Brevet FR2714553A1 — publié le 19950630

La présente invention concerne un procédé de conversion analogique/numérique d'un signal d'entrée de forme analogique. Elle concerne aussi un convertisseur analogique/numérique de résolution améliorée. Dans l'état de la technique, on a déjà proposé de nombreuses solutions permettant de convertir la valeur instantanée d'un signal analogique en une valeur numérique instantanée. Pour la majorité des convertisseurs de l'état de la technique, la caractéristique du convertisseur est représentée à la figure 1. La réponse N du convertisseur dépend de la tension V présente à son entrée. A la figure 2 on a représenté la structure classique d'un convertisseur analogique/numérique de l'état de la technique. Le convertisseur comporte une entrée de signal analogique V qui est transmise à un circuit 1 d'échantillonnage et de blocage, dont la sortie 2 est connectée à l'entrée 3 d'un convertisseur 4 des échantillons analogiques 2 en mots numériques N à sa sortie. Quand le signal V est appliqué à l'entrée du convertisseur analogique/numérique, un contrôleur 5 associé à l'échantillonneur bloqueur 1 produit un signal d'échantillonnage 6 qui permet de maintenir pendant une durée prédéterminée, appelée temps de conversion, la valeur instantanée que le signal V d'entrée présente au début du temps de conversion. Pendant cette durée d'échantillonnage et de blocage, le signal analogique d'échantillon présenté à l'entrée 3 du convertisseur d'échantillons 4 est sensiblement constant et subit une transformation qui associe à sa valeur un mot numérique N sur n bits. La résolution du convertisseur est sensiblement égale au rapport Vmax/(2n-1), dans lequel Vmax est la tension maximum admissible à l'entrée V du convertisseur. La réponse du convertisseur représentée à la figure 1 montre que, si une tension comprise entre Vib et Vih est appliquée à l'entrée V du convertisseur, la sortie du convertisseur produira une seule valeur numérique désignée Ni. Quand on désire réduire la largeur des tensions attribuées à chaque niveau Ni de réponse du convertisseur, on dispose donc de la possibilité d'augmenter la valeur n du nombre de bits de conversion. Cependant, le court d'un tel convertisseur augmente considérablement avec le nombre de bits de conversion. D'autre part, selon le procédé de conversion des échantillons mis en oeuvre dans le convertisseur d'échantillons 4, la réponse du convertisseur peut présenter pour le bit le moins significatif une erreur supérieure à la résolution théorique du convertisseur. On est donc en pratique limité dans le nombre de bits par la technologie de conversion. Jusqu'à présent, on a surtout associé la rapidité de conversion (réduction du temps de conversion) aux exigences d'augmentation de la résolution. De ce fait les convertisseurs analogiques/numériques de haute résolution sont aussi des convertisseurs rapides. Or on rencontre de plus en plus fréquemment des applications dans lesquelles le temps de conversion peut être relativement long, bien qu'on est besoin d'une forte résolution. C'est en particulier le cas quand on désire surveiller à l'aide d'un processeur numérique un phénomène physique lentement variable. La présente invention propose une solution aux problèmes posés ci-dessus. En effet, l'invention concerne un procédé de conversion analogique/numérique d'un signal d'entrée de forme analogique. Le procédé de l'invention consiste - à modifier le signal d'entrée d'une manière déterminée à l'aide d'un signal périodique d'analyse ; - à acquérir plusieurs échantillons analogiques du signal d'entrée modifié pendant le temps de conversion; - à convertir chacun des échantillons analogiques du signal d'entrée modifié en un mot binaire à une première résolution ; - à exécuter une opération d'extraction d'une valeur numérique de conversion analogique/numérique selon une seconde résolution améliorée sur la première sur la base d'une suite prédéterminée d'échantillons analogiques du signal d'entrée modifié. L'invention concerne aussi un convertisseur analogique/numérique mettant en oeuvre le procédé de l'invention. En particulier, le convertisseur de l'invention comporte un circuit de modification du signal d'entrée analogique dont la sortie est transmise à un échantillonneur bloqueur fonctionnant à une première fréquence. La sortie de l'échantillonneur bloqueur est connectée à un convertisseur analogique/numérique à une première résolution, dont la sortie est transmise à un circuit de calcul d'une valeur numérique de conversion à une seconde résolution améliorée sur la première. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description et des dessins annexés qui sont - les figures 1 et 2 : des schémas explicatifs du convertisseur analogique/numérique de l'état de la technique ; - la figure 3 : un diagramme explicatif du procédé de l'invention - les figures 4a et 4b : des diagrammes représentatifs d'une première technique de modification du signal analogique d'entrée ; - les figures Sa et 5b et 6a et 6b : des diagrammes représentatifs d'une seconde technique de modification du signal analogique d'entrée ; - la figure 7 : un schéma bloc d'un mode préféré de réalisation d'un convertisseur analogique/numérique selon l'invention. A la figure 3, on a représenté des diagrammes expliquant le fonctionnement du procédé de l'invention. Sur l'axe vertical 10, on a représenté trois zones respectivement Ni - 1, Ni, Ni + 1 successives dans l'échelle de conversion analogique/numérique. Sur l'axe horizontal 11, on a représenté la valeur Vm, pratiquement constante à l'échelle de temps du procédé de l'invention, du signal d'entrée analogique & convertir. Dans un mode de réalisation préféré du procédé de l'invention, la modification du signal d'entrée Vm consiste à moduler le signal Vm à l'aide d'un signal périodique 12. La période du signal 12 est choisie plus petite que le temps de conversion du convertisseur analogique/numérique dont description sera donnée plus loin. Typiquement on choisit une période de modulation dix fois plus petite que le temps de conversion. A la figure 3, le signal périodique 12 est un signal en dents de scie qui évolue entre -v et +v avec une période T. On a indiqué sur l'axe 11 les instants ti et ti + T où le signal de modulation 12 est de valeur nulle. On remarque qu'en appliquant la conversion analogique/numérique de première résolution telle qu'exprimée par les zones appelées Ni - 1, Ni et Ni + 1, la valeur Vm de mesure du signal analogique d'entrée est exprimée Ni avec une incertitude égale à la largeur de la zone couverte par Ni. Selon l'invention, le signal analogique d'entrée modifié constitué par le signal 12 au-dessus de la valeur nulle, est échantillonnée à des instants prédéterminés sur l'échelle horizontale 13. Dans l'exemple de la figure 3, on a choisit une amplitude v de variation du signal de modulation égale & la largeur d'une seule zone couverte par l'une des valeurs Ni. Dans d'autres modes de réalisation, on choisit préférentiellement v égal à trois fois la zone couverte par l'une des valeurs Ni. A chaque instant d'échantillonnage indiqué sur l'échelle 13, ici quatre fois par période de signal de modulation, on réalise l'échantillonnage et la conversion en valeur numérique des échantillons du signal d'entrée modifié. La suite de ces échantillons est représentée sur la ligne 14 du diagramme. On remarque que sur deux périodes de modulation, on peut compter huit échantillons du signal d'entrée modifié. Dans le procédé de l'invention, on réalise ensuite une opération destinée à extraire une valeur Ni de conversion analogique/numérique sous une seconde résolution améliorée par rapport à la première. Dans un mode préféré de réalisation, cette opération d'extraction est constituée par un moyennage standard constitué par la somme des huit échantillons retenus divisée par le nombre d'échantillons pour obtenir la valeur Ni . La valeur résultante est ici égale à Ni = Ni + 1/4 D où D représente le pas de précision de la première conversion analogique/numérique. De ce fait, chaque conversion selon l'invention est exprimée sous la forme d'un premier mot numérique Ni sur n bits et d'une fraction F qui représente l'amélioration de la première résolution. Aux figures 4a et 4b on a représenté un premier mode pour engendrer un signal de modification utilisé dans le procédé de l'invention. A la figure 4b on a représenté un signal en modulation par largeur d'impulsion dont le rapport cyclique Tr / T est choisit de façon à ce que un filtrage passe-bas du signal en modulation par largeur d'impulsion produise un signal sensiblement sinusoïdal de fréquence T1 représenté à la figure 4b. On remarque qu'un tel signal peut être obtenu en réduisant le temps Tr lorsque la sinusoïde doit se trouver vers les faibles valeurs et à l'augmenter au maximum quand on veut synthétiser la valeur maximale de la sinusoïde. Le signal sinusoïdal de la figure 4a peut donc être produit à l'aide d'un générateur d'horloge à une fréquence 1 / T dont la sortie est connectée à l'entrée d'un modulateur en largeur d'impulsion. L'entrée de commande du modulateur en largeur d'impulsion, qui permet de déterminer le rapport cyclique du signal de sortie modulé en largeur d'impulsion, est connectée à un contrôleur dans lequel est enregistrée une table de valeurs prédéterminées du rapport cyclique, et dont le balayage à la fréquence 1 / T permet de produire le signal du diagramme de la figure 4b. Le signal de sortie de modulation en largeur d'amplitude est connecté à un filtre passe-bas dont la sortie est un signal sinusoïdal représenté à la figure 4a. Un tel signal de modulation peut être synthétisé à faible coût. Dans un autre mode de réalisation représenté aux figures Sa,5b, 6a,6b, le signal de modulation est constitué par la charge et la décharge d'un condensateur dans une résistance. A la figure Sa on a représenté un signal d'horloge constitué par une succession de créneaux sur une période T et présentant une durée Tr fixe. Ce signal d'horloge pilote la base d'un transistor qui connecte une tension continue de charge aux bornes d'un condensateur. Quand le signal d'horloge retombe à zéro, le condensateur se décharge. La succcession de créneaux sur le signal d'horloge permet donc de produire à faible coût le signal de modulation. Dans un mode de réalisation préféré, le signal représenté au diagramme 5b est transmis à un filtre passe-bande centré sur la première harmonique fl = 1 / T du signal du diagramme 5b. En effet, ainsi qu'il est visible à la figure 6a, le spectre DSP du signal 5b est constitué par une succession de raies multiple de fl et dont l'amplitude décroît rapidement selon une loi exponentielle. En utilisant un filtre passe-bande dont le gain Af présente la forme représentée à la figure 6b, on transforme ainsi le signal 5b en un signal de modulation parfaitement sinusoïdal à faible court. A la figure 7 on a représenté un mode préféré de réalisation d'un convertisseur analogique/numérique de l'invention. On doit remarquer que le convertisseur de l'invention est construit autour d'un convertisseur analogique/numérique, référencé 20, d'une première résolution relativement faible. Dans un exemple préféré de réalisation, on se contente d'un convertisseur analogique/numérique du commerce de quatre bits de résolution. Le signal d'entrée analogique à mesurer V est fournit à une première entrée d'un circuit de modulation 21 dont une seconde entrée est connectée à un circuit 22 générateur d'une fonction de modulation périodique, par exemple celle des figures 3,4a ou 4b. Le signal d'entrée analogique modifié disponible à la sortie 23 du modulateur 21 est fournit à l'entrée d'un échantillonneur bloqueur 24. On notera que cet échantillonneur bloqueur 24 est distinct de l'échantillonneur bloqueur interne du convertisseur analogique/numérique 20. L'échantillonneur bloqueur 24 produit une suite d'échantillons qui est convertie en mots binaires à la sortie 25 numérique du convertisseur 20. Ces mots binaires présentent une première résolution basse. Ils sont transmis à l'entrée dun circuit d'extraction 26 d'une valeur numérique d'une seconde résolution améliorée par rapport à la première. Dans un mode préféré de réalisation, ce circuit calcule la moyenne standard de la suite d'échantillons produite par 1'échantillonneur bloqueur 24. Pour réaliser laccumulation des valeurs successives de la suite dans le circuit 26, celui-ci présente une seconde entrée 27 qui reçoit la valeur de calcul en cours de la moyenne. A la fin de l'accumulation, la valeur Ni sous une première résolution faible, et la valeur F de la fraction de résolution améliorée sont transmises par un bus 28 à un registre de mémorisation 29 pour exploitation par un calculateur. Un circuit contrôleur 30 génère les différents signaux de contrôle nécessaires à l'activation des différents circuits précites. En particulier il produit le signal d'horloge 31 à destination du circuit générateur de fontion de modulation 22, le signal de commande 32 de l'échantiîîonneur bloqueur 24, le signal 35 de demande de conversion au convertisseur 20, le signal de commande 33 du circuit 26 de calcul de la t moyenne et enfin le signal 34 d'écriture du résultat Ni de conversion dans le registre 29. Dans le cas où le signal de mesure V est produit par un capteur de température intégré dans un dispositif de gestion de la climatisation de l'habitacle d'un véhicule, on sait que les variations du signal de mesure de la température sont d'amplitude très faibles et de périodes très longues. De ce fait, le calculateur de climatisation reçoit en entrée, au moyen de l'appareil de t la figure 7, des valeurs Ni de conversion à haute résolution sans nécessiter de convertisseur trop coûteux. REVENDICATIONS 1. Procédé de conversion analogique/numérique d'un signal d'entrée de forme analogique, caractérisé en ce qu'il consiste - à modifier le signal d'entrée d'une manière déterminée à l'aide d'un signal périodique d'analyse ; - à acquérir plusieurs échantillons analogiques du signal d'entrée modifié pendant le temps de conversion; - à convertir chacun des échantillons analogiques du signal d'entrée modifié en un mot binaire à une première résolution - à exécuter une opération d'extraction d'une valeur numérique de conversion analogique/numérique selon une seconde résolution améliorée sur la première sur la base d'une suite prédéterminée d'échantillons analogiques du signal d'entrée modifié. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à moduler le signal analogique d'entrée à l'aide d'un signal de modification dont la fréquence est plus rapide que la fréquence fondamentale du signal d'entrée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'il consiste aussi à produire une suite d'un nombre prédéterminé d'échantillons du signal d'entrée modifié, l'amplitude de modulation étant préférentiellement inférieure à un nombre prédéterminé de zones couvertes par un mot numérique (Ni) sous la première résolution, ce nombre étant préférentiellement de 4 zones. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, à 1 l'issue de la conversion numérique d'un échantillon du signal d'entrée modifié sous une première résolution, le résultat est accumulé de façon à produire à l'arrivée du dernier échantillon de la suite d'échantillons du signal d'entrée modifié une valeur moyenne (Ni*) représentative de la valeur numérique du signal d'entrée sous une seconde résolution améliorée par rapport à la première. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur numérique du signal d'entrée sous une seconde résolution améliorée par rapport à la première est produite sous la forme d'une première valeur Ni sous une première résolution faible, et d'une valeur fractionnaire F de la fraction de résolution améliorée et qui sont transmises pour exploitation, notamment par un calculateur numérique. 6. Convertisseur analogique/numérique mettant en oeuvre le procédé de l'invention, en particulier le convertisseur de l'invention comportant - un circuit de modification (21) du signal d'entrée analogique dont la sortie est transmise à un échantillonneur bloqueur (24) fonctionnant à une première fréquence ; - la sortie de l'échantillonneur bloqueur (24) étant connectée à un convertisseur analogique/numérique (20) à une première résolution, dont la sortie est transmise à un circuit de calcul (26) d'une valeur numérique de conversion à une seconde résolution améliorée sur la première.