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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
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