Brevet FR2716760A1 — publié le 19950901

La présente invention se rapporte aux convertisseurs analogiquesnumériques, qui permettent à partir d'un signal analogique d'obtenir un signal numérique représentant ce signal analogique. Ce signal numérique peut alors être traité de manière particulièrement puissante et efficace. L'invention est plus particulièrement utile dans les convertisseurs SA de degré élevé. Elle permet en particulier de traiter les signaux acoustiques provenant de différentes sources. Les convertisseurs analogiquesnuménques du type A sont connus dans l'art, en particulier de la demande de brevet français n" 93 00351 déposée le 15 janvier 1993 par la Demanderesse. Lorsque ces convertisseurs sont multi-étages, il est nécessaire dans les schémas connus jusqu'à présent d'utiliser entre les sorties de ces étages et les entrées du sommateur terminal délivrant le signal de sortie numérique, des modules de traitement numérique dont la réalisation est généralement compliquée. Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose un convertisseur analogique-numérique de degré élevé, du type comprenant un ensemble d'étages formés chacun d'un ensemble de circuits en série comprenant au moins un premier sommateur, un circuit à transmittance échantillonnée d'ordre I ou 2, et un comparateur, principalement caractérisé en ce que le signal d'entrée est appliqué sur au moins le premier sommateur du premier étage, que la sortie du circuit à transmittance échantillonnée d'un étage est reliée à au moins le premier sommateur de l'étage suivant, que toutes les sorties des comparateurs sont connectées directement à un sommateur de bouclage dont la sortie est reliée après inversion au premier sommateur de tous les étages, et que chaque étage comprend en outre un deuxième sommateur connecté en série entre le circuit à transmittance échantillonnée et le comparateur de son étage et est relié en outre à la sortie après inversion du comparateur de l'étage précédent. Selon une autre caractéristique, ce convertisseur comprend en outre un filtre numérique de sortie connecté directement aux sorties des comparateurs pour délivrer le signal numérique de sortie. Selon une autre caractéristique, le filtre numérique comprend en outre des moyens pour calibrer le convertisseur en minimisant le signal de sortie lorsque le signal d'entrée est nul. Selon une autre caractéristique, chaque étage comprend en outre un amplificateur de normalisation relié en série entre le circuit à transmittance échantillonnée et le deuxième sommateur. Selon une autre caractéristique, le signal d'entrée est appliqué sur les entrées de tous les premiers et seconds sommateurs, que la sortie du premier circuit à transmittance échantillonnée de chaque étage est reliée à tous les premiers sommateurs des étages suivants, et que la sortie du comparateur de chaque étage est reliée à tous les deuxièmes sommateurs des étages suivants. Selon une autre caractéristique, la sortie du sommateur de bouclage est reliée après inversion directement au premier sommateur du premier étage et indirectement au premier sommateur des étages suivants par l'intermédiaire de ce premier sommateur du premier étage. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, le schéma d'un modulateur selon l'invention, ayant une structure minimale; - la figure 2, une généralisation du schéma de la figure 1, et - la figure 3, une variante du schéma de la figure 2 dans le cas de 3 étages et d'une modification des connexions de réalisation. On a représenté sur la figure 1 la structure générale minimale d'un modulateur SA selon l'invention comportant n étages et que l'on propose d'appeler modulateur MSCL, abréviation provenant de l'expression anglaise "Multistage Closed Loop". Le signal d'entrée X est appliqué à un sommateur d'entrée AI qui reçoit également le signal de sortie s provenant du regroupement de toutes les sorties SI à Sn des n étages. On voit ainsi que ce modulateur fonctionne en boucle fermée. La sortie du sommateur AI est appliquée à un circuit à transmittance échelonnée G1, qui peut être une structure d'ordre 1, c'est-àdire un intégrateur, ou une structure d'ordre 2, c'est-à-dire un résonateur. La sortie du circuit GI est appliquée à un amplificateur de correction CI qui permet de régler le niveau de sortie à une valeur souhaitable pour obtenir un signal y1. Ce signal yl est appliqué à une entrée d'un deuxième sommateur A2 qui reçoit également le signal s. La sortie de ce deuxième sommateur est appliquée à un deuxième circuit à transmittance échantillonnée G2 dont la sortie permet d'obtenir un deuxième signal y2 après amplification par un deuxième amplificateur de correction C2. Le signal de sortie y2 de ce deuxième étage est alors appliqué à l'entrée d'un sommateur A3 faisant partie d'un troisième étage identique aux deux premiers et permettant d'obtenir un signal y3 qui est appliqué à un quatrième étage etc. Le signal de sortie yn-1 de l'avant demier étage est appliqué à l'entrée du sommateur An du demier étage qui délivre lui-même un signal de sortie yn. Le signal yl est appliqué également à l'entrée d'un sommateur B1 qui ne reçoit que ce signal et se contente donc de le transmettre à un premier comparateur D1. Celui-ci permet d'obtenir le signe du signal de sortie de B1 en basculant entre deux états selon que ce signal de sortie est positif ou négatif. Le signal de sortie SI de ce comparateur D1 prend donc l'une des deux valeurs correspondant aux deux états possibles du comparateur, soit par exemple, et pour simplifier, +1 volt ou -1 volt. Le signal y2 est lui appliqué à l'entrée d'un sommateur B2 qui reçoit par ailleurs sur une autre entrée le signal S1 inversé par un inverseur Il. Dans ce cas le sommateur B2 joue bien son rôle de sommateur puisqu'il a deux signaux en entrée, alors que le sommateur BI jouait le simple rôle d'un amplificateur de gain unitaire. Le signal de sortie de B2 est appliqué à un comparateur D2 qui fonctionne comme D1 et délivre un signal de sortie S2. Les deux premiers étages sont identiques, sauf peut être toutefois les sommateurs B1 et B2 bien que ceux-ci puissent être strictement semblables avec simplement des entrées inutilisées. Les étages suivants sont eux aussi identiques à ces deux premiers étages, sauf peut être au niveau des sommateurs B3 à Bn, et ils reçoivent les deux signaux yi et Si de l'étage précédent. Les signaux S1 à Sn-1 appliqués respectivement aux entrées des sommateurs B2 à Bn par l'intermédiaire des inverseurs Il à In-1 peuvent éventuellement être appliqués directement à l'entrée de ces sommateurs à condition d'utiliser des sommateurs ayant des entrées inverseuses comme cela est de pratique courante. L'ensemble des signaux SI à Sn est rassemblé par un sommateur général E qui délivre le signal de sortie s appliqué aux entrées des sommateurs Al à An par l'intermédiaire d'un inverseur I, pour réaliser un rebouclage donnant la caractéristique de modulateur en boucle fermée. Là aussi on peut supprimer l'inverseur I en utilisant des entrées inverseuses sur les sommateurs AI à An. Le schéma ainsi décrit correspond en fait à un modulateur, et pour obtenir un convertisseur analogique-numérique proprement dit, il convient de rajouter un filtre numérique F qui réalise à la fois la fonction de sommation des signaux SI à Sn et la fonction de filtrage nécessaire pour obtenir la réjection des signaux parasites créés par le traitement. Dans ce cas on pourra éventuellement utiliser une procédure de calibration, qui est représentée sur la figure par les coefficients MI à Mn placés sur les entrées du filtre F. Le signal de sortie S de ce filtre est alors le signal numérique correspondant au signal analogique X appliqué à l'entrée du dispositif. Les circuits G seront réalisés de manière connue pour obtenir selon le cas les transmittances représentées selon la transformation en z dans les formules suivantes: -1 (I) G(z) = G(z) pour une fonction passe-bas pour une fonction passe-bande Les valeurs des coefficients déterminés par les amplificateurs C1 à Cn sont choisies de manière à ce que l'entrée de chaque comparateur soit bornée par 2 en amplitude. Ces valeurs dépendront du schéma définitif choisi puisque la structure de la figure 1 est une structure minimale. Pour améliorer le fonctionnement du dispositif de la figure 1 on peut en effet réaliser de manière optionnelle des connexions supplémentaires en appliquant le signal d'entrée X sur tous les sommateurs d'entrée AI à An et sur les tous sommateurs d'attaque des comparateurs B1 à Bn. Une telle structure est représentée sur la figure 2. Dans le cas où toutes les connexions possibles sont réalisées comme sur la figure 2, les valeurs des coefficients des amplificateurs C1 à Cn peuvent être supérieures ou égales à 0,5. Dans ces conditions, on peut modéliser de manière simplifiée le fonctionnement du dispositif en modélisant l'effet de chaque comparateur lorsque le signal appliqué à son entrée est bomé par 2 par l'ajout d'un bruit blanc b à son signal d'entrée. En utilisant alors la variable suivante: 1 + CjGj(z) on obtient comme expression du signal de sortie s en fonction du signal d'entrée X, des bruits bn et des variables Hj: Ainsi la transmittance du modulateur vis à vis du signal utile X est constante dans toute la bande et le bruit est mis "en forme" par le produit des fonctions Hj(z). Le système étant ainsi composé d'un certain nombre d'étages identiques en parallèle ramenés sur le sommateur de rebouclage E et le filtre numérique F, il est clair que les imperfections au niveau des différents organes qui composent ces étages vont amener une réponse différente de chacun d'entre eux, qui va se traduire par une erreur de conversion sur la sortie S. On peut montrer qu'il est possible d'obtenir un bruit de quantification du troisième ordre par rapport aux fonctions Hj quelque soit les coefficients de rebouclage, en procédant à une calibration obtenue par réglage des coefficients M1 à Mn. Pour effectuer cette calibration on peut par exemple injecter un signal d'entrée nul et minimiser la puissance du signal de sortie après filtrage en agissant sur ces coefficients. Cependant cette calibration ne peut bien entendu pas agir sur le bruit électronique dans la boucle de retour et en entrée. On peut montrer en outre que si les erreurs provenant de l'entrée correspondant au signal X et celles correspondant au signal de rebouclage sont proportionnelles pour chaque sommateur A, on peut rendre la transmittance vis à vis du signal la plus plate possible. Pour obtenir une telle relation de proportionnalité on peut par exemple modifier le schéma pour effectuer tout d'abord la somme s-X et appliquer le résultat de cette somme aux entrées de tous les sommateurs A. On a représenté sur la figure 3 un exemple de réalisation d'une structure MSCL de troisième ordre dans laquelle on effectue cette sommation par l'intermédiaire d'un sommateur AI I. Cette structure est du type généralisée correspondant à la figure 2 et pour simplifier la figure on a inclus les coefficients correspondant aux amplificateurs Ci dans les circuits GI à G3. La sommation s-X s'effectue à l'aide d'un sommateur A11 recevant d'un côté le signal X et de l'autre côté le signal s inversé par un inverseur I. Le résultat de cette opération est appliqué à l'entrée du premier circuit G1 et aux entrées "+" des circuits A2 à A3, ce qui permet de réaliser la condition citée plus haut pour obtenir le résultat souhaité sur la transmittance. REVENDICATIONS 1. Convertisseur analogiquenumérique SA de degré élevé, du type comprenant un ensemble d'étages formés chacun d'un ensemble de circuits en série comprenant au moins un premier sommateur (A1-An), un circuit à transmittance échantillonnée (G1-Gn) d'ordre 1 ou 2, et un comparateur (Dl - Dn), caractérisé en ce que le signal d'entrée (X) est appliqué sur au moins le premier sommateur (Al) du premier étage, que la sortie (y) du circuit à transmittance échantillonnée (G1) d'un étage est reliée à au moins le premier sommateur (A2) de l'étage suivant, que toutes les sorties (S1-Sn) des comparateurs (D1-Dn) sont connectées directement à un sommateur de bouclage (E) dont la sortie (s) est reliée après inversion (I) au premier sommateur (A1-An) de tous les étages, et que chaque étage comprend en outre un deuxième sommateur (B1-Bn) connecté en série entre le circuit à transmittance échantillonnée (G1-Gn) et le comparateur (D1-Dn) de son étage et est relié en outre à la sortie (S1-Sn) après inversion (Il -In) du comparateur de l'étage précédent. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un filtre numérique de sortie (F) connecté directement aux sorties (S1-Sn) des comparateurs (Dl -Dn) pour délivrer le signal numérique de sortie (S). 3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre numérique comprend en outre des moyens (M1Mn) pour calibrer le convertisseur en minimisant le signal de sortie lorsque le signal d'entrée (X) est nul. 4. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque étage comprend en outre un amplificateur de correction (C1-Cn) relié en série entre le circuit à transmittance échantillonnée (G1-Gn) et le deuxième sommateur (BI-Bn). 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le signal d'entrée (X) est appliqué sur les entrées de tous les premiers (A1-An) et seconds (BI -Bn) sommateurs, que la sortie (y) du premier circuit à transmittance échantillonnée (G1) de chaque étage est reliée à tous les premiers sommateurs (A2-An) des étages suivants, et que la sortie (S1) du comparateur (D1) de chaque étage est reliée à tous les deuxièmes sommateurs (B2-Bn) des étages suivants. 6. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la sortie (s) du sommateur de bouclage (E) est reliée après inversion (I) directement au premier sommateur (Ai) du premier étage et indirectement aux premiers sommateurs (A2-A3) des étages suivants par l'intermédiaire de ce premier sommateur du premier étage.