Brevet FR2492612A1 — publié le 19820423

- 1 2 Procédé et dispositif de conversion analoaique-numérique incrémentale La présente invention a pour objet un conver- tisseur analogique-numérique, permettant de fournir un signal numérique représentatif d'une grandeur d'entrée constituée par un signal électrique analogique. Elle est applicable chaque fois qu'il est nécessaire de fournir une représentation numérique d'une grandeur phy- sique susceptible d'être mesurée par des capteurs à sortie électrique. Elle est notamment utilisable dans des voltmètres et ampèremètres numériques, qui affichent sous forme numérique la valeur d'une tension ou d'un courant. Mais elle est naturellement utilisa- ble aussi lorsque le signal numérique de sortie est appliqué à un système de traitement complexe. Il existe déjà de très nombreux convertisseurs analogique-numérique, dits A/N, destinés à nermettre l'affichage de la grandeur d'un signal d'entrée sous forme d'un nombre décimal directement lisible ou le traitement ultérieur en logique binaire. Ces conver- tisseurs A/N appartiennent à plusieurs types, dont les principaux sont à approximations successives, à inté- gration à simple ou double rampe et stochastiques. Ces divers types de convertisseur ont chacun des avan- tages et des inconvénients qui font que l'on préfère l'un ou l'autre suivant l'impératif prépondérant, par exemple selon que l'on recherche essentiellement un temps de conversion court ou une résolution élevée. Mais les convertisseurs A/N connus présentent des caractéristiques communes qui constituent des incon- vénients dans de très nombreux cas: le signal numérique de sortie est fourni sous forme d'un mot binaire ayant un nombre de bits significatifs fournis en parallèle qui est fonction de la résolution sur la pleine échelle. Lorsqu'on souhaite réaliser le convertisseur sous forme de circuits intégrés, la densité d'intégration augmente de manière exponentielle avec le nombre de bits signi- -2- ficatifs, c'est-à-dire avec la résolution; enfin, le schéma de principe dépend des caractéristiques recher- chées, d'o des problèmes de compatibilité lors de la mise au point d'un système; à résolution donnée, le prix du convertisseur augmente très vite avec la dyna- mique recherchée, par exemple lorsqu'on passe d'une résolution à huit bits à une rcsoIuF'on à seize bits. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de conversion A/N répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce que: le schéma de principe reste im- muable quelles que soient les caractéristiques recher- chées (dynamique et résolution notamment), ce qui conduit à une compatibilité complète; il est réali- sable sous forme de circuits intégrés avec le même nombre de composants et la même densité d'intégration quelles que soient les caractéristiques; et il fournit le signal de sortie sous forme d'impulsions en série. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de conversion A/N, caractérisé en ce qu'on compare un signal électrique analogique d'entrée à deux seuils séparés l'un de l'autre par un intervalle déterminé représentant un pas de quantification; on fait varier simultanément les deux seuils par incré- ments ou décréments égaux au pas, suivant que le si- gnal est égal à l'un ou l'autre des seuils; on crée à chaque variation une impulsion affectée du signe + ou - suivant celui des seuils qui est atteint; et on totalise algébriquement en permanence le nombre des impulsions. L'invention propose également un dispositif de conversion A/N d'un signal électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un échantillonneur-bloqueur destiné à recevoir sur son entrée analogique le signal analo- gique à numériser, des moyens de sommation de la ten- sion de sortie de l'échantillonneur-bloqueur et de signaux de référence + AV et -AV, respectivement; des -3 moyens permettant de comparer, à la tension d'entrée, la somme de la tension de sortie de l'échantillonneur- bloqueur et des signaux +AV et -AV, constituant un pas de quantification; et des moyens logiques reliés aux moyens de comparaison, destinés à émettre une impulsion de mémorisation de la tension d'entrée par- l'échantillonneur-bloqueur lorsque les moyens de comparaison constatent une égalité et simultanément, à émettre une impulsion affectée du signe + ou du -10 signe - suivant le cas. Le dispositif peut comporter une seule voie - fonctionnant en alternance avec les valeurs +AV et -AV. Mais il est de beaucoup préférable d'utiliser deux voies de mesure correspondant à des "fenêtres" de même valeur absolue AV, mais correspondant à des signes opposés. Dans tous les cas,. chaque égalité avec dAV détectée par les moyens de comparaison provoquera l'émission d'une impulsion affectée du signe convena- ble; des moyens de comptage algébrique, tels qu'un compteur-décompteur, seront prévus pour totaliser les impulsions et fournir un nombre qui est une représen- tation linéaire de la grandeur électrique d'entrée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompa- gnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'un mode particulier de réalisation; - - les figures 2, 3 et 4 sont des chronogrammes illustrant le fonctionnement du dispositif de la fi- gure 1; - la figure 5 est un schéma synoptique d'un dispositif conforme au schéma de la figure 1; - la figure- 6, silimaire à la figure 1, montre une. variante. 4 4- Le dispositif montré en figure 1 comprend deux voies parallèles 10a et 10b de même constitu- tion, qui interviennent respectivement lors de l'aug- mentation et de la diminution du signal analogique Vs, appliqué sur une entrée 11. - On décrira tout d'abord la voie 10a. Elle comporte deux comparateurs 12a et 13a dont les entrées + sont reliées à l'entrée 11 de réception du signal Vs, que l'on supposera être une tension. Les entrées - des comparateurs 12a et 13a sont reliées à- des moyens sommateurs respectifs 14a et 15a. Chacun de ces sommateurs reçoit le signal de sortie Vsh d'un échantillonneur-bloqueur 16, désigné sur la figure 1 par son abréviation habituelle S & H. L'entrée analogique 17 de cet échantillonneur-bloqueur 16 est reliée à l'entrée 11. Les moyens de sommation 14a et 15a reçoivent également des tensions de référence fournies par des générateurs respectifs 18a et 19a. Le générateur 19a fournit une tension que l'on appellera 0+, qui, en théorie, est nulle mais, en fait, doit être ajustable pour compenser la tension de décalage éventuel des moyens de sommation 15a ou même du com- parateur 13a. Le générateur 18a de son côté fournit une tension positive + Va, dont la valeur absolue AV correspond à la résolution du dispositif. La seconde voie IOb comporte les mêmes éléments que la voie 10a, affectés, .sur la figure 1, de l'indice b au lieu de a. Toutefois, les générateurs de réfé- rence 18b-et 19b fournissent respectivement des ten- sions stabilisées 0- et - Vb, correspondant encore à la' résolution AV. La sortie des moyens de sommation 14b et 15b attaque cette fois la sortie + des comparateurs respectifs 12b et 13b, dont l'entrée - reçoit le signal -5 - Vs. Les voies 10a et lOb comportent de plus chacune une logique 20a ou 20b qui sera généralement une bascule. Les bascules attaquent en parallèle l'entrée de blocage de l'échantillonneur-bloqueur 16 par l'intermédiaire d'une porte 21 et attaquent également des moyens 22 de comptage incrémental et décrémental. Les entrées d'incrémentation 23a et de décrémentation 23b seront respectivement attaquées par les logiques 20a et 20b. Le fonctionnement du dispositif dont la cons- titution de principe est donnée en figure 1 sera main- tenant décrit en faisant référence aux figures 2, 3 et 4. Dans l'état initial du dispositif, la tension d'entrée Vs sera supposée nulle. Cette condition peut toujours être remplie en interposant, entre la source de tension à mesurer et l'entrée 11, un circuit de re- mise à zéro en cas d'absencede signal d'entrée. La sortie des logiques 20à et 20b est à 1.'Ce 1 est transmis ear la porte OU 21 à l'entrée de commande de l'échantillonneur- bloqueur 13, qui est alors transparent au signal appli- qué sur son entrée. Les signaux délivrés par les moyens de somma- tion à cet instant t0 sont alors respectivement +Va pour 14a, 0+ pour 15a, 0 pour 15b et-Vb pour 14b avec iVai =]Vb. La tension de sortie VsH de l'échantillonneur-bloqueur 16 est égale à Vs, donc à zéro. Les comparateurs reçoivent alors d'une part VS: O;et +Va pour 12a; 0+ pour 13a; 0- pour 13b; -Vb pour 12b. Les moyens de comparaison 12a et 12b ne détec- tant pas d'égalité, leur sortie reste au niveau logique "0". Au contraire, les moyens de comparaison 13a et 13b détectent l'égalité Va = +0 pour 13a, Vb = -0 pour 13b et leur sortie passe au niveau logique "1". - 6 - Les logiques 20a et 20b transmettent alors un signal logique, par exemple "O" à la porte OU 21 qui donne alors un ordre de blocage, par exemple un "0" binaire, à l'échantillonneur-bloqueur 16. Celui-ci jusquelà transparent au signal Vs, donc en état d'échantillonnage, se verrouille et mémorise ainsi la valeur analogique Vs du moment, ici Vsh = Vs = 0. On voit que les comparateurs 12a-13a cons- tituent une "fenêtre" de détection par valeurs positives dont la référence basse est délivrée par les moyens de sommation 15a et la référence haute est délivrée par les moyens de sommation 14a. De même, les moyens de comparaison 13b et 12b constituent une "fenêtre" de détection par valeurs négatives symétriques de la précédente. Si l'on suppose maintenant que la tension Vs augmente, comme illustré sur la figure 2, les moyens de comparaison 13a et 13b ne détectent plus d'égalité. Leur sortie revient au niveau logique 0. L'état des moyens de comparaison 12a et 12b reste inchangé. Les logiques 20a et 20b restent dans leur état précédent et, par conséquent, l'échantillonneur-bloqueur 16 maintient, sur sa sortie analogique, le signal Vsh = 0, valeur précédemment mémorisée. Les moyens de comptage 22 restent dans leur état initial, c'est-à-dire à 0. Lorsque le signal d'entrée Vs atteint la valeur4Va, à l'instant t1, les moyens de comparaison 12a détectent une égalité. Leur sortie passe à l'état J et provoque le basculement de la logique 20a, ce qui provoque l'apparition d'une transition de sortie, de l'état 0 à l'état 1. Cette transition est simultané- ment: - appliquée aux moyens de comptage 22 qui s'incrémentent de 1, transmise par la porte 21 à l'entrée de commande de l'échantillonneurbloqueur 16. Ce signal substitue la nouvelle valeur du signal mesuré Vs = +Va - -N 7 à l'ancienne valeur sur la sortie analogique de 1 'échantillonneurbloqueur. Cette nouvelle valeur Vsth=-Vs=Va+ est appliquée aux moyens de sommation 14a, 15a, 14b, b. Les moyens de comparaison 13a, 13b, 12b n'ayant pas détecté d'égalité n'ont pas changé d'état. On voit qu'à la suite de cette commande de l'échantillonneur-bloqueur 16, les moyens de somma- tion fournissent respectivement sur leur sortie les valeurs +2 Va pour 12a, +Va pour 13a, +Va pour 13b et 0 pour 12b. Les références appliquées aux moyens de comparaison sont décalées de +Va et sont main- tenant celles indiquées par le premier échelon des courbes en escalier 12a, 13a-13b et 12b sur la figure 3. Ce décalage des références de tension provoque le basculement du comparateur 12a, dont la sortie revient à l'état logique 0 dès qu'il ne détecte plus une égalité et du comparateur 13a qui détecte au contraire une égalité et dont la sortie passe de l'état 0 à l'état 1. Les comparateurs 13b et 12b restent par contre dans le même état. Bien que le comparateur 13b constate une égalité entre ses deux entrées, il ne change pas d'état car il est conçu pour ne basculer que lorsque le signal Vs est croissant (détection par valeur négative). Quant au comparateur I2b, il ne constate pas d'égalité. On voit que l'une des entrées de la logique 20a passe de 1 à 0 et que l'autre passe de 0 à 1. Sa sortie bascule de l'état 1 à l'état 0 et en conséquence la sortie de la porte 21 passe à 0, ces deux entrées étant à l'état zéro. L'échantillonneur-bloqueur 16 se trouve bloqué, mémorise la valeur Vs = +Va présente sur son entrée analogique et la fournit sur sa sortie Vsh. Le fonctionnement se poursuit ainsi avec déca- lage successif des références dans le sens croissant, aussi longtemps que la tension Vs augmente. Lorsqu'au - 8 - contraire la tension Vs décroît, à partir de l'instant t2, c'est la seconde voie 10b du dispositif qui inter- vient pour décaler les références par pas successifs AV- dans le sens décroissant. Les signaux qui apparais- sent sur les sorties des comparateurs 12a, 13a, 12b et 13b ont l'allure indiquée sur les lignes correspondantes de la figure 4. La dernière ligne de cette figure montre les signaux rectangulaires brefs appliqués sur l'entrée de commande de l'échantillonneur-bloqueur 16 par la porte 21. Le dispositif dont la constitution de principe est donnée en figure 1 peut être réalisé sous des formes très diverses. On connaît en effet de nombreux compo- sants électroniques capables de remplir les fonctions requises de chacun des composants. Les moyens de référence 18a et 18b peuvent être de n'importe quel type capable de fournir une tension de référence stabilisée avec précision; il peut notamment s'agir de diodes, de diodes Zener et de circuits générateurs de tension stabilisés et présentant une compensation de température. Les moyens de sommation 14a, 15a, 15b et 14b, destinés à fournir la somme de deux signaux analogiques, peuvent être constitués par un circuit à transistors discrets,des amplificateurs opérationnels, etc. Les comparateurs 12a, 13a, 13b et 12b ont pour fonction de fournir un signal logique de sortie qui a une valeur lorsque les signaux analogiques d'entrée sont égaux et une autre valeur lorsque ces signaux sont diffé- - rents: il existe de très nombreux circuits remplissant cette fonction. Les logiques 20a et 20b doivent répondre à une table de vérité qui dépend de la constitution de la porte 21 et de l'échantillonneur-bloqueur 16. En général, on choisira une logique répondant à la table de vérité cidessous (cas de la logique 20a) ou à son inversion logique. - 9 - La porte 21 est de constitution classique: sa table de vérité est choisie en fonction de celles des logiques iOa et 20b. Enfin, les moyens de comptage 22 sont de n'importe quel type permettant de totaliser le nombre d'incréments et le nombre de décréments reçus sur ses entrées. Ils seront généralement asso- ciés à des moyens d'affichage numérique. On voit que le dispositif permet de choisir un pas de quantification AV quelconque, qui peut notam- ment représenter une unité de tension, par exemple 1 mV, 10 mV, 1 V, etc. La sortie des moyens de comp- tage 22 fournira alors une valeur directement lisible en unité courante. Il faut toutefois remarquer que les moyens de comptage doivent affecter un signe à la valeur absolue constitué par le nombre d'incréments. Ce signe peut être déterminé par comparaison entre la valeur initiale, c'està-dire zéro, et la première mesure effectuée: si le premier 1 est dû à une croissance du signal, le comp- teur s'incrémenté normalement et le signe + sera donné par le moyen d'affichage; alors que si le premier 1 est dû à une variation décroissante du signal, le compteur verra ses entrées de comptage et de décomptage inversées par exemple. Le signe négatif - sera affiché. Les impul- sions correspondant à une diminution du signal mesuré incrémentent alors les moyens 22 tandis que les impul- sions correspondant à une augmentation du signal mesuré les décrémentent. Les moyens 22 peuvent être une suite de ccmp- teurs-déccmpteurs munis d'un dispositif de comparaison pour la Entrées Sorties s O O Etat précédent mémorisé 1 O i O _, O, -2492612 - 10 - détection de zéro, un micro-nrocesseur ou tous autres circuits spécialisés.Atitre d'exemple, la figure 5 montre une constitution possible du dispositif fournissant la mesure de la tension Vs sur un afficheur à sept segments, les moyens de comptage étant munis d'un convertisseur binaire-décimal. Sur la figure 5, o les organes correspondant à ceux déjà représentés sur la figure 1 sont désignés par le même numéro de réfé- rence, la voie 10a comprend des-générateurs de réfé- rence 18a et 19a dont l'élément de stabilisation de tension est une diode Zener. Chacun des sommateurs 14a et 15a est formé par des amplificateurs opérationnels dont une entrée est à la masse par l'intermédiaire d'une résistance et dont l'autre entrée reçoit, par des résis- tances en parallèle, la tension de référence et la ten- sion de sortie de l'échantillonneur-bloqueur 16. Les comparateurs sont constitués par des circuits disponi- bles dans le commerce, ainsi aue la logique 20a, qui est une bascule RS classique. La voie 10b peut avoir une constitution identique identique à celle de la voie 10a et, pour cette raison, n'est pas représentée en détail. La logique 21 peut être constituée par une porte OU classique. Lorsque l'on cherche à donner au dispositif un temps de réponse élevé, on aura intérêt à constituer les circuits en transistors bipolaires. On peut en particulier, lorsque le dispositif est constitué en circuits ECL, utiliser les composants suivants: - sommateur: HA 4625 - comparateur: HA 4905 - bascules RS: CD 4044 - portes: CD 4001 - échantillonneur-bloqueur: HA 2425 - compteur-décompteur: ICM 7227 - afficheur: FND 500 - 11 - A condition de disposer d'un échantillonneur-bloqueur suffisamment rapide, il est possible de simplifier le schéma de principe montré en figure 1, en omettant, dans chaque voie, la référence de zéro et les éléments qui lui sont associés. A titre d'exemple, la figure 6 montre un tel dispositif, o les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de réfé- rence. La sortie des comparateurs lOa et lob est ap- liquée à l'une des entrées d'une porte OU 21 en même temps qu'à une entrée correspondante d'un circuit 24 qui fournit une impulsion calibrée d'incrémentation ou -décrémentation du compteur-des compteurs 22 en réponse à chaque impulsion provenant du comparateur. La sortie de la porte OU 21 attaque un circuit de formation d'impulsions calibrées 25, qui peut être constitué par une bascule monostable. L'impulsion calibrée de sortie du circuit 25 doit assurer l'échantillonnage de la tension d'entrée Vs d' éechantillonneur 16 et sa mémorisation. Le fonctionnement correct d'un tel dispositif impose que l'échantillonneur-bloqueur 16 ait une vitesse d'acquisition suffisante pour lui permettre de rattraper la tension Vs appliquée sur son entrée analogique. Il n'est pas nécessaire de décrire le fonction- nement du dispositif de la figure 6, étant donné qu'il découle immédiatement de celui de la figure-1. - 12 - REVENDICATIONS 1. Procédé de conversion A/N, caractérisé en ce qu'on compare un signal électrique analogique d'entrée à deux seuils séparés l'un de l'autre par un intervalle déterminé représentant un pas de quantification; on fait varier simultanément les deux seuils par incré- ments ou décréments égaux au pas, suivant que le signal est égal à l'un ou l'autre des seuils; on crée à cha- que variation une impulsion affectée du signe + ou - suivant celui des seuils qui est atteint; et on tota- lise algébriquement en permanence le nombre des impul- sions. 2. Dispositif de conversion A/N d'un signal élec- trique, caractérisé en ce qu'il comprend un échantil- lonneur-bloqueur (16) destiné à recevoir sur son-entrée analogique (17) le signal analogique à numériser; des moyens de sommation de la tension de sortie de l'échan- tillonneur-bloqueur et de signaux de référence +AV et -AV respectivement; des moyens permettant de comparer, à la tension d'entrée, la-somme de la tension de sor- tie de l'échantillonneur-bloqueur et des signaux de référence +AV et -AV, constituant un pas de quantifi- cation; et des moyens logiques reliés aux moyens de comparaison, destinés à émettre une impulsion de mémo- risation de la tension d'entrée par l'échantillonneur- bloqueur lorsque les moyens de comparaison constatent une égalité et, simultanément, à émettre une impulsion affectée du signe + ou du signe - suivant le cas. 3. Dispositif suivant la revendication 2, carac- térisé en ce qu'il comporte deux voies dont chacune comporte deux comparateurs, l'un des comparateurs (13a, 13b) étant connecté de façon à comparer la tension d'entrée à la somme de la tension de référence + O et de la tension de sortie de l'échantillonneur-bloqueur et l'autre (12a, 12b) étant connecté pour comparer la - tension d'entrée à la somme de la tension de sortie-de l'échantillonneur-bloqueur et du pas +AV ou -AV, sui- - 13 - vant la voie. 4. Dispositif suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que chaque comparateur est associé à un sommateur dont une entrée est reliée à la sortie de l'échantillonneur-bloqueur (16) et l'autre entrée est reliée à un générateur de tension fournissant une tension de valeur absolue égale au pas AV ou une ten- sion nulle, compensation du décalage de tension du sommateur et du comparateur associés. 5. Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens logiques comprennent, dans chaque voie, une bascule (20a) dont les entrées logiques sont reliées au comparateur (12a, 13a) de la voie et comprennent de plus une porte (21) interposée entre les sorties des bascules et l'entrée de commande de l'échantillonneur-bloqueur (16). 6. Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un compteur-décompteur (22) de réception des impul- sions. 7. Dispositif suivant la revendication 2, carac- térisé en ce qu'il comporte deux voies (10a, lob) dont chacune comporte un seul comparateur (12a, 12b) connec- té de façon à comparer la tension d'entrée (Vs) à la somme du pas +AV ou AV, suivant la voie de la tension de sortie de l'écdhantillonneur-bloqueur (16) dont l'en- trée de commande est reliée à la sortie d'une l1gique (24, 25) attaquée par les sorties des comparateurs. 8. Dispositif de convertion A/N d.un signal électrique, caractérisé e. ce qu'il comprend: - des moyens de mémorisation du signal précédemment numérisé, délivrant la valeur analogique de célui-ci sur les entrées de moyens de sommation(14 et 15); les dits moyens de sommation étant montés pour faire la somme de la tension de sortie des moyens de mémorisation et de signaux de références + eV (18 et 19); - 14 - - 14 - 2492612 - des moyens de comparaison(12 et 13)pour comparer, à une tension d'entrée à numériser, la dite somme; - des moyens logiques(20 et 21) reliés aux:.moyens de comparaison et permettant de commander les moyens de mémorisation et simultanément, d'émettre une impulsion affectée du signe + ou - vers des moyens de comptage - décomptage(22).