DUT GEII - DUT 2 ALTERNANCE TRAVAUX PRATIQUES D ÉLECTRONIQUE CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMÉRIQUE (CAN)

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1 DUT GEII - DUT 2 ALTERNANCE CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMÉRIQUE (CAN) Lundi 24 Mars 2014 Objectifs du TP : Connaître le principe d acquisition numérique d une tension analogique : précision pas de quantification (quantum) temps de conversion Mise en oeuvre d un convertisseur analogique numérique interne à un micro-contrôleur 1 Introduction : Conversion Numérique Analogique 1.1 Pas de quantification Le but d une conversion analogique numérique est de convertir une grandeur analogique en une grandeur numérique codée sur N bits. Si l on prend l exemple d une tension analogique pouvant évoluer entre 0 et une valeur maximale V re f (on parle alors de pleine échelle ou Full Scale en anglais), le codage en sortie d un CAN 3 bits sera celui représenté FIG 1. On peut alors définir le quantum q (plus petite variation de grandeur analogique quantifiable par le CAN). La plage de tension analogique (variant de 0 à V re f ) est décomposée dans notre exemple en 8 intervalles (8 = 2 3 ). Si l on considère que la tension analogique maximale V re f correspond à la mise à 1 de tous les bits du code numérique (111), il est alors possible d exprimer le quantum : V re f = q q q D où : q = V re f Si l on généralise à un convertisseur N bits : V re f = q ( ) = q (2 3 1) q = V re f 2 N 1 Exercice : On considère une tension V re f = 5V, calculer le quantum pour un CAN 6, 8, 10 et 12 bits. 1.2 Temps de conversion La conversion d une grandeur analogique en un code numérique n est pas instantanée. En effet, il faut tout d abord acquérir la tension analogique à convertir (généralement en chargeant un condensa- 1

2 Signal numérique q 2q 3q 4q 5q 6q 7q V re f Signal analogique FIGURE 1 Correspondance entre grandeurs analogiques et numériques teur), il s agit du temps d acquisition (T ACQ ). Ensuite, il faut convertir cette tension (plusieurs technologies de convertisseurs existent), il s agit du temps de conversion (T CONV ). Le temps de conversion total est la somme de ces 2 temps : T CONVTOT = T ACQ + T CONV Ce temps de conversion est fondamental puisqu il limitera directement la fréquence maximale du signal à convertir. 2 Mise en oeuvre Aujourd hui, nous utiliserons le CAN interne du micro-contrôleur PIC16F877. Celui-ci est paramétrable en 8 ou 10 bits. Les programmes (.c) vous sont fournis. Nous utiliserons le logiciel MPLAB IDE 8.88 pour créer ces programmes et les compiler (création d un fichier.hex). Le transfert du programme compilé sera effectué à l aide du logiciel Serial Bootloader. Le code du premier programme est donné ci-dessous : #include <16F877.h> #device ADC=10 //N=10 pour le CAN interne #use delay(clock= ) //Horloge à 4 MHz #fuses HS,NOWDT,NOLVP #use rs232(baud=9600, xmit=pin_c6, rcv=pin_c7) //Configuration liaison série void main() int16 valeur; //Déclaration d une variable valeur en entier 16 bits setup_adc_ports(all_analog); //Configuration des 8 voies du CAN en analogique setup_adc(adc_clock_internal); //Utilisation de l horloge interne set_adc_channel(1); //Utilisation de la voie 1 du micro-contrôleur (broche A1) while(1) //Boucle infinie YAËL THIAUX 2 ANNÉE 2013/2014

3 valeur=read_adc(); //Lecture de la broche A1, affectation à la variable valeur printf("%ld\n",valeur); //Affichage de la variable valeur via liaison série Ce programme vient simplement lire la première des 8 voies du CAN interne du micro-contrôleur et envoie cette valeur sur le port série pour affichage. 2.1 Étape 1 Il faut tout d abord créer un nouveau projet : 1. Lancer le logiciel MPLAB IDE Créer un nouveau projet (a) Menu "Project" "Project Wizard" (b) Sélectionner le composant "16F877" (c) Sélectionner le compilateur "CCS Compiler for Pic" 2.2 Étape 2 Ensuite, il faut créer un fichier.c et l inclure dans le projet : 1. Ouvrir une nouvelle feuille 2. Taper le code du programme 1 3. Enregistrer le code en.c (à l issue de cette étape, le texte doit prendre plusieurs couleurs) 4. Inclure ce fichier au projet créé : (a) Clic droit sur "Sources Files" (b) Add Files 2.3 Étape 3 Notre programme est désormais prêt à être compilé. Pour cela, cliquer sur l onglet "BUILD ALL". Si la compilation est correcte, vous devriez voir apparaitre la mention "BUILD SUCCEEDED". Dans le cas contraire, le message d insultes "BUILD FAILED" vous sera renvoyé. Vous disposez à présent d un fichier.hex prêt à être transféré dans le micro-contrôleur. 2.4 Étape 4 Pour finir, il faut transférer le programme compilé dans le micro-contrôleur : 1. Ouvrir le logiciel Serial Bootloader 2. Appuyer sur le carré rouge pour lancer la communication avec le PIC 3. Ouvrir le fichier compilé (.hex) 4. Pour transférer le programme dans le composant, appuyer sur le losange avec une flèche rentrante 5. Pour lancer le programme, appuyer sur la flèche verte YAËL THIAUX 3 ANNÉE 2013/2014

4 2.5 Exercice 1 1. Créez votre projet 2. Créez un fichier.c et l inclure au projet 3. Compilez le programme 4. Transférez-le dans le micro-contrôleur et lancez le programme 5. Câblez la sortie du potentiomètre de la platine sur la broche A1 et actionnez celui-ci. 6. Quelles sont les valeurs minimale et maximale affichées? Est-ce logique? 7. Modifiez le programme pour réaliser une conversion analogique-numérique sur 8 bits. Compilez le programme et transférez le dans le micro-contrôleur. Quelles sont les nouvelles valeurs maximale et minimale? 8. Quelle est (pour les 2 réglages du CAN effectués) la précision de la conversion? Vous exprimerez ce paramètre en mv, puis en pourcentage de la pleine échelle (%FS). 9. La vitesse de rotation d un axe mécanique est mesurée à l aide d un capteur de vitesse dont le gain vaut 10mV /(tr/min). Quel réglage du CAN choisisseriez-vous pour pouvoir détecter une augmentation de vitesse de 1 tr/min? de 10 tr/min? 2.6 Exercice 2 On s intéresse désormais au nouveau programme ci-dessous : #include <16F877.h> #device ADC=10 #use delay(clock= ) #fuses HS,NOWDT,NOLVP #use fast_io(b) void main() int16 valeur; int1 booleen=0; set_tris_b(0); setup_adc_ports(all_analog); setup_adc(adc_clock_div_8); set_adc_channel(1); while(1) valeur=read_adc();//lecture voie 1 CAN output_bit(pin_b0,++booleen);//incrémentation de la variable booléenne Ce programme vient simplement effectuer une conversion analogique numérique sur la voie 1 du CAN (broche A1) et, après chaque conversion, change l état d une variable booléenne envoyée sur la broche B0 (cette deuxième étape peut être considérée comme instantanée). Dans cet exemple, le CAN est cadencé à la fréquence d horloge du micro-contrôleur divisée par 8. YAËL THIAUX 4 ANNÉE 2013/2014

5 1. Modifiez le fichier.c et l inclure au projet 2. Compilez le programme 3. Transférez-le dans le micro-contrôleur et lancez le programme 4. Réfléchir à un moyen d estimer le temps de conversion du CAN interne. 5. Mesurez alors le temps de conversion du CAN. 6. Modifiez le programme pour réaliser une conversion analogique-numérique sur 8 bits. Compilez le programme et transférez le dans le micro-contrôleur. Déterminez alors le nouveau temps de conversion 7. De même, cadencez votre CAN non plus à la fréquence de 4 MHz divisé par 8 mais par 32. Déterminez les nouveaux temps de conversion pour N=8 et N=10. Conclure. 8. Pour chacun de ces 4 cas, quelle est la fréquence maximale du signal que nous pourrions convenablement convertir? YAËL THIAUX 5 ANNÉE 2013/2014