[PDF] Untitled Conversion Analogique Numérique / Numé

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Les avances en moyen informatique (puissance de calcul) ont rendu possible le expression et traitement de signaux en forme numérique. Mais pour numériser, il faut d'abord échantillonner. Nous allons voir que la passage analogique - numérique implique nécessairement une perte d'information. Cette perte peut être minimiser par l'application des outils adaptés. Un convertisseur analogique - numérique transforme une grandeur physique (tension, courant) en une valeur numérique

Généralement, il possède:

- une entrée " début de conversion " qui permet de démarrer la conversion (Start) - une sortie " fin de conversion " qui indique que la conversion est terminée (End) - une entrée analogique (courant ou tension) - plusieurs sorties numériques, dont le nombre est fonction de la résolution

Il existe différentes technologies:

- rampe numérique - rampe analogique - approximations successives - parallèle

1/ CAN - CNA Exemple d'un enregistrement sonore

Analogique

Numérique

Analogique

CAN CNA Convertisseur Analogique Numérique : Analog to Digital Converter

CAN : ADC

Convertisseur Numérique Analogique : Digital to Analog Converter

CNA : DAC

Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique

Convertisseur Analogique Numérique

• Exemple d'un

CAN 3 bits

( n = 3 )

Une infinité de valeurs

8 valeurs

Résolution analogique

r = 5/8 = 0.625V r = U PE /2 n

La conversion

Analogique-

Numérique

introduit toujours une erreur de quantification Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique

Convertir une tension variable

En amont du CAN se trouve un

échantillonneur-bloqueur qui prélève

régulièrement une valeur de Ue et bloque cette valeur jusqu'à l'échantillon suivant. ( mémoire analogique )

Une infinité de valeurs

Tension d'entrée du CAN

le temps de conversion doit

être inférieur à Te

Commande de l'échantillonneur

Période Te , Fréquence Fe = 1/Te

La conversion analogique numérique implique une double quantification : quantification temporelle ( échantillonnage ) quantification en amplitude ( résolution ) Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique

Repliement du spectre ( Aliasing )

Exemple avec un signal sinusoïdal de période T échantillonné à Te= 1.25 T

Fe= 0.8 F

T

Te=1.25 T

T' = 5 T

F' = 0.2 F

F' = F - Fe

Spectre du signal à

échantillonner

F Fe Fe/2 -Fe

Repliement du

spectre

À l'entrée d'un CAN il faut

un filtre passe bas qui coupe Fc = Fe/2 Théorème de SHANNON : ( Critère de Nyquist )

Fe > 2 . Fmax

Fmax : fréquence supérieure

du spectre de Ue Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique

Pour résumer...

Filtre Passe Bas ( anti aliasing )

Multiplexeur

Échantillonneur

Bloqueur

CAN

Sortie

parallèle ou série Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique

Technologie des CAN

Exemple d'utilisation

Temps de conversion

Technologie

Autres technologies

- CAN pipeline - CAN Sigma-Delta ( ) à sur-échantillonnage

Mesure sans précision Lent ( ms ) Simple rampe

Multimètre Lent ( ms ) Double rampe

Multi rampe

Acquisition son Rapide ( s ) Approximations successives

Acquisition vidéo

Oscilloscope numérique Très rapide ( ns ) Flash ( ou CAN parallèle ) Une impulsion " Start " remet à zéro le compteur et décharge le condensateur

Vs croît linéairement

Lorsque Vs > Vx, le comparateur bascule: la sortie " End " passe à zéro Le compteur se bloque à la valeur numérique correspondant à la grandeur Vx Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique

LES COMPTEURS

Les compteurs se présentent généralement sous la forme de circuits intégrés Ces derniers contiennent principalement des bascules. Ils comptent, suivant le système de numération binaire, le nombre d"impulsions appliquées à son entrée. Suivant qu"une nouvelle impulsion incrémente ou décrémente la valeur du mot binaire de sortie, le circuit fonctionne respectivement en compteur ou en décompteur.

Schéma d'un compteur 3

bits

COMPTEUR

Horloge Entrée

de mise à 0

Sorties

Q2 Q1 Q0

Description des entrées/

sorties Entrées • Horloge (H, CLK, CP) Entrée permettant une évolution de la sortie.

Front montant actif :

Front descendant actif :

• Remise à zéro (Reset, CLR)

Entrée permettant une mise à zéro des sorties.

Active sur niveau haut ou niveau bas.

Sorties

• Q2, Q1, Q0

Q2 : poids fort

Q0 : poids faible

CHRONOGRAMMES

Horloge active sur front descendant

Q2 Q0 Q1 H 0 1 0 0 0

0 1 0 1 0 1

0 1 1

0 0 1 1

1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2

COMPTEUR 3 BITS

Le compteur précédent compte de 0 à 7.

On dit que c'est un compteur modulo 8.

F0 = F/2

F1 = F/4

F2 = F/8

F : fréquence du signal H

F0 : fréquence du signal Q0

F1 : fréquence du signal Q1

F2 : fréquence du signal Q2

En observant les signaux on remarque que :

Un compteur peut servir de diviseur de fréquences.

COMPTEUR SYNCHRONE

COMPTEUR ASYNCHRONE

Dans la structure synchrone, l'horloge est la même pour tous les étages. Le basculement de toutes les sorties se fait en même temps.

Dans la structure asynchrone, l'impulsion de

progression du compteur est appliquée sur l'entrée d'horloge du premier étage, les entrées d'horloge des autres bascules reçoivent le signal de sortie de l'étage précédent

Exemple : le 74LS193

Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique

CAN simple rampe

On effectue une conversion tension temps ,

puis une mesure du temps ( quantifiée ) par une horloge de période T H

CAN 1 rampe

U R = a.t tx = Ux/a

En fin de conversion :

N = tx / T

H = Ux / ( a.T H

Si a n'est pas constant erreur

Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique

CAN double rampe

Pour s'affranchir des

dérives de la constante de temps de l'intégrateur , on intègre deux fois

1. On intègre Ux pendant un temps t

1 fixe

2. On intègre -U

REF

On mesure le temps tx ( en unité T

H que met U R pour revenir à 0 U Rmax = - Ux . t 1 /RC U Rmax = - U REF . tx/RC tx = t 1 . Ux / U REF indépendant de RC

N = tx / T

H = ( t 1 / T H ) . ( Ux / U REF Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique

Voltmètre numérique

Réalisation d'un Voltmètre numérique avec un CAN double rampe :

CA3162

Affichage sur 3 afficheurs 7 segments avec un décodeur BCD/7seg :

CA3161

Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique Principe d'une recherche par approximations successives Principe de Dichotomie : on divise la plage de recherche par 2 à chaque

étape :

Masse Mx

0Mx256g

Masses test

256/2 , 256/4 , ...

1er test : on compare Mx et 128g ( le poids fort )

- : Mx < 128g : on enlève la masse de 128g + : Mx > 128g : on conserve la masse de 128g

2ème test : on ajoute 64g ...

On réalise une mesure de Mx en tests

avec une résolution de 8 1g Conversion Analogique Numérique / Numérique Analogique

Approximations successives avec un CNA

Exemple d'un CAN 3 bits

Ce CAN utilise un CNA !

La sortie du CNA est une tension analogique

Us = r.N

On teste successivement les bits de N

en débutant par le poids fort ( MSB )

Le résultat du test est donné par le

comparateur.

Exemple avec r=1V , U

PE =8V ,

Ux=4.5V

Ucomp

Us=r.N

N

Sortie série

( poids fort en 1 er ) Test du MSB: 4.5 > 4 on garde MSB à 1 ... 1 4V 100b=4 et on teste le bit suivant: 4.5 < 6 on remet le bit à 0 0 6V 110b=6

4.5 < 5 , le LSB = 0 , le nombre cherché est 100b 0 5V 101b=5

Pour un CAN de n bits il faudra n tests

Sortie parallèle : 100b

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