MISE EN OEUVRE D'UN CONVERTISSEUR NUMERIQUE/ANALOGIQUE POUR DES FREQUENCES D'ECHANTILLONNAGE SUPERIEURES A 1 MHZ

Transcription

1 MISE EN OEUVRE D'UN CONVERTISSEUR NUMERIQUE/ANALOGIQUE POUR DES FREQUENCES D'ECHANTILLONNAGE SUPERIEURES A 1 MHZ PROJET P08B01 CARTE ENTREES/SORTIES ANALOGIQUES POUR PLATINE FPGAXILINX Note d application Génie électrique 3 ème année

2 Sommaire 1 INTRODUCTION GENERALITES SUR LES CONVERTISSEURS NUMERIQUE/ANALOGIQUE Définition Types de CNA CONTRAINTES A PRENDRE EN COMPTE CAS DU CNA AD Page 1

3 Table des Illustrations Figure 1 : Convertisseur Numérique /Analogique...4 Figure 2 : Sortie Maintenue...4 Figure 3 : Structure à resistances pondérées...5 Figure 4 : Structure R-2R...6 Figure 5 : Structure à commutation de courant...6 Figure 6 : Structure DU AD Figure 7 : Mise en oeuvre du AD Page 2

4 1 INTRODUCTION Il y a de plus en plus de demande concernant le contrôle par informatique des systèmes physiques, or la problématique liée à la conception de ces système réside souvent dans la réalisation des interfaces permettant de récupérer un signal afin de le lire et de le traiter, puis de retranscrire ces données numériques en un second signal. Or, la plupart des signaux à traiter sont analogiques ; c'est-à-dire qu ils varient de manière continue en fonction du temps. Pour pouvoir travailler avec ce signal, il faudra donc utiliser un convertisseur analogique/numérique (CAN) pour relier le signal du phénomène physique au système de traitement informatique (donc numérique), puis un autre convertisseur numérique/analogique (CNA) pour retranscrire les données aux phénomènes physiques. Dans le cadre de notre projet B01 de 2008, réalisé au cours de notre dernière année en génie électrique, au sein de Polytech Clermont-Ferrand, nous avons eu à réaliser deux cartes destinées à être utilisées dans des TP de contrôle-commande. La première utilise un convertisseur analogique/numérique à une fréquence de fonctionnement moyenne (10MHz), et la seconde, un convertisseur numérique/analogique à cette même fréquence. Nous allons ici présenter comment mettre en œuvre des convertisseurs numérique/analogique pour des fréquences supérieures à 1MHz. Page 3

5 2 GENERALITES SUR LES CONVERTISSEURS NUMERIQUE/ANALOGIQUE 2.1 Définition Un convertisseur numérique/analogique permet de traduire une information numérique (binaire) en une information analogique, c'est-à-dire, en une grandeur physique (courant, tension...). FIGURE 1 : CONVERTISSEUR NUMERIQUE /ANALOGIQUE Une séquence de données numériques est appliquée en entrée, typiquement synchronisée par un signal d horloge. Entre deux valeurs, le niveau analogique est maintenu. FIGURE 2 : SORTIE MAINTENUE En pratique, le fait que la sortie soit composée d une suite «d impulsion rectangulaire» va causer de multiples harmoniques, qu il faudra supprimer à l aide d un filtre passe-bas, agissant comme filtre de reconstruction. Il agit comme un filtre anti-repliement pour un convertisseur analogique/numérique (pour plus d informations au sujet de ces filtres, voir la note d application : «mise en œuvre d'un convertisseur analogique/numérique pour des fréquences d'échantillonnage supérieures à 1 MHz»). Les CNA possèdent différentes caractéristiques qui les définissent : - Résolution : elle est exprimée en nombre de bits. - Tension de référence : cette tension fixe la valeur maximale VFS (Full Scale), appelée tension pleine échelle, du signal de sortie. - Précision: on distingue deux types d'erreurs: o erreur pleine échelle : écart maximal entre la valeur de sortie et la valeur idéale o erreur de linéarité : écart maximal entre le pas de progression réel et le pas de progression idéal. - Temps d'établissement : temps que met la sortie pour passer à la valeur demandée après un signal de synchronisation. - Tension de décalage: tension de sortie présente lorsque les entrées binaires sont à zéro. Page 4

6 2.2 Types de CNA Ils existent plusieurs structures pour réaliser la conversion numérique/analogique. En voici les principales : - Convertisseur numérique/analogique à résistances pondérées FIGURE 3 : STRUCTURE A RESISTANCES PONDEREES On utilise une série de résistances pondérées de manière à ce que les courants générés soient dans une progression géométrique de raison ½. Par exemple, pour l information numérique NCNA= , on obtient un courant analogique égal à : D une manière générale : Dans le CNA présenté, un amplificateur opérationnel transforme le courant en une tension. Dans ces conditions : Page 5

7 - Convertisseur numérique/analogique à réseau R-2R. Ce type de CNA n utilise que deux valeurs de résistance. Les commutateurs sont commandés par le code numérique. La valeur analogique est la somme des courants aboutissant à l entrée " - " de l amplificateur opérationnel qui, comme dans le CNA précédent, traduit le courant en tension. FIGURE 4 : STRUCTURE R-2R L inconvénient de ce CNA est la limitation de la rapidité de conversion, qui est due au fait suivant : lors de la commutation d un bit, il y a inversion du courant dans la résistance 2R correspondante. Les capacités parasites ralentissent cette inversion et rallongent ainsi le temps de commutation. - Convertisseur numérique/analogique à commutation de courant. Cette famille occupe à l heure actuelle une place importante grâce à son prix accessible et à ses performances supérieures à celles des montages précédents. FIGURE 5 : STRUCTURE A COMMUTATION DE COURANT La structure de base reste un réseau R-2R, mais le courant dans les résistances 2R circule toujours dans le même sens ; il est constamment orienté vers l entrée de l amplificateur. On montre que dans le schéma de la figure : etc. Page 6

8 3 CONTRAINTES A PRENDRE EN COMPTE La mise œuvre de CNA nécessite la prise en compte de certains points particuliers, d autant plus, lorsqu il s agit de convertisseur rapide. Dans le cas d une conversion rapide, on utilise principalement la structure à commutation de courant, ce qui implique le plus souvent de convertir le courant en tension. Le plus simple pour réaliser ceci est d utiliser un amplificateur de transimpedance. Celui-ci doit être aussi rapide que la sortie du convertisseur et doit couvrir la plage de courant complètement. De plus, l AOP ne doit pas introduire de bruit lors de la mesure à la fréquence d utilisation. Ensuite, il faut conserver la sortie différentielle du convertisseur, afin d obtenir une faible distorsion en mode commun, et de la rejection de bruit. L amplificateur servant de convertisseur courant/tension doit être placé le plus près possible du CNA pour maximiser les performances en haute fréquence. En ce qui concerne le placement routage des composants, il faut également observer certaines règles. Pour tous les circuits où la précision est importante, le design du circuit doit être fait de sorte que les parties analogique et numérique soient séparées et confinées sur certaines zones de la carte. Dans le cas où un ou plusieurs périphériques demandent une liaison entre les masses numérique et analogique, il faut la réaliser en un seul point, et ceci aussi proche que possible du convertisseur. Les convertisseurs doivent posséder des capacités de découplage de 10µF et 0.1µF en parallèle sur l alimentation, et ce, au plus près du composant. Les signaux présentant des transitions rapides, comme le signal d horloge par exemple, doivent être blindés avec la masse numérique, pour empêcher les radiations de bruit. Ces signaux ne doivent jamais passer à proximité du signal de référence. Pour éviter les cross over entre signaux, les pistes des faces opposées de la carte doivent se croiser en angle droit. Il est préférable de dédier la face composant au plan de masse, et les pistes de signaux sont placées sur la face à souder. Page 7

9 4 CAS DU CNA AD5445 Prenons à présent le cas particulier d un convertisseur numérique/analogique le AD5445 de chez Analog Devices. Il utilise une structure à commutation de courant, afin d obtenir une vitesse de conversion élevée. FIGURE 6 : STRUCTURE DU AD5445 Dans un premier temps, il faut choisir l amplificateur opérationnel à placer en sortie du CNA, afin de réaliser une conversion courant/tension du signal. Pour ce faire, prenons l AOP AD8065 de chez Analog Devices qui possède une bande passante de 145MHz. Puis, dans un second temps, la deuxième contrainte à satisfaire, est de n utiliser qu une tension unipolaire 0v-5v, et de sortir une tension positive. Il faut donc appliquer une tension de biais sur la sortie Iout2, et ceci, avant l amplificateur opérationnel. FIGURE 7 : MISE EN OEUVRE DU AD5445 Ceci permet d obtenir en sorti du montage : Soit Avec une tension de référence à 5V et un Vbias à 2.5V, on obtient donc une plage de variation entre 0 et 2.5V en sortie, avec une inversion des codes numériques. En effet, le code 0 produira un signal à 2.5V en sortie, et le code 4096, un 0V, ceci pouvant être pris en compte par le dispositif en amont, ou réinversé à l aide d un second amplificateur opérationnel en aval. Page 8