Brevet FR2796507A1 — publié le 20010119

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour générer un signal modulé en largeur d'im- pulsion ayant un signal de niveau haut d'une première lar- geur et un signal de niveau bas d'une seconde largeur. Dans de nombreuses applications, pour prédéfi- nir une valeur de consigne, par exemple une valeur de con- signe de courant dans un étage de puissance, à l'aide d'un microcontrôleur, il faut fournir une valeur analogique. Une telle valeur analogique est soumise à des exigences concer- nant la qualité de lissage ou de filtrage qui doit être aussi bonne que possible et présenter simultanément une très grande dynamique. Comme autre exemple, il y a les ré- gulateurs numériques nécessitant des convertisseurs numéri- ques/analogiques pour donner une grandeur calculée de réglage ou d'actionnement à une régulation de type analogi- que. Pour cela, on utilise fréquemment des modulateurs de largeur d'impulsion fournissant une largeur d'impulsion proportionnelle à une valeur numérique prédéterminée; cette largeur correspond alors à une tension analogique après un filtrage passe-bas. L'avantage de tels modulateurs de largeur d'impulsion est leur coût très faible. Il est par exemple possible d'utiliser un micro-ordinateur avec une sortie à largeur d'impulsion ou d'intégrer l'électroni- que numérique, nécessaire dans une carte ASIC. Les coûts supplémentaires pour un convertisseur numérique/analogique ne représentent souvent que le coût d'un élément RC qui s'utilise comme filtre passe-bas, simple. De tels conver- tisseurs numériques-analogiques présentent en outre une li- néarité et une monotonie remarquables. Dans les modulateurs à largeur d'impulsion ac- tuels utilisés comme convertisseurs numériques /analogi- ques, on a toutefois constaté que leur dynamique était re- lativement lente et qu'ils présentaient un spectre de fré- quence d'émission relativement faible. Pour remédier à ces inconvénients, la publica- tion Automatisierungstechnik 41 (1993) 11, pages 428-432, a proposé d'utiliser des modulateurs de nombres d'impulsions à la place des modulateurs de largeur d'impulsion. L'avan- tage de l'utilisation des modulateurs de nombres d'impul- sions indiqués dans ce document est que par rapport à une modulation à largeur d'impulsion, pour une même résolution dans le temps, on a des spectres de fréquences d'émission beaucoup plus élevés et on peut varier plus rapidement la valeur de consigne. De plus, par rapport à la modulation de largeur d'impulsion, on peut utiliser des étages de filtre plus petits et ainsi moins coûteux. L'inconvénient de la modulation de nombre d'impulsions est toutefois de nécessi- ter un circuit particulier notamment avec des algorithmes de calcul. Cela augmente le coût d'investissement et de fonctionnement d'un modulateur de nombre d'impulsions. Il existe certes dans les micro-calculateurs disponibles actuellement, des unités périphériques intelli- gentes ou programmables pouvant générer des signaux modulés en largeur d'impulsion (MLI) à résolution très élevée (par exemple une horloge à 20 MHz, une résolution de 50 ns pour des événements séparés), mais fréquemment ces unités sont limitées en ce que la distance entre deux flancs successifs de signaux est limitée vers le bas, par exemple à 10 ps à cause des temps de recharge ou de calcul. La présente invention a pour but de développer un signal modulé en largeur d'impulsion ayant une meilleure résolution par rapport à celle des signaux connus et une plage de valeur plus grande, dont la fréquence soit aussi élevée que possible pour permettre un étage de filtre en aval ayant une fréquence limite aussi élevée que possible. Il faut en particulier que la fréquence d'émission puisse elle-même être modifiée. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on fournit et on continue de traiter en fonction d'un taux d'impulsions prédéterminé la largeur du signal de niveau haut dans un premier état de fonctionnement et la largeur du signal de niveau bas dans un second état de fonctionnement. L'invention concerne également un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé par des moyens pour com- muter entre un premier état de fonctionnement dans lequel on génère et/ou on continue de traiter la largeur du signal du niveau haut en fonction d'un taux d'impulsions prédéter- miné, et un second état de fonctionnement dans lequel on émet et/ou on continue de traiter la largeur du signal de niveau bas selon un taux d'impulsions prédéfini. Selon l'invention, on génère un signal modulé en largeur d'impulsion ayant une meilleure résolution que celle des signaux connus à l'intérieur de la plage de va- leur souhaitée et dont la fréquence est plus élevée par comparaison à celle des solutions connues, ce qui permet d'avoir par exemple un étage de filtre en aval ayant une fréquence limite plus élevée. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: * pour un taux d'impulsions inférieur à 50 % entre le si- gnal de niveau haut et le signal de niveau bas, on défi- nit une largeur de niveau de signal, minimale, autorisée par rapport au signal de niveau haut et on émet le si- gnal de niveau bas selon le taux d'impulsions prdédéfi- ni, et pour un taux d'impulsions de plus de 50 %, on définit une largeur de niveau de signal, minimale, auto- risée par rapport au signal de niveau bas et on émet la largeur du signal de niveau haut comme taux d'impulsions prédéterminé, * on prédéfinit un taux d'impulsions minimum par exemple de 10 % et/ou un taux d'impulsions maximum par exemple de 90 %. Pour un taux d'impulsions inférieur à 50 % en- tre le signal de niveau haut et le signal de niveau bas du signal modulé en largeur d'impulsion, il est avantageux de définir une largeur de niveau de signal minimale autorisée pour le signal de niveau haut, et le signal de niveau bas est donné comme signal modulé en largeur d'impulsion ou est traitée; pour un taux d'impulsions supérieur à 50 %; on définit une plage de niveau de signal nominale autorisée pour le signal de niveau bas, et le signal de niveau haut est donné ou traité comme signal modulé en largeur d'impulsion. Le taux d'impulsions est le rapport des durées du signal de niveau haut et du signal du niveau bas; un taux d'impulsions inférieure à 50 % signifie que le signal de niveau bas dure plus de la moitié de la période totale du signal. De façon avantageuse, on prédéfinit un taux d'impulsions minimum, par exemple de 10 % et un taux d'im- pulsions maximum, par exemple de 90 %. Ces moyens évitent des fréquences d'émission allant vers l'infini, que l'on aurait pour des taux d'impulsions voisins de zéro ou de %. Il est en outre avantageux que la commutation entre les différents états de fonctionnement se fasse avec une hystérésis. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: * la figure 1 est une vue schématique de différents états d'un signal modulé en largeur d'impulsion, * la figure 2 montre schématiquement une caractéristique typique d'un modulateur à largeur d'impulsion selon l'invention dont la fréquence de sortie est représentée en fonction du taux d'impulsions, * la figure 3 montre un ordinogramme pour la présentation du procédé de 1 'invention. Dans les modulateurs d'impulsions, du fait des temps de recharge ou de calcul, on est tenu à respecter un intervalle minimum entre deux flancs successifs de signaux. Une durée correspondante T_ min est donnée à la figure la pour un signal caractéristique, modulé en largeur d'impul- sion. Le taux d'impulsions TV entre la durée TH du signal de niveau haut et la durée TL du signal de niveau bas est dans ce cas supérieur à 50 %. La somme des deux durées ou largeurs TH, TL résulte de la période du signal de sortie T-P du signal modulé en largeur d'impulsion. La durée du signal de niveau bas TL correspond à la durée minimale à respecter Tmin entre deux flancs de signaux successifs. En réglant la durée du signal de niveau bas TL sur la valeur Tmin, on peut rendre maximale la fréquence fp du signal modulé en largeur d'impulsion (l'inverse de la période TP) sans influencer la possibilité de traitement du signal mo- dulé en largeur d'impulsion. Dans ces conditions, on émet comme signal, la durée TH correspondant à un taux d'impulsions à prédéterminer. Cette durée est supérieure à Tmin (TV > 50 %) et n'est pas critique. En diminuant la durée TH du signal de niveau haut, on peut continuer à diminuer la période TP du signal modulé en largeur d'impulsion jusqu'à ce que la durée du signal de niveau TH corresponde à la distance mnimale T_ min entre deux flancs voisins de signaux. Cette siguation est représentée à la figure lb. On voit que dans ces condi- tions, la période TP du signal modulé en largeur d'impulsion est minimale; cela signifie que sa fréquence f est à la fmax. Le taux d'impulsions TV est dans ce cas égal à 50 %. Pour diminuer encore plus le taux d'impulsions, on augmente la durée du signal de niveau TL; et on défi- nit Tmin comme durée niveau haut, minimale, (figure lc). la durée TL est fournie comme signal par exemple en fonci- ton du taux d'impulsions à prédéterminer. La durée TL est supérieure à Tmin (TV de niveau bas correspondant à un taux d'impulsions prédé- terminé ". La commutation entre les deux états peut être exécutée à l'aide de moyens de commande apporpriés, par exemple d'un microcontrôleur associé à un modulateur de largeur d'impulsion. on peut éventuellement prévoir une faible hétérésis. La figure 2 montre la une courbe caracté- ristique correspondantes selon laquelle la fréquence de sortie f du signal modulé en largeur d'imulsion est tracée en fonction du taux d'imulsions TV. On vois que pour un taux d'imulsions de 50 %, on a un passage contiue de la courbe caractéristique, mais il n'y a pas de saut. La fré- quence f, émise, représentée à la figure 2 est maximale pour un taux d'impulsions TV égal 50 %. Dans toute la plage des taux d'impulsions à prédéterminer, intéressants (en li- mitant par exemple le taux d'impulsions de 10 % à 90 %), on a toujours un signal de sortie avec une fréquence de sortie a adaptée de manière optimale, c'est-à-dire aussi élevée que possible. A l'aide d'un tel signal de fréquence de sor- tie, optimisé, on peut réaliser l'étage de filtre en aval avec une fréquence limite relevée de manière correspon- dante. Le procédé décrit permet, en utilisant des ma- tériels classiques, d'atteindre la fréquence la plus élevée possible (et ainsi utiliser le moins de filtres possible pour une dynamique aussi importante que possible). Poursui- vre l'optimisation n'est possible qu'avec un circuit sup- plémentaire (par exemple avec modulation du nombre d'impul- sions, ou des filtres complexes, ou des fréquences plus élevées). Le procédé selon l'invention sera décrit une nouvelle fois à laide de l'ordinogramme de la figure 3. Dans une première étape 101, avec des moyens de commande appropriés non représentés on détermine si le taux d'impul- sions est supérieur ou égal à 50 %. Dans l'affirmative, on poursuit par une dérivation entre une étape 102 dans laquelle on définit Tmin comme largeur minimale autorisée ou durée du signal de niveau bas appartenant au signal mo- dulé en largeur d'impulsion. Dans l'étape 103, on fournit comme signal la durée du signal de niveau haut correspon- dant au taux d'impulsions à prédéfinir. Si au contraire dans l'étape 101, on constate que le taux d'impulsions est inférieur à 50 %, on aura une dérivation jusqu'à l'étape 104 dans laquelle T min est émis comme largeur minimale autorisée ou durée du signal de ni- veau haut. Puis dans l'étape 105, selon le taux d'impul- sions à prédéterminer, on a l'émission de la durée du signal de niveau bas. R E V E N D I C A T 1 0 N S 1 ) Procédé pour générer un signal modulé en largeur d'im- pulsion ayant un signal de niveau haut d'une première lar- geur et un signal de niveau bas d'une seconde largeur, caractérisé en ce qu' on fournit et on continue de traiter en fonction d'un taux d'impulsions prédéterminé la largeur du signal de niveau haut dans un premier état de fonctionnement et la largeur du signal de niveau bas dans un second état de fonctionne- ment. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour un taux d'impulsions inférieur à 50 % entre le signal de niveau haut et le signal de niveau bas, on définit une largeur de niveau de signal, minimale, autorisée par rap- port au signal de niveau haut et on émet le signal de ni- veau bas selon le taux d'impulsions prédéfini, et pour un taux d'impulsions de plus de 50 %, on définit une largeur de niveau de signal, minimale, autorisée par rapport au si- gnal de niveau bas et on émet la largeur du signal de ni- veau haut comme taux d'impulsions prédéterminé. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on prédéfinit un taux d'impulsions minimum par exemple de 10 % et/ou un taux d'impulsions maximum par exemple de 90 %. 4 ) Dispositif pour émettre un signal modulé en largeur d'impulsion ayant un signal de niveau haut d'une première largeur et un signal de niveau bas d'une seconde largeur, caractérisé par des moyens pour commuter entre un premier état de fonction- nement dans lequel on génère et/ou on continue de traiter la largeur du signal du niveau haut en fonction d'un taux d'impulsions prédéterminé, et un second état de fonctionne- ment dans lequel on émet et/ou on continue de traiter la largeur du signal de niveau bas selon un taux d'impulsions prédéfini. 5 ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la commutation entre les états de fonctionnement respectifs se fait en appliquant une hystéréris.