé a été utilisé avec succès dans les systèmes de transmission de signaux de télévision en modulation par codage d'im-25 pulsions. La présente invention a donc pour objet un système permettant d'accroître la résolution d'un processus de conversion analogique-numérique-analogique sans augmentation du nombre de bits à transmettre et au prix d'un faible accroissement de la complexi-30 té du convertisseur analogique-numérique. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, une onde rectangulaire dont l'amplitude crête à crête est égale à la moitié de la valeur du dernier bit significatif est superposée à l'entrée analogique. Pendant la période où l'onde rectangulaire numerique, 35 coupe les niveaux de quantification du convertisseur analogique-/ la sortie résultante de ce dernier est une onde rectangulaire dont la valeur moyenne est comprise entre les niveaux de sortie analogiques discrets normaux. Le nombre de niveaux de la sortie ana 71 04807 -2' 2080519 logique est donc doublé, ce qui équivaut à ajouter un bit supplémentaire de résolution. Le perfectionnement de la présente inven- W_l_ 1 tion permet donc d*obtenir une solution égale à 1/2 fois l'excursion maximale de tension sans que l'on ait à ajouter de bits au mot 5 numérique qui est transmis entre le convertisseur A-N et le convertisseur ÏT-A. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels : 10 la figure 1 est un schéma synoptique d'une première forme de l'invention ; les figures 2 à 6 sont des diagrammes de formes d'ondes illustrant des signaux qui apparaissent en divers points du système de la figure 1 ; 15 la figure 7 est un schéma synoptique d'une seconde forme de l'invention ; la figure 8 est un schéma synoptique d'une troisième forme de l'invention ; et les figures 9 à 13 sont des diagrammes de formes d'ondes 20 illustrant le fonctionnement du système de la figure 8. La figure 1 représente une forme de réalisation du système de la présente invention. Le signal analogique d'entrée EA est appliqué à l'une des entrées d'un circuit changeur de niveau 12. Les détails du circuit 12 seront décrits plus loin en regard de la 25 figure 7. La figure 2 est un exemple de formes d'ondes du signal analogique d'entrée EA. La seconde entrée du circuit changeur de niveau 12 est une onde rectangulaire OR dont l'amplitude crête à crête est égale à la moitié de la tension que représente le dernier bit significatif du mot numérique, c'est-à-dire à la moitié d'une 30 valeur égale à 1/211 fois la plage de mesure de tension. L'onde rectangulaire OR est illustrée figure 3 et peut être produite par n'importe quel type de générateur représenté symboliquement par le rectangle 14 sur la figure 1. Le générateur 14 peut, par exemple être un multivibrateur astable. Le circuit changeur de niveau 12 35 superpose la forme d'onde rectangulaire et le signal analogique d'entrée. La sortie du circuit 12 est appliquée à l'entrée d'un convertisseur A-F 16 qui peut être n'importe quel type connu. On «■ bad qwû»w*' , 71 04807 -3- 2080519 peut par exemple utiliser un convertisseur analogique-numérique du type décrit dans le brevet les Etats-Unis d'Amérique Nt 2 7c4 396- Le signal d'entrée que reçoit le convertisseur A-N est représenté par la forme d'onde de la figure 4. 5 Un type classique de convertisseur À-IT détermine une pério de d'échantillonnage pour chaque conversion, c'est-à-dire qu'il ne fzurnit une représentation numérique précise de son entrée analogique que pendant des intervalles de temps successifs. Lorsque l'on utilise un tel convertisseur A-N, la fréquence d'échantillonnage 10 doit être synchronisée avec celle du générateur d'onde rectangulaire 14 pour éviter que l'entrée analogique du convertisseur présente une brusque variation au milieu d'une période d'échantillonnage . La sortie numérique TNP du convertisseur A-If 16 est trans-15 mise en parallèle à un convertisseur N-A 18 qui peut également être de n'importe quel type connu. On peut par exemple utiliser un convertisseur numérique-analogique du type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 2 718 634. La sortie numérique TNP du convertisseur A-N 16 est transmise au convertisseur N-A 18 au moins 20 une fois à chaque changement d'état de la forme d'tmde rectangulaire. La sortie SA du convertisseur 18 est représentée figure 5- Le convertisseur A-N 16 possède des niveaux de seuil également appelés (niveaux de quantification), égaux à la tension analogique équivalente du dernier bit significatif, c'est-à-dire à 25 1/211 fois l'excursion maximale de tension. Les niveaux de quantification sont séparés de la tension analogique qui est nécessaire pour modifier d'un bit la sortie numérique. Les niveaux de quantification NQ sont- représentés sur les axes verticaux des diagrammes de forme d'onde des figures 2 à 6. L'entrée rectangulaire du 30 convertisseur A-N 16 oblige le dernier bit significatif des mots numériques successifs à varier selon une courbe particulière. Lorsque le signai d'entrée fluctue entre deux niveaux de quantification, le front montant de l'une des impulsions rectangulaires finit par couper en un certain point l'un des niveaux de quantifi-35 cation, par exemple au point a sur la forme d'onde de la figure 4. ■ 0e principe permet d'ajouter un bit à la représentation numérique du signal analogique et se traduit dans la sortie SA du convertis- BAD ORÎGIJWA. 71 04807 -4- 2080519 seur N-A 18 par un niveau plus élevé indiqué par le point b sur la forme d'onde de la figure 5. Lorsque le front descendant de la même-impulsion recoupe le niveau de quantification, la représentation numérique du signal analogique diminue d'un bit et le 5 signal de sortie du convertisseur N-A 18 présente des variations rectangulaires. Tant que le signal rectangulaire d'entrée du convertisseur analogique-numérique coupe les niveaux NQ, la sortie du convertisseur numérique-analogique reste une onde rectangulaire. En un 10 point donné (ç sur la forme dlonde de la figure 4)> le signal rectangulaire d'entrée du convertisseur-A-N cesse de couper un niveau de quantification. La sortie du convertisseur N-A redevient donc un niveau continu stable qui débute au point d sur la forme d'onde de la figure 5» On notera que la fréquence de l'onde rectangulaire 15 doit être choisie en tenant compte de la vitesse de variation du signal analogique d'entrée EA de façon que la sortie du convertisseur N-A comporte un beaucoup plus grand nombre d'impulsions rectangulaires que la partie du signal qui est comprise entre les points b et d de la figure 5, pendant les périodes où l'entrée du 20 convertisseur A-N coupe un niveau de quantification. Ceci sera expliqué plus en détail par la suite. On se rappelle que les représentations numériques de l'entrée analogique EA sont transmises du convertisseur A-N au convertisseur N-A au moins une fois au cours de chaque changement d'état de l'on-25 de rectangulaire d'entrée du convertisseur A-N. Le processus se poursuit de la manière suivante : lorsque le signal d'entrée transverse une tranche de quantification (comprise entre deux niveaux), le dernier bit significatif du mot numérique reste constant pendant la moitié de la tranche. Pendant l'autre 30 moitié de la tranche, sa valeur alterne entre 0 et 1 à la fréquence du signal rectangulaire d'entrée. La sortie du convertisseur N-A 18 est appliquée à un filtre de lissage 20 qui peut être un filtre passe-bas de type connu. Un filtre B.C assure par exemple un filtrage satisfaisant. Les fluctuations du dernier bit significatif sont 35 intégrées par le filtre 20 sous la forme d'un échelon égal à une demi-tranche de quantification dans le signal de sortie. La sortie filtrée SAF est représentée par la forme d'onde de la figure 6. B AD QFHQlMM. 71 04807 -5- 2080519 La figure 7 représente une seconde forme de réalisation de l'invention. Un générateur d'impulsions d'horloge 22 assure la synchronisation du système en fournissant des impulsions d'horloge à un convertisseur A-N 24 et à un convertisseur N-A 26. La sortie 5 du convertisseur A-N 24 représentant l'équivalent numérique du signal analogique d'entrée EA est transmise en série au convertisseur N-A 26. Dans un système à transmission en série, chaque conversion s'effectue pendant une période d'échantillonnage. De plus, du fait que les représentations numériques sont transmises en sé-10 rie, il faut pouvoir distinguer entre les mots successifs transmis. Une impulsion de synchronisation de mot SM permet d'identifier le début de chaque série de bits représentant un mot. Dans la forme de la figure 7, l'impulsion SM est produite par le convertisseur A-N 24 et synchronise le fonctionnement du reste du système. L'im-15 pulsion SM pourrait également être fournie par un circuit séparé de synchronisation (non représenté) et être utilisée pour synchroniser le convertisseur A-N 24. L'impulsion SM est appliquée au convertisseur N-A 26 pour lui permettre de convertir convenablement son entrée numérique TNS en marquant le début de chaque série 20 de bits qui représentent un mot. L'impulsion de synchronisation SM est également utilisée pour déclencher une bascule 28. Cette bascule change d'état à la réception de chaque impulsion SM et constitue un générateur d'onde rectangulaire. La sortie de la bascule 28 est appliquée au circuit changeur de niveau 12 dans lequel elle 25 est superposée au signal analogique d'entrée EA. Les détails du circuit changeur de niveau 12 seront décrits par la suite. La sortie du circuit 12 est appliquée au convertisseur A-N 24. La bascule 28 étant commandée par l'impulsion de synchronisation SM du convertisseur 24, la fréquence de son onde rectangulaire de sortie est 30 synchronisée avec chaque échantillonnage du convertisseur 24» ce qui élimine le risque d'une variation brusque de l'entrée analogique EA pendant une période de conversion. La sortie numérique TNS du convertisseur 24 est transmise en série au convertisseur N-A 26. Le convertisseur 26 transforme les représentations numériques de 35 l'entrée analogique EA en un autre signal analogique sous contrôle des impulsions de synchronisation SM. La sortie du convertisseur 26 est appliquée à un filtre de lissage 20 qui peut être identique riAO OftfâtfiAt. 71 04807 -6- 2080519 à celui du système de la figure 1. la sortie SAP du filtre 20 est un signal analogique représentatif de l'entrée analogique EA. Le circuit changeur de niveau 12 de-la figure 7 va maintenant être décrit en détail. Il comprend un amplificateur opérationnel 5 et une résistance R. L'amplificateur opérationnel représenté symboliquement comprend un amplificateur d'addition, une résistance de réaction et une résistance d'entrée R . A titre d'exemple, on peut utiliser un amplificateur opérationnel référence jiA' 741 réalisé par la division Pairchild Semiconductor de la Société Pairchild 10 Caméra and Instrument Co., amplificateur opérationnel qui est décrit en détail dans la brochure explicative |iA 741 pages 6-133 et 6-134 du catalogue 1970 des circuits intégrés Pairchild Semiconductor édité en 1969 par Pairchild Semiconductor. Le signal analogique d'entrée EA du système est appliqué à la résistance R^. La 15 sortie rectangulaire de la bascule 28 est appliquée à la résistance R. Le rapport des résistances R et R^ se déduit de la résolution désirée qui est égale à une demi-tranche de quantification du con-vertisseur A-ÏT, c'est-à-dire 1/2 , n étant le nombre de bits à transmettre. Le courant crête à crête Ip de l'onde rectangulaire 20 doit donc être égal à I maxi/2n+^,I maxi étant l'excursion maximale de courant» Le courant I maxi peut être obtenu en divisant par la résistance R^_l'excursion maximale de tension (crête à crête) 7^ de l'entrée analogique. On se rappelle également que le signal rectangulaire ajoute l/2rL+^ à la valeur de l'entrée analogique. 25 la bascule 28 fournit donc un courant Ip qui est égal à l'excursion maximale de tension (crête à crête) de la sortie de la bascule Jj divisée par la résistance R. Ces expressions sont les suivantes : t • I maxi A p = " HT 30 RA (2 ) 35 et T ^ Ip = r En combinant ces deux équations il vient : 'âtàHb f UDomyt 71 04807 -7- 2080519 R = Ra (2n+1) Lorsque la bascule 28 est à l'état 1, elle ajoute un courant , N / VI+ 1 y 5 égal a I maxi/2* au courant lu signal analogique d'entree EA. Il va de soi que le circuit changeur de niveau 12 peut utiliser n'importe quel montage convenable d'amplificateur d'addition et de résistances d'entrée. La fréquence de la forme d'onde rectangulaire appliquée au 10 circuit changeur de niveau 12 doit être choisie en tenant compte de la vitesse de variation du signal analogique d'entrée. Lorsque cette vitesse de variation est faible comparée à la fréquence, un système utilisant les principes de l'invention permet d'obtenir la résolution additionnelle désirée. Cependant, lorsque la vitesse 15 de variation du signal analogique d'entrée augmente, le nombre de fluctuations du dernier bit significatif diminue car le signal analogique d'entrée reste dans la demi-tranche de quantification pendant un temps de plus en plus court. Ceci est particulièrement vrai au voisinage des passages par zéro d'une onde sinusoïdale à 20 fréquence amplitude élevées. L'augmentation de résolution du système est donc fonction à la fois de la fréquence et de l'amplitude du signal analogique d'entrée. Les principes décrits ci-dessus peuvent être étendus pour augmenter encore la résolution d'un système. Théoriquement, il est 25 possible d'augmenter indéfiniment la résolution. En pratique, on doit choisir un compromis entre la résolution désirée, la fréquence d'échantillonnage des données et la fréquence et l'amplitude du signal analogique d'entrée pour que le dernier bit significatif présente un nombre de fluctuations suffisant pour être utilisable. 30 La résolution d'un système quelconque peut être doublée en ajoutant une seconde bascule et une seconde résistance au circuit changeur de niveau. La figure 8 montre par exemple comment cr. peut modifier le système de la figure 7 peur doubler la résolution. La figure 8 représente un système à n bits transmis ayant une 35 résolution de l/2n+2. Le générateur d'impulsions d'horloge 22, le ■ convertisseur A-N 24, le convertisseur N-A 26, le filtre 20 et la bascule 28 sont identiques à leurs homologues du système de la •o omette 71 04807 -8- 2080519 figure 7. la sortie de la bascule 28 est appliquée à une seconde bascule 30. les bascules 28 et 30 constituent ensemble un compteur binaire, le circuit changeur de niveau 32 est sensiblement identique au circuit 12 de la figure 7, sauf qu'il comporte une troi-5 sième résistance d'entrée 2R dont la valeur est double de celle de la résistance -R déterminée de la manière décrite plus haut, la sortie de la seconde bascule 30 est appliquée à la troisième résistance d'entrée 2R. le signal de la bascule 28 mis à l'échelle d'une demi-tranche de quantification (figure 10) par sa résistance 10 d'entrée R et le signal de la seconde bascule 30 mis à l'échelle d'un quart de tranche de quantification (figure 11) par sa résistance d'entrée 2R sont combinés de diverses manières, représentées sur la figure 12, avec le signal analogique d'entrée (figure 9) selon les états des deux bascules, lorsque seule la bascule 28 15 est à l'état 1, le signal ajouté au signal analogique d'entrée équivaut à une demi-tranche de quantification du convertisseur A-N. Cette combinaison est représentée par le niveau e sur la figure 12. lorsque seule la seconde bascule 30 est à l'état 1, le signal ajouté au signal analogique d'entrée équivaut à un quart de tranche 20 de quantification du convertisseur A-N. Cette combinaison est représentée par le niveau f sur la figure 12. lorsque les bascules 28 et 30 sont toutes deux à l'état 1, le signal ajouté au signal analogique d'entrée équivaut à trois quarts de tranche de quantification du convertisseur A-N. Cette combinaison est représentée 25 par le niveau g sur la figure 12. lorsque les deux bascules sont à l'état zéro, aucun signal n'est ajouté au signal analogique d'entrée, comme le montre le niveau h de la figure 12. la sortie du circuit changeur de niveau 32 est appliquée au convertisseur A-N 24. Comme dans le système de la figure 7, les 30 bascules sont commandées par l'impulsion de synchronisation de mot SK du convertisseur 24 de façon que leurs fréquences de sortie soient synchronisées avec les périodes d'échantillonnage du convertisseur 24 pour éviter une transition brutale de l'entrée analogique EA pendant la durée de la conversion, le dernier bit signi-35 ficatif de la sortie du convertisseur A-N varie selon les niveaux de quantification que coupe éventuellement son signal d'entrée. La sortie TNS du convertisseur A-N 24 est transmise en série au con- BAD ORIGINAL j 71 04807 -9- 2080519 vertisseur N-A 26. Ce dernier transforme les représentations numériques de l'entrée analogique EA en un signal analogique, sous contrôle de l'impulsion de synchronisation SM. La sortie du convertisseur N-A 26 prend diverses formes selon 5 les niveaux de quantification que coupe éventuellement le signal d'entrée du convertisseur 24. La figure 15 représente les différents cas possibles pour deux niveaux de sortie analogique distincts et adjacents. Le cas 1 représente la sortie du convertisseur N-A lorsque l'entrée du convertisseur A-N est toujours au-dessus du 10 seuil inférieur de la tranche et au-dessous du seuil supérieur adjacent. Le cas 2 représente la sortie du convertisseur N-A lorsque seul le niveau trois quarts (g sur la figure 12) de l'entrée du convertisseur A-N coupe le plus haut des deux seuils de la tranche. Le cas 5 montre la sortie du convertisseur N-A lorsque les niveaux 15 trois quarts et un demi (g et e sur la figure 12) de l'entrée du convertisseur A-N coupent le plus haut des deux seuils, le cas 4 montre la sortie du convertisseur N-A lorsque les niveaux trois quarts, un demi et un quart (g, e et f sur la figure 12) de l'entrée du convertisseur A-N coupent le plus haut des deux seuils. 20 Le cas 5 représente la sortie du convertisseur N-A lorsque l'entrée du convertisseur A-N est toujours au-dessus du plus haut des deux seuils. Lorsque la sortie du convertisseur N-A a traversé le filtre de lissage 20, chacun des cas de la figure 15 fournit une valeur moyenne "VM représentative de la valeur du signal analogique 25 d'entrée entre deux niveaux analogiques distincts de sa sortie. Le cas 2 correspond à une valeur moyenne supérieure d'un quart d'intervalle au niveau analogique bas de la sortie. Le cas 5 correspond à une valeur moyenne située à mi-chemin entre les deux niveaux analogiques de sortie. Le cas 4 correspond à une valeur 50 moyenne supérieure de trois quarts d'intervalle au niveau analogique bas de la sortie. Bien que l'invention ait été décrite dans le cadre d'un système complet analogique-numérique-analogique, il va de soi pour un spécialiste que l'on peut omettre la partie numérique-analogique 55 du système et que 1'information quantifiée peut être directement transmise à un ordinateur numérique. Cet ordinateur peut par exemple analyser les fluctuations de la représentation numérique pour obtenir une meilleure résolution. w. r*>Y> UML 71 04807 _,0_ 2080519 HEYEHDIOATIOIS 1. Système convertisseur comprenant un convertisseur analogique-numérique dont le signal de sortie est une représentation numérique à n bits, n étant entier, d'un signal analogique d'entrée, 5 ledit convertisseur ayant des tranches de quantification égales à une tension analogique équivalant au dernier bit significatif du signal de sortie, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend un circuit assurant une résolution de l/2n+ni, m étant un entier, comprenant un compteur à m étages fournissant chacun un 10 signal représentatif de leurs états respectifs, un réseau de conditionnement de signal recevant les signaux de sortie de chaque étage du compteur pour ajuster le signal de sortie du premier étage du compteur de manière qu'il ait une amplitude crête à crête égale à la moitié de la tension analogique équivalant au dernier bit 15 significatif de la représentation numérique, et ajustant les signaux de sortie de chaque étage successif du compteur de manière qu'ils aient des amplitudes crête à crête égales à la moitié du signal de sortie ajusté de l'étage précédent, un circuit combinant le signal analogique d'entrée et les signaux de sortie ajustés par 20 le réseau de conditionnement pour obtenir un signal résultant qui est la somme des signaux reçus et un circuit appliquant le signal résultant à l'entrée du convertisseur analogique-numérique. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un convertisseur numérique-analogique pour trans- 25 former la représentation numérique de la sortie du convertisseur analogique-numérique en un signal analogique. 3. Système convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit établissant la moyenne des fluctuations haute fréquence du signal analogique pour produire 30 un signal analogique'de sortie. 4. Système selon la revendication 3» caractérisé en ce que le circuit d'établissement de moyenne comprend un filtre passe-bas. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de commande fournissant un signal 35 de commande lorsque la représentation numérique est disponible à la sortie du convertisseur analogique-numérique et un circuit utilisant ledit signal de commande pour faire démarrer le compteur. BAD ORIGINAL . i 71 04807 -11- 2080519 6. Système selon- la revendication 5» caractérisé en ce qu'il comprend en outre un convertisseur numérique-analogique recevant la sortie du convertisseur analogique-numérique et le signal de commande pour fournir un signal analogique, un circuit recevant 5 ledit signal analogique pour établir la moyenne de ses fluctuations haute fréquence et produire un signal analogique de sortie. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de combinaison comprend un amplificateur d'addition et en ce que le circuit d'établissement de moyenne comprend un filtre 10 passe-bas. 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compteur comprend un multivibrateur astable. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'entier m est égal à l'unité. « mcamw ;