Brevet FR2304225A1 — publié le 19761008

L'invention concerne un procédé pour augmenter le pouvoir de résolution de convertisseurs analogique-numérique constitués par un dispositif de maintien d'échantillonnage et un convertisseur analogique-numérique proprement dit. Un convertisseur analogique-numérique complet est représenté dans la figure Bisous la forme d'un schéma bloc. I1 se compose d'une entrée 1, d'un dispositif de maintien d > échan- tillonnage 2 avec une fréquence d'échantillonnage fa = T T est l ntervalle de temps entre deux échantillonnages successKs d'un convertisseur analogique-numérique 3 proprement dit et d'une sortie 9, Ainsi qu'il ressort de la figure lb, le dispositif de maintien d'échantillonnage retient, pendant un certain laps de temps #t # T , le signal x(t) cbronovariable, présent à l'instant d'échantillonnage t t temps pendant lequel le convertisseur analogique-numérique proprement dit effectue la conversion. Lorsque la largeur de bande des signaux est très étroite par rapport à la réciproque du temps de conversion l/a tc du convertisseur analogique-numérique proprement dit, on peut renoncer à un dispositif de maintien d'échantillonnage. Dans ce cas, la plus grande précisionde conversion pouvant être atteinte est limitée par la quantité dont le signal se modifie encore pendant le temps tX tc c On appelle alors tN t c le temps d' ouverture du convertisseur analogique- numérique proprement dit. I1 est désirable que le temps d'ouverture soit aussi bref que possible. Le temps d'ouverture du dispositif idéal de maintien d'échantillonnage est égal àzéro. Ce dispositif retient exactement le signalx(ta) qui se-manifeste à l'instant t a Or, des dispositifs de maintien d'échantillonnage réels possèdent des temps d'ouverture finis qui, pour des applications très rapides, sont de l'ordre de 1 n sec. Ils sont dus à de petits écarts variables (jitter) par rapport à l'instant d'échantillonnage précis. Cette distorsion irrégulière d'échantillonnage tS t a est converti en fluctuations correspondantes du signal de sortie x(ta) du dispositif de maintien d'échantillonnage lorsque la pente x (ta) de la courbe de signal x(t) à l'instant daéchan- tillonnage ta n'est pas égale à zéro.Pour un signal limité en passe-bas à B 4 f a (théorème d'échantillonnage) la plus grande pente possible est max (ta) = Xmax x a lorsque Xmax est l'amplitude maximale du signal admise par l'éten- due de réglage du convertisseur. I1 s'ensuit que le plus -grand écart du signal de sortie par rapport à la valeur correcte est # x = # . fa . #ta xmax Donc, pour une fréquence d'échantillonnage de f a = 1 MHZ et un temps d'ouverture de Ata = 1 n sec , on ne peut pas obtenir une résolution plus favorable que 3 %0. Ceci correspond à une quantification avec 9 bits, y compris le bit de signe. Pour certaines applications,par exemple pour la quantification de signaux haute fréquence pour le traitement numérique des signaux, il faut une haute résolution et une fréquence d'échantillonnage élevée. Des convertisseurs analogiquenumérique proprement dits avec une résolution de 13 à 15 bits et avec un temps de convertion2 t c de 1/u sec, sont actuellement du domaine du possible. Ils exigent un dispositif de maintien d'échantillonnage avec un temps d'ouverture de l'ordre de grandeur de quelques dizaines de p sec. Or, comme indiqué plus haut, les temps d'ouverture des dispositifs de maintien d'échantillonnage disponibles actuellement pour applications très rapides sont de l'ordre de 1 n sec. La tache de l'invention consiste à établir un convertisseur analogique-numérique de l'espèce définie plus haut qui permette d'atteindre les temps d'ouverture~mentionnés ci-dessus. Suivant l'invention,-ce but est atteint par le fait que l'erreur d'échantillonnage attribuable à la fraction prévisible de l'ouverture du dispositif de maintien d'échantillonnage est déterminée et mémorisée en tant que fonction de l'amplitude du signal et de la vitesse de variation de celui-ci et en ce que le résultat considéré de la conversion opérée par le convertisseur analogique-numérique est corrigé par l'erreur d'échantillonnage mémorisée correspondante, en fonction des paramètres correspondants, à savoir l'amplitude du signal et la vitesse de variation de celui-ci. Conformément à une particularité judicieuse du procédé suivant l'invention, les erreurs d'échantillonnage mémorisées sont-avantageusement complétées par un complément qui compense les erreurs de linéarité stables du convertisseur analogique-numérique. Dans un système avantageux pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, il est prévu, en plus du convertisseur analogique-numérique composé d'un dispositif de maintien d'échantillonnage et d'un premier convertisseur analogiquenumérique proprement dit, un étage différenciateur suivi en série d'un convertisseur auxiliaire composé d'un autre dispositif de maintien d'échantillonnage et d'un autre convertisseur analogique-numérique proprement dit, les sorties respectives du premier convertisseur analogique-numérique proprement dit et de l'autre convertisseur,analogique-numérique proprement dit étant connectées aux entrées d'une mémoire non effaçable dont la sortie est raccordée à une première entrée d'un additionneur dont la seconde entrée est connectée à la sortie du premier convertisseur analogique-numérique proprement dit (figure 2). La mémoire non effaçable sera de préférence une mémoire morte (ROM). Le temps d'ouverture se compose de trois fractions. La plus grande fraction est représentée par le "retard as ouver- ture" (aperture delay time). Cette expression désigne la valeur moyenne de ti ta ,c'est-à-dire le retard moyen entre l'instruc- tion d'échantillonnage (instant t) et l'instant d'échantillonnage réel. Cette composante est le plus souvent sans effet gênant, étant donné qu'elle ne correspond qu'à un retard uniforme du signal. Le phénomène dit n distorsion irrégulière d'ouver- tuerez (aperture delay jitter) est plus petit que cette composante cela de quelques ordres de grandeur. Il entrain une détérioration de la résolution du convertisseur analogique-numérique ainsi qu'il est exposé plus haut. La distorsion irrégulière d'ouverture-dépend pour une grande part du signal. Cette composante qui est prévisible à par-tir du signal, sera désignée dans la suite par l'expression "modulation d'ouverture". Il demeure finalement une composante imprévisible et qui résulte donc d'un processus aléatoire pur, composante qui sera dénommée dans la suite "bruit d'ouverture". Dans les dispositifs de maintien d'échantillonnage de bonne qualité, le bruit d'ouverture est, lui aussi, comme le montre l'expérience, de quelques ordres de grandeur inférieur à l'ensemble de la distorsion irrégulière d'ouverture. Ceci offre la possibilité de supprimer la modulation d'ouverture par compensation de la composante prévisible de la distorsion irrégulière et d'abaisser ainsi très notablement le temps d'ouverture qui limite la résolution. La modulation d'ouverture # tmod peut être dérivée du signal #tmod (ta) = a1 . x (ta) + a2 . x(ta) + a3 . x (ta) + ... + b1 . x (ta) + b2 . x (ta) + b3 . x (ta) + + C1 x.(ta) + + termes mixtes. Cette formule générale, qui permet de représenter n'importe quelle dépendance voulue peut être réduite dans la pratique à un petit nombre de termes, sans qu'il en résulte beaucoup d'erreurs, par exemple : #tmod =a1 . x + a2 . x + b1 . x + b2 . x = = f(x, x). L'effet de la modulation d'ouverture sur le signal échantillonné est alors donné par la relation : a xmod (ta) = f (x (ta), x (ta)) . x (ta) = = F (x, x). Une possibilité simple de compensation consiste à déterminer toute la fonction F (x, x) à la stocker dans une mémoire morte (mémoire non effaçable) et à diminuer ensuite chaque donnée échantillonnée digitalisée x(ta), en fonction de la paire de données correspondante x, x, de la valeur xmOd (ta) Un exemple de réalisation avantageux d > un système pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention est représenté dans la figure 2 et sera décrit ci-après d'une manière détaillée. Le signal variable dans le temps x(t), à convertir, est appliqué, à travers une entrée 1, d'une part à un dispositif de maintien d'échantillonnage 2, suivi en série d'un convertisseur analogique-numérique proprement dit 3 à l'aide desquels on obtient les données échantillonnées x (ta) digitalisées, encore affectées d'une erreur due à la modulation d'ouverture et, d'autre part, à un différenciateur 4 suivi en série d'un convertisseur auxiliaire, en vue de l'échantillonnage et de la digitalisation de la dérivée par rapport au temps x (t). Le convertisseur auxiliaire comprend encore un autre dispositif de maintien d'échantillonnage 5, ainsi qu'un autre convertisseur analogique-numérique proprement dit 6 et est calculé pour un petit nombre de bits, compte tenu de l'amélioration de la résolution que l'on désire obtenir dans le système. Des paires de données conjuguées x (ta), x (ta) sont appliquées aux entrées d'une mémoire morte 7, laquelle contient par exemple 1024 données correctrices, ce qui embrasse tout le domaine numérique pour les grandeurs grossièrement quantifiées x et ;;c. Partant de la mémoire morte, une donnée correctrice fi Xmod (ta) = F (x (t (ta) x (t )) qui correspond à la paire de données x (t a a a' x (ta) présente à l'entrée, est appliquée à une première entrée d'un additionneur 8. Vu qu'à la seconde entrée de l'additionneur est simultanément présente la donnée échantillonnée x (ta), digitalisée par le convertisseur analogique-numérique 3, on obtient à une sortie 9 une donnée échantillonnée digitalisée, où l'erreur due à la modulation d'ouverture est éliminée par compensation. La limite de l'amélioration de la résolution est fixée par lé bruit d'ouverture, qui ne peut pas etre déterminé à partir du signal. Ce bruit, qui est désigné par l'expression A tbruit de grandeur à la modulation d'ouverture ( # tmod X 250 p sec). Les dispositions décrites ci-dessus permettent de digitaliser une bande d'une largeur de 500 lcHz avec une résolution de 14 à 15 bits. La fonction de correction F (x, x) est encore avantageusement complétée par un complément qui compense les erreurs de linéarité stables du convertisseur. La fonction de correction individuelle d'un convertisseur analogique-numérique peut être déterminée par une analyse de distorsion harmonique avec deux émetteurs de mesure. Les signaux des deux émetteurs de mesure de fréquences inégales f1 l'aide de la transformation de Fourier discrète, vers la région spectrale. Le spectre montre, outre les deux fréquences des émetteurs de mesure et leurs harmoniques, une série de signaux combinés aux fréquences f1 + # fl - f2, 2f1 + f2, 2fl - f2, 2f2 - f1, ..., qui se constituent de la manière connue en soi à la suite des distorsions non linéaires du système "dispositif de maintien d'échantillonnage-convertisseur analogique-numérique", en particulier sous l'effet de la modulation d'ouverture. Les coefficients de l'équation de correction F (x, x) peuvent être calculés à partir de la répartition des signaux combinés. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé qui vient d'entre décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS I. Procédé pour augmenter le pouvoir de résolution de convertisseurs analogique-numérique composés d'un dispositif de maintien d'échantillonnage et d'un convertisseur analogiquenumérique proprement dit, caractérisé en ce que l'erreur d'échantillonnage attribuable à la fraction prévisible de l'ouverture du dispositif de maintien d'échantillonnage est déterminée et mémorisée; n tant que fonction de l'amplitude du signal et de la vitesse de variation de celui-ci et en ce que le résultat considéré de la conversion opérée par le convertisseur analogiquenumérique est corrigé par l'erreur d'échantillonnage mémorisée correspondante, en fonction des paramètres correspondants, à savoir l'amplitude du signal et la vitesse de variation de celui-ci. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les erreurs d'échantillonnage mémorisées sont avantageusement complétées par un complément qui compense les erreurs de linéarité stables du convertisseur analogique-numérique. 3. Système pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est prévu, en plus du convertisseur analogique-numérique composé d'un dispositif de maintien d'échantillonnage (2) et d'un premier convertisseur analogique-numérique proprement dit (3), un étage différenciateur (4) suivi en série d'un convertisseur auxiliaire composé d'un autre dispositif de maintien d'échantillonnage (5) et d'un autre convertisseur analogiquenumérique proprement dit (6) et en ce que les sorties respectives du convertisseur analogique-numérique proprement dit (3) et de l'autre convertisseur analogique-numérique proprement dit (6) sont connectées aux entrées d'une mémoire non effaçable (7) dont la sortie est raccordée à une première entrée d'un additionneur dont la seconde entrée est connectée à la sortie du premier convertisseur analogique-numérique proprement dit (3). 4. Système suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la mémoire non effaçable est une mémoire morte (ROM).