Lycée Durzy Villemandeur TERMINALE Génie Electronique DOC PROF Page 1 / 8 Convertisseur Numérique Analogique (CNA) Convertisseur Analogique Numérique (CAN) I- Mise en situation I-1-) Présentation I-1-1 ) Rôle Interfaçage entre le monde "extérieur" et un système numérique. I-1-2 ) Chaîne de traitement numérique d'un procédé Ve Vs N bits de sortie M bits d'entrée Système de traitement numérique CNA CAN Signal analogique provenant du monde extérieur. Par exemple : - tension issue d'un capteur de température - tension issue d'un capteur d'humidité - etc. Cette fonction transforme (convertie) la tension analogique Ve en signal numérique sur N bits Le système de traitement numérique assure le traitement numérique de l'information. Ce système est en général constitué D'un microprocesseur Ou D'un microcontrôleur Cette fonction transforme (convertie) le signal numérique de M bits en provenance du microprocesseur en une tension ou un courant analogique. signal analogique, qui peut commander : - un moteur à courant continu - une électrovanne - etc. I-1-3 ) Exemples de système Régulation de débit, CD audio numérique, Etc. I-2-) Symbolisation Système de traitement numérique Ve Vs N bits de sortie M bits d'entrée # ˙ # ˙ ˙ # ˙ #
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La caractéristique d'un convertisseur (numérique / analogique ou analogique numérique) est la courbe représentant la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d'entrée.
La résolution est la plus petite variation du signal analogique d'entrée qui provoque un changement d'une unité sur le signal numérique de sortie. Elle
est liée au quantum.
La valeur du quantum dépend de la tension Pleine Echelle (PE, FS), elle est donnée par la relation :
2ValeurValeur
2
échellePleineValeurq
bitsdenombreminMAX
bitsdenombre
−==
La résolution est la plus petite variation qui se répercute sur la sortie analogique à la suite d'un changement d'une unité sur le signal numérique
d'entrée. Elle est liée au quantum.
La valeur du quantum dépend de la tension Pleine Echelle (PE, FS), elle est donnée par la relation :
1)2(ValeurValeur
1)(2
échellePleineValeurq
bitsdenombreminMAX
bitsdenombre −−
=−
=
II-2-2 ) Unité
La résolution est définie en % de la pleine échelle (FULL SCALE ou FS).La valeur pleine échelle est donnée dans la documentation du circuit.
II-2-3 ) Travail demandé :
II-2-3-a ) Calculez le quantum pour les deux convertisseurs ci-dessus.
(CAN) (CNA)
1V
2
8q 3 == 1V
12
7q 3 =
−=
II-2-3-b ) Représentez sur les caractéristiques de transfert le quantum (q)
II-3-) Codage des valeurs II-3-1 ) Les codages les plus courant sont :
Ø Pour les nombres non signés : Ø Le binaire naturel Ø Le B.C.D
Ø Pour les nombres signés : Ø Le complément à deux Ø Le binaire signé (1XX pour les nombres négatifs et 0XX pour les positifs)
II-3-2 ) Exemples de code binaire signé
Signal bipolaire pour un CAN Signal bipolaire pour un CNA
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3
N (Bits)
4
Ve (V)
001
010
011
100
101
110
111
000
000 001 010 011 100 101 110 111
Vs (V)
M (bits)
-3
-2
-1
0
1
2
3
-4
II-4-) Temps de conversion - temps d'établissement (Settling time)
(CAN) (CNA) Temps minimum nécessaire au convertisseur pour
stabiliser la donnée numérique en sortie après qu'une tension analogique stable ait été appliquée
à l'entrée du CAN.
Temps minimum nécessaire à la stabilisation de Vs après une transition du mot numérique
appliqué à l'entrée du CNA.
II-5-) Exercice
II-5-1 ) Etude de la documentation du convertisseur AD7533
II-5-1-a ) Type de convertisseur ? II-5-1-b ) Le convertisseur fournit un courant unipolaire sur sa sortie, la tension de référence est de
15V. Calculez la valeur de la tension Pleine Echelle. II-5-1-c ) Calculez le quantum de ce convertisseur. II-5-1-d ) Donnez la résolution de ce convertisseur. II-5-1-e ) Donnez le temps de conversion de ce convertisseur.
III-2-) Erreur de quantification des convertisseurs Analogiques / Numériques
Cette erreur, systématique, est due à la discrétisation du signal d'entrée sur les convertisseurs analogiques / numériques. Elle est en générale de + ou - 1LSB ou +/- ½LSB.
Erreur de - q Erreur de + / - ½ q Tension d'entrée
Signal discrétisé
Ve (V)
N (bits)
Erreur de quantification
q
- q
Tension d'entrée
Signal discrétisé
Ve (V)
N (bits)
Erreur de quantification
q
+ 1/2 q
- 1/2 q
III-3-) Erreur de décalage (Offset error)
III-3-1 ) Définition
(CAN) (CNA) Elle caractérise le fait qu'une tension nulle à l'entrée du
convertisseur provoque un code différent de 00..00 Elle caractérise l'écart entre la tension nulle correspondant
au code 00…00 et la tension de sortie réelle
0 1 2 3 4 5 6 7
N (Bits)
001
010
011
100
101
110
111
0008
Ve (V)
Erreur de décalage offset
000 001 010 011 100 101 110 111
Vs (V)
M (bits)
1
2
3
4
5
6
7
0
Erreur de décalage offset
III-3-2 ) Unité
Elle est exprimée : Ø en % de la valeur pleine échelle (+/- 0,2 % FS) Ø ou en multiple du quantum.
III-4-) Erreur de linéarité
III-4-1 ) Définition
Elle caractérise la variation autour de la sortie théorique de la sortie réelle. III-4-2 ) Unité
Elle est exprimée : Ø en % de la valeur pleine échelle (+/- 0,2 % FS) Ø ou en multiple du quantum.
Chaque type de convertisseur a ses avantages et ses inconvénients. Seul le convertisseur à approximations successives sera étudié par la suite, car ce type sera utilisé dans le thème TABLE D'OPERATION
Il existe différentes méthodes pour convertir une tension numérique en tension analogique. Les principales technologies sont :
Ø Convertisseur à échelle de résistances pondérées Ø Convertisseur à échelle de résistances R-2R
Chaque convertisseur a ses avantages et ses inconvénients. Seul le convertisseur à échelle de résistances R-2R sera étudié par la suite, car ce type de convertisseur est utilisé dans le thème MOYEUX de BICYCLETTE.
IV-2-) Comparaison des différentes technologies
(CAN) (CNA) Type Vitesse Erreur Résolution Type Vitesse Erreur Résolution
Simple Rampe Faible (ms) Elevée Moyenne à élevée (7 à
14 bits)
Résistances Pondérées Elevée Faible (quelques
bits)
Double Rampe Faible (ms) Faible Elevée (10 à 18 bits)
Approximations Successives
Moyenne (quelque 10 µS)
Moyenne 0,5 à 1 LSB
Moyenne à élevée (8 à
16 bits)
Flash Elevée (ns , µs) Moyenne
0,5 à 1 LSB
Faible à élevée (4 à
10 bits)
R-2R
Elevée (1µs à 10 µs) Elevée
(Sortie en tension 1µs à
10µs) (Sortie en
courant 50 ns à 1µs)
Faible Elevée
IV-3-) Principe de fonctionnement des convertisseurs
CAN à approximations successives CNA à échelle de résistances R-2R Schéma de principe simplifié
Horloge
Logique de commande
Reg
istr
e à
app
roxi
mat
ion
su
cces
sive
s
Co
nve
rtis
seu
r N
um
ériq
ue
anal
og
iqu
e (C
NA
)
-
+
MSB
LSB
N b
its
8
Vc
Vref
Ve
Tension de référence
Th = période de l'horloge
Début de conversion
Fin de conversion
Mot de sortie sur N bits
Schéma de principe simplifié
-
+
8
Iref
R R R 2R2R 2R 2R 2R
R'
Vs
A0A1A2A3MSB
LSB
I
I3 I2 I1 I001
Données Ø La tension analogique à convertir est de 5 V Ø Le CNA est un convertisseur 4 Bits Ø La tension pleine échelle du CNA est 7,5 V
Données Ø Le courant de référence est 2 mA Ø L'amplificateur opérationnel est parfait Ø La tension pleine échelle est - 5V
Signal bipolaire pour un CAN Signal bipolaire pour un CNA
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3
N (Bits)
4
Ve (V)
000 001 010 011 100 101 110 111
Vs (V)
M (bits) EErrrreeuurr ddee qquuaannttiiffiiccaattiioonn ddeess ccoonnvveerrttiisssseeuurrss AAnnaallooggiiqquueess // NNuumméérriiqquueess
Cette erreur, systématique, est due à la discrétisation du signal d'entrée sur les convertisseurs analogiques / numériques. Elle est en générale de + ou - 1LSB ou +/- ½LSB.