Conversions Analogique / Numérique & Numérique / Analogique T.CAMPS (09/2013) 1
CAN / CNA : Historique & Généralités Jusqu en 1960-1970 : Traitement du signal analogique Manque de fiabilité des résultats Dérives et dispersions des caractéristiques des composants Etude difficile et approximative (multi capteur, nonlinéaire) Introduction d'artefacts - parasites - (bruits propre/externe) Coût/Réglage des prototypes Coûts élevés de construction en série Nombre de composants discrets analogiques à faible densité d'intégration : R, C, etc. Depuis 1970 : Avènement du microprocesseur (les convertisseurs sont apparus dans les 60 s ) 2
Du signal continu au signaux numérisés Temps Amplitude Continu Continue Signal analogique Monde réel macros. Discrète Signal quantifié Filtre analogique / ampli Signal échantillonné Signal logique idéalisé Signal numérisé Discret Variante : échantillonné-bloqué Sortie d un Echantillonneur / Bloqueur Calculateur Après échantillonnage et discrétisation, on peut associer un mot binaire au signal 3
Entrées => CAN / CNA => Sorties Monde physique Capteurs Réceptions Signal est continu en temps & amplitude CAN ADC n Signal discrétisé en temps et amplitude Calculateur Stockage Traitement m Données numériques CNA DAC Monde physique Actionneurs Transmission Affichage Signal est continu en temps & amplitude Capteurs Signal Multiplexeur analogique Contrôle Filtre antirepliement E / B CAN Chaîne d entrée n bits m bits CNA Filtre de lissage Ampli. Actionneurs Contrôle Chaîne de sortie
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Système industriel Calculateur rapide Système lent Multiplexage éventuel (multi capteurs, système réparti ) 6
CNA CAN 7
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Fréquence d échantillonnage? 9
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Fréquence d échantillonnage? Filte Anti repliement Théorême de Schanonn F échan. échan. > < 2*F 2*F max max F max Il y a repliement F Echantillonnage Bruit HF F échantillonnage Entrées analogiques Multiplexeur analogique Filtre anti-repliement E / B CAN 13
Impact du filtre anti-repliement Sans et Avec le filtre anti repliement 14
Echantillonneur Bloqueur (E/C ou S/H) Principe : Echantillonne, en fermant T 1, en chargant C, puis on bloque (ouvrant T 1 ), enfin avant la prochaine acquisition, on décharge C (T 2 Fermé) Signal à temps continu Cde Echan. T 1 Cde R.à.Z T 2 Signal échantillonner Signal d entrée analogique Signal échantillonné-bloqué V Sig. Z O (i-1) Z In (suiveur) =Ad.Zd~ V In Signal à temps continu Z Out (suiveur) =Zo/Ad qques µω + - I 1 Cde Echan. C + - Signal échantillonner V Out Z L V In = V Sig Z O (i-1)<<z In (E/B) Pas de décharge (Z i2 ~ ) Faible temps de charge (Z o1.c~0) V Out = V Sig. (t e ) Z L >>Z O (E/B) 15
LF 396 (TI) Offset Output Input Cde S/H Ref logique 16
Interrupteur analogique Signal continu en temps E/B Cde Echan. C Inter. analog Signal Échan. Cahier des charges : Faible impédance série qd l Inter. Ouvert (<100Ω) Forte impédance qd l Inter. ouvert (>1GΩ) Conduction bidirectionnelle (signaux alternatif) Faible puissance de commande (qques µw) Temps de fermeture/ouverture réduit (µs) multiplexeur Exemple de multiplexeur : 8 voies (NOi) vers une (COM), 3 bits d adressage Structure interne d un Interrupteur analogique (CMOS) Sélection d une entrée sur 2n n = nbes de bits d adressage Conduction bidirectionnelle grâce à la conduction dans le NMOS et PMOS 17
Interrupteur analogique réel Cahier des charges : Faible impédance série (Inter. Ouvert) Zon<100Ω Forte impédance (Inter. Fermé) Zoff >1GΩ) Conduction bidirectionnelle (signaux alternatif) Faible puissance de commande (qques µw) Temps de fermeture/ouverture réduit (µs) R on I off F C Protection ESD -3dB 18
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Choix du filtre anti-repliement Attention à la réponse temporelle (retard et ondulations) et à la phase! 20
Filtres à capacités commutées Principe : On ajuste la fréquence de coupure f C à l aide de la fréquence d horloge externe! Petits logiciel de synthèse de filtre : FilterCAD (linear Technology) Analog Devices 21
filtre anti-repliement : 4 nd ordre linéaire + filtrage numérique Après filtrage numérique, la décimation consiste à ne conserve qu un échantillon sur 6, pour obtenir au final une fréquence d échantillage de 8kHz 22
Chaine d acquisition multi voies Acquisition séquentielle Capt.1 Capt.2 Capt.3 Capt.i Multiplexeur Analogique Mux Amplificateur à gain et offset prog. Ampl. A v V offset Filtre antirepliement prog. Filt. F C = F H /k Echantillonneur / Bloqueur E/B S/H Convertisseur Analogique Numérique CAN ADC N bits Cœur numérique de traitement Séquenceur µcontrôleur (DSP, µp, µcont.) Mémoire F H F Ech Cdes Conv. Sélect. de voie Acquisition synchrone Filtre antirepliement prog. Echantillonneur / Bloqueur Multiplexeur Analogique Amplificateur à gain et offset prog. Convertisseur Analogique Numérique Cœur numérique de traitement Capt.1 Capt.2 Capt.3 Filt. Filt. Filt. E/B E/B E/B Mux Ampl. CAN ADC N bits Séquenceur µcontrôleur (DSP, µp, µcont.) Mémoire Capt.i Filt. E/B A v V offset F H F Ech Sélect. de voie Cdes Conv. 23
CAN / CNA : Plan de cours CAN Principe Architectures flash / semi-flash à rampe(s) approximation pipeline delta-sigma Mise en œuvre Erreurs et Technologie CNA Principe Architectures directes R et R/2R variantes indirectes fréquence et temps charges Mise en œuvre Erreurs et Techno. 24
Définition des Caractéristiques Dynamique : Variation possible de tension (ou de courant) d entrée d un CAN ou de sortie d un CNA (Dynamique) Résolution : Plus petite tension manipulable (q = Dynamique/(2 n -1) ) avec n est le nombre de bits (Entrée CAN ou Sortie CNA) Précision : Différence entre la sortie théorique et effective [%, mv ou lsb] Cadence : Vitesse de conversion en «Sample Per Seconde» (SPS) [ MHz du signal d entrée pour un CAN] Format : Format du mot binaire (BCD, ) Fidélité : Le fait de donner le même résultat pour une entrée donnée Linéarité (erreur de) : différence entre la courbe idéale et effective 25