Brevet FR2987526A1 — publié le 20130830

GRB11-5748FR 1 Dispositif de conversion de signaux analogiques en signaux numériques La présente invention concerne le domaine de la conversion de signaux analogiques en signaux numériques. En particulier dans le domaine des imageurs, comprenant une matrice de capteurs, les signaux analogiques présents aux extrémités de colonnes de capteurs doivent être convertis en signaux numériques Dans la mesure où la largeur des colonnes de capteurs tend à se réduire afin d'améliorer la qualité des images, il se pose des difficultés liées à la rapidité des conversions, à la réduction de la consommation en énergie électrique des circuits électroniques employés à obtention d'une grande résolution, c'est-à-dire à l'obtention d'un nombre de bits des signaux numériques élevé, et à la réduction des surfaces occupées par les circuits électroniques dont la largeur doit être adaptée à la largeur des colonnes de capteurs. Le but de la présente invention est de proposer une solution à ces difficultés. Il est proposé un procédé de conversion de signaux analogiques, présents respectivement sur une pluralité de voies, en des signaux numériques. Ce procédé comprend : générer une succession, commune à toutes les voies, de premiers signaux analogiques prédéterminés présentant des valeurs prédéterminées en escalier à pas successifs larges, dont chaque valeur correspond à des bits de poids forts (m) de signaux numériques. Pour chaque voie, le procédé comprend : comparer la valeur du signal analogique à convertir successivement à chacune desdites valeurs prédéterminées, détecter une première valeur prédéterminée du premier signal analogique proche de la valeur du signal analogique à convertir, mémoriser les valeurs des bits de poids forts correspondant à ladite première valeur prédéterminée détectée, mémoriser l'écart ou résidu résultant de la différence entre la valeur du signal analogique à convertir et ladite valeur prédéterminée détectée, comparer par approximations successives ledit écart ou résidu à des seconds signaux analogiques prédéterminés, mémoriser successivement les états des résultats de la comparaison par approximations successives, correspondant à des bits de poids faibles de signaux numériques. Puis, pour chaque voie, le procédé comprend : assembler les bits de poids forts et les bits de poids faibles, de façon à délivrer un signal numérique correspondant à la valeur du signal analogique à convertir. Le procédé peut comprendre : comparer la valeur du signal analogique à convertir successivement à chacune desdites valeurs prédéterminées, dans le sens décroissant, et détecter la première valeur prédéterminée du premier signal analogique inférieure à la valeur du signal analogique à convertir, Il est également proposé un dispositif de conversion de signaux analogiques, présents respectivement sur une pluralité de voies, en des signaux numériques. Ce dispositif comprend un circuit générateur commun apte à générer une succession de premiers signaux analogiques prédéterminés présentant des premières valeurs prédéterminées correspondant à des bits de poids forts de signaux numériques. En outre, ce dispositif comprend, pour chaque voie, un circuit local qui comprend un premier moyen de comparaison, incluant un comparateur, pour comparer lesdits premiers signaux analogiques prédéterminés avec le signal analogique à convertir, un premier moyen de mémorisation des bits de poids forts de signaux numériques correspondant à la valeur d'un premier signal analogique prédéterminé proche du signal analogique correspondant à convertir et détectée par ledit premier moyen de comparaison, un moyen de mémorisation de l'écart ou résidu résultant de la différence entre la valeur du signal analogique correspondant à convertir et ladite première valeur prédéterminée détectée, un moyen générateur apte à générer un nombre prédéterminé de seconds signaux analogiques, un second moyen de comparaison, incluant ledit comparateur, pour comparer par approximations successives lesdits seconds signaux analogiques avec respectivement ledit écart ou résidu, un second moyen de mémorisation des bits de poids faibles de signaux numériques correspondant aux résultats issus dudit second moyen de comparaison, et un moyen d'assemblage pour assembler lesdits bits de poids forts et lesdits bits de poids faibles, de façon à délivrer un signal numérique correspondant au signal analogique correspondant à convertir. Le moyen de mémorisation de l'écart ou résidu peut comprendre un condensateur. Il est également proposé une matrice de capteurs équipée d'un dispositif de conversion, les circuits locaux étant placés aux extrémités des colonnes de cette matrice, sur une ligne à l'extrémité de laquelle est placé le circuit commun. Un dispositif de conversion selon la présente invention va maintenant être décrit à titre d'exemple non limitatif, illustré sur le dessin sur lequel : - la figure 1 représente un schéma électronique général du dispositif de conversion ; - la figure 2 représente un schéma électronique plus détaillé du dispositif de conversion ; - la figure 3 représente un schéma électronique du dispositif de conversion selon une première configuration de fonctionnement ; - la figure 4 représente un schéma électronique du dispositif de conversion selon une seconde configuration de fonctionnement ; - et la figure 5 représente schématiquement un montage du dispositif de conversion. Le dispositif de conversion 1 illustré sur la figure 1 est destiné à la conversion de signaux analogiques Sa-1, Sa-2 ... Sa-i Sa-n présents sur une pluralité de voies V-1, V-2 V-i V-n, qui peuvent par exemple être formées par les connexions terminales de matrices de capteurs, en particulier des capteurs d'images, des capteurs de rayonnements lumineux ou thermiques tels que des bolomètres, des photomultiplicateurs, ou encore des capteurs sensoriels. Le dispositif de conversion 1 comprend un circuit électronique commun Cc relié à une pluralité de circuits locaux C1-1, C1-2 Cl-i Cl-n, adaptés pour que les signaux analogiques Sa-1, Sa-2 ... Sa-i Sa-n, qui sont respectivement délivrés aux circuits locaux C1-1, C1-2 Cl-i, soient convertis en des signaux numériques Sn-1, Sn-2 ... Sn-i Sn-n disponibles à des sorties de ces circuits locaux. Comme illustré sur la figure 2, le circuit électronique commun Cc comprend un circuit de contrôle digital 2 soumis à un signal d'horloge clkl et apte à générer des premiers signaux numériques et un convertisseur 3 apte à convertir ces premiers signaux numériques en premiers signaux analogiques qui sont délivrés sur une ligne commune de connexion électrique 4. Chaque circuit local Cl-i comprend un comparateur 5 dont une entrée 6 est reliée à la voie correspondante V-i par l'intermédiaire d'un interrupteur 7 et est reliée à la ligne commune 4 par l'intermédiaire d'un interrupteur 8 et d'un condensateur 9, le condensateur 9 étant placé entre l'entrée 6 et l'interrupteur 8. La connexion commune entre l'interrupteur 8 et le condensateur 9 est reliée à la masse du dispositif par l'intermédiaire d'un interrupteur 10. Chaque circuit local Cl-i comprend un séquenceur numérique 11 soumis à un signal d'horloge clk2 et relié à un convertisseur 12 apte à délivrer des seconds signaux analogiques à une autre entrée 13 du comparateur 5 par l'intermédiaire d'un interrupteur 14. Cette autre entrée 13 est reliée à la ligne commune 4 par l'intermédiaire d'un interrupteur 15. Le séquenceur numérique 11 présente une sortie reliée à une entrée de commande d'un circuit de sélection 16 qui reçoit les signaux d'horloge clkl et clk2 et dont la sortie est reliée à une entrée de commande 17 du comparateur 5. Le séquenceur numérique 11 présente une sortie délivrant un signal de commande (1)s des interrupteurs 7, 8 et 15 et une sortie délivrant un signal de commande (1)f des interrupteurs 10 et 14. Le séquenceur numérique 11 comprend en outre un registre de mémorisation 18 soumis à un signal d'ordre issu d'une sortie 19 du comparateur 5 et dont une entrée est reliée à une sortie du circuit de contrôle numérique 2. Le séquenceur numérique 11 comprend en outre un registre de mémorisation 20 relié à une sortie 21 du comparateur 5. Le séquenceur numérique 11 comprend également un circuit d'assemblage 22 relié aux registres de mémorisation 18 et 20 et présentant une sortie extérieure 23. Le dispositif de conversion 1 peut fonctionner de la manière suivante. Pour l'exécution d'une première phase de conversion, le dispositif de conversion 1 est placé selon une configuration illustrée sur la figure 3. Selon cette configuration, les interrupteurs 7, 8 et 15 de chaque circuit local Cl-i sont à l'état fermé de telle sorte que l'entrée 6 du comparateur 5 est reliée à la voie V-i correspondante et que l'entrée 13 du comparateur 5 est reliée à la ligne commune 4. Les interrupteurs 10 et 14 de chaque circuit local Cl-i sont à l'état ouvert. Le comparateur 5 est soumis à l'horloge clkl au travers du circuit 16. Sous l'effet d'une succession de signaux d'horloge clkl, le circuit de contrôle digital 2 génère une succession de premiers signaux codés prédéterminés. Chaque signal codé contient une pluralité d'états correspondants à des bits de points forts de signaux numériques prédéterminés. La succession de signaux codés prédéterminés est convertie par le convertisseur 3 en une succession de premiers signaux analogiques délivrés par la ligne de connexion 4 à chacun des circuits locaux Cl-i. Ces premiers signaux analogiques présentent des valeurs en escalier formant une rampe ou une succession de paliers, à pas larges et réguliers ou irréguliers, ces valeurs étant successivement décroissantes. Les valeurs prédéterminées maximum et minimum de ces premiers signaux analogiques sont choisies de telle que les valeurs des signaux analogiques Sa-i à convertir soient incluses entre ces valeurs maximum et minimum. Le fonctionnement de chaque circuit local Cl-i est alors le suivant. Tant que les valeurs des paliers des signaux analogiques issues du convertisseur 3 sont supérieures à la valeur du signal Sa-i correspondant à convertir, la sortie 19 du comparateur 5 reste inchangée. Par contre, dès qu'un signal analogique issu du convertisseur 3 présente une valeur de palier inférieure à la valeur du signal analogique Sa-i, la sortie 19 du comparateur 5 change d'état. Ce changement d'état du signal de sortie du comparateur 5 est transmis au registre de mémorisation 18 et induit l'enregistrement dans ce registre de mémorisation 18 du signal codé de bits de points forts issu du circuit de contrôle digital 2 et correspondant au signal analogique prédéterminé issu du convertisseur 3 et ayant provoqué ce changement d'état. Pour le circuit local Cl-i considéré, une première phase de conversion est terminée. Le changement d'état du signal de sortie du comparateur 5 est également transmis au séquenceur numérique 11 qui place alors le circuit local Cl-i selon une seconde configuration illustrée sur la figure 4. Le séquenceur 11 place les interrupteurs 7, 8 et 18 à l'état ouvert, isolant ainsi le circuit local Cl-i par rapport à la voie V-i et par rapport à la ligne commune 4. Ce faisant, la tension aux bornes de du condensateur 9 est égale à la différence entre la valeur du signal analogique de la voie V-i et de la valeur du signal analogique déterminé ayant provoqué ledit changement d'état, cette différence étant appelée « écart » ou « résidu ». Le condensateur constitue une mémoire de cet écart ou résidu dont la valeur est égale ou inférieure audit pas entre deux valeurs successives des signaux analogiques délivrés par le convertisseur 3 et est à ajouter à la valeur dudit signal analogique détecté ayant provoqué le changement d'état de la sortie du comparateur pour obtenir la valeur du signal analogique Sa-i à convertir. Le séquenceur 11 place l'interrupteur 10 à l'état fermé pour relier le convertisseur 12 à l'entrée 13 du comparateur 5, place l'interrupteur 14 à l'état fermé pour relier la borne correspondante du condensateur 9 à l'entrée 8 du comparateur 5, et commande le circuit 16 pour que le comparateur 5 soit soumis au signal d'horloge clk2. Commence alors, pour le circuit local Cl-i considéré, l'exécution d'une seconde phase de conversion réalisée spécifiquement par approximations successives de façon à convertir le résidu en des bits successifs de poids faibles de signaux numériques. Une telle conversion par approximations successives est en particulier décrite dans les pages 143 et suivantes du manuel ayant pour titre « Principles of Data Conversion System Design », écrit par Behzad Razavi et édité par IEEE Press en 1995 et peut être réalisée par exemple comme décrit ci-dessous. Sous l'effet d'un premier signal d'horloge clk2, le séquenceur génère un signal codé converti par le convertisseur 12 en un signal analogique dont la valeur est égale à la moitié de la valeur du pas entre deux valeurs successives des signaux analogiques délivrés par le convertisseur 3. Il peut se produire deux cas. Selon un premier cas, si la valeur du signal analogique issu du convertisseur 12 est supérieure à la valeur du signal issu du condensateur 9, la sortie 21 du comparateur 5 ne change pas d'état. Selon un second cas, si au contraire la valeur du signal analogique issu du convertisseur 12 est inférieure à la valeur du signal issu du condensateur 9, la sortie 21 du comparateur 5 change d'état. Dans l'un ou l'autre cas, l'état de la sortie 21 du comparateur 5, qui constitue un premier bit de poids faible d'un signal numérique, est enregistré dans le registre de mémorisation 20. Ensuite, sous l'effet d'un second signal d'horloge clk2, si le premier cas s'est produit, le séquenceur 11 génère un autre signal codé converti par le convertisseur 12 en un autre signal analogique dont la valeur est égale à la moitié de la moitié inférieure de la valeur du pas entre deux valeurs successives des signaux analogiques délivrés par le convertisseur 3. Si au contraire le second cas s'est produit, le séquenceur 11 génère un autre signal codé converti par le convertisseur 12 en un autre signal analogique dont la valeur est égale à la moitié de la moitié supérieure de la valeur du pas entre deux valeurs successives des signaux analogiques délivrés par le convertisseur 3. Là également, il peut se produire deux cas. Selon un premier cas, si l'autre signal analogique issu du convertisseur 12 est supérieur au signal issu du condensateur 9, la sortie 21 du comparateur 5 ne change pas d'état. Selon un second cas, si au contraire l'autre signal analogique issu du convertisseur 12 est inférieur au signal issu du condensateur 9, la sortie 21 du comparateur 5 change d'état. Dans l'un ou l'autre cas, l'état de la sortie 21 du comparateur 5, qui constitue un second bit de poids faible d'un signal numérique, est enregistré dans le registre de mémorisation 20. Ensuite, à chaque signal d'horloge clk2 et de façon équivalente, le séquenceur génère un signal codé converti par le convertisseur 12 en un signal analogique dont la valeur est égale à la moitié inférieure ou supérieure de la moitié restante et l'état de la sortie 21 du comparateur 5, qui constitue à chaque fois un bit de poids faible d'un signal numérique, est enregistré dans le registre de mémorisation 20. Les étapes ci-dessus sont renouvelées jusqu'à ce qu'un nombre prédéterminé d'états de la sortie du comparateur 5, égal au nombre de signaux d'horloge clk2 délivrés, soit enregistré dans le registre de mémorisation 20. Se trouve alors enregistré dans le registre de mémorisation 20 un signal codé d'un nombre de bits de poids faibles d'un signal numérique, dont le nombre est égal au nombre de signaux d'horloge clk2 délivrés. Ceci étant fait, le séquenceur 11 commande le circuit d'assemblage 22 de façon que ce dernier assemble les signaux codés de bits de poids forts enregistrés dans le registre de mémorisation 18 et les signaux codés de bits de poids faibles enregistrés dans le registre de mémorisation 20, de façon à délivrer sur la sortie 23 un signal numérique Sn-i correspondant à la conversion du signal analogique Sa-i. Cet assemblage peut consister à effectuer une concaténation desdits signaux codés de bits de poids forts et de bits de poids faibles, sans ou avec l'application de coefficients de correction Après quoi, le séquenceur replace les interrupteurs 7, 8, 10, 14 et 15 dans leur état initial tel que décrit en référence à la figure 3. La totalité de la succession de premiers signaux analogiques prédéterminés, issus du convertisseur 3 du circuit commun Cc, ayant été délivrée et les circuits locaux Cl-i ayant respectivement réalisés la conversion du signal analogique Sa-i correspondant en un signal numérique Sn-i, un nouveau cycle de conversion peut commencer. Le dispositif de conversion 1 et le procédé de fonctionnement qui lui est associé présentent les avantages suivants. La durée totale minimum pour la réalisation d'un cycle de conversion est égale ou légèrement supérieure à l'addition de la durée nécessaire pour générer la totalité de la succession ou rampe des premiers signaux analogiques prédéterminés issus du convertisseur 3 du circuit commun Cc, de la durée nécessaire, par un circuit local Cc- i, pour la détection et la mémorisation du signal codé de bits de poids forts dans le registre de mémorisation 18, de la durée de détection par approximations successives, par un circuit local Cc-i, et de mémorisation du signal codé de bits de poids faibles et de la durée de l'assemblage des bits de poids forts et des bits de poids faibles par le circuit d'assemblage 22. Cette durée totale peut être très réduite, eu égard au nombre de bits des signaux codés Sn-i délivrés qui peut être accru. Compte tenu en particulier de l'existence d'une ligne commune 4 reliant le circuit commun Cc aux circuits locaux Cl-i incluant chacun un comparateur unique, la surface occupée par les circuits peut être réduite et la consommation peut en conséquence être réduite. Sur la figure 5 est illustrée une matrice 100 qui comprend une pluralité de capteurs 101 disposés les uns à côté des autres sur des lignes et des colonnes. Sur un côté de cette matrice 100 est aménagé un dispositif de conversion 1 dont les circuits locaux Cl-i occupent la largeur des colonnes correspondantes et sont disposés sur une ligne à l'extrémité de laquelle est placé le circuit commun Cc. Dans la description qui précède, il est considéré que les paliers des valeurs en escalier des premiers signaux analogiques sont décroissants. Selon une variante de réalisation, ces valeurs pourraient être successivement croissantes. Dans ce cas, le changement d'état du comparateur 5 se produit au passage d'une valeur de palier supérieure à la valeur du signal analogique à convertir. Le résidu stocké dans la capacité 9 est alors le complément du résidu précité par rapport à l'écart ou pas entre les valeurs de paliers. Selon un exemple de réalisation, un amplificateur pourrait être intercalé entre la capacité 9 et l'entrée 6 du comparateur 5 de façon à amplifier la valeur du résidu stocké dans la capacité 9 de façon à améliorer l'immunité au bruit et faciliter la production des signaux issus du convertisseur 12. La présente invention ne se limite pas aux exemples ci-dessus décrits. Bien d'autres variantes de réalisation sont possibles, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de conversion de signaux analogiques, présents respectivement sur une pluralité de voies, en des signaux numériques, comprenant : générer une succession, commune à toutes les voies, de premiers signaux analogiques prédéterminés présentant des valeurs prédéterminées en escalier à pas successifs larges, dont chaque valeur correspond à des bits de poids forts (m) de signaux numériques, et, pour chaque voie : comparer la valeur du signal analogique à convertir successivement à chacune desdites valeurs prédéterminées, détecter une première valeur prédéterminée du premier signal analogique proche de la valeur du signal analogique à convertir, mémoriser les valeurs des bits de poids forts correspondant à ladite première valeur prédéterminée détectée, mémoriser l'écart ou résidu résultant de la différence entre la valeur du signal analogique à convertir et ladite valeur prédéterminée détectée, comparer par approximations successives ledit écart ou résidu à des seconds signaux analogiques prédéterminés, mémoriser successivement les états des résultats de la comparaison par approximations successives, correspondant à des bits de poids faibles de signaux numériques, assembler les bits de poids forts et les bits de poids faibles, de façon à délivrer un signal numérique correspondant à la valeur du signal analogique à convertir. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant : comparer la valeur du signal analogique à convertir successivement à chacune desdites valeurs prédéterminées, dans le sens décroissant, détecter la première valeur prédéterminée du premier signal analogique inférieure à la valeur du signal analogique à convertir. 3. Dispositif de conversion de signaux analogiques, présents respectivement sur une pluralité de voies, en des signaux numériques, comprenant : un circuit générateur commun (2, 3) apte à générer une succession de premiers signaux analogiques prédéterminés présentant des premières valeurs prédéterminées correspondant à des bits de poids forts de signaux numériques, et, pour chaque voie, un circuit local comprenant : un premier moyen de comparaison, incluant un comparateur (5), pour comparer lesdits premiers signaux analogiques prédéterminés avec le signal analogique à convertir, un premier moyen de mémorisation (18) des bits de poids forts de signaux numériques correspondant à la valeur d'un premier signal analogique prédéterminé proche du signal analogique correspondant à convertir et détectée par ledit premier moyen de comparaison, un moyen de mémorisation (9) de l'écart ou résidu résultant de la différence entre la valeur du signal analogique correspondant à convertir et ladite première valeur prédéterminée détectée, un moyen générateur (11, 12) apte à générer un nombre prédéterminé de seconds signaux analogiques, un second moyen de comparaison, incluant ledit comparateur (5), pour comparer par approximations successives lesdits seconds signaux analogiques avec respectivement ledit écart ou résidu, un second moyen de mémorisation (20) des bits de poids faibles de signaux numériques correspondant aux résultats issus dudit second moyen de comparaison, et un moyen d'assemblage pour assembler lesdits bits de poids forts et lesdits bits de poids faibles, de façon à délivrer un signal numérique correspondant au signal analogique correspondant à convertir. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le moyen de mémorisation de l'écart ou résidu comprend un condensateur (9). 5. Matrice de capteurs équipée d'un dispositif de conversion selon l'une des revendications 3 et 4, les circuits locaux étant placésaux extrémités des colonnes de cette matrice, sur une ligne à l'extrémité de laquelle est placé le circuit commun.