Brevet FR2775141A1 — publié le 19990820

DISPOSITIF D'ÉTALCXNAÇE DE CONSTANTES DE TEMPS La présente invention concerne un circuit analogique comportant diverses cellules de traitement de signal, notamment des filtres, dont les constantes de temps doivent être précises. La présente invention vise plus particulièrement un dispositif d'étalonnage automatique de ces constantes de temps. Les technologies d'intégration ne permettent pas de réaliser des composants passifs, tels que des résistances et des condensateurs, de valeur précise en absolu. Par contre, elles permettent d'obtenir une bonne précision relative entre composants de même nature (de l'ordre de 1 t). Afin d'obtenir des constantes de temps précises en absolu, on utilise généralement des filtres à capacités commutées. La précision est alors obtenue grâce au fait que les constantes de temps RC sont proportionnelles à un rapport de capacités. En effet, dans les techniques à capacités commutées, une résistance R est obtenue à partir d'une capacité commutée et sa valeur est égale à T/Cr, où T est la période de commutation et Cr la valeur de la capacité commutée. La précision de la période T est excellente, car elle est obtenue par une base de temps à quartz. Toutefois, les systèmes à capacités commutées sont à temps échantillonné et en conséquence ont l'inconvénient d'être sensibles aux phénomènes de repliement (indiscernabilité entre un signal de fréquence f et un signal de fréquence NF if, où F est la fréquence d'échantillonnage et N un entier). C'est une limitation importante à leur utilisation sur les circuits intégrés où un nombre élevé de signaux de fréquences différentes (sans rapport de multiplicité simple) doivent être traités. Un autre inconvénient des systèmes à temps echantillonné est la limitation en vitesse des signaux par la fréquence d'échantillonnage qui doit etre souvent très supérieure à la limite théorique de Shannon (suréchantillonnage). Cette fréquence d'échantillonnage est en effet limitée par la technologie des composants. Pour obtenir un filtrage précis dans ce cas, on utilise généralement des composants passifs externes que l'utilisateur doit régler ou bien choisir parmi des composants passifs de précision particulièrement couteaux. Un objet de la présente invention est de prévoir un circuit intégré capable, sans composants externes, de traiter avec précision des signaux analogiques dont la fréquence est proche des limites technologiques. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit une boucle de contre-réaction qui asservit la valeur d'une résistance passive réglable sur la valeur d'une résistance à capacité commutée. Le signal de commande de la résistance réglable est appliqué à des résistances réglables de même nature qui interviennent dans des constantes de temps que 1 'on souhaite précises. Ceci permet de corréler les valeurs des résistances réglables aux inverses des valeurs des capacités et d'obtenir des constantes de temps RC aussi précises que celles obtenues avec les techniques à capacités commutées, sans utiliser de capacités commutées dans les chemins de signaux à traiter. La présente invention concerne plus spécifiquement un circuit comprenant au moins une cellule de traitement analogique ayant une constante de temps déterminée par un condensateur et une résistance. Un circuit d'étalonnage comporte un pont constitué d'une résistance à capacité commutée et d'une résistance réglable au moyen d'un signal de commande numérique et une boucle de contre-réaction pour régler le signal de commande numérique de manière que la tension au point milieu du pont soit égale à une fraction prédéterminée de la tension appliquée aux bornes du pont. La résistance de la cellule de traitement est également réglable par ledit signal de commande numérique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la boucle de contre-réaction comprend successivement un intégrateur ; un comparateur à fenêtre fournissant un signal de dépassement supérieur lorsque la sortie de l'intégrateur franchit un seuil haut et un signal de dépassement inférieur lorsque la sortie de l'intégrateur franchit un seuil bas ; et un compteur dont le contenu, qui correspond au signal de commande numérique, est modifié par incréments dans un premier sens par l'un des signaux de dépassement et dans le sens inverse par l'autre des signaux de dépassement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit comprend un deuxième compteur dont le contenu correspond au signal de commande numérique de la résistance de la cellule de traitement, et des moyens pour asservir à une unité près le contenu du deuxième compteur au contenu du premier compteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit comprend des moyens pour faire tendre le contenu du deuxième compteur vers une valeur de butée lorsque le premier compteur est en condition de débordement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la boucle de contre-réaction règle le signal de commande numérique de manière que la tension au point milieu du pont soit égale à la moitié de la tension appliquée aux bornes du pont. 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 à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention d'étalonnage automatique de résistances de cellules de traitement de signal la figure 2 représente un exemple de réalisation plus détaillé du dispositif de la figure 1 ; et la figure 3 représente un chronogramme illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 2. En figure 1, un dispositif d'étalonnage selon l'invention comprend un pont diviseur constitué d'une résistance à capacité commutée 10 et d'une résistance réglable 11. Le pont est connecté entre un potentiel haut 2Vcm et un potentiel bas GND. La valeur Rj de la résistance réglable 11 est déterminée par un signal de commande J fourni par un élément de contre réaction 14. La boucle de contre réaction constituée de l'élément 14 et de la résistance 11 agit pour régler la tension du point milieu P du pont à la moitié Vcm de la tension qui alimente le pont. La résistance réglable 11 est constituée de résistances passives. Pour cela, comme cela est représenté, la résistance 11 peut être constituée de plusieurs résistances connectées en série, le signal de commande J étant numérique et sélectionnant l'un des points d'interconnexion de ces résistances. De cette manière, on obtient une résistance passive Rj de valeur égale à celle de la résistance à capacité commutée 10. En d'autres termes, si CO est la valeur de la capacité utilisée dans la résistance à capacité commutée 10, et T la période du signal de commutation CK, on a Rj = T/C0, ou encore RjC0 = T. Ainsi, la constante de temps RjC0 a une précision indexée sur la période du signal d'horloge CK. Les résistances qui interviennent dans des constantes de temps que l'on souhaite précises dans des filtres 16 ou autres éléments de traitement, sont des résistances réglables du type de la résistance 11, toutes commandées par le signal numérique J fourni par l'élément de contre réaction 14. A titre d'exemple, l'un des filtres 16 est représenté corrittie un filtre passe-bas du premier ordre comportant une résistance réglable 18 et un condensateur C1, connectés en série. Le signal de commande J règle la valeur de la résistance 18 à Rlj. La constante de temps de ce filtre est donc égale à Rlj Cl Si kr est le rapport entre les valeurs des résistances formant la résistance réglable 18 et les valeurs des résistances formant la résistance réglable 11, et si kc est le rapport de la valeur du condensateur C1 et de celle du condensateur CO de la résistance à capacité commutée 10, la constante de temps du filtre passe-bas 16 s'exprime par krkCRjC0. Cette constante de temps peut être obtenue de manière particulièrement précise, puisque le produit RjC0 est connu avec la précision de l'horloge CK et que la précision des coefficients kr et kc est la précision relative des résistances et des condensateurs dans la technologie utilisée, laquelle précision est généralement de l'ordre de 1 W. La figure 2 représente un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'élément de contre-réaction 14. On a également représenté plus en détail la structure de la résistance à capacité commutée 10. Cette résistance à capacité commutée 10 comprend quatre interrupteurs commandés par le signal d'horloge CK et son complément CK/ de manière que le condensateur CO soit, lors d'une phase de l'horloge CK, connecté entre un potentiel Vcm et le point milieu P du pont et, lors de l'autre phase, connecté en inverse entre le potentiel Vcm et le potentiel bas GND. L'élément 10 est équivalent à une résistance connectée entre le point milieu P et un potentiel 2Vcm. L'élément de contre réaction comprend un intégrateur constitué d'un amplificateur opérationnel 20 dont la sortie et l'entrée inverseuse sont connectées l'une à l'autre par un condensateur d'intégration Ci. L'entrée inverseuse de l'amplificateur 20 est connectée au point milieu P tandis que son entrée non inverseuse est connectée au potentiel Vcm. La sortie VA de l'intégrateur 20 est reliée à un comparateur à fenêtre 22 qui fournit une impulsion U lorsque la tension VA franchit un seuil haut VH et une impulsion D lorsque la tension VA franchit un seuil bas VL. Un circuit de mise en forme 24 fournit des signaux logiques UO et DO correspondant respectivement aux impulsions U et D synchronisées sur l'horloge CK. Par ailleurs, le circuit 24 fournit un signal de remise à zéro RS à l'intégrateur 20 à chaque survenue d'une impulsion U ou D. Ce signal RS ferme un interrupteur S1 pour décharger la capacité d'intégration Ci. Les signaux UO et DO sont fournis à un compteurdécompteur 26. Chaque impulsion UO incrémente le compteur 26 d'une unité, tandis que chaque impulsion DO décrémente ce compteur d'une unité. Le contenu J du compteur 26 correspond au signal de commande J de la figure 1. Si la résistance réglable 11 est constituée de plusieurs résistances en série de même valeur, leurs points d' interconnexion sont reliés au point milieu P par des interrupteurs respectifs S2. Le signal de commande J est fourni à un décodeur 28 qui ferme un seul des interrupteurs S2 en fonction de la valeur du signal J. Comme dans tout système de commande numérique, le signal de commande J présente une gigue de plus ou moins une unité du fait que le réglage exact se situe entre deux valeurs numériques différant par leur bit de poids faible. Il convient de ne pas transmettre cette gigue aux filtres analogiques 16 que le dispositif doit étalonner. Des circuits non encore décrits servent à transmettre aux filtres 16 un signal de commande d'étalonnage B dépourvu de gigue. Le signal B, correspondant au contenu d'un compteurdécompteur 30, et le signal J sont fournis à un soustracteur 32. Le résultat B-J de la soustraction est fourni à un circuit de commande 34 qui, en fonction de ce résultat, envoie au compteur 30 des impulsions d'incrémentation U1 ou de décrémentation D1 à partir de l'horloge CK. Plus précisément, lorsque la différence B-J est strictement supérieure à 1, le circuit de commande 34 émet des impulsions de décrémentation D1. Lorsque la différence B-J est strictement inférieure à -1, le circuit de commande 34 émet des impulsions d'incrémentation U1. Sinon, lorsque la différence B-J est comprise entre -1 et 1, le circuit de commande 34 est inactif. En d'autres termes, tant que le signal J présente une gigue normale de plus ou moins une unité, le signal de commande B reste constant. Par contre, si le signal J évolue régulièrement, par exemple lors d'un premier réglage à la mise sous tension, le circuit de commande 34 provoque une modification du contenu du compteur 30 pour que la valeur B suive la valeur J. En fait, la valeur B suivra la valeur J avec une unité d'écart. Si dans un cas particulier le bon réglage est en butée, c'est-à-dire sur le premier ou dernier réglage de la résistance 11, la valeur J se stabiliserait à sa valeur maximale ou minimale, tandis que la valeur B se stabiliserait à une unité d'écart de la valeur J, ce qui réduit la plage d'excursion de la valeur B. Pour éviter cela, le circuit de commande 34 prend en compte un signal de débordement OVF qui est activé lorsque le compteur 26 est en butée minimale ou en butée maximale. Lorsque la différence B-J est négative et que le signal OVF est actif, cela signifie que le réglage est en butée maximale. Dans ce cas, le signal de corranande 34 émet une impulsion d'incrémentation U1, ce qui ramène la valeur B à la valeur maximale. Lorsque la différence B-J est positive et que le signal OVF est actif, on a atteint un réglage en butée minimale. Le circuit de commande 34 émet une impulsion de décrémentation D1 qui ramène la valeur B à la valeur minimale. La figure 3 illustre le fonctionnement du circuit de la figure 2 par un exemple d'évolution de divers signaux. A chaque phase basse du signal d'horloge CK, le condensateur CO de la résistance à capacité commutée 10 est connecté entre les potentiels Vcm et GND de manière qu'il se charge en inverse à la tension Vcm. L'intégrateur 20-Ci fonctionne alors en intégrant la valeur constante Vcm. Sa tension de sortie VA croît linéairement avec une pente Vcm/Rj Ci. Lorsque le signal CK bascule à l'état haut, le condensateur CO, charge à -Vcm, est connecté entre le potentiel Vcm et le noeud P. Sa charge VcmCO est transférée totalement dans le condensateur Ci, car l'amplificateur 20 maintient le potentiel du noeud P à Vcm. Ce transfert de charge produit une variation négative de la tension VA égale à VcmCO/Cj. A un instant tO, lors d'un front descendant du signal d'horloge CK, le signal de remise à zéro RS devient inactif, ce qui rend operationnel l'intégrateur 20. Le signal VA commence à croltre lineairement avec une pente Vcm/RjCi. A chaque front montant ulterieur du signal d'horloge CK, le signal VA subit une chute de VcmCO/Ci. Dans le présent exemple, la résistance Rj est reglée à une valeur trop faible, d'où il résulte qu'à chaque front montant du signal CK, le signal VA atteint une valeur maximale supérieure à celle atteinte lors du précédent front montant du signal CK. Le signal VA est donc globalement croissant et atteint le seuil haut VH à un instant tl. Ceci engendre une impulsion U qui est transformée en un signal de remise à zero RS et en une impulsion UO afin d'incrémenter le contenu du compteur 26. Comme cela est représenté, le contenu J du compteur passe d'une valeur j-2 à une valeur j-l. En supposant que le contenu B du compteur 30 était à une valeur j-3, l'écart entre les valeurs J et B dépasse une unité. Par conséquent, le circuit de commande 34 émet une impulsion d'incrémentation U1 qui ramène la valeur B à j-2 et à une unité d'écart avec la valeur J. Des que le signal RS est désactive, l'intégrateur est libéré pour recommencer un cycle similaire à celui commencé à l'instant tO. La nouvelle valeur de la résistance Rj est toujours trop faible, d'où il résulte que la tension VA crolt globalement, toutefois plus lentement que lors du cycle précédent. A un instant t2, le signal VA atteint de nouveau le seuil haut VH, ce qui provoque, outre la remise à zéro RS, une nouvelle incrémentation du compteur 26. Le contenu J du compteur 26 passe de j-l à j. L'écart avec la valeur B depasse de nouveau 1, ce qui provoque une nouvelle activation du signal U1 pour incrementer le contenu B du compteur 30. La valeur B passe donc à j-l. La valeur de la résistance Rj est maintenant trop forte. Ainsi, dès que le signal RS est désactivé, le signal VA décroît globalement et atteint le seuil bas VL à un instant t3, où le comparateur à fenêtre 22 produit une impulsion D. Cette impulsion D provoque une nouvelle fourniture d'une impulsion de remise à zéro RS et la fourniture d'une impulsion DO de décrémentation du contenu du compteur 26. Ainsi, la valeur J passe de j à j-l. Comme la valeur B est déjà égale à j-l, c'està-dire que l'écart entre les valeurs J et B est inferieur à 1, cette valeur B n'est pas modifiée. Lorsque le signal RS est de nouveau désactivé, un nouveau cycle d'intégration commence. Dans le cas général, le signal VA se mettra de nouveau à croître globalement, comme cela est représenté. De nombreuses variantes et modifications de la présente invention apparaîtront à l'homme du métier. En particulier, on a decrit un système qui règle la résistance il à la même valeur que la résistance à capacité commutée 10. REVENDICATIONS 1. Circuit comprenant au moins une cellule de traitement analogique (16) ayant une constante de temps déterminee par un condensateur (C1) et une résistance (18), caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'étalonnage comportant - un pont constitué d'une résistance à capacité commutée (10) et d'une résistance (11) réglable au moyen d'un signal de commande numérique (J) ; et - une boucle de contre-réaction (11, 14) pour régler le signal de commande numérique de manière que la tension au point milieu (P) du pont soit égale à une fraction predéterminée de la tension (2Vcm) appliquée aux bornes du pont la résistance (18) de la cellule de traitement étant également reglable par ledit signal de commande numérique. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boucle de contre-réaction (14) comprend successivement - un intégrateur (20, Ci) - un comparateur à fenêtre (22, 24) fournissant un signal de dépassement supérieur (UO) lorsque la sortie (VA) de I'intégrateur franchit un seuil haut (VH) et un signal de dépassement inférieur (DO) lorsque la sortie de l'intégrateur franchit un seuil bas (VL) ; et - un compteur (26) dont le contenu, qui correspond au signal de commande numérique (J), est modifié par incréments dans un premier sens par l'un des signaux de dépassement et dans le sens inverse par l'autre des signaux de dépassement. 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend - un deuxième compteur (30) dont le contenu correspond au signal de commande numérique (B) de la résistance (18) de la cellule de traitement (16), et - des moyens (32, 34) pour asservir à une unité près le contenu du deuxième compteur (30) au contenu du premier compteur (26). 4. Circuit selon la revendication 3, caractérise en oe qu' il comprend des moyens pour faire tendre le contenu du deuxième compteur (30) vers une valeur de butée lorsque le premier compteur est en condition de debordement. 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérise en ce que la boucle de contre-reaction (11, 14) règle le signal de commande numérique (J) de manière que la tension au point milieu (P) du pont soit égale à la moitié de la tension (2Vcm) appliquée aux bornes du pont.