Brevet FR2702896A1 — publié le 19940923

GENERATEUR MULTIFREQUENCE PROGRAMMABLE La présente invention concerne les générateurs de signal sinusdidal à fréquence programmable destinés, par exemple, à fournir un son par des programmations successives de la fréquence du signal, ou à fournir une superposition de sinu- sdides de fréquences distinctes par une programmation simultanée de plusieurs générateurs dont on somme les sorties. Les générateurs de signal sinusdidal programmables sont utilisés en particulier dans des postes téléphoniques pour générer les mélodies de sonnerie ou les signaux DTMF (Dual Tone Modulation Frequency) qui résultent de la superposition de deux sinusoïdes de fréquences distinctes mais voisines. La figure l A représente schématiquement un générateur de signal sinusoidal à fréquence programmable utilisé dans des postes téléphoniques classiques Ce générateur comprend un addi-15 tionneur 10 pour additionner un mot de programmation A de 8 bits et un mot de retour B de 12 bits La sortie de l'additionneur 10 est fournie à l'entrée d'une bascule 12 de type D cadencée par un signal d 'horloge F Le mot de retour B est fourni par la sortie de la bascule 12. Avec une telle configuration, les 4 bits de poids le plus fort (B 8 à Bll) du mot B oscillent à des fréquences propor- tionnelles à la valeur du mot A et à la fréquence du signal d'horloge F En outre, les états des bits B 8 à Bll varient de5 manière à réaliser un comptage en binaire Ainsi, l'additionneur et la bascule 12 constituent un compteur à 4 bits à fréquence de comptage programmable, ou bien un générateur 13 de signal rectangulaire à fréquence programmable (la sortie de ce généra- teur 13 pouvant être l'un quelconque des bits B 8 à Bll).10 Les bits B 8 à Bll forment un mot B( 11:8) fourni à un décodeur 14 qui sélectionne une valeur correspondante dans une mémoire morte (ROM) 15 (avec 4 bits, dans le présent exemple, on peut sélectionner 16 valeurs distinctes) La sortie de la mémoire ROM 15, la valeur sélectionnée, est fournie à l'entrée d'un convertisseur numérique/analogique 17 dont la sortie S, filtrée par un filtre passe-bas 19, fournit le signal sinusdidal à générer. La figure 1 B montre l'allure du signal S généré grâce au circuit de la figure l A Le signal S présente une valeur discrète pour chaque valeur du mot B( 11:8), ces valeurs discrètes étant convenablement choisies pour correspondre à des valeurs successives d'une période de sinusoïde. Pour économiser de la mémoire, on ne stocke dans la mémoire ROM que les valeurs correspondant à un quart de période de sinusoide, les 4 premières valeurs dans le présent exemple. Le décodeur 14 est prévu, à l'aide des 3 premiers bits B 8 à B 10 du mot B( 11:8), pour sélectionner ces 4 premières valeurs suc- cessivement par ordre croissant puis par ordre décroissant au fur et à mesure de l'incrémentation du mot B(ll:8) Le dernier bit Bll du mot B(ll:8) est fourni au convertisseur 17 pour intervertir le signe du signal S pendant que sont fournies les valeurs discrètes correspondant à chaque deuxième alternance de sinusoide. Le signal S présente 16 valeurs discrètes par période et une fréquence égale à celle du signal Bll Un tel signal S génère des harmoniques que le filtre 19 est supposé supprimer. Or la fréquence de coupure du filtre 19 est fixe, ce qui en- 5 traîne que cette fréquence doit être choisie égale à la fré- quence la plus élevée à générer Ainsi, quand on génère des fréquences basses par rapport à la fréquence de coupure, un grand nombre d'harmoniques n'est pas atténué, ce qui entraîne un son désagréable à l'écoute Il n'est pas envisageable avec un10 tel générateur de commander un haut- parleur piézoélectrique qui a l'avantage d'être particulièrement peu coûteux, mais qui a tendance à entrer en résonance avec des harmoniques, et donc à accentuer ces harmoniques. Bien entendu, si l'on veut diminuer le nombre d'harmo- niques générés à basse fréquence, on peut augmenter le nombre de valeurs discrètes fournies par période de sinusoide Toutefois, cela entraîne qu'il faut augmenter la capacité de l'additionneur et de la mémoire ROM 15, ce qui devient coûteux si l'on veut atténuer les harmoniques à basse fréquence de manière sensible. En outre, le filtre 19 n'est pas intégrable car il nécessite une ou plusieurs capacités de valeur trop importante pour pouvoir les intégrer. Un objet de la présente invention est de prévoir un générateur de signal sinusoidal programmable qui génère un signal présentant un faible nombre d'harmoniques quelle que soit sa fréquence. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un tel générateur qui offre un compromis surface/per- formance meilleur que les générateurs classiques. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un tel générateur qui soit en outre entièrement inté- grable. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un tel générateur qui soit utilisable avec un haut- parleur de faible coût sans désagréments d'écoute. Ces objets sont atteints grâce à un générateur d'une sinusoïde à fréquence programmable comprenant un générateur de signal rectangulaire à fréquenoe programmable; un moyen de comptage des périodes dudit signal rectangulaire; un moyen de décodage pour fournir des valeurs discrètes sucoessives de sinu- sdide à partir des états sucoessifs du moyen de comptage; un filtre passe-bas recevant les valeurs discrètes successives de sinuscide et fournissant la sinusdide Selon l'invention, le filtre passe-bas est un filtre à capacités commutées dont la commutation est commandée par un signal de fréquenoe propor- tionnelle à la fréquence du signal rectangulaire, d'o il résulte, par un choix adéquat des valeurs des capacités du filtre, que la fréquence de coupure du filtre est toujours voisine de la fréquenoe de la sinusdide. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le filtre reçoit une tension d'entrée constante Le moyen de décodage comprend une capacité commutée de valeur programmable pour régler le gain du filtre, cette capacité programmable étant formée par une pluralité de capacités dont chacune est mise en ou hors circuit par un interrupteur commandé par un décodeur de l'état du moyen de comptage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de comptage comprend un compteur à plusieurs bits, recevant ledit signal rectangulaire, le bit de poids le plus fort servant à commander l'inversion ou non du signe du gain du filtre, et les autres bits étant fournis au décodeur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la capacité commutée programmable est comprise dans une èllule de commutation dans laquelle l'une des bornes de la capacité commutée programmable est susoeptible d'être reliée, par un commutateur commandé par ledit bit de poids le plus fort, à des interrupteurs rendant ladite cellule non-inverseuse, ou à des interrupteurs rendant ladite èllule inverseuse. Selon un mode de réalisation, le générateur génère une pluralité de sinusoides superposées de fréquences voisines programmables et comprend un filtre à capacités canmutées four- nissant les sinuscides superposées, camnandé à une fréquence proportionnelle à la plus élevée des fréquences programmables. Le générateur comprend, pour chaque sinusoide, un générateur de signal rectangulaire, un moyen de comptage, un moyen de décodage et une capacité commutée programnable par le moyen de décodage. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure l A, précédemment décrite, représente un générateur de signal sinusoidal programmable classique; la figure 1 B représente un exemple d'allure de signal sinusdidal généré avant son filtrage par le générateur de la figure l A; la figure 2 représente un mode de réalisation schéma- tique d'un générateur de signal sinusoidal programmable selon l'invention; la figure 3 représente en détail un autre mode de réalisation de générateur de signal sinusdidal programmable selon l'invention; les figures 4 A et 4 B représentent en détail deux éléments du générateur de la figure 3; et la figure 5 représente un mode de réalisation d'un générateur selon l'invention de plusieurs sinusoides superposées de fréquences distinctes programmables. Dans les figures, des mêmes éléments sont désignés par des mêmes références. A la figure 2, on retrouve le générateur 13 de signaux rectangulaires à fréquence programmable, le décodeur 14 associé à la mémoire RCM 15, et le convertisseur numérique/analogique 17. Selon l'invention, le signal de sortie S du convertis- seur 17 est filtré par un filtre à capacités commutées 20 dont la fréquence de commande, ou fréquence d'échantillonnage, est proportionnelle à la fréquence du signal sinusoidal à générer.5 Ainsi, la fréquence de coupure F O du filtre à capacités commutées 20 est proportionnelle à la fréquence du signal sinu- soidal Les éléments du filtre 20 sont choisis pour que cette fréquence de coupure F O soit légèrement supérieure à la fréquence du signal sinusdidal.10 On choisit comme signal de commande du filtre 20 un signal fourni par le générateur programmable 13 Pour que le filtre 20 fonctionne correctement, il faut que la fréquence de son signal de commande soit grande par rapport à la fréquence du signal S à filtrer, qui est sensiblement égale à la fréquence de coupure Fo Pour cela, parmi les signaux B 8 à Bîl fournis par le générateur 13, on choisit comme signal de commande le signal B 8, dont la fréquence est la plus élevée En outre, plutôt que de fournir les sorties du générateur programmable 13 directement au décodeur 14, le signal de sortie Bll, dont la fréquence est la plus basse, est fourni à un compteur 22 Le compteur 22 permet de fournir des valeurs au décodeur 14 à une fréquence suffisam- ment faible par rapport à la fréquence de commande du filtre Dans le présent exemple, avec un compteur 22 à quatre bits B 12 à B 15, on obtient un rapport suffisant de 128 entre la fréquence du signal de commande B 8 et la fréquence du signal B 15 qui est celle du signal généré. Les signaux B 12 à B 15 jouent les mêmes rôles, respec- tivement, que les signaux B 8 à Bîl du circuit de la figure l A. On obtient, dans l'exemple décrit, un signal S avant filtrage présentant l'allure de la figure 1 B et la fréquence du signal B 15. Puisque la fréquence de coupure du filtre 20 est toujours voisine de la fréquence du signal S à filtrer, les harmoniques du signal S subissent une importante atténuation. Cette atténuation est d'autant plus importante que l'ordre du filtre 20 est élevé En choisissant un filtre du deuxième ordre et 16 valeurs dans une période de sinusdide, on obtient des résultats tout à fait satisfaisants.5 Le signal sinusoidal généré peut directement alimenter un haut-parleur de faible coût (par exemple piézoélectrique) sans que celui-ci soit susceptible d'entrer en résonance avec des harmoniques, et donc de générer des bruits désagréables. En outre, le choix selon l'invention d'un filtre à capacités commutées entraîne que le générateur programmable selon l'invention est entièrement intégrable, car les capacités du filtre peuvent être choisies à des valeurs très faibles (seuls les rapports entre capacités entrent en compte dans un filtre à capacités commutées). La figure 3 représente un autre mode de réalisation de générateur de signal sinusoïdal à fréquence programmable selon l'invention, dans lequel un filtre à capacités commutées 20 est représenté en détail Ce mode de réalisation permet avantageu- sement d'éviter l'emploi d'une mémoire ROM 15 et d'un convertis- seur numérique/analogique 17, ce qui rend le générateur selon l'invention particulièrement économique. Le filtre à capacités commutées est un filtre du deuxième ordre comprenant une section de filtrage comportant deux amplificateurs opérationnels 30 et 31 et, selon un aspect de l'invention, une section de réglage de gain 32 comprenant un réseau de capacités CSO à C 53, ci- après capacités de gain, mises en ou hors circuit par des interrupteurs respectifs k O à k 3. L'entrée du filtre reçoit une tension de référence constante Vref et les valeurs discrètes de la sinusdide à générer sont obtenues par le décodeur 14 qui, grâce aux interrupteurs k O à k 3, sélectionne des gains correspondants du filtre Ces aspects sont décrits plus en détail ultérieurement. Les amplificateurs opérationnels 30 et 31 sont montés en inverseurs Une capacité d'intégration C Il relie la sortie de l'amplificateur 30 à son entrée, et une capacité d'intégration CI 2 relie la sortie à l'amplificateur 31 à son entrée La sortie de l'amplificateur 31 fournit le signal sinusoldal généré La sortie de l'amplificateur 30 est couplée à l'entrée de l'ampli-5 ficateur 31 par une cellule à capacité commutée inverseuse (-Z) 33 La sortie de l'amplificateur 31 est couplée à l'entrée de l'amplificateur 30 par l'intermédiaire d'une cellule à capacité commutée non-inverseuse (Z) 34 Une cellule à capacité commutée noninverseuse 35 est reliée en parallèle sur la capacité10 d'intégration C Il. Chacune des cellules 33 à 35 est commandée par deux signaux d'horloge, respectivement (Dl et 02 Ces signaux d'hor- loge sont fournis par un générateur d'horloge 37 à partir du signal B 8 fourni par le générateur programmable 13 Comme cela est connu de la technique, les signaux 1 l et 02 sont de fréquence égale à celle du signal B 8 mais présentent des niveaux actifs non-chevauchants pour commuter des interrupteurs en opposition de phase de manière que ces interrupteurs ne soient pas simultanément fermés lors des commutations Ci-après, un interrupteur commandé par un signal (Dl ou (P 2 sera appelé inter- rupteur (Dl ou ( 12, respectivement. La section de réglage de gain 32 du filtre comprend les capacités de gain CSO à C 53 qui peuvent chacune être mise en série entre un noeud d' entrée P et un noeud de sortie Q par l'interrupteur respectif k O à k 3 Les interrupteurs k O à k 3 sont commandés par le décodeur 14 d'une manière adéquate, décrite ultérieurement Le noeud Q est relié à l'entrée de l'amplifi- cateur 30 par un interrupteur XV 2 et à une tension de référence, par exemple la masse, par un interrupteur ( 1 D Le noeud P peut être relié à la tension de référence Vref par l'intermédiaire de l'une ou l'autre de deux branches selon la position d'un commutateur k S La première branche (celle correspondant à la position représentée de l'interrupteur k S) relie le noeud P à la tension Vref par un interrupteur 1)2 et à la masse par un inter- rupteur ( 1 D La deuxième branche relie le noeud P à la tension Vref par un interrupteur filtre Ce commutateur k S est commandé par le signal B 15. Le gain du filtre est égal au rapport entre la valeur de la capacité de la cellule 34 et la valeur de la capacité de gain sélectionnée Ainsi, on génère chaque valeur discrète de sinusdide en sélectionnant une ou plusieurs capacités de gain, les valeurs des capacités de gain ayant été choisies adéqua- tement à la fabrication La sélection des capacités de gain peut se faire de deux manières qui déterminent des valeurs dif- férentes à choisir pour ces capacités On peut sélectionner une seule des capacités à la fois, ou bien en sélectionner une première au départ et successivement mettre en parallèle les autres sur la première. On a représenté 4 capacités de gain CSO à C 53, ce qui permet d'obtenir 4 valeurs discrètes d'une demi alternance de sinuscide, et donc 16 valeurs discrètes d'une période de sinu- soide Le décodeur 14 est réalisé pour, à partir des 3 signaux B 12 à B 14, par exemple sélectionner successivement les capacités de gain dans l'ordre CSO à C 53, puis dans l'ordre C 53 à CSO, le commutateur k S étant basculé après chacun de ces cycles par le signal B 15. Les figures 4 A et 4 B représentent respectivement une cellule à capacité commutée non-inverseuse Z et une cellule à capacité commutée inverseuse -Z. Dans la figure 4 A, chaque borne d'une capacité CS est reliée à la masse par un interrupteur (P et reliée à la sortie ou à l'entrée de la cellule par un interrupteur 02. Dans la figure 4 B, les positions des interrupteurs associés à l'une des bornes d'une capacité CS sont interverties par rapport à celles de la figure 4 A. Tous les éléments de la figure 3 sont intégrables et occupent une faible surface de silicium par rapport à un généra- teur utilisant une mémoire ROM et un convertisseur numérique/10 analogique. La présente invention s'applique aussi à la génération de signaux sinusdidaux différentiels Pour cela, on emploie des amplificateurs opérationnels 30, 31 à sorties différentielles, et les éléments décrits en relation avec la figure 3 sont15 dupliqués pour chaque voie différentielle. La figure 5 représente un mode de réalisation d'un générateur de plusieurs sinusoides superposées de fréquences distinctes programmables Ce générateur comprend, à la place de l'interrupteur k S et de la section de réglage de gain 32 de la figure 3, une pluralité d'interrupteurs k S et sections de réglage de gain 32 disposés en parallèle A chaque section de réglage 32 est associé un décodeur 14 et un compteur (non repré- senté) fournissant au décodeur des bits Bi 12 à Bi 14 et au commutateur k S associé un bit Bi 15 (i= 1, 2 n) A chacun de ces compteurs est bien entendu associé un générateur program- mable 13 (non représenté) fournissant des bits Bi 8 à Bill dont la fréquence de commutation est fixée par un mot de pro- grammation Ai( 7:0). Avec cette configuration, l'unique section de filtrage reçoit une succession de paliers correspondant à plusieurs sinu- soides discrétisées superposées. Comme cela est représenté, le circuit d'horloge 37 servant à cadencer les commutateurs X 1 et de fréquence plus élevée Toutefois, si le rapport des fré- quences extrêmes ne dépasse pas environ 1,5, la distorsion reste tout à fait acceptable. Un tel circuit est particulièrement adapté, dans un poste téléphonique, à générer des signaux DTMF (Dual Tone Modulation Frequency) qui sont formés par la superposition de deux sinusdides de fréquences proches. Des détails supplémentaires concernant la réalisation de filtres à capacités commutées, notamment le choix des valeurs des capacités pour régler la fréquence de coupure du filtre peuvent être trouvés dans l'ouvrage intitulé "Design of MOS VLSI Circuits for Telecommunications" par Tsividis-Antognettis, Editions Prentice-Hall, Angleterre. De nombreuses variantes et modifications de la présente invention apparaîtront à l'homme du métier, notamment en ce qui concerne le choix du type de filtre à capacités commutées, du nombre de capacités de réglage de gain ainsi que leur mode de commande D'autres choix de disposition des capa- cités de réglage de gain sont possibles, par exemple en série les unes avec les autres avec leur interrupteur respectif disposé en parallèle. REVENDICATIONS 1 Générateur d' au moins une sinusoïde à fréquence programmable comprenant: au moins un générateur ( 13) de signal rectangulaire à fréquence programmable; au moins un moyen de comptage ( 12, 22) des périodes dudit signal rectangulaire; au moins un moyen de décodage ( 14, 15, 32) pour fournir des valeurs discrètes successives de sinusoide à partir des états successifs dudit au moins un moyen de comptage; un filtre passe-bas ( 20) recevant les valeurs discrètes successives de sinusdide et fournissant ladite au moins une sinusoide; caractérisé en ce que le filtre passe- bas est un fil- tre à capacités commutées dont la commutation est commandée par un signal (B 8) de fréquence proportionnelle à la fréquence dudit signal rectangulaire, d'o il résulte, par un choix adéquat des valeurs des capacités du filtre, que la fréquence de coupure du filtre est toujours voisine de la fréquence de ladite au moins une sinusoide. 2 Générateur d'au moins une sinusdide selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le filtre reçoit une tension d'entrée constante (Vref) et en ce que le moyen de décodage comprend une capacité commutée de valeur programmable pour régler le gain du filtre, cette capacité programmable étant formée par une pluralité de capacités (CSO- C 53) dont chacune est mise en ou hors circuit par un interrupteur (k O- k 3) commandé par un décodeur ( 14) de l'état du moyen de comptage. 3 Générateur d'au moins une sinusoide selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que le moyen de comptage comprend un compteur ( 22) à plusieurs bits, recevant en entrée ledit signal rectangulaire (Bîl), le bit de poids le plus fort (B 15) servant à commander l'inversion ou non du signe du gain du filtre, et les autres bits étant fournis audit décodeur. 4 Générateur d'au moins une sinusoide selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que la capacité commutée program- mable est comprise dans une cellule de commutation dans laquelle l'une des bornes de la capacité commutée programmable est sus-5 ceptible d'être reliée, par un commutateur (k S) commandé par ledit bit de poids le plus fort (B 15), à des interrupteurs rendant ladite cellule non-inverseuse, ou à des interrupteurs rendant ladite cellule inverseuse. 5 Générateur d'une pluralité de sinusoides super- posées de fréquences voisines programmables selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre à capacités commutées fournissant les sinusdides superposées et commandé à une fréquence proportionnelle à la plus élevée desdites fré- quences programmables, et en ce qu'il comprend, pour chaque sinusoide, un générateur de signal rectangulaire, un moyen de comptage, un moyen de décodage et une capacité commutée program- mable par le moyen de décodage.