Brevet FR2486734A1 — publié le 19820115

"Convertisseur numérique-analogique.." L'invention concerne un convertisseur nllmérique-analogi- que comportant: - un circuit-source de courant pour engendrer plusieurs courants dont les intensités sont pratiquement égales, - un circuit de permutation qui de façon permutante et dans un ordre de succession cyclique commute lesdits cou- rants vers les sorties de ce circuit qui mettent ainsi à dis- position plusieurs courants dans lesquels les intensités de courant continu sont dans un rapport mutuel précis et qui comportent une composante d'erreur de courant alternatif détermirkepar l'inégalité des intensités descourants engen- drés par ledit circuit-source de courant, - une entrée qui reçoit un signal d'entrée numérique, - une sortie sur laquelle il est possible de prélever un signal de sortie analogique déterminé par ledit signal d'entrée numérique, ainsi qu' - un circuit de combinaison qui, en fonction du signal d'entrée numérique, sert à combiner ledit signal de sortie analogique sur la base des courants disponibles sur les sor- ties du circuit de permutation. Dans un tel convertisseur numérique-analogique, on met à profit le principe de permutation dynamique, qui est connu des brevets des EtatsUnis d'Amérique Nos 3 982 172 et 4 125 803 - ces brevets étant cités ici à titre de référen- ce -, et suivant lequel des courants ayant un rapport d'in- tensité mutuel précis sont engendrés du fait que, suivant une configuration permutant de façon cyclique, des courants pratiquement égaux sont commutés vers des sorties ce qui a comme conséquence que l'écart relatif de chacun des cou- rants servant de base apparaît, par rapport à une valeur moyenne, le même nombre de fois par cycle dans chacun des courants de sortie, de sorte que chacun de ceux-ci comporte une composante de courant continu dont l'intensité est dans un rapport très précis evec l'intensité moyenne des courants servant de base, et donc dans un rapport très précis avec chacune des composantes de courant continu des autres cou- rants de sortie. Les écarts mutuels entre les intensités des courants servant de base apparaissent comme composante de courant alternatif dans lesdits courants de sortie, alors qu'en fonction de la fréquence de permutation par rapport à la fréquence de signal la plus élevée et en fonction * du rapport entre les intensités des courants servant de bases, ladite composante de courant alternatif peut être perturban- te ou non. Dans les cas o lesdites composantes de courant alterna- tif peuvent être perturbantes, il est possible de les élimi- ner par filtrage en ajoutant un condensateur de filtrage à chaque sortie du circuit de permutation. De ce fait, il est possible d'effectuer sans problèmes et à l'aide des courants continus résiduels la conversion numérique-analogique avec le circuit de combinaison. Un tel filtrage est affecté par l'inconvénient de l'emploi desdits condensateurs, par exemple 14 condensateurs pour un convertisseur numérique-analogique à 14 bits, condensateurs qui dans la plupart des applications, par exemple dans la technique de signaux à audio-fréquence, doivent être ajoutés à l'extérieur d'un circuit intégré dans lequel est incorporé un tel convertisseur numérique-analogi- que,-ledit emploi des condensateurs nécessitant alors de nom- breuses fiches de connexion supplémentaires. Le but de l'invention est de procurer un convertisseur numérique-analogique dans lequel lesdites composantes pertur- bantes de courant alternatif sont éliminées sans l'ajout de condensateurs aux sorties du circuit de permutation. A cet effet, le convertisseur numérique-analogique conforme à l'invention est remarquable en ce qu'il comporte - un circuit qui, chaque fois sur une période égale à ladite durée de cycle ou à un multiple entier de celle-ci, forme la valeur moyenne du signal de sortie du circuit de combinaison, un circuit qui chaque fois à la fin d'une période de formation de valeur moyenne échantillone le signal de sortie dudit circuit de formation de valeur moyenne, ainsi qu' - un circuit pour faire fonctionner en synchronisme d'une part le circuit de formation de valeur moyenne et le circuit de permutation de façon que ladite période de for- mation de valeur moyenne correspond à ladite durée de cycle ou à un multiple entier de celle-ci, et d'autre part le cir- cuit de combinaison et le circuit de formation de valeur moyenne de façon que durant la période de formation de va- leur moyenne le circuit de comparaison ne change pas d'état. L'invention repose sur l'idée que, bien qu'à première vue le filtrage à la sortie du circuit de combinaison ne soit pas possible en raison de ce que des composantes de modula- tion en croix desdites composantes de courant alternatif et des changements d'état du circuit de combinaison sont pos- sibles dans le spectre de signal, l'élimination des composan- tes de courant alternatif est possible par la formation de la valeur moyenne du signal de sortie du circuit de combinai- son sur une période égale à la durée du cycle de permutation ou à un multiple entier de celle-ci, alors qu'à cette occa- sion l'état dans lequel se trouve le circuit de combinaison ne doit pas changer dans ladite période. L'invention peut encore avoir la particularité que le circuit de formation de valeur moyenne est un intégrateur avec un circuit de remise à l'état initial qui, chaque fois à la fin d'une période de formation de valeur moyenne, remet ledit intégrateur dans son état initial. Ce mode de réalisation peut encore avoir la particula- rité que l'intégrateur est un amplificateur opérationnel qui entre son entrée et sa sortie comporte une première capacité shuntée par un commutateur de remise à l'état initial, alors que le convertisseur comporte une seconde capacité et un circuit de permutation pour raccorder cette seconde capacité à la sortie du circuit de combinaison durant la période de formation de valeur moyenne et pour raccorder ladite capa- cité à l'entrée de l'amplificateur à la fin de chaque pério- de de formation de valeur moyenne. Le convertisseur numérique-analogique réalisé confor- mément à l'invention et utilisé dans un convertisseur analogi- que-numérique dans lequel une entrée de courant de signal analogique est raccordée à la sortie du circuit de combinai- son, peut avoir la particularité qu'à la sortie du circuit de combinaison est raccordée une capacité d'intégration shuntée par un commutateur de remise à l'état initial, et qu'à la sortie du circuit de combinaison est raccordé un comparateur qui reçoit une impulsion d'horloge à la fin de chaque période de formation de valeur moyenne et dont la sortie commande un générateur de signal numérique fournis- sant un signal numérique à la sortie du convertisseur numé- rique-analogique. La description suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre com- ment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est le schéma synoptique illustrant le prin- cipe du convertisseur numérique-analogique conforme à l'in- vention. La figure 2 montre l'allure de quelques signaux pour expliquer ainsi le fonctionnement du convertisseur selon la figure 2. La figure 3 illustre un mode de réalisation possible d'un convertisseur analogique-numérique conforme à l'inven- tion, cette figure montrant plus en détail la réalisation du circuit de formation de valeur moyenne 5. La figure 4 montre schématiquement l'application d'un convertisseur numérique-analogique conforme à l'invention dans un convertisseur analogique-numérique. La figure 1 illustre par un schéma synoptique le prin- cipe d'un convertisseur numérique-analogique conforme à l'invention, tandis que de son côté la figure 2 montre l'al- lure de quelques signaux en vue d'expliquer de la sorte le fonctionnement de ce convertisseur. Le convertisseur des figures 1 et 2 comporte un géné- rateur appelé à engendrer plusieurs courant dont les in- tensités sont dans un rapport précis - dans cet exemple quatre courants il, i2, i3 et i4 ayant les intensités pondérées binaires Iot I 0/2 I0/4 et I0/8 - tel le générateur décrit par exemple dans les brevets des EtatsUnis d'Amérique Nos 3 982 172, et 4 125 803; à ce sujet, on remarque qu'il est possible d'utiliser aussi bien un seul étage qu'un mon- tage en cascade de ce genre d'étages connus. (Voir la figure 6 dudit brevet NO 3 982 172). Le générateur comporte généra- lement une source de courant 1 qui fournit plusieurs courants dont les intensités sont pratiquement égales, ces courants étant fournis à un circuit de permutation 2 qui, commandé à cet effet par un circuit 3 qui par exemple est un registre à décalage, donne lieu à une configuration de liaisons répétée de façon cyclique et qu'aux sorties du circuit de permutation 2 deviennent disponibles les courants désirés il, i2, i3 et i4 dont les intensités sont dans le rapport souhaité. Tout cela est décrit en détail dans lesdits brevets. De cette fa- çon, il se forme les courants i1 à i4. L'allure des courants i1 à i4, de même que celle d'un signal d'horloge c1 commandant le circuit 3, sont illustrées sur la figure 2. Dans l'exemple envisagé, les courants sont répétés en quatre phases de fonc- tionnement du circuit de permutation 2, ces quatre phases définissant une durée de cycle T. Chacun de ces courants a une intensité désirée de courant continu sur laquelle est super- posée une composante de courant alternatif qui est définie par les écarts entre les différents courants fournis par la source de courant 1, alors que sur la durée de cycle T, la valeur moyenne de la composante de courant alternatif est égale à zéro. A l'aide d'une telle série de courants à pondération binaire, il est possible d'effectuer la conversion numérique- analogique. A cet effet, on dispose d'un circuit de combinai- son 4 qui, sur la commande d'un circuit de commande 5 auquel est fourni le signal d'entrée numérique par l'intermédiaire de l'entrée 8, plusieurs parmi les courants il à i4 sont commutés vers la sortie 12 sur laquelle apparaît ainsi un courant de sortie analogique i a. Sur la figure 2, ce courant ia est montré dans le cas o, consécutivement aux instants t0, t1 Z486734 et t2, a lieu la conversion des signaux numériques 1001, (la figure 1 montre l'état correspondant du circuit de combinai- son 4), 1010 et 1000. A ce sujet, on suppose que sous la commande d'un signal d'horloge c2, le circuit de commande 5 opère de façon que le circuit de combinaison 4 ne change d'état qu'au début de chaque cycle, donc dans cet exemple aux instants to, t1, t2 et t3, de sorte que sur chaque cycle T, la valeur moyenne de la composante d'erreur dans le signal de sortie ia est égale à zéro. Le signal de sortie ia est fourni à un circuit de forma- tion de valeur moyenne 6, qui, dans l'exemple envisagé, est supposé être formé par un intégrateur, et qui après chaque cycle T est remis à l'état initial sous la commande d'un signal d'horloge c3. Le signal de sortie iM du circuit 6 présente alors une allure en dents de scie comme le montre la figure 2, et présente également une ondulation qui n'a pas été dessinée pour la simplicité de la figure et qui est la conséquence de la composante d'erreur; après chaque cycle T, la valeur du signal de sortie i est la même que celle qui aurait été obtenue si uniquement la composante de courant continu (98IOt 10/8Io et I0 dans l'exemple envisagé avait été intégrée en raison de ce que sur le cycle la valeur mo- yenne de la composante d'erreur est égale à zéro. A la fin de chaque cycle, c'est-à-dire aux instants to0 ti, t2 et t3, l'intégrateur 6 est ramené à l'état initial, et tout juste avant ceci, sous la commande d'un signal d'horloge c4, la valeur finale de chaque cycle d'intégration est échantillon- née et maintenue à l'aide d'un circuit d'échantillonnage et de maintien sous la commande du signal d'horloge c4. Le si- gnal de sortie i0 à la sortie 9 correspond alors au signal i a exempt de composante d'erreur, et est décalé d'un seul cycle T. En utilisant comme référence un oscillateur 10, un gé- nérateur d'impulsions d'horloge 11 fournit les différents si- graux d'horloge c1 à c4. Il va de soi que dans la pratique il est possible de donner lieu à des retards entre les si- gnaux c1 à c4 qui sur la figure 2 ont été représentés comme se produisant simultanément, de tels retards étant par exem- ple nécessaires pour s'assurer que l'échantillonnage ait lieu avant la remise à l'état initial du circuit de formation de valeur moyenne 6. Au besoin, il est possible à cet effet d'ajouter entre les cycles d'intégration une durée d'attente égale par exemple à une période du signal d'horloge c1. Pour la précision et dans le cas o la largeur de bande disponible le permet, on peut faire effectuer la formation de la valeur moyenne sur plusieurs cycles, cas auquel, à travers le cir- cuit 5, l'entrée de données numériques n'a lieu qu'une seule fois par groupe de plusieurs cycles, ce qui est le cas éga- lement de l'échantillonnage. La figure 3 illustre un exemple de réalisation d'un convertisseur numérique-analogique conforme à l'invention et montre-aussi un exemple détaillé d'un circuit de formation de valeur moyenne 6. Sur ladite figure 3, le rectangle 13 représente la partie du circuit selon la figure 1, avec les circuits 1, 2, 3, 4 et 5. Le circuit de formation de valeur moyenne 6 comporte un amplificateur opérationnel 18 qui, entre sa sortie et son entrée inverseuse, comporte un condensateur 16 shunté par un commutateur de remise à l'état initial 17, desservi par le signal d'horloge c3. La sortie 12 du convertisseur numérique-analogique proprement dit 13, est raccordée à un des contacts d'un commutateur inverseur 15 qui est commandé par le signal d'horloge c3 et dont l'au- tre contact est raccordé à l'entrée inverseuse de l'ampli- ficateur 18, le contact central dudit commutateur 14 étant raccordé à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 18 ain- si qu'à la masse. Dans la pratique, les commutateurs 15 et 17 sont généralement des transistors commutateurs, par exem- ple des transistors à effet de champ. Au cours d'une période de formation de valeur moyenne T, les commutateurs 15 et 17 se trouvent dans leur situation illustrée sur le dessin. Le courant de sortie ia du conver- tisseur numérique-analogique 13 charge alors le condensa- teur 14 et à cette occasion la composante de courant alter- natif est éliminée lors de la charge durant un cycle T.A. à la fin de chaque cycle, le commutateur 15 se met dans son autre position tandis que le commutateur 17 s'ouvre. Sous l'action de l'amplificateur opérationnel 18, la charge qui est présente dans le condensateur 14 est transférée au condensateur 16 et l'entrée du circuit d'échantillonnage 7 est le siège d'une tension constituant une mesure de la valeur moyenne du signal ia sur un seul cycle T. Le circuit 7 ayant pris un échantillon, les commutateurs 15 et 17 re- prennent leur situation illustrée sur le dessin, et le condensateur 16 se décharge. La figure 4 montre l'emploi d'un convertisseur numéri- que-analogique conforme à l'invention dans un convertisseur analogiquenumérique suivant le "successive approximation principe ", principe qui repose sur le fait que le conver- tisseur 13 reçoit à son entrée 8 un signal numérique alors qu'à l'aide d'un comparateur 20, le signal analogique qui en résulte sur la sortie 12 du convertisseur 13 est comparé au signal analogique à convertir 'a' après quoi, en fonc- tion du résultat de cette comparaison, le signal numérique à l'entrée 8 est modifié par l'intermédiaire d'un généra- teur de signal numérique 23, cette procédure pouvant être effectuée plusieurs fois jusqu'à ce que sur l'entrée 8 le signal numérique s'identifie du mieux possible au signal analogique Il, ledit signal numérique représentant alors la valeur numérique du signal analogique Ia Dans ce mode de réalisation, le principe selon l'in- vention trowue son application du fait qu'il existe à l'en- trée du comparateur 20 une capacité intégrée 21 qui, après chaque cycle T, est déchargée à l'aide d'un commutateur 22 commandé par le signal d'horloge c3. Le comparateur 20 re- çoit à cette occasion le signal d'horloge c4 pour effectuer la comparaison seulement à la fin d'une période de forma- tion de valeur moyenne. La période de formation de valeur moyenne ne doit pas - comme le montre la figure 2, être exactement en phase avec le cycle de permutation. La seule condition à respecter est que la période de formation de valeur moyenne soit égale à la durée du cycle de permutation, ou à un multiple de celle-ci. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisa- tion traités dans le présent exposé. La réalisation d'un circuit de formation de valeur moyenne, d'un circuit d'échantillonnage, etc., appartient aux tech- niques connues. REVENDICATIONS 1.- Convertisseur numérique-analogique comportant - un circuit-source de courant (1) pour engendrer plu- sieurs courants dont les intensités sont pratiquement égales; - un circuit de permutation (2) qui de façon permutan- te 'et dans un ordre de succession cyclique commute lesdits courants vers les sorties de ce circuit qui mettent ainsi à disposition plusieurs courants dans lesquels les inten- sités de courant continu sont dans un rapport mutuel pré- cis et qui comportent une composante d'erreur de courant alternatif déterminée par l'inégalité des intensités des courants engendrés par ledit circuit-source de courant, une entrée (8) qui reçoit un signal d'entrée numéri- que, - une sortie (9) sur laquelle il est possible de préle- ver un signal-de. sortie analogique déterminé par ledit si- gnal d'entrée numérique, ainsi qu' - un circuit de combinaison (4) qui, en fonction-du si- gnal d'entrée numérique, sert à combiner ledit signal de sortie analogique sur la base des courants disponibles sur les sorties du circuit de permutation, caractérisé en ce que ce convertisseur comporte: - un circuit (6) qui, chaque fois sur une période égale à ladite durée de cycle ou à un multiple entier de celle- ci, forme la valeur moyenne du signal de sortie du circuit de combinaison, - un circuit (7) qui chaque fois à la fin d'une période de formation de valeur moyenne échantillonne le signal de sortie dudit circuit de formation de valeur moyenne, ainsi qu' - un circuit (11) pour faire fonctionner en synchronisme d'une part le circuit de formation de valeur moyenne et le circuit de permutation de façon que ladite période de for- mation de valeur moyenne correspond à ladite durée de cycle ou à un multiple entier de celle-ci, et d'autre part le il circuit de combinaison et le circuit de formation de valeur moyenne de façon que durant la période de formation de va- leur moyenne le circuit de comparaison ne change pas d'état. 2.- Convertisseur numérique-analogique selon la re- vendication 1, caractérisé.en ce que le circuit (6) de for- mation de valeur moyenne est un intégrateur (18) avec un circuit de remise (17) à l'état initial qui chaque fois à la fin d'une période de formation de valeurs moyennes re- met ledit intégrateur dans son état initial. 3.- Convertisseur numérique-analogique selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que l'intégrateur est un amplificateur opérationnel (18) qui entre son entrée et sa sortie comporte une première capacité (16) shuntée par un commutateur de remise (17) à l'état initial, alors que le convertisseur comporte une seconde capacité- (14) et un circuit de.permutation (15) pour raccorder cette seconde capacité à la sortie (12) du circuit de combinaison durant la période de formation de valeur moyenne et-pour raccor- der ladite capacité à l'entrée de l'amplificateur à la fin de chaque période de formation de valeur moyenne. 4.- Convertisseur numérique-analogique selon la re- vendication 1, utilisé dans un convertisseur analogique- numérique dans lequel une entrée de courant de signal ana- logique (Ia) est raccordée à la sortie (12) du circuit de combinaison (13), caractérisé en ce qu'à la sortie du cir- cuit de combinaison est raccordée une capacité d'intégra- tion (21) shuntée par un commutateur de remise ( 22) à l'état initial, et qu'à la sortie du circuit de combinai- son est raccordé un comparateur (20) qui reçoit une impul- sion d'horloge (c4) à la fin de chaque période de formation de valeur moyenne et dont la sortie commande un générateur de signal numérique (23) fournissant un signal numérique à la sortie du convertisseur numérique-analogique.