Brevet FR2576166A1 — publié le 19860718

Convertisseur analogique-numérique non linéaire La présente invention a pour objet un convertisseur analogique-numérique comprenant une horloge, un compteur d'impulsions d'horloge commandant un convertisseur numérique-analogique, et des moyens pour bloquer les impulsions d'horloge lorsque la tension de sortie dudit convertisseur numérique-analogique est égale à la tension analogique à convertir. De tels convertisseurs analogique-numérique, désignés ci-après,pour simplifier, par l'expression abrégée C.A.N., sont utilisés en particulier comme interface entre un capteur sensible à une grandeur physique quelconque et un dispositif d'affichage numérique ou un calculateur. La grandeur de sortie du capteur est une tension électrique analogique dont la valeur dépend de la valeur de la grandeur physique à laquelle est sensible le capteur. La sortie du compteur d'impulsions d'horloge, qui résulte d'un comptage ayant duré un temps proportionnel à la tension analogique à convertir, constitue la sortie du C.A.N, Elle peut être réunie à un dispositif d'affichage numérique permettant la lecture de la grandeur de sortie du capteur ou à un calculateur en permettant l'acquisition. Un tel C.A.N. est donc linéaire, ce qui veut dire que la tension numérique de sortie est proportionnelle à la tension analogique à l'entrée. Comme la plupart des capteurs sont non linéaires, c'est-a-dire que la tension analogique en sortie n'est pas proportionnelle à la grandeur physique à laquelle ils sont sensibles, il en résulte que l'ensemble constitué par le capteur non linéaire et le C.A.N. précédent est non linéaire. Comme il y a beaucoup d'avantages à travailler avec des ensembles linéaires on est amené à placer après le C.A.N. un dispositif numérique de linéarisation du capteur, constitué par exemple par une mémoire R.O.M. qui fait correspondre à chaque valeur numérique convertie une nouvelle valeur numérique de sortie telle qu'elle corrige la non-linéarité du capteur. Or, cela a pour inconvénient l'utilisation d'une mémoire R.O.M. de grande capacité (il faut autant de cases mémoire que de niveaux d'échantillonnages possibles) demandant un temps de programmation assez long. Ceci est- particulièrement gênant car il faut bien sûr, changer de mémoire R.O.M. lorsque le capteur est remplacé par un autre du même type, mais dont la courbe de réponse est légèrement différente, ou lorsque les caractéristiques du capteur changent par vieillissement par exemple. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. Elle a pour objet, à cet effet un-C.A.N. du type décrit ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comprend de plus un compteur de sortie, et des moyens commandés par la sortie numérique du compteur d'impulsions d'horloge pour faire varier la vitesse de comptage dudit compteur de sortie par rapport à la vitesse de comptage dudit compteur d'impulsions d'horloge. Avec le C.A.N. selon l'invention, il est possible de corriger, de manière interne au C.A.N., les non-linéarités du capteur, ce qui permet de se passer de la mémoire R.O.M. de linéarisation entre le C.A.N. et le dispositif d'affichage ou le calculateur. C'est en remarquant que la linéarité du C.A.N. connu est liée à la double fonction du compteur d'impulsions d'horloge que la demanderesse a eu l'idée du C.A.N. non linéaire objet de la présente invention. La double fonction du compteur d'impulsions horloge est dlune part d'attaquer le convertisseur numérique analogique, désigné ci-après par l'expression simplifiée C.N.A., provoquant ainsi l'augmentation de la valeur de tension de sortie du C.N.A. et d'autre part de fournir la grandeur de sortie du C.A.N. après que la valeur de la tension de sortie du C.N.A. soit passée par la valeur de la tension analogique à convertir. Dans le C.A.N. selon l'invention, le compteur d'impulsions d'horloge continue à attaquer le C.N.A. mais la grandeur de sortie du C.A.N. est fournie par un compteur de sortie indépendant du compteur d'impulsions d'horloge. L'introduction de moyens pour faire varier la vitesse de comptage du compteur de sortie par rapport à la vitesse de comptage du compteur d'impulsions d'horloge permet de rendre le C.A.N. de l'invention non linéaire. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la forme de réalisation préférée du C.A. N. selon l'invention, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: . la figure 1 représente un schéma du C.A.N.seion l'invention; la figure 2 représente de façon schématique la caractéristique entrée-sortie du réseau combinatoire 8 de la figure 1; . la figure 3 représente l'évolution de la sortie numérique S du compteur de sortie 13 en fonction de la sortie numérique H du compteur d'impulsions d'horloye 5 de la figure 1. En référence à la figure 1, la tension analogique à convertir VA est appliquée à l'entrée plus d'un comparateur analogique 1. Le connecteur de sortie du comparateur analogique 1 est réuni à une des entrées d'un circuit ET 2. Un circuit d'horloge 3 est connecté d'une part à l'autre entrée du circuit ET 2 et d'autre part à un compteur 5 bits 4, dont la broche de sortie correspondant au bit de plus fort poids est réunie à un compteur 8 bits d'impulsions d'horloge 5. Le bus 6 de 8 conducteurs parallèles qui est le support de la sortie numérique H de compteur d'impulsions d'horloge 5 est réuni à- un C.N.A.7. Les trois conducteurs du bus 6 qui constituent les supports des trois bits de plus fort poids H5, H6, H7 de la sortie numérique H sont réunis à un réseau combinatoire 8. Le connecteur sortie du C.N.A. 7 est réuni à l'entrée moins du comparateur 1. La sortie du réseau combinatoire 8 est constituée par un bus 9 de 7 conducteurs parallèles réunis à une -entrée d'un comparateur numérique 7 bits 10. L'autre entrée du comparateur numérique t0 est un bus 12 de 7 conducteurs parallèles constituant la sortie d'un compteur 7 bits 11 dont l'entrée est réunie à la sortie du circuit ET 2. La broche 15 de remise à zéro du compteur il est réunie à la sortie du comparateur numérique 10. La sortie du comparateur numérique 10 est connectée au compteur de sortie 13 dont la sortie numérique S sur le bus 14 constitue la sortie du C.A.N. de l'invention. Après avoir décrit le convertisseur de l'invention, abordons-en le fonctionnement. La tension analogique à convertir VA est supposée positive. Par ailleurs, avant chaque opération de conversion, tous les compteurs du convertisseur de l'invention sont remis à zéro par application d'un signal approprié sur leurs entrées de remise à zéro, non représentées sur la figure 1 à l'exception de l'entrée 15 de remise à zéro du compteur 11. Les impulsions d'horloge sortant du circuit d'horloge 3, et dont la fréquence de recurrence est F, sont appliquées à l'entrée du compteur 4. Celui-ci se comporte comme un diviseur de fréquence de récurrence par 32, puisque le compteur 4 est un compteur 5 bits, et que la broche de sortie est la broche correspondant au bit de plus fort poids. C'est donc un train d'impulsions'd'horloge de fréquence de récurrence F/32 qui est appliqué au compteur 5, dont la sortie numérique H part de zéro et augmente de fa con proportionnelle au temps écoulé depuis l'instant de début de la conversion. Il en est de même pour la sortie analogique du C.N.A. 7. La sortie du -comparateur analogique est donc au niveau haut entre l'instant de début de la conversion et l'instant où la sortie du C.N.A. 7 passe par la valeur analogique à convertir VA, c'est-à-dire pendant un temps proportionnel à VA. Les impulsions d'horloge passent donc à travers le circuit ET 2 pendant ce temps. Elles sont comptées par le compteur 7 bits 11, dont la sortie numérique est réunie au comparateur numérique 10. L'autre entrée de ce comparateur numérique 10 est réunie à la sortie du réseau combinatoire 8, dont la figure 2 caractérise le fonctionnement. Sur cette figure1 on a porté en abscisse les valeurs de H, ainsi que les valeurs des trois bits de plus fort poids H5, H6 et H7 correspondants qui constituent les entrées du réseau combinatoire 8. On a porté en ordonnée la valeur du mot de 7 bits Pi présent sur le bus 9 de 7 lignes constitué par les sorties du réseau combinatoire 8. En début de conversion, tant que H reste inférieur à 32, on voit que Pi est égal à 32. Le comparateur 10 délivre une impulsion de sortie qui remet à zéro le compteur 11 chaque fois que la sortie numérique de ce dernier atteint la valeur 32. Le train d'impulsions qui attaque le compteur de sortie 13 a donc une fréquence de récurrence égale à F/32. La sortie S du compteur de sortie 13 est donc la même que la sortie H du compteur d'impulsions d'horloge 5, comme le montre la figure 3. Lorsque H atteint la valeur 32, le bit H5 passe à 1 et la sortie Pi du réseau combinatoire 8 passe à 40. Le comparateur 10 délivre une impulsion de sortie qui remet à zéro le compteur 11 chaque fois que la sortie numérique de ce dernier atteint la valeur 40. Le train d'impulsions qui attaque le compteur de sortie 13 a donc une fréquence de récurrence égale à F/40. La sortie S du compteur de sortie 13 évolue donc moins vite que la sortie H du compteur d'impulsions d'horloge 5, et ce dans un rapport 32/40. De même, il est aisé de comprendre que lorsque H atteint la valeur 64, H5 passe à O et H6 à 1, ce qui entraîne le passage de la sortie Pi duréseau combinatoire 8 à la valeur 20, et entraîne que la sortie S va varier plus vite que la sortie H, dans un rapport 32/20. Ainsi, la sortie H du compteur d'impulsions d'horloge étant, au moment du basculement du comparateur analogique 1, proportionnelle à la tension analogique à convertir VA, la sortie S qui se trouve figée à partir de cet instant dépend de VA d'une manière non linéaire. En fait la caractéristique de la sortie numérique S en fonction de la tension analogique V A est linéaire par parties, chaque partie représentant un huitième (3 bits) de la variation totale possible de VA. Bien entendu, les valeurs de Pi précédemment données ne sont que des exemples destinés à faciliter la compréhension et il est clair, que dans un cas pratique, les valeurs de Pi sont choisies de façon à ce que les non-linéarités du capteur placé avant le convertisseur se trouvent compensées par les nonlinéarités du convertisseur lui-même. il est remarquable que dans la réalisation proposée où l'échantillonnage se fait sur 256 niveaux (8 bits), un réseau combinatoire de la complexité de 8 mots de 7 bits permet de linéariser la courbe alors qu'il faudrait avec la solution connue une R.O.M. de 256 mots de 8 bits. il convient de remarquer cependant que la qualité de la linéarisation est en toute rigueur moins bonne, puisque les non-linéarités du capteur sont compensées par une courbe à huit pentes au lieu de l'être point à point. Cependant, si cela s'avère nécessaire, on peut augmenter le nombre de pentes en augmentant légèrement la complexité du réseau combinatoire (16 pentes = 4 bits d'entrée, 32 pentes = 5 bits d'entrée) et ceci est rarement le cas car les capteurs les plus courants présentent généralement des non linéarités "douces il est évidemment possible de remplacer le réseau combinatoire 8 précédemment décrit par une mémoire R.O.M. La tension analogique à convertir V a été supposée positive. S'il devait ne pas en être ainsi, un circuit décaleur additionnant une tension continue positive égale à la valeur négative maximale de V A pourrait être placé en amont du C.A.N. de l'invention, la valeur numérique S de la sortie étant décodée en conséquence. Par ailleurs, le compteur 4 qui divise la fréquence d'horloge afin de permettre une plus grande souplesse dans le choix des pentes, peut être supprimé si on peut se contenter de travailler avec des pen-tes de valeurs égales à des inverses de nombres entiers, Enfin, l'ensemble constitué du compteur 11, du réseau combinatoire 8 et du comparateur 10, ensemble qui se comporte comme un diviseur par un nombre entier variable, est ici commandé par la sortie numérique (H5, H6, H7) du compteur d'impulsions d'horloge, compte tenu de l'application souhaitée. il est également' possible de commander la division précedente par d'autres données, par exemple celles issues d'un capteur de température placé au voisinage- du capteur précédent, pour compenser les variations de la réponse du capteur dues aux variations de la température. Revendications 1. Convertisseur analogique-numérique comprenant une horloge (3), un compteur d'impulsions d'horloge (5) commandant un convertisseur numérique-analogique (7), et des moyens (1,2) pour bloquer les impulsions horloge lorsque la tension de sortie dudit convertisseur numériqueanalogique est égale à la tension analogique à convertir (VA), convertisseur analogique-numérique caractérisé par le fait qu'il comprend de plus un compteur de sortie (13), et des moyens (4,8-1?) pour faire varier la vitesse de comptage dudit compteur de sortie (13) par rapport à la vitesse de comptage dudit compteur d'impulsions d'horloge(5). 2. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication l, caractérisé par le fait que lesdits moyens (4,8-12) pour faire varier les vitesses de comptage sont commandés par la sortie numérique (H) dudit compteur d'impulsions d'horloge. 3. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens (4,8-12), pour faire varier les vitesses de comptage, comprennent un circuit diviseur de fréquence (4) divisant par un nombre fixe, placé en amon-t du compteur d'impulsions d'horloge (5) et un ensemble diviseur de fréquence (8-12), divisant par un nombre dépendant de la sortie numérique dudit compteur d'impulsions d'horloge (H), placé en amont du compteur de sortie (13). 4. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit ensemble diviseur de fréquence (8-12) placé en amont du compteur de sortie comprend un troisième compteur (li), un circuit (8) commandé par la sortie numérique dudit compteur d'impulsions d'horloge (H) pour produire en sortie le nombre par lequel la fréquence est divisée, et un comparateur numérique (10) pour comparer la sortie dudit troi sième compteur (11) et dudit circuit (8) et remettre à zéro ledit troisième compteur (ll) en cas d'égalité. 5. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit circuit (8) commandé par la sortie numérique dudit compteur d'impulsions d'horloge (H) est un réseau combinatoire. 6. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit circuit (8) commandé par la sortie numérique dudit compteur d'impulsions d'horloge (H) est une mémoire ROM. 7. Convertisseur analogique-numérique selon l'une des revendications 3, 4, 5 et 6, caractérisé- par le fait que ledit circuit diviseur de fréquence (4) divisant par un nombre fixe, placé en amont du compteur d'impulsions d'horloge (5), est un quatrième compteur dont la sortie est constituée par la broche correspondant au bit de plus fort poids.