Brevet FR2109023A1 — publié le 19720526

La pressente invention concerne les convertisseurs analogique-digital et plus particulièrement les convertisseurs analogique-digital du type à rétrowaction. Dans les convertisseurs analogique-digital du type à rétro-action clash siques dpnt un exemple est décrit dans le manuel "Calculateurs numériques, éléments et circuits par R.K. Richards, Ed. Dunod, Paris 1959, pages 500503, l'amplitude de la tension analogique à coder est continuellement comparée à une tension de référence variable représentant le compte digital d'un compteur. Le résultat de la comparaison est utilisé par une logique de deci- sion binaire pour faire varier le compte du compteur et donc la tension de réfXrence par pas successifs discrets Jusqu'à ce que la tension de référence et la tension analogique soient substantiellement égales.Dans de tels convertisseurs, compte tenu du fait que la tension de référence varie par pas discrets. lorsque la tension analogique est constante toutes les fois que la valeur de cette tension analogique n'est pas un multiple entier de la largeur du pas du compteur, le convertisseur atteint un état d'équilibre tel que le compte affiché par le compteur oscillera autour de la valeur de la tension analogique. Cette oscillation du compte peut & re gênante dans le cas d'un affichage visuel du résultat de la conversion aussi bien que lorsque ce résulw tat doit commander tout un processus complexe. Un objet de la présente invention est de concevoir un convertisseur analogique digital du type à rétro-action dans lequel la sortie digitale n'est affectée d'aucune oscillation pour tout signal analogique d'entrés de valeur constante, quelle que soit cette valeur. Un objet de la présente invention est de concevoir un convertisseur analogique digital du type à rétro-action perfectionné mais dont la réalisation reste très simple et peu onéreuse. Le convertisseur analogique digital conforme à l'invention comprend un comparateur effectuant la comparaison entre le signal d'entres analogique et le signal de sortie dudit convertisseur décodé en analogique, et une bascule binaire qui fait correspondre un signal binaire au signal délivre par le comparateur. Une logique constituée par deux portes ET permet la commande d'un compteur réversible uniquement lorsqu'il y a coincidence entre les signaux fournis par le comparateur et la bascule. Compte tenu des retards propres au comparateur et à la bascule qui ne change d'état que sous l'action d'impulsions d'horloge, l'état delta bascule ne suivra le résultat de la comparaison qu'après un retard sensiblement égal au temps séparant deux impulsions d'horloge.Lorsque le résultat de la comparaison oscille, c'est-à-dire lorsqu'il change de polarité à chaque impulsion d'horloge, cette oscillation se transmettra aux sorties de la bascule avec un retard défini précédemment, et pendant ces oscillations les sorties du comparateur et de la bascule sont de polarités opposées, et ne sont pas transmises par les portes ET au compteur qui affichera un compte constant. Cependant, ces oscillations sont transmises au décodeur digital-analogique par l'intermédiaire d'une liaison directe entre la sortis 1 de la bascule et une entres supplementaire du décodeur dont la pondération est Mgèrement supérieure au plus petit poids du décodeur afin de maintenir les oscillations de la bascule tant que durera l'équilibre pour un fonctionnement du convertisseur conforme à l'invention. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'expose qui suit fait en réference aux dessins annexés à ce texte qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 représente un exemple de convertisseur analogique-digital conforme à l'invention. La figure 2 représente des diagrammes de signaux pris en divers points de la figure 1, dans une premiere hypothèse d'étude. La figure 3 représente l'évolution des tensions en divers points de la figure 1 lors de la conversion effective d'un signal analogique. En se référant à la figure 1, le signal d'entrée analogique que l'on se propose de coder est appliqué à une des bornes d'entrée d'un comparateur 1 dont l'autre borne d'entrée reçoit le signal de sortie du convertisseur décodé en analogique qui constitue la tension de référence utilisée pour la comparaison. Ce comparateur peut entre de tout type connu, un exemple de comparateur est décrit dans le manuel cité plus haut, à la page 495.Le signal de sortie du comparateur choisi, par exemple positif si le signal d'entrée analogique est supérieur un signal de sortie décodé, et négatif dans le cas contraire, est appliqué à travers une porte ET 2 à l'entrée S d'un élément de décision binaire, par exemple, une bascule binaire 3, et à travers un inverseur 4 et une porte ET.5 à l'entrée R de la bascule. Il est évident pour l'homme de l'art que toute cellule de décision binaire comprenant deux bornes d'entrée de conditionnement et une borne d'entrée de déclenchement peut remplacer l'ensemble que nous avons décomposé, par souci de clarté, en les pnrtes ET 2 et 5 et la bascule 3.La bascule 3 comprend deux bornes de sortie indiquée 1 et O telles qu'une impulsion positive appliquée à l'entrée S rende la sortie 1 positive et la sortie 0 négative, et une impulsion positive appliquée à l'entrée R rende la sortie 0 positive et la sortie'l négative. Des impulsions d'horloge appliquées aux portes ET 2 et 5 commandent l'application du signal de sortie du comparateur et de son inverse à la bascule 3. Les signaux fournis par le comparateur et la sortie 1 de la bascule d'une part et les inverses des signaux fournis par le comparateur et la sortie O de la bascule d'autre sart vc-: . apiqués respectivement aux portes ET 6 et 7. Les signaux fournis par les portes ET 6 et 7 sont respectivement appliqués aux portes ET 8 et 9. Les impulsions d'horloge appliquées aux portes ET 8 et 9 commandent l'application des signaux issus des portes ET 6 et 7 aux bornes d'entrée de comptage croissant et décroissant indiquées respecti vement +1 et -1 d'un compteur réversible classique 10 dont le nombre d'étages dépend de la précision désirée pour le convertisseur et dont nous choisissons arbitrairement le plus petit poids égal à 1.L'application d'une impulsion positive à la borne +1 du compteur fera accroître son compte d'une unité et l'application d'une impulsion positive à la borne -1 du compteur fera décroître son compte d'une unité. Ce compteur fournit le signal de sortie digital sous forme parallèle. Le signal de sortie digital est décodé par un décodeur digital-analogique 11 classique tel que par exemple celui décrit dans 1 manuel cité plus haut, à la page 507. Il est prévu dans le décodeur, en plus des entrées de pondéra tion correspondant aux éléments binaires fournis par le compteur, une entrée de pondération supplémentaire d'un poids légèrement supérieur au plus petit des poids du décodeur, noté dans la suite de l'exposé 1 + e (E petit). Cette entrée supplémentaire est reliée à la sortie 1 de la bascule. Le choix d'un tel poids supplémentaire sera justifié après l'exposé du fonctionnement général. Le fonctionnement d'un convertisseur conforme à l'invention va maintenant entre décrit en se référant aux figures 2 et 3. Dans une première phase, le fonctionnement du convertisseur sera décrit à partir du signal fourni par le comparateur, et le fonctionnement complet du système sera exposé dans une deuxième phase. Sur la figure 2, les diagrammes indiqués A, B, C et D représentent respec tivement le signal de sortie du comparateur 1, le signal à la sortie 1 de la bascule 3, le signal à l'entrée +1 du compteur 10 et le signal à l'entrée -1 du compteur. Sur cette meme figure les flèches indiquées a, b, c, représentent les impulsions d'horloge que nous qualifions par la suite d'instants a, b, c, Comme hypothèse de départ, on supposera que le signal à la sortie du comparateur soit tel aue figuré sur A. Aux instants a et b, le résultat de la comparaison est tel que le signal fourni par le comparateur soit positive, la sortie 1 de la bascule est alors elle aussi positive et les signaux aux entrées +1 et -1 du compteur sont respectivement positif et négatif. A l'ins tant c, les signaux appliqués au comparateur sont tels que le résultat de la comparaison doit changer de signe. Cependant compte tenu de l'inertie du comparateur qui est un circuit analogique, son signal de sortie ne changera de polarité qu'après un retard qui est fonction de la qualité de ce comparateur. Dans un souci de clarté, on supposera par la suite que les retards créés par le comparateur pour les passages de positif à négatif et de négatif à positif sont égaux. Ce retard sera noté Tc. La sortie du comparateur ne chan gera donc de signe qu'à l'instant c + T . La bascule ne pourra changer d'état c qu'à l'impulsion d'horloge suivante, à savoir dans notre cas, à l'instant d.Idi intervient le retard propre à la bascule binaire 3 que nous supposerons constant et que nous noterons T b Si on considère les signaux C et D qui représentent les signaux appliqués aux entrées +1 et -1 respectivement du compteur fournis par les portes ET 6 et 7, nous avons les égalités C = A.B et D = A.8. Le signal C deviendra donc négatif à l'instant c + TC et le signal D ne deviendra positif qu'à l'instant d + Tb. A l'instant d où les signaux A et B sont de polarités oppow sées, le compte affiché par le compteur ne sera pas altéré. On voit donc apparaître en comparant les diagrammes A et B un retard pratiquement égal au temps séparant deux impulsions d'horloge successivesss ce mme retard se retrouve bien-sOr entre la sortie inversée du comparateur et la sortie 0 de la bascule. A partir de l'instant k, la forme du signal représenté en A traduit l'apparition d'un état d'équilibre, le résultat de la comparaison changeant de polarité avec chaque impulsion d'horloge. Conformément à ce qui a été exposé, le signal de sortie du comparateur apparat à la sortie I de la bascule à partir de l'instant Q. A partir donc de cet instant Q, et tant que durera l'équilibre, compte tenu de la périodicité des oscillations, les signaux représentés sur A et B seront de polarités opposés et aucun signal positif ne sera appliqué aux entrées +1 ou 1 du compteur. Le compte affiché par ce compteur sera donc maintenu constant tant que durera l'état d'équilibre, les oscillations des sorties du comparateur et de la bascule n'apparaissant pas aux entrées du compteur. Sur la figure 3 on a représenté en E un exemple de signal d'entrée analogique dont la conversion en digital entrain l'apparition d'un état d'équi- libre, le fonctionnement du système pour un signal d'entrée analogique quelconque étant semblable au fonctionnement des convertisseurs analogique-digital du type à rétro-action classiques à quelques détails près qui apparaitront lors de l'exposé qui suit.Sur cette figure on a conservé les mimes notations A et B pour désigner les signaux fournis par le comparateur et la sortie 1 de la bascule, la ligne brisée F représente le compte affiché pour le comptueur, la ligne brisée en pointillés F' représente le compte réellement appli qué à l'entrée du comparateur après décodage. et les indications 0, 1, 2, 3, 4 et 5 représentent des valeurs arbitraires de compte. Soit l'instant a où le signal logique E est appliqué au comparateur. A cet instant le compte décodé appliqué au comparateur est nul, la sortie du comparateur est au repos et la sortie 1 de la bascule est négative. Après un certain retard la sortie du comparateur va devenir positive mais la bas ou le ne commutera qu'à la prochaine impulsion d'horloge à savoir b, puisque qu'à l'instant précis où le signal appliqué à son entrée S (qui est le signal fourni par le comparateur) n'était pas encore positif. A l'instant b la bascule est enclenchée mais ne basculera effectivement qu'à l'instant b + Tb. Lors de la description de la figure 1, on a indiqué que la sortie 1 de la bascule est reliée directement à une entrée de poids 1 + E du décodeur digital-analogique 7. Ainsi donc dès que la sortie 1 de la bascule sera posi- tive, le décodeur 7 ne renverra pas au comparateur le compte affiché par le compteur, mais ce compte augmenté de 1 + E qUi est représenté en F'. Le compteur ne commencera son compte qu'à partir de l'instant c, premier instant où le résultat de la comparaison et la sortie I de la bascule sont de m8me polarité. Ce phénomène se reproduit aux instants d et e. A l'constant f - e (e petit), la sortie du comparateur est positive, résultat de la comparaison de la tension d'entrée analogique E et du compte 4 + E (alors que le compte affiché est 3) et commandera donc à l'instant f d'accroitre le compte de +1. A l'instant f, le compte affiché passe à 4 mais le compte réellement comparé passe à 5 + E, la sortie du comparateur deviendra donc négative à l'instant f + T .A l'instant g la sortie du comparateur est négative et c la sortie 1 de la bascule est encore positive puisque la bascule ne commutera qu'à l'instant g + Tb, et le compte affiché par le compteur n'est pas affecté, A l'instant g + Tb, la sortie 1 de la bascule devient donc négative et par là meme l'entrée supplémentaire de poids 1 + e du décodeur n'est plus sollicitée et le comparateur reçoit effectivement le compte affiché décodé, c'està-dire le compte 4. Cependant. dès que le comparateur reçoit le compte 4 décodé, le résultat de la comparaison change de signe et la sortie du comparateur devient positive. A l'instant h la bascule recevra l'ordre de changer d'état et à l'instant h + T b la sortie 1 de la bascule deviendra positive. Et dès que celle-ci sera positive le compte décodé réellement appliqué au comparateur sera 5 + e, le résultat de la comparaison changera de signe et ainsi d suite tant que durera l'équilibre. Comme nous l'avons vu plus haut au commencement de la description du fonctionnement en se référant à la figure 2, pendant tout cet équilibre le compte affiché par le compteur se maintiendra constant et dans notre cas restera égal à 4. Le choix du poids 1 + E pour l'entrée supplémentaire du décodeur apparaI- tra maintenant plus clairement. Les tensions analogiques constantes entra- nant l'apparition d'un état d'équilibre se situent entre les niveaux mp et (m+1) p où m est un nombre entier et p le pas du compteur c'est-àtdire le plus petit poids du décodeur. Pour que ces états d'équilibre soient maîtrisés conformément à l'invention il faudra que le poids supplémentaire ramené à l'entrée soit au moins égal au plus petit poids du décodeur, dans notre cas au moins égal à 1. Pour plus de sécurité et afin de ne pas rencontrer des cas limites instables on a pris un poids légèrement supérieur au plus petit poids du décodeur, dans notre cas on a pris un poids égal à 1 + e. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme et de détails qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS I.- Convertisseur analogique digital du type à rétro-action dans lequel l'amplitude du signal analogique à convertir est continuellement comparée à un signal de référence variable représentant le compte digital d'un compteur, caractérisé en ce qu'il. comprend: des moyens de comparaison pour comparer le signal analogique et le signal de référence, des moyens de décision binaire sensibles aux signaux fournis par les moyens de comparaison et à des signaux d'horloge pour fournir des signaux binaires représentatifs des signaux fournis par les moyens de comparaison, après un retard égal au temps qui sépare deux signaux d'horloge successifs, des moyens de coIncidence sensibles aux signaux fournis par les moyens de comparaison et les moyens de' décision pour fournir des signaux représentatifs de la coincidence dans le temps des signaux fournis par les moyens de comparaison et les signaux fournis par les moyens de décision, des moyens de comptage binaire réversible dont le comptage dans le sens croissant ou dans le sens décroissant est commandé par les signaux fournis par les moyens de coincidence et les signaux d'horloge qui leur sont appliquée, ces moyens de comptage fournissant le signal de sortie digital du convertisseur sous forme parallèle, chaque bit étant affecté d'un poids, et des moyens de décodage digital-analogique sensibles au compte affiché par les moyens de comptage et aux signaux fournis par les moyens de décision binaire, pour décoder le compte affiché par les moyens de comptage ou ce compte augmenté du plus petit poids au moins des poids de décodage des moyens de décodage digital-analogique selon que les signaux fournis par les moyens de décision binaire prennent l'un ou l'autre des deux états binaires. 2.- Convertisseur analogique-digital du type à rétro-action comprenant un comparateur à deux bornes d'entrée et une borne de sortie, une logique de décision à deux entrées dont la première est reliée à la borne de sortie du comparateur et la deuxième est reliée à une source d'impulsions d'horloge, cette logique de décision ayant deux bornes de sortie reliées respectivement aux deux bornes d'entrée de commande de comptage croissant et décroissant d'un compteur réversible dont une troisième borne d'entrée est reliée à la source d'impulsions d'horloge, ce compteur ayant une pluralité de bornes de sortie fournissant la sortie digitale sous forme-parallèle du signal analogique à convertir appliqué à une des bornes d'entrée du comparateur, et un décodeur digital-analogique dont les bornes d'entrée sont reliées aux bornes de sortie du compteur et dont la borne de sortie est reliée à l'autre borne d'entrée au comparateur, convertisseur caractérisé en ce qu'il comprend: une cellule de décision binaire à deux états stables commandés respectivement par une première et une deuxième bornes d'entrées, l'état commandé par la première borne d'entrée correspondant à une première borne de sortie et l'état commandé par la deuxième borne d'entrée correspondant à une deuxième borné de sortie, la première borne d'entrée de la cellule étant reliée à la première borne d'entrée de la logique en décision binaire et la deuxième borne d'entrée de la cellule étant reliée à la borne de sortie d'un inverseur dont la borne d'entrée est reliée à la première borne d'entrée de la logique de décision, cette cellule ayant en outre une troisième borne d'entrée reliée à la deuxième borne d'entrée de la logique de décision. une première porte ET dont les deux bornes d'entrée sont reliées l'une à la borne d'entrée de la logique de décision et l'autre à la première borne de sortie de la cellule et dont la borne de sortie est reliée à la première borne de sortie de la logique de décision, une deuxième porte ET dont les deux bornes d'entrée sont reliées l'une à la borne de sortie de l'inverseur et l'autre à la deuxième borne de sortie de la cellule et dont la borne de sortie est reliée à la deuxième borne de sortie de la logique de décision; et une troisième borne de sortie reliée directement à la première borne de sortie de la cellule, et en ce que le décodeur comprend une borne d'entrée supplémentaire dont le poids est au moins égal au plus petit des poids affectés aux autres bornes d'entrée du décodeur, cette borne d'entrée supplémentaire étant reliée directement à la troisième borne de sortie de la logique de décision binaire.