Brevet FR2514586A1 — publié le 19830415

La présente invention concerne les convertisseurs analogique-numérique L'invention porte plus particulièrement sur un convertisseur analogiquenumérique à deux étages dans lequel le premier étage produit un ensemble de bits d'ordre supérieur du signal de sortie numérique, et le second étage produit les bits restants, d'ordre inférieuro En ce qui concerne tout d'abord les convertisseurs numérique-analogique, il est connu de réaliser de tels con- vertisseurs avec deux étages successifs, dans lesquels le premier étage convertit l'ensemble de bits d'ordre supérieur du signal d'entrée en un signal analogique correspondant, et le second étage-convertit les bits restants, d'ordre infé- rieur, pour produire un second signal analogique destiné à ttre ajouté au premier signal analogique Par exemple, le bre- vet US 3 997 892 montre un tel convertisseur dans lequel le premier étage est un convertisseur numérique analogique à chaîne de résistances de type non linéaire qui emploie des résistances de valeurs inégales pour produire une première tension correspondant à un ensemble de bits d'entrée d'ordre supérieur, et le second étage est un convertisseur numérique- analogique à chaîne de résistances de type linéaire qui est conçu de façon à produire une seconde tension correspondant au bits d'ordre inférieur Les convertisseurs à cha ne de résistances ont la propriété souhaitable d'avoir une monotonie garantie, dans la mesure o pour chaque augmentation (ou di- minution) dans le signal d'entrée numérique, il y a une aug- mentation (ou une diminution) correspondante dans le signal de sortie analogique Dans un convertisseur numérique-analo- gique à deux étages tels que celui du brevet précité, dans lequel le premier étage est un convertisseur non linéaire, la tension que produit ce convertisseur varie de façon non uni- forme sous l'effet de variations uniformes du signal d'entrée numérique du premier étage Ainsi, la tension présente aux bornes de la résistance sélectionnée est appliquée au conver- tisseur du second étage de façon qu'il puisse produire une tension intermédiaire entre les deux tensions particulières aux bornes d'extrémité de la résistance qui est sélectionnée par le signal numérique du premier étage. En ce qui concerne maintenant les convertisseurs arnalogique-numérique, de nombreux types différents ont été utilisés depuis très longtemps Au cours de ces dernières années, il est devenu important de doter de tels convertis- seurs d'une résolution accrue, par exemple jusqu'à 16 bits, tout en garantissant un fonctionnement avec une bonne préci- sion L'invention a pour but de procurer un tel convertisseur analogique-numérique perfectionné. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, qu'on décrira ci-après en détail, un convertisseur analogique- numérique comprend des premier et second étages branchés en cascade Le premier étage comprend un convertisseur numérique- analogique à chaine de résistances qui fonctionne sous la dé- pendance d'un registre d'approximations successives de façon à produire un ensemble de bits d'ordre supérieur du signal de sortie numérique Le second étage est ce qu'on appelle un convertisseur intégrateur à double pente qui est conçu de fa- çon à produire les bits d'ordre inférieur restants du signal de sortie numérique L'intégrateur du second étage reçoit un signal de référence obtenu à partir du signal de sortie ana- logique du premier étage, et il est conçu de façon à fonction- ner conjointement à ce dernier de façon à garantir un fonc- tionnement précis pour une conversion à haute résolution. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisa- tion et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma, partiellement sous forme synoptique, montrant un convertisseur analogique-numérique à deux étages conforme à l'invention; La figure 2, est un schéma partiellement sous forme synoptique, montrant un convertisseur numérique-analogique à chaîne de résistances qui est adapté à l'utilisation dans un convertisseur analogique-numérique du type représenté sur la figure 1; La figure 3 est un schéma montrant des détails des réseaux d'éléments de commutation d'un convertisseur numéri- que-analogique à chaîne de résistances semblable à celui de la figure 2; et La figure 4 montre un circuit logique de décodage pour les réseaux d'éléments de commutation de la figure 3. On va maintenant considérer la figure 1 sur laquel- le on voit qu'un convertisseur analogique-numérique 10 confor- me à l'invention comporte une borne d'entrée 12 pour recevoir le signal d'entrée analogique Vin Ce signal est appliqué par des conducteurs 14 et 16 à des éléments de commutation respec- tifs 18 et 20 qui, comme on l'expliquera, sont actionnée en séquence pendant une conversion, par exemple par un circuit d'horloge et de commande utilisant des dispositifs de défini- tion de temps de type classique, et désigné de façon générale par la référence 22 Les éléments de commutation 18 et 20 sont également connectés aux conducteurs de sortie 24, 26 d'un convertisseur numérique-analogique à chaine de résistan- ces, représenté sous la forme d'un bloc sur la figure 28 et constituant un composant fondamental du premier étage du con- vertisseur analogique-numérique. Le circuit du convertisseur numérique-analogique 28 est représenté sur la figure 2, sur laquelle on voit que les conducteurs de sortie 24, 26 du convertisseur sont connectés sélectivement par des réseaux d'éléments de commutation iden- tiques 30, 32 à des bornes d'extrémité respectives de l'une quelconque des résistances de la chaîne, comme celle indiquée en 34 La résistance sélectionnée est déterminée par le signal d'entrée numérique qui est appliqué aux bornes d'entrée numé- riques 36 Le convertisseur 28 est représenté ici sous une forme simplifiée, avec une entrée numérique à 3 bits seule- ment, représentés par Bu, N 1 et B 20 la procédure de conversion analogique-numérique comprend deux phases séquentielles: ( 1) une phase d'approxi- mations successives pour déterminer un ensemble de bits d'or- dre supérieur, et ( 2) une phase d'intégration à double pente pour déterminer les bits restants, d'ordre inférieur L'opé- ration de conversion commence lorsque le circuit d'horloge et de commande 22 fait démarrer la phase d'approximations suc- cessives en fermant l'élément de commutation 18 et en appli- quant un signal de commande de démarrage à un registre d'ap- proximations successives qui est désigné globalement par la référence 40 Les lignes de sortie 42 du registre d'approxi- mations successives sont connectées aux bornes d'entrée numé- rique 36 du convertisseur numérique-analogique 28, ainsi qu'à une section 44 d'un registre de sortie 460 Le registre d'approximations successives 40 est tout d'abord positionné par le signal de commande de démarra- ge provenant du circuit d'horloge et de commande 22 de façon à produire un signal numérique qui fait apparaître en sortie du convertisseur 28 un signal égal à la moitié de la pleine échelle, c'est-à-dire correspondant à un signal d'entrée nu- mérique avec le premier bit BO égal à un " 1 X' binaire Ii'élé- ment de commutation 18 dirige le signal de sortie du conver- tisseur numérique-analogique, ainsi que le signal d'entrée analogique Vin, vers un comparateur 50 qui compare les deux tensions pour déterminer si Vin est supérieur ou inférieur au niveau de sortie du convertisseur numérique-analogique le résultat de cette comparaison est appliqué sous la forme d'un signal logique au registre d'approximations-successives dans lequel le circuit logique habituel modifie de façon correspon- dante le signal numérique qui est appliqué au convertisseur 28. Conformément à des techniques bien connues, le cir- cuit logique du registre d'approximations successives 40 ac- complit séquentiellement un programme d'étapes de prise de décision, jusqu'à ce que le signal d'entrée numérique appli- qué au convertisseur 28 produise sur les conducteurs de sortie 24, 26 des tensions respectives dont les valeurs encadrent le niveau du signal d'entrée analogique Vine Ainsi, les réseaux d'éléments de commutation 30, 32 sélectionnent une résistance 34 dont les tensions aux connexions d'extrémité sont respecti- vement supérieure et inférieure à Vin (à moins évidemment que V soit égal à l'une des tensions de connexion, auquel cas cette tension de connexion est appliquée au conducteur de sor- tie 26 du convertisseur). le signal d'entrée numérique présent sur les bornes 36 du convertisseur 28 est ainsi généré de façon à représenter les bits d'ordre supérieur du signal de sortie numérique final. Ces bits d'ordre supérieur sont appliqués à la section 44 du 4586 registre de sortie 46 L'étape suivante et finale censiste à déterminer les bits d'ordre inférieur restants du signal de sortie numérique. Dans ce but, le circuit d'horloge et de commande 22 déclenche ensuite la seconde phase de la conversion en faisant passer au repos l'élément de commutation 18 (c'est- à-dire en l'ouvrant), et en produisant un signal de commande pour fermer l'él 6 ment de commutation 20, de façon à établir des connexions vers ses poles de gauche (comme il est repré- senté) Ceci applique à l'entrée d'un convertisseur analogi- que-numérique intégrateur à double pente, de type classique, désigné globalement par la référence 60, une tension qui re- présente la différence entre le signal d'entrée analogique Vin et la tension sur la ligne de sortie inférieure 26 (Re- marque: la tension sur la ligne 26 est le signal analogique qui correspond au signal numé,rique BO, B 1, B 2 appliqué au convertisseur 28) Le convrertisseur à double pente 60 intègre cette tension de différence pendant une période fixe à l'avance (par exemple de façon caractéristique 1024 impul- sions d'un signal d'horloge produit par le circuit d'horloge et de commande 22) A la fin de cette période d'intégra-tion, la valeur de la tension intégrée sur le condensateur intégra- teur 62 est proportionnelle au niveau du signal appliqué qui, dans ce cas, correspond à la différence entre le signal d'en- trée analogique Vin et la tension de sortie du convertisseur numérique-analogique 28. Après cette période d'intégration de signal fixée à l'avance, l'élément de commutation 20 est placé (par le circuit d'horloge et de commande 22) sur la position corres- pondant à ses poles de droite, pour effectuer une intégration avec une polarité inverse d'un signal de référence qui appa- ratt sous la forme de la tension entre les lignes 24 et 26, c'est-à-dire la tension aux bornes de la résistance sélection- née 34 de la chaîne de résistances Cette intégration avec une polarité inversée a pour effet de ramener la tension aux bornes du condensateur intégrateur à son niveau de référence initial, à une vitesse qui est déterminée par la valeur du signal de référence, c'est-à-dire par la tension aux bornes de la résistance sélectionnée 34 Un compteur 64 qui peut etre actionné par le circuit d'horloge et de commande 22, compte le nombre d'impulsions d'horloge qui apparaissent pendant cette intégration avec une polarité inversée. Un comparateur 66 détecte le retour de la tension de l'intégrateur au niveau de référence et il arrête le comp- teur 64 à cet instant Le nombre d'impulsions qui est alors enregistré dans le compteur représente, en pourcentage de la période d'intégration initiale fixée à l'avance, l'interpo- nation du signal d'entrée analogique Vin sur la plage de ten- sions apparaissant sur les lignes 24 et 26, de la manière déterminée par la tension aux bornes de la résistance 34 sé- lectionnée par l'action du registre d'approximations succes- sives 40 Ce nombre d'impulsions enregistré est dirigé vers le registre de sortie 46 qui (par des moyens classiques, non représentés) convertit le nombre d'impulsions enregistrées en un nombre binaire correspondant qui est enregistré dans une seconde section 68 du registre de sortie 46, et qui représen- te les bits restants, de faible poids, du signal de sortie. Ainsi, la combinaison des signaux numériques présents dans les sections de registre 44 et 68 fournit le signal de sortie numérique complet qui correspond à V in Comme on l'a noté ci-dessus, le signal numérique re- présenté par le nombre d'impulsions dans le compteur 64 déter- mine en fait une interpolation entre le signal de sortie du convertisseur numérique-analogique 28 (la tension sur la li- gne 26) et le niveau analogique immédiatement supérieur de ce convertisseur (la tension sur la ligne 24) On verra que cette interpolation possède une précision inhérente, du fait que la tension de référence appliquée à l'intégrateur à double pente 60 est l'échelon de tension réel immédiatement supérieur au niveau de sortie du convertisseur 28 De plus, en utilisant cette technique, on peut accomplir très rapidement la conver- sion globale. La figure 3 montre des détails de circuit de ré- seaux de commutation pour un convertisseur numérique-analo- gique du type à chatne de résistances Ce mode de réalisation particulier accepte un signal numérique à quatre bits pour commander la connexion de la chaîne de résistances (au nom- bre de 16) On notera cependant que le principe général est applicable à des convertisseurs de résolution supérieure. Les réseaux d'éléments de commutation 30 a, 32 a sont conçus de façon que lorsque le signal numérique change, pour modifier la tension sélectionnée d'un pas analogique complet, l'une des tensions sur les conducteurs de sortie 24 a, 26 a du réseau demeure inchangée, et l'autre tension de conducteur change de deux pas complets et "saute" ainsi la première tension de conducteur (inchangée) Par conséquent, la tension entre les deux conducteurs 24 a, 24 b du réseau prend une polarité inverse. Pour rétablir la polarité correcte de la différen- ce de tension, le quatrième bit actionne un inverseur 70 afin d'inverser les connexions allant des bornes de la résistance aux lignes de sortie 24 b, 26 b Cette inversion rétablit la condition d'origine, ce qui fait qu'un conducteur venant du convertisseur est toujours positif par rapport à l'autre con- ducteur La combinaison des réseaux d'éléments de commutation 30 a, 32 a, commandés par un circuit logique, et de l'inverseur utilise moins de composants coûteux que les réseaux d'élé- ments de commutation classiques permettant d'atteindre le m 9- me résultat final. Tous les éléments de commutation des réseaux 30 a, 32 a sont représentés sous la forme de dispositifs de type MOS, et l'inverseur 70 est constitué de façon similaire par des dispositifs de type MOS Les bornes de commande des éléments de commutation sont marquées avec les identificateurs de si- gnaux logiques correspondants tels que A, A, etc La figure 4 montre les détails d'un circuit logique approprié, 72, pour produire ces signaux logiques. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent 4 tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 Convertisseur analogique-numérique comportant des premier et second étages qui peuvent fonctionner séquen- tiellement pour produire respectivement un premier ensemble de bits d'ordre supérieur et un second ensemble de bits d'ordre inférieur qui constituent conjointement un signal de sortie numérique correspondant à un signal d'entrée analogique, caractérisé en ce qu'il comprend: (A) un con- vertisseur numérique-analogique ( 28) qui fait partie du premier étage et qu'on peut faire fonctionner pour produire sur une ligne de sortie ( 24, 26) un niveau quelconque parmi un groupe de niveaux de signal analogique discrets qui diffèrent progressivement, conformément à un signal d'entrée numérique qui est appliqué à ce convertisseur numérique- analogique; un circuit de canmnde ( 18, 20, 22, 40, 50, 64) qui réagit à la fois au signal d'entrée analogique et au signal de sortie numérique présent sur la ligne de sortie ( 24, 26), et qui peut fonctionner dans une première phase d'une opération de conversion analogique-numérique de façon à comparer les signaux analogiques d'entrée et de sortie et à produire un signal d'entrée numérique pour le conver- tisseur numérique-analogique ( 28) qui place le signal de la ligne de sortie à l'un desdits niveaux qui suit immédiate- ment la valeur du signal d'entrée analogique, ce signal d'entrée numérique constituant le premier ensemble de bits d'ordre supérieur; et (B) un convertisseur analogique- numérique ( 60) qui fait partie du second étage, le circuit de commande fonctionnant dans une seconde phase de l'opé- ration de conversion analogique-numérique de façon à diriger vers le convertisseur analogique-numérique ( 60) un signal de sortie du premier étage, et de façon à actionner le convertisseur analogique-numérique pour qu'il produise l'ensemble de bits d'ordre inférieur basé sur ledit signal de sortie et ledit signal d'entrée analogique. 2 Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier étage comprend en outre un dispositif ( 30, 32, 34) pour produire un signal de référence représentant 1) ledit signal analogique de sortie et 2) le niveau suivant parmi les niveaux de signal analo- gique discrets qui en association avec le signal de sortie analogique encadre la valeur du signal d'entrée analogique, ledit circuit de commande servant au cours de ladite seconde phase de l'opération de conversion analo- gique-numérique à diriger au convertisseur analogique- numérique ( 60) ledit signal de référence avec ledit signal d'entrée analogique et faire fonctionner le convertisseur analogique-numérique ( 60) pour qu'il engendre ledit en- semble de bits d'ordre inférieur, fournissant une interpo- lation du signal d'entrée analogique entre les niveaux de signal d'encadrement qui sont définis par le signal de sortie analogique et par le niveau suivant parmi les niveaux de signal analogique discrets. 3 Convertisseur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le convertisseur numérique-analogique ( 28) est un convertisseur du type à segments et à chafne de résis- tances; et le signal de référence est produit sous la forme de tensions respectives sur une paire de conducteurs ( 24, 26) correspondant auzpotentiels aux bornes d'extrémité de l'une des résistances de la chaîne qui est sélectionnée conformé- ment au signal d'entrée numérique. 4 Convertisseur selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le convertisseur analogique-numérique ( 60) est un convertisseur du type intégrateur. Convertisseur selon la revendication 4, carac- térisé en ce que le convertisseur analogique-numérique ( 60) est un convertisseur du type intégrateur à double pente qu'on peut faire fonctionner pour intégrer tout d'abord dans un premier sens un signal qui correspond à la différence en- tre le signal d'entrée analogique et le signal de sortie ana- logique provenant du premier étage, et ensuite pour intégrer 1 F signal de référence en sens inverse afin de déterminer l'ensemble de bits d'ordre inférieur conformément au rapport des durées d'intégration successives, sous la forme d'une interolat 1 ion entre les deu Lx nivea de signal représentés tr le signal de référenceo 6 Prccédé de conversion d'un signal d'entrée ana- logique en un signal de sortie numérique correspondant, carac- térisé en ce que: (A) on appliq Ue ce signal d'entrée analo- -ique à un premier étage de convertisseur comprenant un con- vertisseur numérique-analogique ( 28) ainsi que des moyens de commande ( 18, 20, 22, 40, 50, 64) qu'on peut faire fonction- -er en association avec ce convertisseur pour produire un o 10 signal d'entrée numérique qui correspond à un signal d'entrée analogique; (B) on fait fonctionner le premier étage pour roduire le signal Centrée numérique de façon qu'il constitue -n ensemble de bits d'ordre supérieur du signal de sortie nua- érique final correspondant à un signal d'entrée analogique, ce convertisseur numérique-analogique ( 28) produisant un si- gnal de sortie analogique qui correspond aux bits d'ordre supérieur; (C) on produit à partir du premier étage de con- vertisseur un signal de référence qui représente à la fois le signal de sortie analogique provenant du convertisseur nu- mérique-analogique ( 28) et le niveau de signal analogique discret immédiatement suivant du convertisseur numériqué-ana- logique qui, en association avec le signal de sortie analogi- que, encadre le signal d'entrée analogique; (D) on applique le signal de référence et le signal d'entrée analogique à un second étage de convertisseur qui comprend un convertisseur- numérique ( 60); et (E) on fait fonctionner le second étage de convertisseur de façon à produire les bits restants, d'or- dre inférieur, du signal de sortie numérique, sous la forme d'une interpolation du signal d'entrée analogique entre les deux niveaux de signal représentés par le signal de référen- ceo 7 Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comprend l'opération consistant à produire le signal de sortie analogique en commandant le convertisseur numérique- analogique ( 28) par un registre d'approximationssuccessives ( 40) et des moyens de commande associés ( 22, 18, 50). 8 o Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération consistant à produire les bits d'ordre inférieur au moyen d'un convertisseur intégrateur à double pente ( 60) qui, dans une première phase de fonction- nement, intègre la différence entre le signal d'entrée ana- logique et le signal de sortie du convertisseur numérique-ana- logique ( 28) et, dans une seconde phase, effectue une intégra- tion en sens inverse en utilisant le signal de référence comme signal d'entrée du convertisseur analogique-numériqueo