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Conversion de données - CAN/CNA - page 1 LYCEE LACHENAL - M. BERNARD - édité le

Conversion de données - CAN/CNA - page 1 LYCEE LACHENAL - M. BERNARD - édité le 05/02/2009 1. Présentation : Les fonctions de conversions de données sont utilisées à chaque fois qu’il est nécessaire de convertir une grandeur analogique (valeur de tension) en son équivalent « numérique » (un nombre) ou vice-versa. => C’est un interfaçage entre le monde "extérieur" (température, intensité lumineuse, signal audio, vidéo etc..) et un système numérique (ou l’information est traitée et sauvegardée sous forme de nombres [valeurs binaires]). Exemples de système : Régulation de débit, CD audio numérique, etc. Exemple de chaîne de traitement : La fonction de Conversion Analogique Numérique (CAN) ou de Conversion Numérique Analogique (CNA) est représenté par les symboles suivants : Conversion de données - CAN/CNA CAPTEURS Informations A acquérir Signal Analogique Signal Logique Actions, Signal traité Actionneurs/ Transducteurs PARTIE COMMANDE Signal Logique Conversion Analogique Numérique Comptage Adaptation Unité Centrale Traitement Mémorisation Conversion Numérique Analogique Signal Analogique Signal Numérique Adaptation Interfaçage de sortie Signal Numérique traité U.C de traitement Signal Numérique à traiter Interfaçage d’entrée Système de traitement numérique Ve Vs N bits de sortie M bits d'entrée # ∩ ∩ # Symbole du C A N Symbole du C N A Conversion de données - CAN/CNA - page 2 LYCEE LACHENAL - M. BERNARD - édité le 05/02/2009 2. Caractéristiques des convertisseurs : 2.1 Caractéristique de transfert : La caractéristique d'un convertisseur (numérique / analogique ou analogique / numérique) est la courbe re- présentant la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d'entrée. 2.2 Quantum et résolution du convertisseur Sur les courbes ci-dessus on remarque que plus le nombre de paliers est important plus la hauteur du palier devient petite et plus la courbe théorique réelle du convertisseur (en marche d’escalier) se rapproche de la caractéristique théorique idéale (droite en pointillée). Cette caractéristique est directement liée au nombres de marches et donc à ce qu’on appelle la résolution. La résolution est définie en % de la pleine échelle (FULL SCALE ou FS).La valeur pleine échelle est donnée dans la documentation du circuit. (soit r = 1/2n) Elle peut aussi s’exprimer en bits (résolution de 12 bits par exemple) Caractéristique de transfert d’un C.A.N Caractéristique de transfert d’un C.N.A N (Bits) Ve (V) Caractéristique théorique idéale Caractéristique théorique réelle Quantum Valeur pleine échelle 0 1 2 3 4 5 6 7 001 010 011 100 101 110 111 000 8 Vs (V) M (bits) 000 001 010 011 100 101 110 111 1 2 3 4 5 6 7 0 Caractéristique théorique réelle Caractéristique théorique idéale Quantum Valeur pleine échelle Cas du C.A.N Cas du C.N.A La résolution est la plus petite variation du signal analogique d'en- trée qui provoque un changement d'une unité sur le signal numéri- que de sortie. Elle est liée au quantum. La valeur du quantum dépend de la tension Pleine Échelle (PE, FS), elle est donnée par la relation : La résolution est la plus petite variation qui se répercute sur la sor- tie 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 : Valeur pleine échelle Valeur Max - Valeur Min q = = . 2 Nombre de bits 2 Nombre de bits Valeur pleine échelle Valeur Max - Valeur Min q = = . 2 Nombre de bits -1 2 Nombre de bits -1 Conversion de données - CAN/CNA - page 3 LYCEE LACHENAL - M. BERNARD - édité le 05/02/2009 2.3 Temps de conversion Il faut un certain laps de temps pour convertir : - Une valeur de tension en un nombre représentatif ( pour un CAN) - Un nombre numérique en une tension analogique proportionnelle ( pour un CNA) Ce laps temps s’appelle : Temps de conversion ou temps d'établissement (Setting time) Il dépend de la technique employé pour la conversion. Il est donné par la documentation constructeur du composant. 2.4 Précision, erreurs : La précision est exprimé par l’écart entre la valeur réelle du signal en entrée et sa valeur discrétisée. Cet écart est donné en pourcentage sans excéder +/- 50 % du quantum. Les erreurs introduites dans la conversion proviennent des différents réglages à effectuer : - erreur de décalage ( la valeur attendue en sortie ne correspond pas à la valeur lue), - erreur de gain (correction du facteur d’échelle ou pente de conversion du convertisseur), - erreur de linéarité (la pente de conversion du convertisseur n‘est pas linéaire). Type de convertisseur Principe de fonctionnement Remarques : Convertisseur à intégration simple rampe Le principe consiste à comparer, en temps contrôlé, la tension analogique d’entrée à une tension de consigne qui croit linéairement avec le temps (cette rampe analogique est générée le plus souvent avec l’aide d’un AIL monté en intégrateur). Lorsque la rampe atteint la valeur de l’entrée, le comparateur envoi un ordre d’arrêt au compteur dont le contenu à cet instant, est l’image numérique binaire de la tension d’entrée. Le temps de conversion dépend de la valeur même de la tension à convertir. La précision dépend des tolérances des composants générant la rampe de tension et de la stabilité de l’horloge qui séquence le compteur. Il est sensible aux bruits mais comporte une excellente linéarité. Convertisseur à intégration double rampe La tension à convertir est appliquée en entrée du générateur de rampe (circuit intégrateur) durant un temps prédéterminé. Un compteur mesure ce temps soit N1 impulsions. Ensuite, la logique de commande commute l’entrée du générateur de rampe à une tension de référence Vréf de polarité opposée à celle de la tension à convertir. Un compteur mesure la durée de cette décroissance soit N2 impulsions. La valeur de la tension E à convertir est donnée par E = (N1/N2). Vréf Dans ce type de convertisseur, la première rampe est à temps constant, la seconde rampe est à pente constante. Ce convertisseur est simple, précis (précision qui ne dépend que de vréf), économique mais lent. Convertisseur à approximatio ns successives Par recherche successives et en partant du bit le plus fort (MSB), on code la valeur d’entrée en déterminant pas à pas l’intervalle dans lequel elle se trouve. Ce convertisseur est le plus employé des CAN car il possède un bon compromis prix, précision, temps de conversion. Convertisseur parallèle ou « flash » La conversion est basée sur la comparaison simultanée de la grandeur d’entrée aux 2n valeurs de tensions possibles prédéterminées et constituant les éléments de comparaison. Les sorties des différents comparateurs sont décodés pour former le mot binaire de sortie. Ce convertisseur est très performant, le temps de conversion est limité que par le temps de commutation des comparateurs et de la logique de décodage. Son coût est élevé par le nombre (2n -1) de comparateurs nécessaires. Récapitulatif des différents types de C.A.N. Conversion de données - CAN/CNA - page 4 LYCEE LACHENAL - M. BERNARD - édité le 05/02/2009 Type de convertisseur Principe de fonctionnement Remarques : Convertisseu r à résistances pondérées Chaque bit du mot binaire à convertir commute un courant ou une tension, à travers une résistance inversement proportionnelle au poids du bit considéré. Ces tensions (ou courants) sont additionnés par un AIL monté en sommateur dont la sortie délivre une tension analogique. Dans ce type de réseau les résistances sont nombreuses et demandes une grande précision et une grande facilité. Convertisseu r à réseau R- 2R Seules deux valeurs de résistances sont utilisées. La tension de référence se distribue sur le réseau R-2R, avec les valeurs Vréf/2; Vréf/4; Vréf/8; Vréf/16 etc ... Selon le point d’intersection considéré. Chaque bit commande un courant qui s’ exprime par l’inverse d’une puissance de 2 à partir d’un courant de référence I0. Un AIL monté en sommateur délivre une tension analogique proportionnelle au courant partiel et pondéré par rapport aux bits à « 1 » considérés. Dans ce type de convertisseur, le réseau R – 2R ne comporte que deux valeurs de résistances, plus facile à réaliser. Récapitulatif des différents types de C.N.A. Schémas de principes des CNA. Conversion de données - CAN/CNA - page 5 LYCEE LACHENAL - M. BERNARD - édité le 05/02/2009 Schémas de principes des CAN. uploads/Litterature/ cours-e-conversion-de-donnees-pdf.pdf