Conversion analogique numérique et numérique analogique

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Conversion analogique numérique et numérique analogique. 1 er mai 2013. Introduction. Chaine de traitement numérique Signaux dans le système Spectres en fréquence. Chaine de traitement numérique. Signal analogique. Filtre. Filtre de anti-recouvrement. T. Bloqueur . CAN. - PowerPoint PPT Presentation

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Conversion analogique numrique

Conversion analogique numriqueet numrique analogique1er mai 2013IntroductionChaine de traitement numriqueSignaux dans le systmeSpectres en frquenceChaine de traitement numriqueBloqueur CANTraitement numriqueCNAFiltreSignal analogiqueFiltreSignal analogiqueTTTFiltre de reconstructionFiltre de anti-recouvrementLes signaux dans le systmeLe signal analogique x(t) possde une rponse temporelle et une rponse dans le domaine frquentiel.

Lchantillonneur/bloqueur et le convertisseur analogique numrique transforme ce signal vers une version numrique x[n].Diminutif de x(nTs) avec Ts la priode dchantillonnage.Le spectre frquentiel de x[n] est le spectre de x(t) rpliqu tous les k fs (avec fs = 1/Ts).

Spectre en frquence du signal originalOriginal:

chantilonn:

Spectre en frquence du signal originalchantilonn avec aliasing

Pour viter les recouvrements, il faut filtrer le signal analogique.

chantillonneur bloqueurchantillonneur bloqueurLchantillonneur bloqueur est simplement un interrupteur associ un condensateur.

chantillonneur bloqueurThoriquement:En fermant linterrupteur, le condensateur prend la valeur V1.Cest la partie chantillonnage du cycle (Sample).En ouvrant linterrupteur, le condensateur conserve sa charge.Cest la partie maintient du cycle (Hold).

chantillonneur bloqueurEst-il ncessaire ?Si le signal est lent par rapport la frquence dchantillonnage, il est possible que le changement du signal soit infrieur la rsolution du convertisseur analogique numrique (CAN).

Considrons un CAN de n bits utilis pour mesurer une tension bipolaire variant de Ve +Ve.La rsolution est: 2Ve/2n.Considrons un sinusode de tension Ve et de frquence f.V(t) = Ve sin(2 f t)

chantillonneur bloqueurEst-il ncessaire ?Drive de ce signal est:dV(t)/dt = 2 f Ve cos(2 f t)

Elle est maximale t = 0: dV(t)/dt|max = 2 f Ve

Considrons un temps de conversion Tc.

Pour que tout se passe bien dans chantillonneur bloqueur, il faut que:2 f Ve Tc < 2Ve/2n. f < 1/( Tc 2n)chantillonneur bloqueurEst-il ncessaire ?Donc si la frquence prsente dans le signal mesurer est infrieure 1/( Tc 2n), il nest pas ncessaire dajouter un chantillonneur bloqueur.

Exemple: Convertisseur 12 bits ayant un temps de conversion de 10 microsecondes:Si la frquence maximale prsente dans le signal est infrieure 7.77 Hz on peut se passer dun chantillonneur bloqueur, sinon il est ncessaire.ProblmesLimpdance de sortie du systme alimentant le condensateur un impact (circuit RC).Rponse 1er ordre ralentissant la vitesse de la rponse.Le temps dchantillonnage doit tre suffisamment long pour assurer de minimiser lerreur.

Rsistance de fuite du condensateur.Le condensateur possde une rsistance de fuite, ce qui provoque un autre circuit RC.Le condensateur se dcharge et la tension V2 change.Il faut que le temps de maintient ne soit pas trop long.Temps de conversion du CAN.Effets de lBProvoque des images du spectre de frquence du signal dentre dans le domaine de frquentiel.Les centres de chacune des images sont localises 0 et k fs (avec k un nombre entier positif ou ngatif).

Ce nest pas un problme tant que les spectres ne se superposent pas.Lorsque ces spectres se superposent, on fait laliasing.Exemple: un sinusode de 1 Hertz possde comportant des impulsions -1 et +1 Hertz.Ainsi, si je lchantillonne 10 Hertz, les images seront: (-1 + 10k) Hz, (+1 +10k) HzAinsi, si je lchantillonne 1.333 Hertz, les images seront: (-1 + 1.333k) Hz, (+1 + 1.333k) Hz Alias 0.333 Hertz.

Convertisseurs analogique numriqueConvertisseur analogique numriqueLe signal de lchantillonneur bloqueur (B) est converti en une valeur numrique une certaine cadence.Cest lentre du convertisseur analogique numrique (CAN).

Le CAN va quantifier le signal fourni par lB.Cela consiste trouver la valeur numrique sur n bits correspondant le mieux lamplitude du signal analogique.

La rsolution du convertisseurLe convertisseur va transformer une certaine plage dentre en une valeur numrique.Sil est monopolaire, il va convertir une tension dentre variant de 0 VM en une valeur numrique.La valeur 0 correspond 0;La valeur maximum VM correspond 2n;

La rsolution correspond la plus petite variation possible:

Cest

Le rsolution du convertisseurSil est bipolaire, il va convertir une tension dentre variant de -VM VM en une valeur numrique.La valeur minimum -VM correspond 0;La valeur maximum VM correspond 2n;

La rsolution correspond la plus petite variation possible:

Cest

Exemple:Si nous avons un CAN bipolaire de 12 bits avec VM = 10 volts (donc lentre varie entre -10 et +10 v):

La rsolution sera

CAN simple rampeCe CAN utilise un intgrateur qui reoit le signal de rfrence VR. La sortie de lintgrateur est:

Le compteur est actif tant que V30:

Temps ou le compteur est actifCAN double rampeLa dure ou le compteur est actif est proportionnelle la tension analogique.

Problme: Ce convertisseur est lent.

CAN approximations successivesCe CAN utilise un registre dcalage initialis 0x1000b.La sortie du registre est envoye un convertisseur numrique analogique (CNA). Si V2>VR, le comparateur donne un 1, sinon il donne un 0.

CAN approximations successivesExemple convertisseur 4 bits:Valeur initiale = 0x1000b qui donne VR = Vref/2.Assumons que V2 > Vref/2. Alors le comparateur donne un 1.Dcalage 0x1100b qui donne VR = 3Vref/4.Si V2 < 3Vref/4. Alors le comparateur donne un 0.Dcalage 0x1010b qui donne VR = 5Vref/8.Si V2 < 5Vref/8. Alors le comparateur donne un 0.Dcalage 0x1001b qui donne VR = 9Vref/16.Si V2 > 9Vref/16, alors le comparateur donne un 1.

Rsultat : valeur numrique = 0x1001b.

Convertisseur flashCe convertisseur utilise 2n rsistances de valeurs identiques et 2n-1 comparateurs, On obtient la valeur numrique en un seul coup dhorloge.

Convertisseur flashTrs rapide.Mais trs couteux.

BilanRfrence: CHAPITRE VIILes Convertisseurs Analogiques NumriquesOlivier Franais, ESIEE - Olivier Franais (2000)

Convertisseurs numrique analogiqueConversion numrique analogique rsistances pondres

CNA rsistances pondresLa tension de sortie est:

Pour notre exemple 4 bits:

CNA rsistances pondresLa plus petite valeur analogique autre que 0 (ou quantum) est:

La tension maximale de sortie est:

CNA rsistances pondresProblmes:Utilisation de rsistances non normalises ($$$);Rapport entre la plus petite et la plus grande rsistance est 2n.

CNA rsistances R-2RNe ncessite que deux valeurs de rsistances (R et 2R).

ABCDCNA rsistances R-2RVA ?

ABCD

CNA rsistances R-2RVB ?

ABCD

CNA rsistances R-2RLa tension de sortie est:

Pour notre exemple 4 bits:

CNARfrence:ACQUISITION DE DONNEESSerge Monnin