Signal numérique sur 10 bits Signal analogique sur 4 V Étude et conception d’un convertisseur numérique analogique de type Sigma-Delta ∑-∆ OBJECTIF Réalisation d’un ASIC servant de base à de futurs convertisseurs numérique analogique en architecture Sigma-Delta. La robustesse de ces composants devra être compatible avec les environnements et contraintes liés aux activités du Commissariat à l’Énergie Atomique. ASIC Application-Specific Integrated Circuit Il s’agit d’un circuit intégré développé pour une application spécifique. Ce type de circuit, décrit dans ce projet en langage vhdl (very high-speed description language), permet une intégration optimale de la partie numérique d’un système. Image d’illustration www.esiee.fr/~amendolg PRINCIPE La conversion numérique analogique consiste à générer à partir d’une valeur codée sur plusieurs bits une valeur analogique proportionnelle à la donnée initiale. On retrouve les convertisseurs numériques analogiques (CNA) dans diverses applications telles : la génération de signaux terminal audio ou vidéo (TV, mp3, CD, PC, cartes son etc.) la commande d'actionneurs (servomoteurs, microsystèmes etc.) la régulation, les tests etc. Les composants commerciaux ne correspondent pas aux besoins du CEA, d’où la nécessité d’un circuit spécifique. SCHÉMA DE PRINCIPE Fs CNA Signal numérique sur 10 bits Signal analogique sur 4 V CHAÎNE DE CONVERSION NUMÉRIQUE ANALOGIQUE ∑-∆ CARACTÉRISTIQUES RECHERCHÉES Les objectifs fonctionnels du circuit permettent de valider les principes et les techniques envisagées. Le convertisseur numérique analogique Sigma Delta, détaillé ci-dessous, est composé d’une architecture possédant une partie numérique constituée d’un filtre interpolateur, et d’un modulateur Sigma Delta et d’une partie analogique constituée d’un filtre analogique et une référence de tension préexistante. Suréchantillonnage Le suréchantillonnage consiste à augmenter virtuellement le nombre d’échantillons du signal en déterminant grâce à une fonction d’approximation des points intermédiaires aux données initiales. L’opération qui en résulte périodise le spectre du signal et étale la puissance du bruit de quantification améliorant ainsi le rapport signal sur bruit. Dans notre cas, l’interpolateur utilise une technique mathématique issue des polynômes de Lagrange d’ordre 3. Le calcul est réalisé de façon à supprimer les divergences entre la fonction d’approximation et le signal réel. L’interpolateur n’utilise pas de multiplieur pour décrire le polynôme, ceci réduit la complexité du circuit et le nombre de transistors. Ceci contribue à la robustesse souhaitée. Graphe de l’interpolation; f0, f1, f2, f3 données initiales Un interpolateur réalise la fonction d’approximation à partir des valeurs des échantillons initiaux. Modulation Sigma-Delta ∑-∆ Filtrage Passe-bas Schéma de l’interpolateur Le modulateur Sigma Delta constitue la fonction de base du système de conversion numérique analogique. Une des caractéristiques principales du modulateur est de mettre en « forme » le bruit dans la bande utile du signal. Le filtre passe-bas en sortie du modulateur permet d’extraire le signal analogique ainsi que d’éliminer les composantes indésirables situées en dehors de la bande utile. La fonction de transfert du modulateur permet de rejeter le bruit issu du comparateur en dehors de la bande de signal utile sans affecter l’intégrité du signal. Ce filtre, constituant l’essentiel de la partie analogique du circuit, sera de type Butterworth, Tchebychev ou Legendre. 1 bit Schéma du modulateur 1 bit d’ordre 2 Schéma de l’opération de filtrage Responsable ESIEE : Lionel Babadjian Enseignant-chercheur ESIEE Réalisation : Jérôme Maurinet I5 Majeure AISE Responsable technique : Jean-Marc Guébhard Ingénieur CEA-DAM-DIF CEA DAM F91297 ARPAJON CEDEX