Brevet FR2598571A1 — publié le 19871113

La présente invention se rapporte à un convertisseur analogique-numérique avec sous-gammes comprenant un convertisseur analogique-numérique approximatif couplé en série avec deux convertisseurs analogiquesnumériques précis couplés en parallèle. Des convertisseurs analogiquesnumériques rapides sont des blocs critiques incorporés dans des applications de traitement de signaux vidéo et autres signaux numériques. Le traitement vidéo numérique standard peut nécessiter la 10 conversion d'un signal vidéo analogique d'entrée en une séquence d'échantillons numériques à quatre fois la fréquence de sous-porteuse couleur, qui, dans le système vidéo NTSC, est d'environ 14 MHz. Un article intitulé "An 8 MHz CMOS Subbranging 8-bit 15 A/D Converter" de A.G.F. Dingwall et V. Zazzu dans IEEE Journal of Solid State Circuits, Volume SC-20, NI 6, Décembre 1985, décrit un convertisseur analogiquenumérique avec sous-gammes qui nécessite deux phases successives de fonctionnement pour produire un échantillon 20 numérique représentant le signal d'entrée analogique échantillonné. Dans la première phase, le signal d'entrée analogique est comparé à 16 valeurs de référence dans un groupe de 15 comparateurs. La comparaison approximative établit dans laquelle des 16 gammes de valeurs analogiques 25 se trouve le signal d'entrée analogique et produit les quatre bits de poids fort (MSB) du signal numérique de sortie. Le même signal analogique est alors comparé dans un second groupe de 15 comparateurs à une seconde série de 16 valeurs de référence qui sont choisies en réponse à la comparaison approximative. La seconde comparaison précise établit dans laquelle des 16 sous-gammes de valeurs analogiques (dans la gamme déterminée par la comparaison approximative) se trouve le signal d'entrée analogique et 35 produit les quatre bits de moindre poids (LSB) du signal numérique de sortie. Les résultats des première et seconde comparaisons sont combinés pour former un échantillon de 8 bits représentant le niveau du signal d'entrée analogique. Les comparaisons approximative et précise nécessitent des cycles successifs d'horloge pour s'accomplir. Pendant le premier cycle d'horloge, la comparaison approxi5 mative s'accomplit. Pendant le second cycle d'horloge, la comparaison précise s'accomplit en se basant sur les résultats de la comparaison approximative. Ainsi, chaque échantillon de 8 bits nécessite deux cycles d'horloge pour être produit. La technologie actuelle des convertis10 seurs analogiques-numériques de faible prix permet le traitement à une fréquence d'horloge de 16 MHz. Ainsi, le convertisseur analogique- numérique décrit ci-dessus produit des échantillons numériques à une fréquence de 8 MHz. Il est souhaitable de produire un échantillon pour chaque 15 cycle d'horloge et ainsi d'obtenir une fréquence de 16 MHz qui est suffisante pour des applications de traitement de signaux vidéo numériques. Un appareil selon les principes de la présente invention contient un convertisseur analogique-numérique 20 approximatif ayant un orifice d'entrée couplé à une borne d'entrée analogique, une borne de sortie numérique et une borne de sortie indiquant la gamme. Des premier et second convertisseurs analogiques-numériques précis ont chacun un orifice d'entrée couplé à la borne d'entrée analogique, 25 une borne d'entrée de sélection de gamme couplée à la borne de sortie d'indication de gamme du convertisseur analogique-numérique approximatif et une borne de sortie numérique. Les résultats numériques du convertisseur analogique-numérique approximatif et alternativement des 30 deux convertisseurs analogiquesnumériques précis sont combinés pour produire une séquence d'échantillons numériques représentant le signal à la borne d'entrée analogique. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 donne un schéma-bloc d'un convertis5 seur analogique-numérique avec sous-gammes selon les principes de la présente invention; - la figure 2 est un schéma des temps utile à la compréhension du fonctionnement du convertisseur analogique-numérique illustré à la figure 1; - la figure 3 est une représentation schématique partielle, et partiellement sous forme de bloc, d'un convertisseur analogique-numérique selon l'invention; - la figure 4 est un schéma détaillé d'un segment résistif approximatif connecté en parallèle à un élément 15 résistif précis; et - la figure 5 donne un schéma-bloc d'un circuit de combinaison qui peut être utilisé dans le convertisseur analogique- numérique illustré à la figure 1. Sur la figure 1, les lignes fines représentent les 20 connexions porteuses du signal analogique ou du signal d'horloge et les lignes épaisses représentent les connexions porteuses du signal numérique qui peuvent contenir des connexions parallèles multibits. Un signal d'entrée analogique d'une source de signaux analogiques (non représentée) est appliqué à la borne d'entrée analogique 5. La borne 5 est couplée aux bornes d'entrée analogique d'un convertisseur analogiquenumérique approximatif 10 et de convertisseurs analogiquesnumériques précis 20 et 40 respectivement. Le convertisseur 30 approximatif 10 produit, à une sortie numérique, les MSB représentant une approximation numérique approximative du niveau du signal d'entrée analogique. Les MSB sont appliqués à une entrée d'un montage de combinaison 30. Le convertisseur approximatif 10 produit également un signal d'indication de gamme. Le signal d'indication de gamme est appliqué aux bornes d'entrée de sélection de gamme des convertisseurs analogiques-numériques précis 20 et 40 respectivement. Le signal d'indication de gamme peut être un signal numérique pour indiquer quelle gamme des valeurs analogiques contient la valeur du signal analogique d'entrée. Cette indication numérique peut être formée des MSB eux-mêmes. Alternativement, le signal d'indication de gamme peut être formé de signaux analogiques qui définissent les valeurs limites supérieure et inférieure de la gamme des valeurs analogiques contenant la valeur du signal d'entrée analogique, comme cela est illustré dans le brevet US NI 4 542 370 intitulé "Cascade- Comparator A/D Converter" du 17 Septembre 1985 au nom de Yamada et autres. Le signal d'indication de gamme peut également être une combinaison de signaux analogiques et numériques comme cela est décrit dans l'article ci-dessus mentionné de 15 Dingwall et Zazzu. Les convertisseurs précis 20 et 40 produisent, à leurs bornes respectives de sortie numérique,les LSB du signal numérique représentant le signal analogique d'entrée. Ces LSB de sortie sont appliqués aux autres entrées du montage de combinaison 30. Le montage 30 combine les MSB du convertisseur approximatif 30 aux LSB correspondants du convertisseur précis approprié 20 ou 40, et les agence en une séquence d'échantillons numériques de sortie représentant le signal analogique d'entrée. Un montage 50 de commande de séquence produit des signaux d'horloge 110, 120, 140 et 130 qui sont appliqués au convertisseur approximatif 10, aux convertisseurs précis et 40 et au montage de combinaison 30 respectivement. Ces signaux d'horloge contrôlent et ordonnent le fonction30 nement de ces composants comme cela sera décrit en plus de détail ci-dessous. Le montage de commande de séquence peut par exemple contenir un oscillateur pilote (qui peut être verrouillé sur une salve couleur ou une composante de synchronisation horizontale d'un signal vidéo composite) 35 et divers diviseurs de fréquence et montagesiogiques associ és.. Le fonctionnement du convertisseur analogiquenumérique illustré sur la figure 1 sera mieux compris en se référant auxdiagrammesdes temps illustréssur la figure 2. Chacun des convertisseurs analogiques-numériques 10, 20 5 et 40 donnés à titre d'exemple sur la figure 1 contient un circuit d'échantillonnage et de maintien (S/H) qui a une entrée couplée à la borne d'entrée analogique 5. La forme d'onde 101 de la figure 2 illustre une horloge d'échantillonnage qui est appliquée au circuit S/H du convertisseur approximatif 10. La forme d'onde 102 illustre la temporisation de la production des MSB d'échantillons successifs par le convertisseur approximatif 10. L'impulsion la plus à gauche de l'horloge d'échantillonnage 101 conditionne ce circuit S/H pour échantillonner le signal 15 d'entrée analogique au temps A. L'impulsion la plus à gauche suivante le conditionne pour échantillonner au temps B et ainsi de suite. L'impulsion la plus à gauche de la forme d'onde 102 illustre la période de temps o le convertisseur 10 produit les MSB de l'échantillon A 20 (MSB(A)) et ainsi de suite. La forme d'onde 121 illustre un signal d'horloge d'échantillonnage fourni au circuit S/H du convertisseur précis 20. L'impulsion la plus à gauche conditionne le circuit S/H dans le convertisseur 20 pour échantillonner 25 le signal analogique d'entrée au temps A. L'impulsion la plus à gauche suivante le conditionne pour échantillonner au temps C et ainsi de suite. La forme d'onde 122 illustre les périodes de temps o le convertisseur précis 20 produit les LSB du signal analogique d'entrée. Le conver30 tisseur précis 20 ne peut commencer la conversion de l'échantillon A pour produire ces LSB (LSB(A)) tant que le convertisseur approximatiflO n'a pas donné l'information de gamme pour l'échantillon courant A. La période de conversion précise pour l'échantillon analogique A est ainsi retardée jusqu'après l'accomplissement de la conversion approximative de l'échantillon A. La conversion précise est arbitrairement choisie pour commencer au temps B. A la fin de la période de conversion la plus à gauche montrée à la forme d'onde 122, l'échantillon numérique complet représentant le signal d'entrée analogique au temps A est assemblé dans le montage de combinaison 30 et-est rendu 5 disponible, comme cela est illustré dans la séquence de sorties numériques 160, sous la forme de l'échantillon numérique A. Le convertisseur 20 ne commence pas d'autre conversion avant le temps C. La combinaison du convertisseur approximatif 10 et du convertisseur précis 20 produit 10 ainsi un échantillon numérique complet tous les deux cycles d'horloge. En ajoutant le convertisseur analogique-numérique précis 40, un échantillon numérique complet peut être obtenu à chaque cycle d'horloge à la manière suivante. Au temps B, les circuits S/H du convertisseur approximatif et du convertisseur précis 40 échantillonnent le signal d'entrée analogique comme cela est illustré par les formes d'onde 101 et 141. Comme cela est illustré à la forme d'onde 102, le convertisseur approximatif 10 produit les 20 MSB de l'échantillon B. Lorsque le convertisseur approximatif 10 a accompli sa conversion, normalement au temps C, le convertisseur 40 commence la conversion de l'échantillon analogique B pour produire ses LSB (LSB(B)) comme cela est illustré par la forme d'onde 142. Au temps D, l'échan25 tillon numérique complet représentant le signal -d'entrée analogique au temps B est assemblé dans le montage de combinaison 30 et est rendu disponible, comme cela est illustré par la séquence numérique de sortie 160, sous la forme de l'échantillon numérique B. Le convertisseur approximatif 10 produit les MSB des échantillons analogiques à chaque cycle d'horloge et les convertisseurs précis 20 et 40 produisent les LSB des échantillons analogiques à des cycles alternés d'horloge. Ainsi, le convertisseur analogique-numérique illustré à 35 la figure 1 produit un échantillon numérique complet à chaque cycle d'horloge. La figure 3 illustre une configuration plus détaillée d'un convertisseur analogique/numérique à 8 bits selon l'invention. Le convertisseur approximatif 10 contient un élément résistif approximatif 22 ayant 24 prises approximatives (TCi) qui sont placées à des incréments égaux le long de la chaine, 24 compateurs approximatifs, un circuit S/H approximatif 27 et un décodeur/codeur 28 de série logique approximatif. Le convertisseur précis 20 contient une chaîne résistive précise 24 composée de 24 segments, chaque segment étant de plus subdivisé en 24 sous-segments avec (24-1) prises précises qui sont formées entre chacun des 24 soussegments précis. Le segment précis contient également (24-1) portes de transmission par segment pour couplage 4 4 des (24-1) prises d'un sous-segment aux (24-1) comparateurs précis correspondants. Le convertisseur 20 contient de plus un circuit 25 de S/H précis, et un codeur de série logique précis 32. Un convertisseur analogique-numérique précis semblable 40 est couplé en parallèle au convertis20 seur 20. L'élément résistif approximatif est une chaîne d'éléments résistifs de valeur égale, qui sont couplés en srie entre VREF+ et VREF-, les prises étant formées aux jonctions entre les résistances. Une autre prise (comme 25 TC16) peut être connectée à l'extrémité de la résistance (comme R16) qui est connectée à VREF+. L'élément résistif approximatif 22 produit des incréments sensiblement égaux de tension à travers les éléments résistifs qui sont placés entre chaque prise. En conséquence, la tension 30 augmente de manière monotone le long de la résistance approximative de la prise la plus proche de VREF- à la prise la plus proche de VREF+. Le réseau résistif approximatif 22 est une résistance de relativement faible impédance: A titre 35 d'exemple, dans le mode de réalisation de la figure 3, l'impédance totale du réseau 22 entre VREF+ et VREF- est d'environ 500 ohms. Le réseau 22 est divisé en 16 (c'est-à- dire 24) segments approximatifs d'incréments ohmiques sensiblement égaux (comme environ 30 ohms chacun) pour produire 16 échelons sensiblement égaux de tension de référence, qui peuvent être représentés par 4 bits. Dans la description qui suit, on suppose, pour l'illustration, que VREF- est la masse et VREF+ est 6,4 volts. La chute de tension ( aVC) dans chaque segment approximatif est de 400 millivolts, la tension à une prise suivante le long de la chaîne étant plus importante, de 400 millivolts, 10 que la tension à la prise précédente. Il y a 16 comparateurs approximatifs, un comparateur pour chaque prise approximative le long du réseau résistif 22 comprenant un seizième comparateur pour la prise à laquelle est appliquée VREF+. Le seizième comparateur détecte une condition de débordement, c'est-àdire le moment o VEN (la tension du signal à la sortie du circuit 27 de S/H), est plus importante que VREF+ Dans des applications o il n'est pas nécessaire de détecter la condition de débordement, le seizième 20 comparateur peut être éliminé. Les sorties (OCCi) des comparateurs approximatifs sont appliquées à un décodeur/codeur 28 de série logique approximatif qui produit: 1) une indication approximative de la valeur de VEN; et 2) des signaux de commande indiquant les deux prises présentant la valeur de référence incrémentielle qui entourent la tension d'entrée qui est échantillonnée. Le décodeur/codeur de série logique 28 peut être du type utilisé dans les circuits intégrés CA3300 et CA3308 fabriqués par RCA Corp., et décrits dans 30 la feuille de données publiée par RCA Corp. Alternativement, le décodeur/codeur 28 peut être l'un parmi un grand nombre d'agencements décodeurs/codeurs connus pouvant produire les fonctions 1 et 2 notées ci-dessus. Dans le convertisseur précis 20, le réseau résistif 24 est subdivisé en 16 (c'est-à-dire 24) éléments résistifs précis (ou segments précis), chaque élément résistif précis étant connecté en parallèle à un segment approximatif correspondant, comme le montre la figure 4. Chaque élément résistif précis est subdivisé en 24 (ou 16) sous-segments pour produire 24 (ou 16) échelons précis de tension de référence entre chaque paire de prises approximatives [TCi et TCi+1. Comme cela est illustré sur la figure 4, une prise précise (Tfi) est connectéeou formée.aux jonctions d'un sous-segment précis sur deux de chaque élément résistif 10 avec pour résultat 15 prises précises (Tfl à Tfl5) o sont produits 15 niveaux différents de tension de référence précise croissant de manière monotone (Vf1 à Vf15). La valeur ohmique totale de l'élément résistif précis entre une paire de prises approximatives est 15 typiquement égale à 100 fois la valeur ohmique de la résistance approximative (Rc) connectée entre ces deux prises. A titre d'exemple, si la valeur de la résistance approximative est d'environ 30 ohms, la valeur ohmique de l'élément résistif précis est de 3.200 ohms et l'impé20 dance entre deux prises précises est d'environ 200 ohms. Par conséquent, le niveau de tension à chaque prise approximative est principalement déterminé par la résistance approximative. En se référant de nouveau à la figure 3, il y a 25 16 groupes de portes précises de transmission, (TGfi), chaque groupe se composant de 15 portes de transmission (comme le montre la figure 4). Chaque groupe de portes de transmission précises est validé par un signal de commande (fsci) produit par la série logique approximative 28. 30 Pendant le fonctionnement du convertisseur analogiquenumérique, seul un groupe de portes de transmission précises est validé en tout moment. Lorsque le groupe de portes de transmission précises est validé, les 15 prises précises associées à ce groupe sont couplées aux entrées 35 correspondantes de comparateur précis. Les figures 3 et 4 sont destinées à montrer qu'à chaque fois qu'un segment approximatif entoure une section d'entrée, les 15 prises précises (Tfi) contenues dans le segment approximatif qui entoure sont couplées selon leur agencement ordonné via 15 portes de transmission TGfj (1-15), à l'entrée de référence de comparateurs de même ordre. Il y a 15 comparateurs précis (FC1 à FC15) qui sont illustrés sur la figure 3, dont les sorties sont couplées au circuit décodeur/codeur précis 32. Chaque comparateur précis a deux entrées. Une entrée répond à 10 la tension (VEN') à la sortie du circuit de S/H 25 du convertisseur précis 20. L'autre entrée répond à l'une des 15 entrées de tension de référence précises choisies qui lui sont couplées par la porte respective de transmission. Les sorties (OFCi) des comparateurs précis FCi sont appliquées à un circuit décodeur/codeur de série logique précis 32 de la figure 3. Le circuit 32 produit une sortie qui indique la valeur d'une tension d'entrée qui est échantillonnée en ses quatre bits de moindre poids 20 (LSB). Le convertisseur précis 40 est construit de manière identique au convertisseur précis 20 et ne sera pas décrit en détail. La figure 5 montre un circuit de combinaison 30 que l'on peut utiliser dans le convertisseur analogique25 numérique de la figure 1. Les MSB du convertisseur approximatif 10 sont appliqués aux bornes d'entrée de données de verrouillages à quatre bits 302 et 306. Les LSB des convertisseurs précis 20 et 40 sont appliqués aux bornes d'entrée de données de verrouillages à quatre bits 304 et 308 respectivement. Les bornes de sortie à quatre bits des verrouillages 302 et 304 sont concaténées pour former un signal à huit bits qui est acheminé à une borne d'entrée de données A d'un multiplexeur (MUX) 310. Les bornes de sortie à quatre bits des verrouillages 306 et 308 35 sont également concaténées pour former un signal à huit bits qui est acheminé à une autre borne d'entrée de données B de MUX 310. La borne de sortie de données de MUX 310 est couplée à la borne de sortie numérique du convertisseur analogique-numérique. Un signal d'horloge, illustré par la forme d'onde 141 de la figure 2, est appliqué aux bornes d'entrée de validation de verrouillage (en) des verrouillages 302 et 308 et à la borne d'entrée d'établissement (S) d'une bascule ou flip-flop RS 312. Un signal d'horloge, illustré par la forme d'onde 121 de la figure 2, est couplé aux 10 bornes d'entrée de validation de verrouillage (en) des verrouillages 304 et 306 et à la borne d'entrée de rétablissement (R) de la bascule RS 312. La borne de sortie Q de la bascule 312 est couplée à la borne d'entrée de commande de MUX 310. Le fonctionnement du circuit de combinaison 30 sera mieux compris en se référant aux formes d'onde illustrées à la figure 2. Lorsque les MSB de l'échantillon analogique A ont été convertis (au temps B), ils sont introduits dans le verrouillage 302 par l'application de 20 la forme d'onde 141 à son entrée de validation de verrouillage. Lorsque les LSB de l'échantillon analogique A ont été convertis (au temps C), ils sont introduits dans le verrouillage 304 par application de la forme d'onde 121 à son entrée de validation de verrouillage. Au temps C également, la forme d'onde 121 conditionne la bascule 312 pour produire un signal "0" logique à sa borne de sortie. Ce signal "0" logique, qui est appliquéàla borne d'entrée de commande de MUX 310, conditionne MUX 310 pour appliquer le signal à la borne d'entrée de données A à la borne de 30 sortie de données. L'échantillon numérique A est ainsi produit à la borne de sortie numérique au temps C comme cela est illustré par la séquence de signaux numériques de la figure 2. Lorsque les MSB de l'échantillon analogique B ont 35 été convertis (au temps C), ils sont introduits dans le verrouillage 306 par application de la forme d'onde 121 à son entrée de validation de verrouillage. Lorsque les LSB de l'échantillon analogique B ont été convertis (au temps D), ils sont introduits dans le verrouillage 308 par application de la forme d'onde 141 à son entrée de validation de verrouillage. La forme d'onde 141 conditionne également la bascule 312 pour produire un signal "1" logique à sa borne de sortie. Ce signal "1" logique qui est appliqué à la borne d'entrée de commande de MUX 310, conditionne MUX 310 pour appliquer le signal à la borne d'entrée de données B à la borne de sortie de données. 10 L'échantillon numérique B est ainsi produit à la borne de sortie numérique au temps D, comme cela est illustré par la séquence de signaux numériques 160 de la figure 2. Tandis que la séquence ci-dessus se répète, la séquence d'échantillons numériques 160 est produite à la borne de sortie numérique à raison d'un échantillon par cycle d'horloge. Bien que tous les convertisseurs analogiquesnumériques approximatifs et précis avec sous-gammes puissent être utilisés pour les convertisseurs 10, 20 20 et 40, des convertisseurs analogiques-numériques avec sous-gammes du type conversion éclair donneront la meilleure performance. R E V E N D I C A T I ONS 1.- Convertisseur analogique-numérique avec sousgammes, caractérisé par une borne d'entrée analogique (5); un convertisseur analogique-numérique approximatif (10) ayant un orifice d'entrée analogique couplé à ladite borne d'entrée, une borne de sortie numérique et une borne de sortie d'indication de gamme; des premier (20) et second (40) convertisseurs 10 analogiques-numériques précis, chacun ayant un orifice d'entrée analogique couplé à ladite borne d'entrée, une borne d'entrée de sélection de gamme couplée à ladite borne de sortie d'indication de gamme et une borne de sortie numérique; un moyen (30, 50) ayant des bornes respectives d'entrée couplées aux bornes de sortie numérique dudit convertisseur approximatif et desdits premier et second convertisseurs précis pour combiner alternativement les signaux desdits premier et second convertisseurs 20 analogiques-numériques précis aux signaux dudit convertisseur analogique-numérique approximatif pour produire une séquence d'échantillons numériques représentant ledit signal analogique. 2.- Convertisseur selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que le convertisseur approximatif (10) et les premier et second convertisseurs précis (20 et 40) comprennent chacun un circuit d'échantillonnage et de maintien répondant au signal d'entrée analogique. 3.- Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les circuits d'échantillonnage et de maintien (S/H) du convertisseur approximatif et du premier convertisseur précis sont conditionnés pour échantillonner simultanément à des points successifs dans le temps et les circuits d'échantillonnage et de maintien du convertisseur approximatif et du second convertisseur précis sont conditionnés pour échantillonner simultanément à des points dans le temps entre lesdits points successifs dans le temps. 4.- Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur analogique-numérique avec sousgammes produit la séquence d'échantillons numériques, chacun ayant n bits o n est un nombre entier 10 supérieur à 2; le convertisseur analogique-numérique approximatif contient un élément résistif approximatif ayant 2x segments approximatifs ayant des incréments ohmiques sensiblement égaux, o x est un entier plus petit que n; et 15 chacun des premier et second convertisseurs analogiques précis comprend respectivement une chaîne résistive précise ayant 2x segments précis connectés en parallèle à un segment approximatif correspondant, et chaque segment précis est subdivisé en 2(n-x) sous20 segments précis.