Mesure/Expérience/Acquisition

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1 Mesure/Expérience/Acquisition 5) Les convertisseurs CAN/CNA El-Hassane AGLZIM MCF 63 3A Semestre /2018 Institut Supérieur de l Automobile et Transport Département de Recherche en Ingénierie des Véhicules pour l Environnement 49, rue Mademoiselle Bourgeois NEVERS

2 Sommaire 1) Les convertisseurs Introduction Caractéristiques CAN/CNA Convertisseur Analogique Numérique (CAN) Introduction CAN à intégration CAN simple rampe CAN double rampe CAN à approximations successives CAN flash CAN Delta Sigma Convertisseurs Numérique Analogique (CNA) Introduction CNA à comptage CNA à résistances pondérées CNA à résistance (réseau R/2R)

3 LES CONVERTISSEURS

4 Introduction Les convertisseurs dans une chaîne d acquisition Le but du CAN est de convertir un signal analogique continu en un signal discret et cela de manière régulière (à la fréquence d'échantillonnage). Il existe différents types de convertisseur qui vont se différencier par leur temps de conversion et leur coût (surface de silicium). 4

5 Introduction Il existent deux types de convertisseurs : Convertisseur Analogique/Numérique (CAN) et Convertisseur Numérique/Analogique (CNA). Ces convertisseurs sont : soit des composants discrets : (ex: ADC12C080 de National Semiconductor) soit intégrés dans des microcontrôleurs (ex: DSP) 5

6 Introduction Les convertisseurs dans un système complet 6

7 Introduction Signal analogique : Signal numérique échantillonné : 7

8 Introduction Conversion Analogique Numérique : 8

9 Introduction Conversion Numérique Analogique : 9

10 Introduction Les convertisseurs CAN CNA ont des caractéristiques spécifiques telles que : Sa plage de conversion : on l appelle aussi la Valeur Pleine Echelle PE et correspond à la différence entre les tensions maximale et minimale admissibles à l entrée du CAN. Sa résolution : elle est définie par le nombre de bits n utilisés pour coder la valeur analogique. On la caractérise aussi par le quantum. Son quantum : qui définie la plus petite différence de potentiel codable par le CAN. PE q=δ= 2 n 10

11 Introduction PE q=δ= 2 n 11

12 Introduction Les convertisseurs CAN CNA ont des caractéristiques spécifiques telles que : Son temps de conversion : qui caractérise la rapidité du CAN. Il exprime le temps que met le convertisseur pour donner une valeur numérique du signal d entrée. Sa précision : elle caractérise l erreur maximale entre la valeur lue et la valeur vraie. Elle tient compte des erreurs de décalage, de gain, de linéarité, etc Son rapport signal sur bruit : par son principe le CAN introduit naturellement une erreur de quantification que l on nomme bruit de quantification. On définit donc le rapport signal à bruit d un CAN : RSBQ db P S s eff =10.log = 20.log P B bq Qeff 12

13 Convertisseur CAN Introduction NOTION DE TRANSMITTANCE Il existe de très nombreuses technologies de Convertisseur Analogique/Numérique. On trouve notamment les CAN : à intégrations (appelés aussi à rampes); à approximations successives (appelé aussi à dichotomie); Flash; Delta Sigma; Chacune de ces technologies possèdent des avantages et des inconvénients que nous essaierons de mettre en évidence. 13

14 Convertisseur CAN CAN à intégration NOTION DE TRANSMITTANCE Pour les convertisseurs AN à intégration, on distingue 2 technologies, les CAN : Simple rampe; Double rampe. CAN A INTEGRATION SIMPLE RAMPE Schéma de principe : Hypothèses : ALI1 et ALI2 supposés parfaits V ref : tension continue parfaite 14

15 Convertisseur CAN CAN à intégration simple rampe NOTION DE TRANSMITTANCE CAN A INTEGRATION SIMPLE RAMPE Hypothèse : E(t) varie lentement (constant durant la phase de conversion) ALI1 : Amplificateur Linéaire en boucle fermée car présence d une liaison entre la sortie et l entrée inverseuse. Si S ouvert : V ref Y( t). t cste RC 0 Si S fermé : Yt ( ) 0 15

16 Convertisseur CAN CAN à intégration simple rampe Y(t) E comparateur compteur 0 t f t t t En t=t f, on a : Vref Y( t t f) E. t RC En notant T, la période du signal d horloge, on a : On a donc : t f N. T E 1 N RC.. V T ref f N coups d horloge En t=t f, on ferme l interrupteur S. La valeur du compteur est donc de N. Or comme N est image de E, on a donc une information numérique image du signal d entrée. Avantages : Simple et peu couteux Inconvénients : Temps de conversion dépend de la tension à convertir, et la valeur du compteur dépend des composants du montage (R et C qui varie dans le temps par vieillissement). 16

17 Convertisseur CAN CAN à intégration double rampe Schéma de principe : Principe de fonctionnement : Phase 1 : Le commutateur est placé sur le signal d entrée Ve pendant une durée fixe notée t1. Phase 2 : Le commutateur est placé sur le signal PE. On note t2 le temps nécessaire au signal Vs(t) pour repasser à 0. 17

18 Convertisseur CAN CAN à intégration double rampe En t=t 1, on a : Ve Vs( t t ) t V RC Le compteur à compté : t1 N1 cste T Pour t > t 1, on a : PE Vs( t).( t t1) V1 RC En t=t 1 +t 2, on a : PE Ve Vs( t t1 t2) 0 Vs( t1 t2) 0.( t1 t2 t1). t1 RC RC Ve Donc : t2. t1 PE Depuis t1, le compteur s est incrémenté de N, donc : t2 N. T Donc : 1 N Ve. t PE T Avantages : Simple et peu couteux On a donc une information numérique N image du signal d entrée. Inconvénients : Temps de conversion dépend de la tension à convertir. 18

19 Convertisseur CAN CAN à approximations successives Principe de recherche du code numérique : Avantages : Temps de conversion constant, mais dépend du nombre de bits Inconvénient : Structure plus complexe. 19

20 Convertisseur CAN CAN flash Schéma de principe : Comparateur a 0 a 1 a 2 A a 3 B a 4 a 5 C a 6 20

21 Convertisseur CAN CAN flash Table de vérité du bloc DECODAGE : U x Etat de la sortie des comparateurs ETAT DE LA SORTIE DU CIRCUIT DECODAGE a 0 a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 A B C 0 < U X V 6 < U X V 5 < U X V 4 < U X V 3 < U X V 2 < U X V 1 < U X V 0 < U X Equations logiques du bloc DECODAGE : A a 3 B a a. a C a a5 a4. a3 a2. a1 a0 a6.. a a a a Avantages :Temps de conversion constant et très faible Inconvénients : Précision des résistances, dissipation, nombre de comparateurs. 21

22 Convertisseur CAN CAN Delta-Sigma Contrairement aux CAN étudiés précédemment qui fournissent une grandeur numérique image de la tension à convertir sur un mot de N bits, les convertisseurs Delta Sigma fournissent en sortie l écart avec la valeur numérique de l échantillon précédent. Ils sont aussi appelés CAN à suréchantillonnage car la fréquence d échantillonnage est très supérieure à la fréquence de Shannon. Cet écart transmis peut se réduire à un seul bit, dans ce cas, le signal de sortie est binaire (0 ou 1), 0 si le signal d entrée a diminué, et un 1 si le signal d entrée a augmenté. Ces convertisseurs Delta Sigma sont composés de 2 étages : Un modulateur Delta et un filtre décimateur. 22

23 Convertisseur CNA Introduction L objectif des CNA est de fournir une tension analogique image d un signal numérique échantillonné. 23

24 Convertisseur CNA CNA à comptage Schéma de principe : 24

25 Convertisseur CNA CNA à résistance pondérées Pour les convertisseurs NA à résistances, on distingue deux technologies : CNA à résistances pondérées et CNA à réseau R/2R. CNA à résistances pondérées : Hypothèse : ALI parfait L ALI fonctionne en régime linéaire car présence d une liaison entre la sortie et l entrée inverseuse. Par le théorème de Milmann appliqué à l entrée inverseuse, on obtient : n 1 ai a1 a2 an 1 Remarque : Pour ce Y( t) Vref. Vref. a0... i n 1 i montage, a 0 =MSB et a n-1 =LSB Le signe peut être enlevé par un simple montage inverseur. 25

26 Convertisseur CNA CNA à résistance (réseau R/2R) CNA à réseau R/2R : Hypothèse : ALI parfait L ALI fonctionne en régime linéaire car présence d un liaison entre la sortie et l entrée non inverseuse. => V + = V - = 0 L étude se simplifie, car les sorties des résistances 2R sont virtuellement reliées à la masse. 26

27 Convertisseur CNA CNA à résistance (réseau R/2R) Exemple sur 4 bits : ib On a : i0 ia 2 Req 2R ic R On a donc : eq 2R i1 ib 2 Req 2R id On a donc : i2 ic 2 i Vref On a donc : i3 id et i 2 2R Donc : i3 Vref ; i2 Vref ; i1 Vref ; i Vref 0 4R 8R 16R 32R 27

28 Convertisseur CNA CNA à résistance (réseau R/2R) Exemple sur n bits : i n-1 i n-2 i 1 i 0 i T i Vref ; i Vref ;...; i Vref ; i Vref 4R 8R 2 R 2 R Donc : n 1 n 2 1 n 0 n 1 i i. b i. b... i. b i. b Par la loi des nœuds, on obtient : T n 1 n 1 n 2 n Vout En analysant l ALI, on obtient aussi : it R Vref Vout b b b b 2 n 1 n n 1.2 n n N (10) 28

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31 Mesure/Expérience/Acquisition 5) Les convertisseurs CAN/CNA El-Hassane AGLZIM MCF 63 3A Semestre /2018 Institut Supérieur de l Automobile et Transport Département de Recherche en Ingénierie des Véhicules pour l Environnement 49, rue Mademoiselle Bourgeois NEVERS