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eduscol.education.fr/ressources-ecole-college – Ministère de l’Éducation nationale et de la Jeunesse – Novembre 2018 1 Conversion Analogique-Numérique (CAN) THÉMATIQUE  Signal analogique et signal numérique CONCEPTS OU NOTIONS ABORDÉS  Résolution et pas d’un Convertisseur Analogique-Numérique (CAN).  Période d’échantillonnage d’une conversion analogique-numérique. OBJECTIFS DE FORMATION  Pratiquer une démarche expérimentale permettant de mesurer le pas et la résolution du CAN d’une carte à microcontrôleur.  Pratiquer une démarche expérimentale permettant de réaliser un CAN à l’aide d’une carte à microcontrôleur, afin de mettre en évidence l’influence de la période d’échantillonnage et le pas du convertisseur sur l’acquisition d’un signal analogique. Introduction Consulter la page éduscol associée au thème « Programmer en physique-chimie ». Présentation des activités À l’aide d’une carte à microcontrôleur, les élèves numérisent le signal analogique délivré par un générateur de tension basse fréquence. Ils étudient ensuite ce signal numérisé afin de déterminer certaines caractéristiques du CAN d’une carte à microcontrôleur (pas et résolution) de type ArduinoTM. Dans un deuxième temps, les élèves utilisent un programme permettant de simuler le fonctionnement d’un convertisseur analogique-numérique dont on peut faire varier le pas et la période d’échantillonnage, afin d’acquérir un signal analogique. Ils peuvent ainsi étudier l’influence de la période et du pas d’échantillonnage sur la qualité du signal numérisé. Activité 1 : acquisition et visualisation d’un signal à l’aide d’une carte à microcontrôleur À l’aide d’une carte à microcontrôleur, les élèves numérisent le signal analogique délivré par un générateur de tension basse fréquence. Les mesures du signal numérisé permettent de déterminer les valeurs du pas et de la résolution du CAN. eduscol.education.fr/ressources-ecole-college – Ministère de l’Éducation nationale et de la Jeunesse – Novembre 2018 2 Activité 2 : Réaliser un CAN avec une carte à microcontrôleur afin d’étudier l’influence de la période et du pas d’échantillonnage sur la qualité d’un signal numérisé Les élèves numérisent le signal analogique délivré par un générateur de tension basse fréquence, en faisant varier le pas et la période d’échantillonnage. Les mesures du signal numérisé sont visualisées dans un tableur, permettant d’étudier l’influence du choix du pas et de la période d’échantillonnage. Pistes de validation et d’expérimentation  Comparer le signal numérique au signal analogique vu sur un oscilloscope analogique.  Mettre en évidence expérimentalement l’influence du pas d’échantillonnage sur la qualité de la conversion. LOGICIELS UTILISÉS  Logiciel de programmation Arduino.  Tableur COMPÉTENCES INFORMATIQUES TRAVAILLÉES  Comprendre un programme simple en langage Arduino.  Modifier le codage d’un programme Arduino afin de faire une conversion.  Afficher une valeur à l’aide du moniteur série de l’interface Arduino.  Afficher un graphique à l’aide du traceur série de l’interface Arduino. TABLEURS  Afficher un graphique. Exemple de contextualisation Une contextualisation possible est d’expliquer le fonctionnement de l’enregistrement d’un son sur un ordinateur, un CD ou un téléphone. De la situation physique au traitement numérique Les signaux électriques issus de capteurs sont des signaux analogiques. Leur traitement numérique, par exemple un ordinateur, nécessite une conversion qui, forcément, dégrade en partie ces signaux, notamment du fait de la résolution limitée du traitement de l’information. L’idée est ici d’approcher expérimentalement certaines de ces limitations. Ce que les élèves doivent retenir En mesurant le signal obtenu, les élèves s’approprieront :  la notion de pas et de résolution d’un convertisseur analogique-numérique ;  le codage d’une tension analogique par un nombre entier et la prise en compte de l’unité de mesure ;  les notions de période d’échantillonnage et de transmission de l’information ;  les limitations en fréquence associées à l’échantillonnage. eduscol.education.fr/ressources-ecole-college – Ministère de l’Éducation nationale et de la Jeunesse – Novembre 2018 3 Activité 1 : acquisition et visualisation d’un signal à l’aide d’une carte à microcontrôleur Les propositions suivantes ne sont pas prescriptives. Il s’agit de bases pour illustrer la situation d’apprentissage qu’il convient d’ajuster en fonction de sa place dans la progression et dans la séquence pédagogique, du niveau de maîtrise par les élèves de l’outil informatique choisi, etc. Exemple de consignes pour les élèves La carte à microcontrôleur est une carte peu onéreuse, programmable, et répandue. On souhaite étudier certaines caractéristiques de ses « entrées analogiques » (Conversion Analogique-Numérique CAN) et la programmer afin de comprendre le principe de fonctionnement d’un CAN. DOCUMENT MIS À DISPOSITION L'échantillonnage correspond à la prise de mesures, d'une tension le plus souvent, à intervalle de temps donné et constant. Cet intervalle de temps est la période d'échantillonnage, souvent notée Te. Les mesures prises, appelées « échantillons », sont alors « bloquées » à des valeurs constantes pendant la durée Te. La valeur d’un échantillon reste donc constante pendant la durée Te jusqu’à la mesure de l’échantillon suivant. Source : wikimedia Le signal numérisé ne peut prendre que des valeurs discrètes. La quantification s'accompagne d'une perte d'information sur la tension d'origine. Le pas de numérisation correspond au plus petit écart de tension, en volt V, entre deux valeurs du signal numérisé. Nous appelons résolution du CAN le nombre de bits que le convertisseur utilise pour coder le signal analogique en signal numérique. Enfin, le calibre correspond à la tension maximale mesurable par le CAN. MATERIEL À DISPOSITION  Un ordinateur relié à une carte à microcontrôleur ;  Un générateur de tension variable ;  Un voltmètre ;  Des fils de connexion ;  Le programme suivant permet d’afficher la valeur mesurée à l’entrée analogique d’une carte à microcontrôleur : Les étapes ci-dessous peuvent se conclure par un appel au professeur pour aide ou validation. eduscol.education.fr/ressources-ecole-college – Ministère de l’Éducation nationale et de la Jeunesse – Novembre 2018 4 Proposition d’un protocole expérimental (compétences S’approprier et Analyser) Proposer un protocole expérimental permettant de déterminer expérimentalement le calibre de la carte à microcontrôleur. Mise en œuvre du protocole expérimental (compétence Réaliser) Mettre en œuvre le protocole expérimental proposé. Détermination de caractéristiques du CAN de la carte à microcontrôleur (compétence Analyser) Déduire des résultats de l’expérience la résolution et le pas du CAN de la carte à microcontrôleur. Amélioration du programme (compétence Analyser) Proposer une modification du programme fourni afin d’afficher la valeur de la tension électrique en lieu et place du nombre affiché par le CAN. Mise en œuvre expérimentale (compétence Réaliser) Mettre en œuvre une modification du programme fourni de façon à visualiser sur le traceur série une tension délivrée par un générateur de tension basse fréquence en fonction du temps. Il convient à ce stade de choisir un signal qui soit fidèlement reproduit (fréquence d’une dizaine de Hz et amplitude de quelques volts, ne prenant que des valeurs positives). Exemples d’aides et de réalisation Solution du protocole expérimental Le CAN de la carte à microcontrôleur est dit monopolaire : sa gamme de tension mesurable varie de 0 V à une tension UP à déterminer. On fait varier, tout en la mesurant, la tension à l’entrée analogique de la carte à microcontrôleur et on regarde les nombres affichés par le programme. Les nombres varient entre 0 et 1023 au maximal. On mesure la tension limite UP pour laquelle le nombre 1023 est affiché : c’est le calibre de la carte à microcontrôleur. Solution des caractéristiques du CAN Le nombre affiché par la carte à microcontrôleur varie entre 0 et 1023, ce qui correspond à un nombre total de 1024 possibilités : la résolution est donc de 10 bits car 210 = 1024. Connaissant le calibre du CAN (5,00 V), on peut en déduire le pas p du CAN : mV 4,89 1023 V 5,00 p   Note : on utilise 1023 et non 1024 car entre 0 et 1023 il y a bien 1023 « pas », autrement dit 1023 intervalles. Amélioration du programme Il faut modifier la ligne numéro 9 afin qu’elle calcule la valeur de la tension. Le nouveau programme est le suivant : eduscol.education.fr/ressources-ecole-college – Ministère de l’Éducation nationale et de la Jeunesse – Novembre 2018 5 eduscol.education.fr/ressources-ecole-college – Ministère de l’Éducation nationale et de la Jeunesse – Novembre 2018 6 Activité 2 : Réaliser un CAN avec une carte à microcontrôleur afin d’étudier l’influence de la période et du pas d’échantillonnage sur la qualité d’un signal numérisé Les propositions suivantes ne sont pas prescriptives. Il s’agit de bases pour illustrer la situation d’apprentissage qu’il convient d’ajuster en fonction de sa place dans la progression et dans la séquence pédagogique, du niveau de maîtrise par les élèves de l’outil informatique choisi, etc. Exemple de consignes pour les élèves Les signaux issus de capteurs sont analogiques, car ils traduisent des phénomènes physiques qui varient continûment dans le temps. Le domaine numérique est maintenant prédominant, et la numérisation de signaux analogiques permet aisément leur traitement, leur stockage, leur transformation, leur restitution, copie… On souhaite montrer l’influence du pas et de la période d’échantillonnage d’un Convertisseur Analogique-Numérique (CAN) sur la qualité de numérisation d’un signal analogique. Ces paramètres ne sont pas directement modifiables par le langage de programmation Arduino : il s’agit de proposer, avec cette carte, une opération de numérisation à paramètres réglables. DOCUMENT MIS À DISPOSITION L'échantillonnage correspond à la prise de uploads/Management/ ra18-lycee-phch-conversion-analogique-numerique-1064957.pdf