Brevet FR2215755A1 — publié le 19740823

L'invention concerne des perfectionnements aux convertisseurs analogique-numérique Elle a pour but, en particulier, de fournir un convertisseur qui soit de réalisation aisée et qui réponde mieux que jusqu'à ce jour aux desiderata de la pratique. Le convertisseur analogique-numérique conforme à la présente invention comprend des moyens comparateurs numériques; des moyens pour appliquer une séquence de signaux numériques d'une façon cyclique à une première entrée desdits moyens comparateurs ; une source numérique.de référence pour appliquer uh signal de référence numérique à une seconde entrée desdits moyens comparateurs, ces moyens comparateurs étant agencés pour amorcer la production d'une impulsion de sortie chaque fois que le signal numérique cyclique est égal au signal numérique de référence et pour terminer ladite impulsion de sortie en complément d'une séquence de signaux provenant desdits moyens ; un circuit de mise en moyenne pour produire un premier signal analogique représentatif de la valeur moyenne d'un signal de sortie provenant desdits moyens comparateurs ; un comparateur analogique pour comparer ledit premier signal analogique à un second signal analogique qui doit être converti sous forme numérique, la sortie dudit comparateur analogique étant agencée pour régler ledit signal numérique de référence de manière à minimiser la sortie dudit comparateur analogique ; et un circuit qui est connecté entre lesdits moyens comparateurs et ledit circuit de mise en moyenne et qui est, en utilisation, appliqué en synchronisme avec lesdits moyens d'alimentation en signaux numériques, de manière qu'une impulsion de sortie provenant-dudit circuit soit amorcée et terminée respectivement par les impulsions d'horloge suivant immédiatement les changements alternés de l'amplitude de la sortie provenant dudit comparateur, l'agencement étant tel que la sortie de ladite- source numérique de référence va donner une représentation numérique dudit second signal analogique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et qui fait référence aux dessins ciannexés sur lesquels la fig. 1 est un schéma de montage illustrant un exemple de convertisseur analogique-numérique ré-alisé conformément à la présente invention la fig. 2 montre trois formes d'ondes produites en diffé rents points du convertisseur de la fig. 1; la fig. 3 est un schéma de montage montrant une variante du circuit représenté sur la fig. 1; la fig. 4 est un graphique mettant -en évidence les effets de la variante de la fig. 3 les fig. 5 et 6 sont analogues aux fig. 3 et 4, mais concernent une autre variante. Comme on le voit en fig. 1, le convertisseur analogiquenumérique selon l'invention comprend un comparateur numérique 10 qui peut être constitué-par deux circuits additionneurs du genre de ceux fabriqués sous la référence CD 4008, par la Société dite "Radio Corporation of American, la comparaison étant obtenue par l'addition d'une entrée au complément de l'autre. A un jeu d'entrées du comparateur 10, on applique cycliquement une séquence de signaux numériques à sept bits à partir d'un compteur 11, et à un second jeu d'entrées est appliqué un signal de référence numérique à sept bits provenant d'une source de référence numécomportant un compteur 12à comptage/décomptage.Le compteur 11 est alimenté par un générateur d'impulsions d'horloge 13 qui peut être constitué par une bascule de Schmitt formant une porte NON-ET du type Dual et pouvant être constitué par le circuit de référence SN 7413 fabriqué par la Société dite texans Instrument" ce circuit étant connecté aux résistances R1 et R2 et à un condensateur C1, comme on le voit sur la figure,pour fonctionner à 500 kHz. Le compteur Il est remis à 127 par l'impulsion suivante après avoir atteint zéro, de sorte qu'il compte cycliquement entre 127 et zéro.Le compteur 12 à comptage/décomptage est alimenté par une sortie du compteur 11 qui a une fréquence égale à la fréquence d'horloge divisée par soixante-quatre, de sorte qu'il compte ou décompte, selon la nature d'un signal de demande reçu par le comparateur analogique sous forme d'un amplificateur d'erreur 15, à une sortie duquel est appliqué un signal analogique provenant d'un potentiomètre 16 qui peut faire partie d'in transducteur, devant être converti en signal numérique, et à l'autre entrée duquel est appliqué un signal analogique représentatif de la valeur moyenne d'un signal de sortie émanant du comparateur numérique 10. Ce comparateur 10 est connecté pour produire une sortie chaque fois que le compte numérique dans le compteur 11 est inférieur à celui du compteur 12. Ainsi, dans chaque cycle du compteur 11, la sortie est égale à zéro au cours de la phase d'ouverture du cycle, elle change pour devenir un 1 logique lorsque les comptes numériques sont égaux et revient à zéro au démarrage du cycle suivant. Ainsi, la durée d'impulsion va dépendre de la valeur du compte pour le temps concernant le compteur 12 et la valeur moyenne de la tension au comparateur 10 va également dépendre de ce compte. Cependant, en se référant à la fig. 2, on peut voir que la courbe 2(b) représente la sortie du comparateur 10, le tracé en traits interrompus montrant le profil de la forme d'onde idéale alors que le trait continu représente le profil de la forme d'onde réelle obtenue dans la pratique, comme résultat de la charge de stockage à l'intérieur des dispositifs semi-conducteurs qui constituent le comparateur 10. La durée réelle d'impulsion excède la durée d'impulsion désirée et ceci amène fatalement une imprécision dans la tension moyenne. Pour surmonter cet inconvénient, une bascule 17 à déclenchement par front d'impulsion,qui peut être constituée par un circuit intégré de référence SN 7474 fabriqué par la Société dite Texas Instruments, est connectée à la sortie du comparateur et à l'horloge 3 pour produire la forme d'onde représentée en 2(c).Ce circuit fonctionne en commutant sa sortie entre ses deux niveaux logiques en synchronisme avec -les impulsions d'horloge succédant immédiatement aux changements de niveau de la sortie du comparateur. Ainsi, l'impulsion d'horloge appliquée au compteur 11, impulsion qui entraine le changement de la sortie du comparateur, n'a pas d'effet sur la sortie du circuit 17, mais le front de montée de l'impulsion d'horloge suivante commute la sortie du circuit 17 à son autre condition. Comme on le voit sur la fig. 2(c), l'impulsion de sortie correspond à la forme d'onde requise, mais simplement retardée par une période d'impulsion d'horloge. La sortie de la bascule 17 est connectée à un amplificateur 18 du typetpush-pull'! qui, à son tour, applique ses impulsions d'amplitude à un filtre RC passe-bas 19 qui produit une sortie continue représentant la moyenne de temps de la sortie de lam- plificateur 18. Le circuit montré en fig. 1 comprend une ligne d'alimentation 20, une ligne de mise à la masse 21 et deux lignes intermé- diaires 22 et 23. Une chaine de résistances R3, R4 et R5 relie ces lignes pour établir des niveaux de tension fixes sur les lignes intermédiaires, des condensateurs C2 ,C3 et C4 étant connectés en parallèle respectivement avec les résistances R3 , R4 et R5 Les extrémités du potentiomètre 16 sont connectées aux lignes 22 et 23 et le curseur de ce potentiomètre est relié à la ligne 23 par une résistance R6 et un condensateur C5 branché en série et une résistance R7 -qui couple le potentiomètre 16 au comparateur 15 est connectée au point d'intersection de la résistance R6 et du condensateur C5- , de sorte que ces compo-sants agissent en tant que filtres passe-bas pour éliminer le bruit de haute fréquence créé lorsque le curseur du potentiomètre 16 est déplacé. L'amplificateur 18 comprend une chaîne de résistances R8 Rg , R10 et R11 connectées entre. les lignes 20 et 21 ainsi qu'une autre résistance R12 reliant l'intersection des résistances Rg et Rlo à la ligne 20. Deux condensateurs C6 et C7 sont connectés respectivement aux résistances R9 et Rlo . L'entrée de l'amplificateur provenant du circuit 17 est appliquée au point commun aux résistances Rg et Rlo. Un transistor Q1 du type de conductivité pnp a sa base connectée au point commun aux résistances R8 et R9 et son émetteur est connecte a la ligne 22.Un transis- tor Q2 de type npn a sa base connectée au point commun aux résistances R10 et R11 et son émetteur connecté au point commun des deux résistances R13 et R14 connectées en série entre les lignes 22 et 23. Les collecteurs des deux transistors Q1 et Q2 sont connectés ensemble et fournissent la sortie de l'amplifi cateur 18. Le filtre passe-bas .19 est un circuit filtre passif à trois étages consistant en trois résistances R152 R16 et R17 en série et trois condensateurs C8, Cg et ?îo connectant respectivement le point connun aux résistances R15 et R16 , le point commun aux résistances R16 et R17 et l'extrémité opposée de la résistance R17 à la ligne 23 . Le filtre produit une coupure brusque à une fréquence quelque peu plus élevée que la fréquence de répétition d'impulsion de la sortie du circuit 17, c'est-à-dire la fréquence de l'horloge 13 divisée par 128. La sortie du filtre 19 est ainsi un signal continu aplati, d'une grandeur dépendant de la valeur moyenne de l'entrée au filtre, c'est-à-dire du rapport repère/espace de la sortie du circuit 17. Le comparateur 15 comprend un amplificateur opérationnel à circuit intégré 24 à l'entrée négative duquel est reliée la résistance R7 et à l'entrée positive duquel la sortie du filtre 19 est appliquée . L'amplificateur 24 est protégé par une paire de diodes D1 et D2 connectées dans des sens opposés à son entrée et une tension de polarisation est appliquée à la borne positive par une résistance R18 connectée au point commun aux deux résistances R19 et R20 connectées en série entre les lignes 20 et 21. Une résistance R21 de contre-réaction est connectée entre la borne de sortié de l'amplificateur 24 et la- borne négative. La valeur de la résistance R21 est choisie pour limiter le gain de l'amplificateur à environ 125. La sortie du comparateur 15 est appliquée aux circuits détecteurs 25 et 26 à deux niveaux qui détectent si la tension d'erreur provenant de l'amplificateur 24 excède la tension sur la ligne 22 ou est inférieure à la tension sur la ligne 23. Le circuit 25 consiste donc en un transistor Q3 de type npn, avec son émetteur connecté à la ligne 22 et sa base connectée par l'intermédiaire d'une résistance R22 à la ligne 20 et par l'intermédiaire d'une diode D3 à la sortie de l'amplificateur 24. Le circuit 26 consiste en un transi-stor Q4 de type npn avec son émetteur connecté par l'intermédiaire d'une résistance R23 à la ligne 21 et par l'intermédiaire d'une diode D4 à la sortie de l'amplificateur 24, alors que sa base est connectée à la ligne 23. Les diodes D3 et D4 sont connectées de façon opposée à la sortie de l'amplificateur 24, ctest-à-dire que la diode D3 est reliée à l'amplificateur par sa cathode alors que la diode D4 est connectée à l'amplificateur par son anode. Les collecteurs des deux transistors Q3 et Q4 sont connectés par les résistances respectives R24 et R25 à la-base d'un transistor Q5 de type pnp dont l'émetteur est connecté à la ligne 20 et dont le collecteur est connecté à la ligne 21 par une résistance R26 * Une première connexion de sortie est prise au collecteur du transistor Q5 qui est substantiellement à la tension de la ligne 20 chaque fois que la tension du signal provenant de l'amplificateur 24 est plus élevée que la tension sur la ligne 22 ou plus basse que la tension sur la ligne 23. Un autre transistor Q6 de type pnp a son émetteur connecté à la ligne 20, son collecteur connecté par une résistance R27 à la li- gne 21 et sa base connectée par une résistance R28 au collecteur du transistor Q4 .Une seconde connexion de sortie est prise sur le collecteur du transistor Q6 qui est pratiquement à la tension de la ligne 20 seulement lorsque la tension du signal de sortie de I'amplificateur 24 est inférieure à la tension sur la ligne 23. La première connexion de sortie est connectée à une entrée d'une porte NON-OU 27 par un inverseur 28. Cette porte NON-OU contrôle pe passage des impulsions d'horloge à basse fréquence provenant du compteur 11 et allant au compteur 12, de sorte qu'aucune impulsion ne peut passer au compteur 12 chaque fois que la tension du signal de sortie de l'amplificateur 24 se trouve comprise entre les tensions sur les lignes 22, 23. La seconde borne de sortie est connectée à une porte NON-ET 29, et par un inverseur 31 à une entrée d'une porte NON-ET 30. L'autre entrée de chaque porte 29 et 30 est connectée à la sortie d'impulsion d'horloge à basse fréquence du compteur 11.Ainsi, lorsqu'il existe une sortie provenant de la seconde connexion de sortie, une sortie en forme d'impulsions déphasées de 1800 par rapport aux impulsions d'horloge à-basse fréquence, est fournie par la porte 29 et une sortie continue est délivrée par la porte 30. Les portes 29 et 30 ont leurs sorties connectées respectivement à deux autres portes NON-ET 32 et 33 qui ont leurs autres entrées interconnectées à leurs sorties de sorte que la porte 32 produit une sortie continue lorsqu'il existe une sortie provenant de la seconde connexion de sortie et la porte 33 ne produit aucune sortie lorsqu'il existe une sortie provenant de la seconde connexion de sortie. Les portes 32 et 33 sont connectées aux bornes de détection du compteur 12 de sorte que le sens de comptage est contrôlé pour amener l'état de comptage du compteur 12 à être augmenté par des impulsions atteignant le compteur lorsqu'il existe une sortie provenant de la seconde borne de sortie et à être diminué lorsqu'il n'existe aucune sortie de ce genre et que, par contre, il existe une sortie provenant de la première borne de sortie. Le convertisseur selon l'invention fonctionne de la manitre suivante Lorsque le compte emmagasiné dans le compteur 12 est inférieur à l'équivalent numérique du signal provenant du poten tiomètre 16, le signal moyen du circuit 17 va être inférieur à ce signal du potentiomètre puisque la durée en temps de chaque cycle du compteur Il pour lequel le compte excède celui du compteur 12 va être plus courte qu'elle ne devrait être. Ainsi, la sortie de l'amplificateur 24 va être basse et si elle est plus basse que la tension sur la ligne 23, la porte 27 va laisser passer des impulsions basse fréquence au compteur 12 pour augmenter l'état de compte de ce dernier.Ceci amène la tension du signal à la sortie de l'amplificateur 25 à croître jusqutà ce qu'elle-excède la tension sur la ligne 23, après quoi la porte 27 bloque d'autres impulsions et les empêche d1atteindre le compteur 12. Lorsque l'état de compte du compteur 12 est plus élevé que la valeur numérique équivalente du signal du potentiomètre, cet état de compte est réduit jusqu'à ce que la tension du signal de sortie de l'amplificateur 25 soit inférieure à la tension sur la ligne. Il existe ainsi, une bande neutre dans laquelle aucune impulsion n'est-fournie au compteur 12. La largeur de cette bande neutre est choisie, en vertu du gain- sélectionné de l'amplificateur 25, pour être plutôt moindre que l'incrément analogique correspondant à un incrément de compte numérique égal à 1. Ainsi, si par exemple la valeur analogique réelle correspond à une valeur numérique de 51,4, le compte va être arrêté à 51 ou 52 selon que le compteur 12 opère en comptage ou en décomptage. Si aucune bande neutre n'était prévue, la sortie du compteur 12 oscillerait entre 51 et 52. D'une manière semblable, si le compte correct était exactement 51, le compte oscillerait entre 50 et 52 en raison des tensions parasites. Le circuit décrit ci-dessus présente une fonctionlinéaire entre l'entrée analogique et la sortie numérique. Lorsqu'une fonction non-linéaire est -requise entre ces déux valeurs, par exemple pour compenser la non-linéarité du transducteur, dont le potentiomètre-16 forme une partie, l'amplificateur 18 peut être modifié, comme le montre la fig. 3 ou la fig. 5 La variante représentée sur la fig. 3 implique l'addition d'une résistance R31 entre le collecteur du transistor Q1 et la sortie de 1'amplificateur 18. Comme le montre la fig. 4, la sortie numérique du circuit croît plus rapidement que les signaux analogiques lorsqùe ces derniers sont faibles que lorsqu'ils ont une valeur élevée. Dans la variante représentée en fig. 5, la résistance supplémentaire R32 -est connectée entre le collecteur du transistor Q2 et la borne de sortie. Dans ces conditions, la sortie numérique croit plus lentement aux faibles valeurs qutaux hautes valeurs de entrée analogique (fig. 6). Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précede, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes REVENDICATIONS 1. Convertisseur analogique-numérique, caractérisé par le fait qu'il comprend,en combinaison, des moyens comparateurs numériques ; des moyens pour délivrer cycliquement une séquence de signaux numériques à une première entrée desdits moyens comparateurs ; une source de référence numérique pour délivrer un signal numérique de référence à une seconde entrée desdits moyens comparateurs, ces moyens comparateurs étant agencés pour amorcer la production d'une impulsion de sortie chaque fois que le signal numérique cyclique est égal au signal numérique de référence et pour terminer ladite impulsion de sortie à l'achèvement d'une séquence de signaux provenant desdits moyens ; un circuit de mise en moyenne- pour produire un premier signal analogique représentatif de la valeur moyenne d'un signal de sortie provenant desdits moyens comparateurs ; un comparateur analogique pour comparer ledit premier signal analogique à un second signal analogique qui doit être converti sous forme numérique, la sortie dudit comparateur analogique étant agencée pour régler ledit signal numérique de référence de manière à tendre à minimiser la sortie dudit comparateur analogique ; et un circuit qui est connecté entre lesdits moyens comparateurs et ledit circuit de mise en moyenne et qui, en utilisation, est mis en synchronisme avec lesdits moyens d'application du signal numérique, de manière qu'une impulsion de sortie provenant dudit circuit soit respectivement amorcée et terminée par les impulsions d'horloge succédant immédiatement aux variations -alternées de l'amplitude de la sortie dudit comparateur, l'agencement étant tel que la sortie de ladite source numérique de référence donnera une représentation numérique dudit second signal analogique. 2. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit circuit connecté entre les moyens comparateurs et le circuit de mise en moyenne est une bascule déclenchée par front d'impulsion et se présentant sous forme d'un circuit intégré. 3. Convertisseur analogique-numérique selon l'une quelconque des revendications 1 et'2, caractérisé par le fait que les moyens pour fournir une séquence de signaux numériques aux moyens comparateurs comprennent un générateur d'impulsions dthor- loge et un compteur numérique du type cyclique, alimentés par les impulsions provenant dudit générateur. 4. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la source numérique de référence comprend un compteur numérique à comptage/décomptage alimenté à une fréquence plus basse que la fréquence du générateur d'impulsions d'horloge. 5. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit compteur numérique à comptage/décomptage est agencé pour recevoir des impulsions d'un étage dudit compteur cyclique à une fraction de la fréquence du générateur d'impulsions d'horloge.