Le convertisseur Analogique/Numérique (CAN)
* On dispose d'un signal analogique, dont on voudrait convertir la valeur en un mot numérique, codé en binaire :
* Dans le cas d'un convertisseur dit ratiométrique, le mot binaire en sortie est proportionnel au rapport de la tension d'entrée à une tension de référence :
Si le convertisseur n'est pas spécifié ratio métrique, la tension de référence doit être fixe.
Classification
morphologique des signaux
Nous présentons ici une
classification morphologique de signaux, selon qu'ils sont
continus ou discrets, dans un temps continu ou discret.
Classification morphologique des signaux :
- Le signal analogique peut typiquement sortir d'un amplificateur opérationnel : il évolue dans sa gamme de tension et dans un temps continu.
- Le signal numérique est typiquement ce qui se propage dans les systèmes informatiques, où l'information est codée dans un temps discret.
- Un signal quantifié évolue dans un temps continu, mais ne peut prendre que des valeurs de tension quantifiées.
Typiquement, c'est le signal qu'on trouve à la sortie d'un convertisseur numérique / analogique.
- Un signal échantillonné correspond à la discrétisation du temps appliquée à un signal analogique.
L'échantillonnage d'un signal analogique est souvent une étape de la conversion analogique / numérique.
L'échantillonneur - bloqueur le plus simple est constitué d'un interrupteur de qualité et d'un condensateur se chargeant à la tension voulue.
1.3. Remarque scientifique :
électricité et physique
Remarquons que les distinctions présentées
précédemment concernant la nature des signaux électroniques
sont des outils techniques, permettant d'indiquer où se trouve l'information
que l'on véhicule. Du point de vue de la physique classique,
tous ces signaux électriques sont analogiques. Mais que sont ces
signaux dans les cadres des autres physiques ? Ici, nous nous
contenterons d'une remarque générale sous forme d'un micro-panorama
pouvant peut-être servir à l'étudiant physicien à situer l'ingénierie
électronique
* Nous avons dérivé le modèle de Kirchhoff de l'électromagnétisme. Ce modèle relève donc de la physique classique, cet état de fait s'est illustré avec le bon fonctionnement de l'analogie électromécanique. Le modèle de Kirchhoff se situe donc dans une approche classique objectiviste, c'est à dire observant des faits, sans interaction avec un observateur :
* Or on le sait, en physique dite moderne, l'observateur interfère avec le système observé. Les problèmes de semi-conducteurs et d'optique utilisent généralement la physique quantique. Les relations d'incertitude, la non-commutativité des observables expriment un état de relation entre observateur et observé :
* Dans la nouvelle physique, le paradigme de la thermodynamique est enrichi par l'intégration de la notion d' information :
On voit que, bien qu'amarrée à la
physique classique par le modèle de Kirchhoff, l'ingénierie électronique
aborde ce qu'il y a de plus récent en physique : la théorie de
l'information. Cette information représente ce qu'on obtient d'un
système en lui fournissant de l'énergie : de la néguentropie
pour l'observateur, de l'entropie pour l'observé. Cette question,
de l'ordre du lien entre physique et électricité actuelles est
laissée à l'esprit de curiosité et de recherche du lecteur. (Brillouin,
Prigogine, ...)
ÉCHANTILLONNAGE DE
SIGNAUX
La cadence d'échantillonnage d'un signal doit être au moins deux fois plus élevée que la plus haute fréquence contenue dans le signal à échantillonner.
Ce résultat est connu sous le nom de théorème de Shannon. Il signifie aussi bien sûr qu'un signal doit voir son spectre limité pour pouvoir être échantillonné : il y a toujours un filtre électronique devant un échantillonneur.
PRINCIPES DE CONVERSION
Convertisseurs
à intégration analogique
Principe de l'intégrateur à
simple rampe :
La tension de référence est intégrée par l'amplificateur opérationnel, puis comparée à la tension à convertir. Le montage logique en aval compte le temps que met la sortie de l'intégrateur à rejoindre la tension d'entrée.
Convertisseurs à intégration
numérique
Le compteur part de zéro, et compte jusqu'à ce qu'il atteigne une valeur très proche de celle correspondant à la tension d'entrée.
Tracking converter :
Ici, le compteur ne doit pas compter tout le mot, comme auparavant. Il est capable de compter ou décompter pour atteindre sa valeur.
Convertisseurs à
approximations successives
Le registre A est chargé sériellement par un "1", le mot est converti en analogique. Si la valeur numérique est toujours trop petite, il faut placer un "1", sinon il faut placer un "0" dans le registre B. Le contenu du registre B est transféré dans le registre A, puis le cycle recommence.
Extrait de la fiche technique du DAC 800 :
Convertisseurs flash
Convertisseur flash à 3 bits :
La tension à convertir est comparée à plusieurs seuils de référence. Le code obtenu est du type :
Le décodeur réalise une logique combinatoire pour transformer ce mot en binaire.
RÉALISATIONS PRATIQUES
DE CONVERTISSEURS
Caractéristiques
générale des convertisseurs A / N
Les caractéristiques générales
des convertisseurs analogique / numérique sont du même type que
celles correspondant aux convertisseurs N / A. On peut donc se
reporter à la leçon précédente. Nous avons vu néanmoins que
le temps de la conversion analogique / numérique peut être plus
ou moins important ; c'est donc un élément essentiel dans le
choix du convertisseur.
Exemple de convertisseur
A / N : le ADC 0800
Extrait de la fiche technique du
convertisseur ADC 0800 de National Semiconductors :
Convertisseur
numérique / analogique
On dispose d'un mot numérique de n bits, que l'on
voudrait "convertir" en une tension analogique, en
considérant un code binaire :
La tension de sortie est rapportée à une autre tension, dite de référence :
Le convertisseur potentiométrique
Le principe de conversion est le suivant :
L'inconvénient de ce type de convertisseur est le grand nombre de composants. Les interrupteurs sont réalisés en technologie MOS.
Le convertisseur à résistances
pondérées
L'amplificateur opérationnel est monté ici en
sommateur pondéré par les résistances :
Ce montage est dit à commutation de tension, de manière similaire, on obtient un montage à commutation de courant.
Le convertisseur à sources de courant pondérées
Usuellement, les sources de courant de ces convertisseurs sont
réalisées au moyen de transistors bipolaires.
Caractéristiques générales des convertisseurs n / a
* La résolution est donnée par la taille en bits du mot.
Par exemple, un convertisseur de 12 bits avec une tension de référence de 10 V présente une résolution de 2.44 mV.
* L'erreur de décalage (offset)
Décalage en Volt entre la réponse réelle et la réponse idéale.
* L'erreur de gain
Variation de gain entre le gain réel et le gain idéal.
* La non-linéarité intégrale
Écart maximal entre la fonction de transfert réelle et idéale.
* La non-linéarité différentielle.
Écart maximal entre un pas de quantification réel et le pas correspondant idéal.
* La non - nonotonicité
Ce défaut peut prendre beaucoup d'importance dans les systèmes bouclés, où une contre-réaction doit être négative. Un convertisseur non-monotone peut causer des instabilités.
Exemple de convertisseur numérique /
analogique : le DAC 800
Extrait de la fiche technique du DAC 800 :
Dernière mise à jour le 21/09/2002 .
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