Pas de quantification et Rythme de quantification COURS 5 : CONVERSIONS CNA & CAN. Fréquence et N : les deux difficultés



Documents pareils
INTRODUCTION A L ELECTRONIQUE NUMERIQUE ECHANTILLONNAGE ET QUANTIFICATION I. ARCHITECTURE DE L ELECRONIQUE NUMERIQUE

I- Définitions des signaux.

Numérisation du signal

Étude des Corrélations entre Paramètres Statiques et Dynamiques des Convertisseurs Analogique-Numérique en vue d optimiser leur Flot de Test

La conversion de données : Convertisseur Analogique Numérique (CAN) Convertisseur Numérique Analogique (CNA)

CHAPITRE V. Théorie de l échantillonnage et de la quantification

Chaine de transmission

Equipement. électronique

Etudier l influence de différents paramètres sur un phénomène physique Communiquer et argumenter en utilisant un vocabulaire scientifique adapté

SYSTEME DE PALPAGE A TRANSMISSION RADIO ETUDE DU RECEPTEUR (MI16) DOSSIER DE PRESENTATION. Contenu du dossier :

TP Modulation Démodulation BPSK

Partie Agir : Défis du XXI ème siècle CHAP 20-ACT EXP Convertisseur Analogique Numérique (CAN)

Expérience 3 Formats de signalisation binaire

La couche physique de l ADSL (voie descendante)

P1PY7204 Acquisition de données Cours

ELP 304 : Électronique Numérique. Cours 1 Introduction

SIGNAUX NUMERIQUES ET MODULATIONS NUMERIQUES

Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance : application à l onduleur basse tension


Régler les paramètres de mesure en choisissant un intervalle de mesure 10µs et 200 mesures.

- Instrumentation numérique -

Systèmes de communications numériques 2

EMETTEUR ULB. Architectures & circuits. Ecole ULB GDRO ESISAR - Valence 23-27/10/2006. David MARCHALAND STMicroelectronics 26/10/2006

8563A. SPECTRUM ANALYZER 9 khz GHz ANALYSEUR DE SPECTRE

CONVERTISSEURS NA ET AN

UE 503 L3 MIAGE. Initiation Réseau et Programmation Web La couche physique. A. Belaïd

Présentation et installation PCE-LOG V4 1-5

Chapitre 13 Numérisation de l information

Introduction à l informatique temps réel Pierre-Yves Duval (cppm)

1. PRESENTATION DU PROJET

LÕenregistrement Enregistrement analogique et enregistrement numžrique

DimNet Gradateurs Numériques Evolués Compulite. CompuDim 2000

Projet audio. Analyse des Signaux ELE2700

DAC. avec interface USB audio et préampli stéréo Casque CONVERTISSEUR DIGITAL VERS ANALOGIQUE. Guide d utilisation V1.1 Jan 2011

Enregistrement et transformation du son. S. Natkin Novembre 2001

0 20mV; 0 40mV; 0 80mV; 0 160mV; 0 320mV; 0 640mV; 0 1,28V; 0 2,56V 0 5V; 0 10V

ARDUINO DOSSIER RESSOURCE POUR LA CLASSE

LABO 5 ET 6 TRAITEMENT DE SIGNAL SOUS SIMULINK

Echantillonnage Non uniforme

MOTORISATION DIRECTDRIVE POUR NOS TELESCOPES. Par C.CAVADORE ALCOR-SYSTEM WETAL Nov

Conférence sur les microcontroleurs.

Chapitre 18 : Transmettre et stocker de l information

- MANIP 2 - APPLICATION À LA MESURE DE LA VITESSE DE LA LUMIÈRE

Université de La Rochelle. Réseaux TD n 6

Filtres passe-bas. On utilise les filtres passe-bas pour réduire l amplitude des composantes de fréquences supérieures à la celle de la coupure.

TP: Représentation des signaux binaires. 1 Simulation d un message binaire - Codage en ligne

Systèmes de communications numériques 2

Chap17 - CORRECTİON DES EXERCİCES

ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL. Département de Génie Électrique. La technologie de TEXAS INSTRUMENTS DSP pour le cours Analyse des Signaux ELE2700

Chapitre I La fonction transmission

Les techniques de multiplexage

Telecommunication modulation numérique

Technique de codage des formes d'ondes

On distingue deux grandes catégories de mémoires : mémoire centrale (appelée également mémoire interne)

Chapitre 22 : (Cours) Numérisation, transmission, et stockage de l information

LES CARACTERISTIQUES DES SUPPORTS DE TRANSMISSION

Telecommunication modulation numérique

Manipulations du laboratoire

Transmission de données. A) Principaux éléments intervenant dans la transmission

LES DIFFÉRENTS FORMATS AUDIO NUMÉRIQUES

Modules d entrées/sorties pour FX série XM07 et XM14

Mesures en réception télévision

NAGRA VI Enregistreur numérique six pistes

Projet de Traitement du Signal Segmentation d images SAR

TS 35 Numériser. Activité introductive - Exercice et démarche expérimentale en fin d activité Notions et contenus du programme de Terminale S

! analyse du fonctionnement

TD1 Signaux, énergie et puissance, signaux aléatoires

J AUVRAY Systèmes Electroniques TRANSMISSION DES SIGNAUX NUMERIQUES : SIGNAUX EN BANDE DE BASE

Le signal GPS. Les horloges atomiques à bord des satellites GPS produisent une fréquence fondamentale f o = Mhz

EIP 2012 Projet Livepad. Documentation technique 1.5

MICROCONTROLEURS PIC PROGRAMMATION EN C. V. Chollet - cours-pic-13b - 09/12/2012 Page 1 sur 44

Fonctions de la couche physique

Fiche technique CPU 314SC/DPM (314-6CG13)

Recherche De Coalescences Binaires Étalonnage Du Détecteur

Communications numériques

Le calculateur numérique pour la commande des processus

Transmission d informations sur le réseau électrique

BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SÉRIE SCIENTIFIQUE

5.2 Théorème/Transformée de Fourier a) Théorème

Hiérarchie matériel dans le monde informatique. Architecture d ordinateur : introduction. Hiérarchie matériel dans le monde informatique

QUESTION 1 {2 points}

Acquisition et conditionnement de l information Les capteurs

Puis le convertisseur bloque en mémoire cette valeur pendant une période d échantillonnage.

-1- SOUNDMAN. Fabrication et distribution. SOUNDMAN e.k. Bornimer Str Berlin (Allemagne) Tél & Fax (+49)

LABO PROJET : IMPLEMENTATION D UN MODEM ADSL SOUS MATLAB

Systèmes de transmission

Multimedia. Systèmes, Communications et Applications. Ahmed MEHAOUA

ENREGISTREUR DE TEMPERATURE

Prise en main. Prise en main - 0

Information. BASES LITTERAIRES Etre capable de répondre à une question du type «la valeur trouvée respecte t-elle le cahier des charges?

Approche expérimentale du rayonnement électromagnétique émis par un téléphone portable

Manuel d'utilisation de la maquette

TP Détection d intrusion Sommaire

Le multiplexage. Sommaire

Codage d information. Codage d information : -Définition-

Traitement du signal avec Scilab : la transformée de Fourier discrète

xdsl Digital Suscriber Line «Utiliser la totalité de la bande passante du cuivre»

Manipulation N 6 : La Transposition de fréquence : Mélangeur micro-ondes

Transcription:

COUS 5 : CONVESIONS CNA & CAN Pas de quantification et ythme de quantification Définitions pas de quantification et rythme de quantification dynamique ~ 2 N Vue globale d une chaine (capteur CNA {DSP+ logique} CNA...) Fonctionnement CNA du type à réseau de résistance Principe de sources de courants en 2 -N éseau -2 Non-monotonie («Glitch») Modulation de largeur de pulse PWM ; Servo-moteurs Fonctionnement CAN (rampe) Flash basés sur CNA + approx successives Mixtes Flash/approx «sigma-delta» (mentionné ~non expliqué) Ajout d un Sample & Hold en entrée Bruit de quantification Variance en q 2 /2 34 IDEAL Pas de quantification «q» 00 b 000 b 000 b 000 b 0000 b Signal Analogique & échantillonage période d échantillonnage Valeur Digitale TEMPS TEMPS 35 Etendue (range), Nombre de bits et rythme Fréquence et N : les deux difficultés [ 2 N - ] FF h = b (N=8) N bits 2 N niveaux de quantification saturation haute q le pas =la plus petite variation =V max /2 N Surtout pour la conversion Analogique numérique (la moins triviale) Deux difficultés mais aussi deux principaux paramètres pour les choisir : Fréquence N= nombre de bits «Dynamic ange» = 2 N plus grand signal = plus petit signal Fréquence [ 0 ] "q"= le pas plus petit signal 00 h =0000 0000 b Cadence d échantillonage Fréquence /période saturation basse TEMPS 36 N= nombre de bits 37

IDEAL En pratique : le temps de conversion n est pas nul Fraction de la période d échantillonnage (%...99%), on y reviendra signal analogique Vue globale d une chaine Pas de quantification période d échantillonnage TEMPS Capteurs Analog Num (CAN) Trait. Num. & Logique Num Analog (CNA) Utilisation signal Actionneurs + Temps de conversion 00 b valeur digitale F Hz N bits F Hz N bits 000 b 000 b 000 b temps de conversion TEMPS 0000 b 38 39 Vue globale d une chaine: exemple régulation Vue globale d une chaine : exemple signal Capteur = T,P Analog Num (CAN) Trait. Num. & Logique Num Analog (CNA) Utilisation signal Actionneurs Voix, musique (mono) Analog Num (CAN) Trait. Num. & Logique Num Analog (CNA) Utilisation signal Haut-parleurs ampe de Temp. Filtrage F CAN = 5 Hz N CAN = 0 bits δt / T ~ 0./00 ~/2 0 F CNA = 3 Hz N CNA = 7 bits 28 niveaux de chauffe(/froid) Four, Diode laser F CAN = 44 000 Hz N CAN = 5 bits δe / e ~ 00 µv / 3V ~/2 5 (Bode) F CNA = 44 000 Hz N CNA = 8 bits δs / s ~ 2 µv/3v ~/2 8 Pas de rapport a priori entre entrée et sortie en termes de F et N F doit être essentiellement conservé, N peut changer dans une certaine mesure, pour moduler les compromis performances/coûts. 40 4

CNA à réseau de résistance On doit faire la sommation N- a k = 0 ou V= ( Σ a k 2 k-n ) avec =~ pleine échelle k = 0 Le sommateur usuel fait une somme de courants : V s = (Σ I k ) Σ I k CNA à réseau de résistance : version naïve N- V= ( Σ a k 2 k-n ) avec = pleine échelle k = 0 un terme = 2 k-n = I k avec de contre-réaction Si on met [ ou 0 V] à gauche de k alors «Millman» (loi des noeuds): (- I k )= ( ) / k et I k = ( /2 k-n )/= / (2 k-n ) k = 2 k-n I k 0 V - V k s + La k-ième branche avec k va servir à faire le k-ième terme: I k ou 0 Les doivent donc être en 2 k : {, 2, 2 2, 2 3,... 2 N- } 2 -N k = N- I k... I k 0 V k - k = 0 + ( ) si a k = Aucun courant sinon transistor type FET 42 43 CNA à réseau de résistance : difficulté L astuce du réseau -2 (/2) Une résistance sur chip n est qu une ligne de Si peu dopée dont longueur L et la largeur l sont ajustée { notion de «résistance carrée» de la couche =ρl/le = (ρe)(l/l) = (L/l) } switch kω (MSB) 2 kω 4 kω (on peut tenir compte de la résistance résiduelle du switch pour raffiner) Chaque branche est déviée soit vers la masse, soit vers l entrée «V» (à 0V!) - 2I o I o I o I o /2 I o /2 2 2 2 2 2 2... 8 kω 6 kω goulu en cm 2 a N- a o - + V= ( Σ a k 2 k ) La solution proposée ici assure le doublement du courant à chaque étage (se voit par récurrence, de gauche à droite)? 024 kω (LSB) Ne nécessiterait même pas forcément le ratio 2/=2,... mais restons sages 44 45

L astuce du réseau -2 (2/2) Implémentation physique évidemment simple (- ) La monotonie, les «glitches» V S I 0...I 6 I 7 =0 (N=8) I 0...I 6 0 I 7 = 6? Σ I k = I 7 k = 0 2 (les switches vers ampli-op ou masse) 46 47 Simulation sur 4 bits (00 réalisations de 0% d erreurs aléatoires sur les k ) isque de non-monotonie aux basculements des MSBs Sortie analogique glitch intermédiaire @ 3/4-échelle figure(0);hold off;cla; errmax=0.; for kk=:00; myrand=randn(4,); cj=+errmax*myrand(); cjj=2*(+errmax*myrand(2)); cjjj=4*(+errmax*myrand(3)); cjjjj=8*(+errmax*myrand(4)); clear x cnt=0; for jjjj=0:; for jjj=0:; for jj=0:; for j=0:; xideal=j+2*jj+4*jjj+8*jjjj; plot(xideal,xideal,'bo');hold on; cnt=cnt+; xnonideal(cnt)=j*cj+jj*cjj+jjj*cjjj+jjjj*cjjjj; xxideal(cnt)=xideal; end; end; end; end; plot(xxideal,xnonideal,'r-');hold on; plot(xxideal,xnonideal,'k.');hold on; end; Simulation sur 4 bits : erreur L erreur change de signe. Et change de plus que LSB V s -V s idéale Le + gros «glitch» @ mi-échelle glitch intermédiaire @ quart-échelle Entrée binaire Entrée binaire 48 49

Mode Modulation de largeur d impulsion (PWM) Commandes de servo-moteurs (autre forme de PWM effectif) Modes de commande «analogique à base logique»: Modulation de largeur d impulsion (Pulse Width Modulation, PWM) Fréquence constante, rapport cyclique variable. Signal intégré Signal PWM (duty cycle X/M) Gestion numérique: par compteur & comparateur ici en 6 bits (sera utilisé en 2A) : Angle CLK 0... M=2 6 6 - Comp 6 6 X Consigne PWM X M - Exemples chauffage inertie (évite la commmutation analogique de puissance, énergivore) Eclairage LED + oeil persistence rétinienne (la «guirlande variable» de notre «rue») Temps Source : wikipedia 50 5 Conversion Numérique Analogique Conversion par ampe & durée (/2) Num. Analogique= CAN = ADC = Analog-to-Digital Converter Trois types de CAN présentés ici Par rampe et comptage de durée Convertisseur Flash Convertisseur à approximations successives (SA : Successive Approximation egister [SA-ADC] ) { Il existe d autres types très futés tels le «sigma-delta», ~non traités ici.} Géné de rampe Source de courant Sync + décharge 0 V ramp Comparateur V e - + CLK 6 EGISTE 6 0... M=2 N - AZ Sync Latch Enable (verrouillage) Des Compromis : Coût apidité - Précision V e V ramp AZ CLK enabled CLK disabled temps 0 Comp ythme CLK? 0 bits à 00 khz environ 0 MHz 52 53

Conversion par ampe & durée (2/2) Conversion Flash (/3) Inconvénients: relative lenteur, stabilité de la rampe Principe : échelle fixe de M résistances M tensions & M=2 N comparateurs! j=m ½ V e 0 (dépend d une capa donc de capa parasites, les capa grosses ne sont pas faciles à intégrer...) Avantages: pas de «glitch» (voir SA...) contrôle des erreurs et dérives accessible j/m j=0 ½ j+ j j- 0 0 Priority Encoder N 0000 b ( j en binaire ) Centrage des bits extrêmes : ½ au lieu de pour ces résistances 54 55 Conversion Flash (2/3) Conversion Flash (3/3) : améliorations Inconvénients : goulu, en énergie et en cm² Amélioration «interne» Gestion des "" isolés ( erreurs ): Quelques couches de portes supplémentaires ("" valide ssi "" en-dessous et "0" au-dessus) Avantages : Très rapide (> GHz possible) pas de «glitch» (voir SA...) Amélioration «autour» sur la même puce : gestion des grands flux de données (processing pour avoir: moyenne, crêtes, filtrage HF,... cf. les oscillos!) Incertains : gestion de l uniformité (...cm²) de la capa des M entrées (booster le signal) Architectures Hybrides ½CNA + un CAN + ½CNA+ soustracteur V e CAN N/2 bits N/2 N/2 N/2 CNA N/2 bits N/2 bits de poids fort N - soustracteur + CAN2 N/2 bits /2 N/2 N/2 N/2 bits de poids faible 56 57

Conversion par Approx. Successives [SA] (/2) Conversion par Approx Successives (2/2) Utilise un CNA + un algo à N itérations, N=log 2 (M) 0 00 V e 000 000 0000 Exemple N=4 bits 000 00 00 00 Algorithme: Si V e >DAC( 0 0 0), a 3 =, 0 sinon Si V e >DAC(a 3 0 0), a 2 =, 0 sinon Si V e >DAC(a 3 a 2 0), a =, 0 sinon Si V e >DAC(a 3 a 2 a 0), a 0 =, 0 sinon! valide! t V e Comparateur - + CNA N bits N unité de contrôle N CLK Enable registre de sortie Inconvénients : «Glitch» possible, du au DAC (=CNA) Avantages : Assez apide La précision n impacte presque pas la cadence (N ~ log(m) ) Combinable/Hybridable lui aussi ADC(Ve)=a 3 a 2 a a 0 58 59 Le «sigma-delta»... un OVNI même pour nous Les performances (2006) Mais quand même un message à intuiter : il faut prendre le meilleur du digital et de l analogique... et des algorithmes itératifs! Fréquence Scopes Dig.adio ana ana+dig dig Video dig Audio N= nombre de bits 60 6

E/S Analogique : «Sample & Hold» ou «Track&Hold» Un chip typique (2-3 ) : MCP3204/3208 On veut stabiliser le signal pendant le cycle de conversion Il faut un «blocage analogique» On remplit une capacité et on la «garde au chaud», cela s appelle «Sample-and-Hold» 2.7V 4-Channel/8-Channel 2-Bit A/D Converters 00 ksps max. sampling rate at VDD = 5V 50 ksps max. sampling rate at VDD = 2.7V - 400 μa max. active current at 5V Mesure d erreur pour codes choisis MUX Analogique en entrée C est utilisé pour l entrée et aussi pour la sortie Bien sûr, c est un sujet critique dont «on» connait les finesses ou T/H S/H CAN CNA S/H 62 Série en sortie 63 Côté signal : Shannon, repliement... Note d application : ajout de filtre + Vref Echantillonnage à fréquence f Signal vu correctement jusqu à f/2 (th. de Shannon) --- Au-delà : repliement A éviter Filtres anti-repliement en entrée ou en sortie Vref Noter qu un signal devient «forcément moche» à l approche de f/2 (dès f/0, visuellement) En particulier, à f signal ~f/2 l échantillonnage ne voit qu une phase du signal, pas sa quadrature d où les effets de battements ADC Filtre + Management des masses à soigner 64 65

Le signal d erreur Le Bruit de digitalisation (/2) δv=v analog V digital t=linspace(0,.4,800);a=0*sin(2*pi*t)+3*sin(8.5*pi*t).^3; figure(20); plot(t,a,'b-',t,round(a-0.5)+0.5,'k-',t,a-round(a-0.5)-0.5,'r.') grid on dv=a-round(a-0.5)-0.5; hist(dv,[-.225:0.05:.225]) (ici q= δv /2 ) Bruit de digitalisation (2/2) : Variance en q²/2 Variance de δv? (barycentre de δv²) V analog V digit δv q/2 ±q/2 0T éch = / / / / = La Variance de δv est donc q²/2 /2 3 / = 24 24 = 2 δv est équiréparti sur ±q/2 (asymptotiquement) Quelle est, dans cette limite, la variance de δv? Ici notre cas particulier ±q/2 L écart-type de δv a pour expression q/ ~.... La question suivante est le spectre en fréquence de ce bruit Il est plutôt fort vers la fréquence à laquelle le signal franchit le plus souvent les niveaux... (ici, /6ème de f, à préciser) log(densité spectrale) 66 fréquence (Fourier fft) 67 Complément bruit :spectre d un signal lent. LA CONVESION CNA AVANCEE : les «DDS» DIECT DIGITAL SYNTHESIZE Probablement au cours 6 Comment générer une fréquence incommensurable avec l horloge de conversion d un DAC? Table de conversion cos(φ) «toute prête» + bonne façon de l adresser (d y pêcher)... ici le spectre est piqué aux basses fréquences associées aux transitions raréfiées 68 69

L ACCUMULATEU DE PHASE On fabrique l équivalent de l angle φ de la construction de Fresnel, avec beaucoup de résolution (48 bits), ce qui permet de choisir finement l incrément angulaire, donc une fréquence précise sur un grand nb de tours ESULTAT TES PECIS (les GBF des TPs!) choix de frequence à 0-2 près ou mieux qqs micro-hz! pureté spectrale du signal (Wiener Khintchine : DSP TF de fct de corrélation ) 70 7