Brevet FR2887091A1 — publié le 20061215

CONVERTISSEUR NUMERIQUE ANALOGIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne un convertisseur numérique-analogique (CNA) du type fournissant, à partir d'un signal numérique, un signal modulé en largeur d'impulsion dont la valeur moyenne correspond à un signal analogique, et un procédé de conversion de signal numérique en signal modulé en largeur d'impulsion. Exposé de l'art antérieur Un exemple d'application d'un convertisseur numérique- analogique concerne la fourniture de signaux audio dans lequel un signal numérique est converti en un signal modulé en largeur d'impulsion pour commander un haut-parleur. Un autre exemple d'application concerne la fourniture, à partir d'un signal numérique, d'un signal modulé en largeur d'impulsion pour la commande d'un moteur. La figure 1 représente un exemple de convertisseur numérique-analogique 10 pour la commande d'une charge 12, par exemple un haut-parleur ou un moteur. Le convertisseur 10 reçoit, à une fréquence F1, un signal numérique IN correspondant à une succession de messages codés sur un nombre déterminé de bits, par exemple de 16 à 24 bits, et fournissant, à la fréquence F1, un signal PWM à deux états modulé en largeur d'impulsions qui attaque un amplificateur 16 de classe D. Le convertisseur 10 est un convertisseur numérique-analogique dans la mesure où le signal PWM, bien qu'étant un signal binaire, a une valeur moyenne qui correspond à un signal analogique. L'amplificateur 16 fournit un signal amplifié OUT pour la commande de la charge 12. Le convertisseur 10 comprend un module de conversion PCM 18, également appelé modulateur A-E (correspondant à l'expression anglaise Noise Shaper) qui reçoit, à une première entrée, le signal IN et qui fournit, à la fréquence F1, un signal numérique PCM modulé en hauteur d'impulsion à un module de conversion PWM 20 qui fournit le signal PWM. Le signal PCM est un signal numérique, par exemple sur 3 ou 4 bits, permettant de coder M+1 valeurs ou états. Le signal PCM est également fourni par une boucle de retour 21 à une seconde entrée du module de conversion PCM 18. Le module de conversion PWM 20 est commandé par un signal de commande périodique CLK à partir duquel est fourni le signal PWM. La figure 2 illustre un exemple d'évolution du signal PWM en fonction des différents états codés par le signal PCM. Dans le présent exemple, on a représenté un signal PCM codant 9 états (c'est-à-dire pour M égal à 8). La fréquence F1 correspond à la fréquence de fourniture d'une nouvelle valeur du signal PCM par le module de conversion PCM 18. Le signal PWM est un signal à deux états haut et bas tel qu'au cours d'un cycle de durée T1, inverse de la fréquence F1, la durée du signal PWM à l'état haut dépend du signal PCM reçu par le module de conversion PWM 20. La durée T2 correspond à la durée minimale pendant laquelle le signal PWM peut être à l'état haut ou à l'état bas pendant un cycle. La durée T2 caractérise la résolution du module de conversion PWM 20 et est égale à T1 divisée par M de façon que le signal PWM puisse coder les M+1 états que peut prendre le signal PCM. De façon à atteindre une telle résolution, il est nécessaire que le signal de commande CLK ait une fréquence F2, inverse de la durée T2, égale à m fois la fréquence F1. Un tel convertisseur numérique-analogique associé à un amplificateur de classe D permet de réaliser une conversion numérique-analogique de puissance tout en assurant un rendement élevé et une bonne immunité aux imperfections électriques de l'amplificateur de classe D. Le module de conversion PCM 18 permet de convertir un signal numérique ayant un nombre déterminé de bits en un signal numérique ayant un nombre moins important de bits tout en rejetant une partie du bruit de quantification introduit par une telle conversion en dehors d'une bande de fréquence utile. La modulation en largeur d'impulsion étant un processus non linéaire, la conversion du signal PCM en signal PWM entraîne l'apparition de composantes spectrales d'intermodulation. Une part non négligeable de la puissance du signal PCM fourni par le module de conversion PCM 18 étant présente sous forme de bruit de quantification à l'extérieur de la bande de fréquence utile, les composantes d'intermodulation entraînent une augmentation significative du niveau de bruit dans la bande de fréquence utile lors de la conversion du signal PCM en signal PWM. On obtient alors une dégradation du rapport signal à bruit en sortie du convertisseur, autrement dit, pour une application audio, une dégradation de la qualité du signal audio fourni par le haut-parleur 12. Il existe deux solutions pour éviter de tels 25 inconvénients: Une première solution consiste à réduire le bruit de quantification en sortie du module de conversion PCM 18 en augmentant le nombre d'états que peut coder le signal PCM. La réduction du bruit de quantification permet de réduire les composantes d'intermodulation issues de la modulation PWM, ce qui limite la dégradation de la qualité du signal PWM. Toute- fois, une augmentation du nombre d'états que peut coder le signal PCM implique une augmentation de la résolution du signal PWM et nécessite donc une augmentation de la fréquence du signal CLK de commande du module de conversion PWM 20. Un inconvénient d'une telle solution est que la fourniture du signal de commande CLK à une fréquence élevée requiert l'utilisation de composants coûteux, par exemple des boucles à verrouillage de phase. La figure 3 représente une seconde solution qui consiste à prévoir, au niveau de la boucle de retour 21 qui fournit le signal PCM en entrée du module de conversion PCM 18, un module à fonction de transfert variable 22 qui modélise la réponse en fréquence du module de conversion PWM 20. Le module de conversion PCM 18, qui se comporte comme un filtre passe- bande en ce qui concerne les perturbations introduites dans la boucle de retour 21, filtre donc les perturbations présentes dans la bande de fréquence utile du signal fourni par le module à fonction de transfert variable 22 ce qui assure l'obtention d'un signal PWM ayant un niveau de bruit acceptable dans la bande de fréquence utile. Un inconvénient d'une telle solution est qu'elle requiert l'utilisation d'un module de filtrage 22 pour modéliser la réponse en fréquence du module de conversion PWM 20. Une telle fonction de transfert est particulièrement difficile à modéliser, en particulier parce qu'elle varie pour chaque valeur que peut prendre le signal PCM. Le module à fonction de transfert variable 22 nécessite donc généralement un nombre important d'opérateurs logiques et d'éléments de mémorisation et présente donc un encombrement important et un coût de fabrication non négligeable. Résumé de l'invention La présente invention vise à obtenir un convertisseur de signal numérique en signal modulé en largeur d'impulsion et un procédé de conversion de signal numérique en signal modulé en largeur d'impulsion permettant la fourniture d'un signal modulé en largeur d'impulsion ayant un rapport signal à bruit élevé. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un convertisseur numérique-analogique susceptible d'être réalisé seulement à partir de composants utilisés pour la fabrication de circuits logiques. Dans ce but, elle prévoit un convertisseur de signal numérique en signal modulé en largeur d'impulsion, comprenant: un premier module de conversion recevant, à une première fréquence, des signaux numériques successifs suscep- tibles de prendre un premier nombre déterminé de valeurs, et fournissant un premier signal intermédiaire, à la première fréquence, susceptible de prendre un second nombre déterminé de valeurs inférieur au premier nombre déterminé ; un module réalisant une décimation du premier signal intermédiaire pour fournir un second signal intermédiaire à une seconde fréquence égale à la première fréquence divisée par le second nombre déterminé moins l'unité ; et un second module de conversion fournissant à la seconde fréquence, à partir du second signal intermédiaire, un signal à deux états modulé en largeur d'impulsion dont la durée minimale dans l'un des deux états est égale à l'inverse de la première fréquence, le premier module de conversion recevant ledit signal modulé en largeur d'impulsion. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le second module de conversion est adapté à fournir, pour une alternance de cycles pairs et impairs à la première fréquence, le signal modulé en largeur d'impulsion tel que, sur chaque cycle pair, le signal modulé en largeur d'impulsion comprend au maximum un front descendant et ne comprend pas de front montant, et, sur chaque cycle impair, le signal modulé en largeur d'impulsion comprend au maximum un front montant et ne comprend pas de front descendant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier module de conversion est adapté à réaliser un filtrage sur la différence entre les signaux numériques successifs et le signal modulé en largeur d'impulsion. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier module de conversion est adapté à fournir le premier signal intermédiaire sous forme numérique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le convertisseur comprend, en outre, un amplificateur de classe D commandé par le signal modulé en largeur d'impulsion. La présente invention prévoit également un procédé de conversion de signal numérique en signal modulé en largeur d'impulsion, comprenant les étapes consistant à recevoir, à une première fréquence, des signaux numériques successifs susceptibles de prendre un premier nombre déterminé de valeurs; à fournir à la première fréquence, à partir des signaux numériques successifs, un premier signal intermédiaire susceptible de prendre un second nombre déterminé de valeurs inférieur au premier nombre déterminé ; à réaliser une décimation du premier signal intermédiaire pour fournir un second signal intermédiaire à une seconde fréquence égale à la première fréquence divisée par le second nombre déterminé moins l'unité ; et à fournir à la seconde fréquence, à partir du second signal intermédiaire, un signal à deux états modulé en largeur d'impulsion dont la durée minimale dans l'un des deux états est égale à l'inverse de la première fréquence, le premier signal intermédiaire étant égale- ment fourni à partir dudit signal modulé en largeur d'impulsion. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le signal modulé en largeur d'impulsion est fourni sur une alternance de cycles pairs et impairs à la première fréquence, tel que, sur chaque cycle pair, le signal modulé en largeur d'impulsion comprend au maximum un front descendant et ne comprend pas de front montant, et, sur chaque cycle impair, le signal modulé en largeur d'impulsion comprend au maximum un front montant et ne comprend pas de front descendant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier signal intermédiaire est fourni à partir d'un filtrage de la différence entre les signaux numériques successifs et le signal modulé en largeur d'impulsion. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et second signaux intermédiaires sont des signaux 35 numériques. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend, en outre, l'étape consistant à commander un amplificateur de classe D avec le signal modulé en largeur d'impulsion. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'exemples de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, représente un exemple de circuit de commande d'une charge comprenant un convertisseur numérique-analogique classique; la figure 2, précédemment décrite, représente un 15 exemple d'évolution de signaux caractéristiques du convertisseur de la figure 1; la figure 3, précédemment décrite, représente un exemple classique de convertisseur numérique-analogique permet-tant de fournir un signal dont le rapport signal à bruit est élevé ; la figure 4 représente un exemple de réalisation d'un convertisseur numérique-analogique selon l'invention; la figure 5 représente un exemple plus détaillé d'un élément du convertisseur de la figure 4; et la figure 6 représente l'évolution de signaux fournis par une variante du convertisseur numérique-analogique de la figure 4. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés 30 par de mêmes références aux différentes figures. La présente invention consiste à fournir directement à la seconde entrée du module de conversion PCM le signal PWM fourni par le module de conversion PWM. Cela permet une prise en compte directe par le module de conversion PCM des perturbations introduites par le module de conversion PWM. Comme le module de conversion PCM agit comme un filtre passe-bande vis-à-vis des perturbations introduites dans la boucle de retour, il filtre, dans la bande de fréquence utile, les perturbations issues du module de conversion PWM, ce qui assure l'obtention d'un signal PWM ayant un niveau de bruit minimal dans la bande de fréquence utile du convertisseur numérique-analogique. La figure 4 représente un exemple de réalisation d'un convertisseur numérique-analogique 30 selon l'invention. De façon analogue au convertisseur 10 décrit à la figure 1, le convertisseur 30 comprend un module de conversion PWM 20 qui reçoit, à la fréquence F1, un signal numérique PCM modulé en hauteur d'impulsion sur M+ 1 états et fournit un signal PWM modulé en largeur d'impulsion à une fréquence cyclique F1. La résolution du signal PWM fourni par le module de conversion PWM 20 est déterminée par le signal de commande CLK à la fréquence F2 égale à m fois F1. A la différence du convertisseur 10, le convertisseur comprend un module de conversion PCM 32 qui reçoit à une première entrée un signal d'entrée numérique IN' à la fréquence F2 et fournit un signal PCM' modulé en hauteur d'impulsion à la fréquence F2. Le signal PCM' est transmis à un décimateur 24 qui réalise une opération de décimation d'un facteur M, par exemple en sélectionnant un échantillon du signal PCM' tous les M échantillons, et qui fournit un signal PCM à la fréquence F1 au module de conversion PWM 20. Le signal PWM est fourni par une boucle de retour 33 à une seconde entrée du module de conversion PCM 32. Comme le signal PWM est un signal à deux états fourni de façon cyclique à la fréquence F1 et qui peut occuper un même état pendant une durée minimale égale à l'inverse de la fréquence F2, il peut être directement mis sous la forme d'un signal numérique transmis à la fréquence F2 ayant le même nombre de bits que le signal IN' de façon à être utilisable par le module de conversion PCM 32. A la différence du convertisseur 10 représenté en figure 1, le signal IN' est donc un signal numérique fourni à la fréquence F2, égale à m fois F1. Le module de conversion PCM 32 fonctionne donc à une fréquence M fois plus élevée que le module de conversion PCM 18 du convertisseur 10. Par contre, le module de conversion PWM 20 du convertisseur 30 selon la présente invention peut fonctionner de façon identique au convertisseur 10 représenté en figure 1, et, en particulier, peut être commandé par le signal de commande CLK à la fréquence F2. Pour obtenir le module de conversion PCM 32 fonctionnant à une fréquence F2 supérieure à la fréquence F1, il est nécessaire de modifier la structure du module de conversion PCM 18. La figure 5 représente un exemple de réalisation du module de conversion PCM 32 selon l'invention mettant en évidence les modifications pouvant être apportées à un module de conversion PCM classique lorsque l'on souhaite en augmenter la fréquence de fonctionnement. A titre d'exemple, on a représenté un module de conversion PCM 32 qui réalise un filtrage d'ordre 5 et comprend une ligne principale constituée d'une succession de cinq intégrateurs 34, 36, 38, 40 et 42. Chaque intégrateur 34, 36, 38, 40 et 42 est précédé d'un amplificateur 44, 46, 48, 50 et 52 ayant respectivement un coefficient d'amplification A/M, B/M, C/M, D/M et E/M. Un additionneur 54 reçoit à une première entrée le signal fourni par l'intégrateur 34 et à une seconde entrée le signal fourni par l'intégrateur 38, amplifié par un amplificateur 56 ayant un coefficient d'amplification F, et attaque l'amplificateur 46. Un additionneur 58 reçoit à une première entrée le signal fourni par l'intégrateur 38 et à une seconde entrée le signal fourni par l'intégrateur 42, amplifié par un amplificateur 60 ayant un coefficient d'amplification G, et attaque l'amplificateur 50. Le module de conversion PCM 32 comprend un soustracteur 62 dont l'entrée positive reçoit le signal IN', dont l'entrée négative reçoit le signal PWM mis en forme et dont la sortie attaque l'amplificateur 44. Les sorties des intégrateurs 34, 36, 38, 40 et 42 sont fournies à des entrées respectives d'un additionneur 64, respectivement par l'intermédiaire d'amplificateurs 66, 68, 70, 72 et 74 ayant des coefficients d'amplification respectifs H, I, J, K et L. L'additionneur 64 attaque un module de quantification 76 qui fournit un signal numérique modulé en hauteur d'impulsion PCM' à la fréquence F2 sur un nombre de bits inférieur au nombre de bits du signal IN'. Un exemple de structure du module de conversion PCM 18 fonctionnant à la fréquence F1 serait la structure représentée en figure 5 dans laquelle les coefficients d'amplification des amplificateurs 44, 46, 48, 50 et 52 seraient respectivement A, B, C, D et E, les autres coefficients d'amplification étant inchangés. Pour faire fonctionner le module de conversion PCM 32 à la fréquence F2 égale à m fois F1, une possibilité consiste donc à modifier certains coefficients d'amplification du module de conversion PCM 18 en les divisant par M. Dans le présent exemple, pour obtenir le module de conversion PCM 32 fonctionnant à la fréquence F2 et ayant une fonction de transfert sensiblement équivalente à la fonction de transfert du module de conversion PCM 18 fonctionnant à la fréquence F1, une possibilité consiste à diviser, par un facteur M, les coefficients d'amplification des amplificateurs 44, 46, 48, 50 et 52, utilisés pour un fonctionnement à la fréquence F1. Ceci garantit la stabilité du module de conversion PCM 32 lors d'un fonctionnement à la fréquence F2. La présente invention prévoit une variante de réalisation particulière qui permet de diminuer la fréquence de commutation du signal PWM. Selon une telle variante de réalisation, on attribue alternativement un indice pair ou impair aux cycles successifs à la fréquence F1 auxquels le module de conversion PWM 20 fournit un nouveau signal PWM. Pour un cycle d'indice pair, le module de conversion PWM 20 fournit un signal PWM non modifié par rapport à ce qui est illustré en figure 2 et, pour un cycle impair, le module de conversion PWM 20 fournit un signal PWM qui est le symétrique temporel du signal qui aurait dû être fourni. En figure 6, on a représenté les signaux PWM à 35 transmettre lorsque le signal PCM peut coder 9 états. En partie droite, on a représenté les signaux PWM fournis pour un cycle impair et, en partie gauche, on a représenté les signaux PWM fournis pour un cycle pair. Avec une telle conversion PWM, on observe, pour chaque cycle, au maximum une transition entre les états haut et bas. Avec une conversion PWM classique, il peut y avoir deux transitions au cours d'un cycle, une transition au cours du cycle et une transition tout au début (ou tout à la fin) du cycle. Le fait de réduire le nombre de transitions par cycle permet de diminuer la fréquence de commutation du signal PWM. Ceci est particulièrement avantageux lorsque le module de conversion PWM 20 attaque un amplificateur de classe D dont la consommation est directement liée à la fréquence de commutation du signal PWM. On réduit alors la consommation de l'amplifi- cateur de classe D, ce qui permet d'en augmenter le rendement énergétique. La mise en oeuvre de la variante de réalisation précédemment décrite du module de conversion PWM 20 est envisageable en raison de la structure du convertisseur numérique-analogique 30 selon l'invention dans laquelle le signal PWM est fourni, par une boucle de retour, à une entrée du module de conversion PCM 32. En effet, l'utilisation de la variante du module de conversion PWM 20 serait difficilement envisageable avec les structures classiques de convertisseur numérique-analogique décrites précédemment puisqu'elle tend à augmenter le niveau de bruit dans la bande de fréquence utile du signal PWM. Ceci n'est pas gênant avec le convertisseur numérique-analogique 30 selon la présente invention puisque le module de conversion PCM 32 rejette de telles perturbations hors de la bande de fréquence utile. Bien que, dans le présent exemple de réalisation, le module de conversion PCM 32 fonctionne à une fréquence F2 plus élevée que la fréquence de fonctionnement d'un convertisseur numérique-analogique classique, et donc consomme davantage, ceci est peu pénalisant dans la mesure où la consommation du module de conversion PCM 32 est faible par rapport à la consommation de l'amplificateur 16 de classe D. Un avantage de la présente invention est qu'elle peut être réalisée en totalité avec des composants utilisés habituel- lement pour la réalisation de circuits logiques et peut être mise en oeuvre avec un nombre réduit de composants (portes, opérateurs, éléments de mémorisation...). Un autre avantage de la présente invention est qu'elle permet de ne pas augmenter la résolution du module de conversion PWM, c'est-à-dire de ne pas augmenter la fréquence du signal de commande du module de conversion PWM, ce qui aurait nécessité l'utilisation de composants coûteux pour la fourniture du signal de commande, tels que des boucles à verrouillage de phase. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la présente invention peut être mise en oeuvre avec un module de conversion PCM ayant une structure différente de celle représentée en figure 5. En particulier, l'ordre du module de conversion PCM est adapté au traitement souhaité du signal numérique IN'. REVENDICATIONS 1. Convertisseur (30) de signal numérique en signal modulé en largeur d'impulsion, comprenant: un premier module de conversion (32) recevant, à une première fréquence (F2), des signaux numériques (IN') successifs susceptibles de prendre un premier nombre déterminé de valeurs, et fournissant un premier signal intermédiaire (PCM'), à la première fréquence, susceptible de prendre un second nombre déterminé de valeurs inférieur au premier nombre déterminé ; un module (24) réalisant une décimation du premier signal intermédiaire pour fournir un second signal intermédiaire (PCM) à une seconde fréquence (F1) égale à la première fréquence divisée par le second nombre déterminé moins l'unité ; et un second module de conversion (20) fournissant à la seconde fréquence, à partir du second signal intermédiaire, un signal (PWM) à deux états modulé en largeur d'impulsion dont la durée minimale dans l'un des deux états est égale à l'inverse de la première fréquence, le premier module de conversion recevant ledit signal modulé en largeur d'impulsion. 2. Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel le second module de conversion (20) est adapté à fournir, pour une alternance de cycles pairs et impairs à la première fréquence (F2), le signal (PWM) modulé en largeur d'impulsion tel que, sur chaque cycle pair, le signal modulé en largeur d'impulsion comprend au maximum un front descendant et ne comprend pas de front montant, et, sur chaque cycle impair, le signal modulé en largeur d'impulsion comprend au maximum un front montant et ne comprend pas de front descendant. 3. Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel le premier module de conversion (32) est adapté à réaliser un filtrage sur la différence entre les signaux numériques successifs (IN') et le signal (PWM) modulé en largeur d'impulsion. 4. Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel le premier module de conversion (32) est adapté à fournir le premier signal intermédiaire (PCM') sous forme numérique. 5. Convertisseur selon la revendication 1, comprenant, en outre, un amplificateur (16) de classe D commandé par le signal (PWM) modulé en largeur d'impulsion. 6. Procédé de conversion de signal numérique en signal modulé en largeur d'impulsion, comprenant les étapes suivantes: recevoir, à une première fréquence (F2), des signaux numériques (IN') successifs susceptibles de prendre un premier nombre déterminé de valeurs; fournir à la première fréquence, à partir des signaux numériques successifs, un premier signal intermédiaire (PCM') susceptible de prendre un second nombre déterminé de valeurs inférieur au premier nombre déterminé ; réaliser une décimation du premier signal intermédiaire pour fournir un second signal intermédiaire (PCM) à une seconde fréquence (F1) égale à la première fréquence divisée par le second nombre déterminé moins l'unité ; et fournir à la seconde fréquence, à partir du second signal intermédiaire, un signal (PWM) à deux états modulé en largeur d'impulsion dont la durée minimale dans l'un des deux états est égale à l'inverse de la première fréquence, le premier signal intermédiaire étant également fourni à partir dudit signal modulé en largeur d'impulsion. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le signal (PWM) modulé en largeur d'impulsion est fourni sur une alternance de cycles pairs et impairs à la première fréquence (F2), tel que, sur chaque cycle pair, le signal modulé en largeur d'impulsion comprend au maximum un front descendant et ne comprend pas de front montant, et, sur chaque cycle impair, le signal modulé en largeur d'impulsion comprend au maximum un front montant et ne comprend pas de front descendant. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le 35 premier signal intermédiaire (PCM') est fourni à partir d'un filtrage de la différence entre les signaux numériques successifs (IN') et le signal (PWM) modulé en largeur d'impulsion. 9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les 5 premier et second signaux intermédiaires (PCM', PCM) sont des signaux numériques. 10. Procédé selon la revendication 6, comprenant, en outre, l'étape consistant à commander un amplificateur (16) de classe D avec le signal (PWM) modulé en largeur d'impulsion.