Brevet FR2743960A1 — publié le 19970725

La présente invention concerne un convertisseur numérique-analogique à haute résolution destiné notamment à l'accord d'un oscillateur à quartz contrôlé par tension. L'accord des oscillateurs à quartz de fréquence imprécise contrôlés par tension nécessite un convertisseur numérique-analogique à haute résolution (dix bits ou plus). Les qualités recommandées d'un tel convertisseur sont un faible coût, une faible consommation d'énergie, une bonne robustesse de construction, une plage dynamique élevée et une bonne stabilité de sortie. On connaît des convertisseurs Sigma-Delta pour construire les convertisseurs numérique-analogique simples à haute résolution. Un modulateur numérique Sigma-Delta fournit une séquence à haute vitesse de mots numériques (large d'un bit ou de quelques bits) qui contrôle un convertisseur numérique-analogique à grande vitesse, mais simple. Un filtrage analogique est nécessaire pour reconstruire le signal analogique en supprimant le bruit à haute fréquence. Ce filtrage analogique est la plus grande faiblesse des dispositifs connus car les modulateurs Sigma Delta produisent plusieurs caractéristiques indésirables en fonction de leur configuration et de l'ordre de leur modulation Les modulateurs du premier ordre produisent un nombre d'oscillations parasites (appelées TONS) en fonction du signal d'entrée à coder qui sont difficiles à filtrer, car elles peuvent se produire à de très basses fréquences. Les qualités essentielles de ces modulateurs du premier ordre sont cependant leur simplicité, une sortie d'une largeur à un seul bit et permettent de ce fait de réaliser des convertisseurs ayant une linéarité inhérente sur la gamme d'entrée complète. Les modulateurs du second ordre (configuration série) présentent un contenu d'oscillations parasites inférieur mais toujours significatif. En outre, ils présentent un décrochage significatif du rapport signal/bruit pour les codes les plus élevés. Les modulateurs du second ordre (configuration parallèle) montrent un contenu beaucoup plus faible d'oscillations parasites mais toujours significatif. Ils délivrent des mots numériques à plusieurs bits, ce qui signifie qu'il n'est pas davantage possible de garantir une bonne linéarité sans un convertisseur numériqueanalogique de sortie de haute qualité. Par contre, ils ne présentent pas le décrochage du rapport signal/bruit de la configuration série. Les modulateurs d'ordre supérieur (configuration série) ont de meilleures qualités mais ils produisent plus de bruit à haute fréquence, ce qui nécessite un filtrage analogique plus complexe. Une configuration parallèle représente une meilleure solution, mais elle produit également des mots à plusieurs bits et nécessite donc un convertisseur numérique, analogique de sortie de haute linéarité. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un convertisseur numérique-analogique simple basé sur des modulateurs Sigma-Delta et un circuit de conversion numérique-analogique simple et qui présente une sortie en courant continu quasi stable avec une haute résolution. A cet effet, l'invention a pour objet un convertisseur numérique-analogique à haute résolution destiné à l'accord notamment d'un oscillateur quasi-stable contrôlé par tension caractérisé en ce qu'il comprend un premier modulateur Sigma-Delta du second ordre destiné à recevoir à son entrée des signaux numériques à convertir, à la sortie duquel est connectée l'entrée d'un second modulateur Sigma Delta produisant un seul bit à sa sortie et en ce qu'il comprend un circuit de conversion numérique analogique disposé en aval des modulateurs Sigma-Delta et auquel sont associés des moyens de filtrage des composantes haute fréquence du signal en cours de traitement pour obtenir une source de courant continu quasi stable à haute résolution pour ledit oscillateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels - La figure 1 est un schéma électrique d'un convertisseur numérique-analogique à haute résolution, suivant 1 invention; - la figure 2 est un schéma électrique plus détaillé d'une partie du convertisseur numérique-analogique à haute résolution de la figure 1 - les figures 3A, 3B, 3C et 3D sont des diagrammes montrant l'amplitude du signal d'entrée du convertisseur suivant l'invention en fonction de la fréquence à différents endroits du circuit électrique de la figure 1 ; et - la figure 4 est un diagramme montrant des spectres de bruit en fonction de la fréquence dans différents endroits du circuit électrique de la figure 1. Le convertisseur numérique-analogique à haute résolution suivant l'invention représenté à la figure 1 comprend un premier modulateur Sigma-Delta du second ordre 1 cadencé par un premier signal d'horloge H1 et qui reçoit à son entrée un mot numérique de n bits, n étant un nombre entier. Avantageusement, ce premier modulateur Sigma-Delta 1 est formé de deux modulateurs Sigma-Delta du premier ordre 3 et 5 connectés entre eux en configuration parallèle et dont la sortie de chacun est connectée à une entrée d'un convertisseur 7 parallèle/série. Ce premier modulateur Sigma-Delta 1 ainsi construit délivre à sa sortie, des séquences à vitesse élevée de mots numériques de trois bits. L'entrée d'un second modulateur Sigma-Delta 9 du premier ordre est reliée à la sortie du premier modulateur Sigma-Delta 1. Ce second modulateur Sigma-Delta 9 est cadencé par un deuxième signal d'horloge H2 ayant de préférence une fréquence sensiblement plus élevée que celle du premier signal d'horloge H1. Par exemple, le signal d'horloge H1 présente une fréquence de 1MHz tandis que le signal d'horloge H2 présente une fréquence de 2MHz. La sortie du second modulateur Sigma-Delta 9 délivre un signal large d'un seul bit à la fréquence de l'horloge H2. Cette sortie est connectée à une chaîne numérique à entrée série/sortie parallèle de retards 11 comprenant comme représenté à la figure 2, des registres IlA à 11H. La sortie de chaque registre liA à 11H de la chaîne numérique de retards 11 commande respectivement une source de courant correspondante d'un ensemble 13 de sources de courants 13A à 13H séparées. Les sources de courant séparées 13A à 13H sont alimentées par un courant de polarisation Ip. La chalne numérique de retards 11 ainsi que l'ensemble 13 des sources de courant sont cadencés par le deuxième signal d'horloge H2. Dans une variante du circuit non représentée, la sortie du second modulateur Sigma-Delta est directement connectée à l'entrée d'un circuit de conversion numérique analogique constitué par exemple par une source de courant unique qui correspond à l'ensemble 13 de sources de courant susmentionné. La sortie de cette source de courant unique est connectée à une résistance correspondant à la résistance R des figures 1 et 2. Cet ensemble de retards et de sources de courant réalise comme connu en soi un filtre passe-bas à réponse finie. Le nombre de retards et la valeur de chaque source peuvent être utilement adaptées pour réaliser des fonctions de filtrage passe-bas adaptées à l'application requise. L'ensemble des sorties des sources de courant 13A à 13H est connecté à une résistance de sommation R et celle-ci est reliée à un potentiel donné, par exemple à la masse. Tout le circuit décrit jusqu'ici et encadré sur la figure 1 par une ligne à tirets peut être réalisé de façon monolithique. Un condensateur C est connecté en parallèle à la résistance R et constitue avec celle-ci un circuit RC de filtrage. Enfin, un oscillateur 17 à quartz contrôlé par tension est commandé par la tension du circuit RC. On décrit maintenant le fonctionnement du circuit. Dans cette description, chaque étape du fonctionnement du circuit décrit ci-dessus est de plus illustrée par une des figures 3A à 3D montrant chacune un diagramme à échelles logorithmiques qui présente en trait plein l'amplitude du signal à différents endroits du circuit en fonction de la fréquence. A titre de comparaison, la fonction représentée sur la figure 3A est rajoutée en trait mixte sur les figures 3B à 3D. L'invention consiste à utiliser une cascade de modulateurs Sigma-Delta afin de produire à partir d'une entrée de n bits une sortie à un seul bit sans oscillations parasites, tout en prévoyant une réalisation simple de filtrages analogiques. Une première étape utilise le modulateur numérique Sigma-Delta 1 du second ordre pour produire à partir d'un mot numérique de n bits une séquence à vitesse élevée de mots numériques de trois bits. La figure 3A montre le diagramme de l'amplitude du signal de sortie de ce premier modulateur numérique Sigma Delta en fonction de la fréquence. Sur ce diagramme, on distingue une marche 20 située dans le domaine des basses fréquences et résultant du traitement du signal d'entrée par le premier modulateur 1. Dans le domaine des fréquences plus élevées, on voit une droite 22 ayant une pente positive qui correspond au bruit de quantification caractéristique des modulateurs Sigma-Delta. On note que l'amplitude du bruit de quantification aux fréquences les plus élevées atteint le même niveau que l'amplitude de la marche 20. Malgré son contenu relativement élevé en bruit de quantification à haute fréquence, la sortie du premier modulateur 1 présente très peu et de très petites oscillations parasites. Au cours de la deuxième étape, le signal de sortie de ce premier étage est appliqué à l'entrée du deuxième modulateur Sigma-Delta 9 du premier ordre et est codé par ce dernier. La sortie du deuxième modulateur présente une largeur d'un seul bit à haute fréquence. Le niveau élevé du bruit à haute fréquence à l'entrée du deuxième modulateur 9 provoque utilement à sa sortie l'étalement des oscillations parasites normalement produites par celui-ci. Comme cela est illustré sur la figure 3B, ceci a pour effet de réduire le rapport signal/bruit dans le domaine 24 des fréquences intermédiaires. Néanmoins, un signal large d'un seul bit à haute fréquence et peu affecté par des oscillations parasites est obtenu à la sortie de cette cascade de modulateurs Sigma-Delta 1 et 9 permettant par la suite l'utilisation d'un circuit de conversion numérique-analogique simple basé sur un ensemble de sources de courant séparées et une résistance de sommation tel que décrit en référence aux Fig. 1 et 2. De plus, un tel circuit de conversion numérique-analogique présente l'avantage d'une sortie à haute impédance réduisant ainsi la consommation d'énergie du circuit. La chaîne numérique de retards 11 interposée entre le second modulateur Sigma-Delta 9 et l'ensemble 13 des sources de courant, constitue en combinaison avec cet ensemble 13 un premier filtre de lissage du bruit à haute fréquence. Ainsi que l'on peut le constater sur la figure 3C, la pente positive du bruit de quantification à haute fréquence est réduite par un tel agencement. Le condensateur C forme avec la résistance R du circuit, un deuxième filtre passe-bas qui est d'autant plus efficace que la résistance R est élevée. L'action du filtre passe-bas ainsi réalisé est illustrée sur la figure 3D. La pente positive et par conséquent le bruit de quantification dans le domaine des fréquences élevées sont presque entièrement supprimés. Le bruit résiduel à haute fréquence reste nettement inférieur à l'amplitude du signal utile. Le filtrage du bruit à haute fréquence est encore amélioré par le fait que le quartz lui-même de l'oscillateur 17 commandé par la tension du circuit RC constitue un troisième filtre passe-bas grâce son facteur Q élevé. La stabilité du quartz n'est pas affectée par le bruit résiduel à la sortie du convertisseur suivant l'invention. La combinaison des trois filtres comprenant la chaîne numérique de retards 11 combinée avec l'ensemble 13 de sources de courant, le circuit RC et le filtre consti tué par le quartz de l'oscillateur 17, assure un filtrage passe bas très efficace. La figure 4 montre de façon schématique quatre spectres de bruit 30, 32, 34 et 36. Le spectre 30 représente le bruit à la sortie des modulateurs Sigma-Delta 1 et 9, le spectre 32, après l'ensemble 13 des sources de courant, le spectre 34, après le circuit RC et le spectre 36, après le quartz de l'socillateur 17. On constate qu'après chaque étape de filtrage, le niveau de bruit diminue d'une manière significative. Les avantages du circuit ainsi réalisé sont les suivants - Les moyens de filtrage sont pratiquement complets dans la mesure où ils nécessitent seulement un composant externe formé par le condensateur C, et une chaîne numérique de retards dans les circuits intégrés. Les sources de courant multiples représentent un surplus de prix de revient très faible par le fait qu'une seule source de courant importante est remplacée par plusieurs sources plus petites. - La consommation d'énergie est faible car le premier modulateur Sigma-Delta du second ordre qui est le plus complexe, fonctionne à une fréquence plus faible que le second. En outre, la source de courant commande une résistance à valeur élevée. - La conception est robuste et aucune pièce délicate n'est utilisée. Le filtrage analogique ne nécessite pas une adaptation parfaite des sources de courants séparées : le filtrage est légèrement affecté par ce fait mais pas la linéarité du convertisseur. - La sortie analogique ne nécessite aucune cellule complexe comme par exemple un amplificateur opérationnel. Le convertisseur numérique-analogique suivant l'invention s'applique à tout système commandé en tension et ayant une forte inertie. Outre les oscillateurs à quartz commandés en tension, le convertisseur peut également être utilisé pour commander par exemple un transducteur à céramique, électro-mécanique ou autre. REVENDICATIONS 1. Convertisseur numérique-analogique à haute résolution destiné à l'accord notamment d'un oscillateur (17) quasi-stable contrôlé par tension, caractérisé en ce qu'il comprend un premier modulateur Sigma-Delta du second ordre (1) destiné à reçevoir à son entrée des signaux numériques à convertir, à la sortie duquel est connectée l'entrée d'un second modulateur Sigma-Delta (9) produisant un seul bit à sa sortie et en ce qu'il comprend un circuit de conversion numérique-analogique (13) disposé en aval des modulateurs Sigma-Delta et auquel sont associés des moyens de filtrage des composantes haute fréquence du signal en cours de traitement pour obtenir une source de courant continu quasi stable à haute résolution pour ledit oscillateur. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier modulateur Sigma-Delta (1) du second ordre est formé de deux modulateurs Sigma Delta du premier ordre (3, 5) connectés en parallèle, la sortie de chaque modulateur étant connectée à une entrée d'un convertisseur parallèle/série (7). 3. Convertisseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le second modulateur Sigma Delta (9) est un modulateur Sigma-Delta du premier ordre. 4. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le second modulateur Sigma-Delta (9) est cadencé à une fréquence sensiblement plus élevés que le premier modulateur Sigma Delta (1). 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de conversion numérique-analogique comprend une source de courant dont l'entrée est reliée à la sortie du second modulateur (9), ladite source étant connectée à une résistance (R). 6. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un condensateur (C) connecté en parallèle à la résistance (R) afin de constituer un filtre passe-bas. 7. Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent en outre une chaîne numérique de retards (11) interposée entre le second modulateur Sigma-Delta (9) et un ensemble (13) de sources de courant (13A à 13H) séparées constituant ladite source de courant, les sorties desdites sources (13A à 13H) de courant étant connectées à la résistance (R) qui constitue une résistance de sommation, la combinaison de la chaîne numérique de retards (11) et de l'ensemble (13) des sources de courant constituant un filtre de lissage du bruit à fréquence très élevée. 8. Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit comprenant le premier modulateur Sigma-Delta (1) du second ordre, le second modulateur Sigma-Delta (9) du premier ordre, la chaîne numérique de retards (11), l'ensemble (13) des sources de courant et la résistance de sommation (R), est un circuit monolithique. 9. Convertisseur numérique-analogique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le composant à fréquence stable de l'oscillateur constitue lui-même un filtre passe-bas grâce à son facteur (Q). 10. Oscillateur caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.