Brevet FR2580877A1 — publié le 19861024

CONVERTISSEUR ANALOGIQUE-NUMERIQUE NDN LINEAIRE L'invention concerne un convertisseur analogique numérique non linéaire comprenant, d'une part, un convertisseur linéaire intégré, et d'autre part, pour son utilisation en conversion non linéaire, d'un circuit composé au moins de résistances envoyant une fraction du signal à convertir sur l'entrée de référence du convertisseur. Un tel convertisseur analogique-numérique est connu. L'article publié dans la revue scientifique "IEEE Transactions on nuclear sciences", vol NS 27, N"1, février 1980, page 333, présentant de nouveaux développements sur les convertisseurs en temps et en amplitude, donne quelques exemples d'utilisation de convertisseurs dit "flash'1 utilisés en conversion non linéaire de façon classique, au moyen de résistance ces extérieures qui envoient sur l'entrée de référence une fraction du signal analogique. Cette publication traite d'applications de la conversion analogique-numérique non linéaire en physique des hautes énergies. Dans certaines applications telles que- celles utilisant des chambres a fils, le nombre de voies d'acquisition qui peuvent inclure un convertisseur analogique-numérique est très élevé, par exemple de l'ordre de 1000. Dans un autre type d'applications mises en oeuvre pour la détection de photons gamma, de rayons X ou de neutrons ou de positons, on utilise également des systèmes comportant un grand nombre de voies d'acquisition. En particulier les caméras à scintillations utilisées en médecine nucléaire comportent par exemple 61 tubes photomultiplicateurs associés à 61 voies d'acquisition. Dans ce domaine également la tendance est d'introduire un convertisseur analogique-numérique dans chacune de ces voies. Lorsque l'on désire pour des raisons économiques utiliser dans ces nombreuses voies d'acquisition des convertisseurs analogiques-numériques de relativement faible résolution (par exemple 6 à 8 bits) et que la dynamique d'entrée des signaux à traiter est supérieure à celle du convertisseur, il est indispensable d'effectuer une conversion non linéaire dans chacune des voies d'acquisition. La solution dite classique rappelée ci-dessus présente des inconvénients liés à la reproductibilité et la stabilité de la fonction de transfert non linéaire cherchée, cette fonction dépendant de caractéristiques internes propres au convertisseur. Pour palier à certains inconvénients on doit procéder à des réglages longs et coO- teux. L'invention a pour objet un convertisseur analogique-numérique non linéaire caractérisé en ce qu'antre le circuit utilisé pour la conversion non linéaire et le convertisseur linéaire est inséré un étage d'adaptation d'impédance. L'impédance de sortie de cet étage nettement inférieure à l'impédance du réseau de résistances du convertisseur rend négligeables les variations de ce dernier et permet ainsi d'éviter les dispersions et les instabilités de la fonction de transfert non linéaire. Dans une forme préférentielle de l'invention, l'étage d'adaptation d'impédance est composé d'au moins un amplificateur placé entre au moins une résistance du circuit et une entrée de référence du convertisseur. L'amplificateur a par ces caractéristiques, l'avantage d'apporter au convertisseur analogique-numérique une stabilité en température et une bonne reproductibilité de la fonction de transfert non linéaire sans nécessiter de réglage d'un convertisseur linéaire à l'autre. Dans une forme particulière de l'invention, l'étage d'adaptation d'impédance comprend un deuxième amplificateur placé sur l'entrée du signal analogique à convertir. Cette forme de construction peut titre utilisable lorsque l'ampli ficateur placé à l'entrée de référence du convertisseur engendre un retard non négligeable du signal de référence par rapport au signal analogique d'entrée. Dans une autre forme particulière de l'invention, l'étage d'adaptation d'impédance est intégré sur le substrat semiconducteur du convertisseur linéaire, lorsque celui-ci est lui-m8me intégré. La description qui suit et les dessins illustrent un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 donne le schéma de principe de montage d'un convertisseur linéaire utilisé en convertisseur non linéaire, montage connu et couramment utilisé. La figure 2 représente le schéma synoptique d'un convertisseur non linéaire avec un étage adaptateur d'impédance conforme à l'invention. La figure 3 montre le schéma de principe de montage d'un convertisseur linéaire utilisé en conversion non linéaire avec un étage adaptateur d'impédance composé d'un amplificateur. La figure 4 montre le schéma de principe de montage d'un convertisseur linéaire utilisé en conversion non linéaire avec un étage adaptateur d'impédance composé de deux amplificateurs. La figure 5 représente un schéma partiel d'un convertisseur avec un étage adaptateur d'impédance intégré, convertisseur utilisé en conversion non linéaire. La figure 1 donne le schéma de principe de montage d'un convertisseur décrit dans l'article publié dans la revue scientifique IEEE Transactions citée ci-dessus. Le circuit intégré 1 du convertisseur analogique numérique est représenté par un rectangle dans lequel sont seulement schématisés les organes d'entrée du convertisseur. Sont représentées, l'entrée 2 du signal analogique et la tension Vi qui lui est appliquée ainsi que l'entrée 3 du signal de référence et sa tension Vref d'entrée, les sorties 4 du si gnal numérique et enfin la mise à la masse 5. Sur le circuit intégré 1 est représenté, en exemple, un convertisseur "flash" et un réseau de résistances r formant la résistance intégrée R3, réseau de résistances divisant la tension de référence Vref et la distribuant sur la série des 2N comparateurs 6 dont dépend la résolution du convertisseur. Dans un exemple, une résolution de N = 8 bits, le nombre de comparateurs est de 256. Le montage du convertisseur linéaire en convertisseur non linéaire peut hêtre réalisé, par exemple, par l'apport de deux résistances R1 et R2. La résistance Rl est connectée entre l'entrée 2 du signal analogique et l'entrée 3 du signal de référence ; la résistance R2 est connectée alors entre l'entrée 3 du signal de référence et une borne d'alimentation de la tension de référence Vo, alimentation non représentée sur le schéma et appliquant une tension Vo sur un point de connexion de la résistance R2. Avec un convertisseur comme représenté sur ce schéma, la fonction de transfert H est donnée par la relation, H + (2N-1) Vi aVi + Vb dans laquelle, H est le numéro de canal, N la résolution du convertisseur analogique-numérique Vi une tension d'entrée analogique a un coefficient de non linéarité fixé par une valeur de la résistance R1, Vb la valeur de la tension Vref de référence lorsque la ten sion analogique Vi appliquée à l'entrée 2 est égale à zéro. Les coefficients a de non linéarité et la tension Vb prennent la forme suivante a = R3 Vb Rî . R3 Vo Rl + R3 > R1 + R3 R2 On remarque que la fonction de transfert est dépendante de R3. Les résistances intégrées sur un substrat semiconducteur ont l'inconvénient d'avoir un coefficient de température élevé, dont l'ordre de grandeur est de 3000pub, coefficient de température qui entraine une variation prohibitive de la valeur R3 du réseau de résistances, en fonction de la variation de température. La valeur nominale de la résistance R3 pouvant varier d'un convertisseur linéaire à l'autre un ajustement du circuit composé de résistances est nécessaire pour obtenir une fonction de transfert identique d'une voie à l'autre. La figure 2 représenta la schéma synoptique d'un convertisseur non linéaire avec un étage adaptateur d'impédance conforme à l'invention. Entre les résistances R1 et R2 et le convertisseur 1 linéaire est inséré un étage adaptateur d'impédance 7 muni d'une part, de deux entrées 8 et 9 dont l'une reçoit la tension analogique Vi à convertir et l'autre la tension existant entre les deux résistances R1 et R2 et d'autre part, de deux sorties 10 et 11 venant se connecter respectivement sur l'entrée 2 du signal analogique et l'entrée 3 de référence du convertisseur. La figure 3 est un schéma de montage montrant dans un exemple de réalisation conforme à l'invention un étage adaptateur d'impédance composé d'un amplificateur Al placé entre l'entrée 9 et la sortie 11, ainsi l'amplificateur de basse impédance de sortie par rapport à l'impédance des résistances R3 du convertisseur est connecté sur l'entrée 3 de référence du convertisseur. Dans le cas d'un convertisseur possédant plusieurs entrées de référence, il peut être alors monté un étage adaptateur d'impédance composé de plusieurs amplificateurs semblables à l'amplificateur Al, chacun des amplificateurs étant connectés sur une entrée de référence. Avec un convertisseur analogique-numérique conforme à l'invention, les coefficients de la fonction de transfert, tels que la valeur a du coefficient de non linéarité et la valeur Vb de la tension de référence prennent la forme : a g(Al) ≈R2 Vb = q(Al) . R1 . Vo Dans la relation définissant la fonction de transfert, les ordres de grandeur de l'impédance de l'étage d'adaptation et du réseau de résistance R3 permettent par simplification d'obtenir les valeurs de a et Vb ci-dessus. La fonction de transfert H n'est plus dépendante de la valeur R3 du réseau de résistances intégrées. Les coefficients a et Vb de la fonction de transfert ne dépendant plus alors que des résistances RI et RZ, et du gain g(Al) de l'amplificateur Al ; l'ajustage des valeurs de R1 et R2 en fonction de R3 n'est plus nécessaire. La figure 4 est un schéma de montage montrant un étage adaptateur d'impédance composé de deux amplificateurs Al et A2. L'amplificateur Al a la même fonction que dans le montage décrit avec la figure 3. Le deuxième amplificateur A2 est connecté entre l'entrée 8 et la sortie 10. I1 se trouve alors placé, dans le schéma du convertisseur non linéaire sur l'entrée 2 analogique dudit convertisseur. L'amplificateur A2, qui peut être de gain égal à 1, a la fonction d'introduire éventuellement un retard égal au retard pris par le signal de référence, lorsque celui-ci est retardé de façon conséquente du fait du temps de transit de 1 'amplificateur Al. L'amplificateur A2 permet aussi de réduire de fa çon non négligeable les erreurs dues aux fluctuations de l'impédance d'entrée sur la tension d'entrée analogique. La figure 5 est le schéma du convertisseur analogique-numérique utilisé en conversion non linéaire comme représenté sur la figure 4, l'étage adaptateur dtimpédance étant alors intégré sur un substrat semiconducteur. REVENDICATIONS 1. Convertisseur analogique numérique non linéaire comprenant d'une part, un convertisseur linéaire intégré, et d'autre part, pour son utilisation en conversion non linéaire, d'un circuit composé au moins de résistances envoyant une fraction du signal à convertir sur l'entrée de référence du convertisseur, caractérisé en ce qu'entre le circuit utilisé pour la conversion non linéaire et le convertisseur linéaire est inséré un étage d'adaptation d'impédance. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage d'adaptation d'impédance est composé d'au moins un amplificateur placé entre au moins une résistance du circuit et une entrée de référence du convertisseur. 3. Convertisseur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'étage d'adaptation d'impédance comprend un deuxième amplificateur placé sur l'entrée du signal analogique à convertir. 4. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étage d'adaptation d'impédance est intégré sur le substrat semiconducteur du convertisseur.