Conversions Analogique-numérique Et Numérique-Analogique (Partie 1)

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  • Conversions analogique-numrique et numrique-analogique (partie 1)

    par Claude PRVOTResponsable des produits de conversions analogique-numrique et numrique-analogique Thales Research & Technology France

    1. Glossaire..................................................................................................... E 370 - 2

    2. Systmes de conversion de donnes ................................................. 42.1 Systme dacquisition de donnes analogique-numrique .................... 42.2 Systme de gnration de donnes numrique-analogique................... 52.3 Systme de conversion mixte AN et NA ................................................... 5Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait lectronique E 370 1

    lectronique a envahi tous les domaines, grand public et professionnel,grce son faible cot et son adaptabilit.

    Les fonctions quelle assure sont ralises presque exclusivement avec dellectronique numrique plutt quanalogique.

    Ce choix est souvent justifi par des avantages bien connus du numrique telsquune grande stabilit des paramtres, une excellente reproductibilit desrsultats et des fonctionnalits accrues.

    Pour la plupart des applications il existe maintenant des solutions faciles ettrs peu coteuses pour numriser.

    On peut ainsi bnficier des progrs spectaculaires dans le domaine du num-rique en termes de cot, de possibilits et dadaptabilit et ce, pour une consom-mation toujours rduite. Cela permet le dveloppement dun nombre de plusen plus grand dapplications parmi lesquelles les applications portables.

    Les principaux lments de ces fonctions sont : Une interface avec le monde analogique : analogique numrique (A N)

    et numrique analogique (N A). Dans la plupart des cas, lchelle macro-scopique, le monde extrieur est analogique. Des convertisseurs analogique-numrique (CAN) et des convertisseurs numrique-analogique (CNA) sont

    3. Principes utiliss en conversion de donnes ................................... 63.1 Prsentation ................................................................................................. 63.2 Quantification............................................................................................... 6

    3.2.1 Fonction de transfert AN et NA ......................................................... 63.2.2 Erreur de quantification ..................................................................... 73.2.3 Seuil de quantification ....................................................................... 73.2.4 Bruit cr par la quantification .......................................................... 8

    3.3 chantillonnage ........................................................................................... 93.3.1 Instant dchantillonnage, jitter, temps douverture ....................... 93.3.2 Thorme dchantillonnage............................................................. 103.3.3 Sur- et sous-chantillonnages ........................................................... 11

    3.4 Blocage. Spectre de donnes bloques..................................................... 123.4.1 Rponse thorique du blocage.......................................................... 143.4.2 Restitution du signal analogique....................................................... 14

    4. Codes utiliss............................................................................................ 144.1 Code binaire naturel .................................................................................... 144.2 Autres codes binaires.................................................................................. 15

    L

  • CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE 1) ________________________________________________________________

    chargs dassurer linterface entre le monde extrieur et le cur numrique dumatriel. Les CAN et CNA se retrouvent la plupart du temps comme briques debase dun systme dacquisition de donnes et ou dun systme de conversionnumrique-analogique.

    Les vitesses de traitements et de communication ncessaires sont mainte-nant disponibles un cot et une consommation lectrique qui permettent de lesutiliser partout. On peut rappeler que, sur la dcennie 1980, le prix et la consom-mation du bit mmoire ont dcr dun facteur 100 environ et que la dcennie 1990a vu la mme dcroissance. Les experts prvoient encore une volutionsemblable sur la dcennie 2000-2010.

    De plus, lintgration silicium et les botiers de plus en plus petits permettentde remplacer des cartes entires par un seul circuit qui peut alors sintgrer danstout type dapplication.

    La communication est maintenant presque entirement assure par des inter-faces numriques, ce qui permet dinterconnecter toute une srie dappareils des cots trs faibles et sans perte dinformation.

    Cet article sur les conversions analogique-numrique et numrique-analogique se composede trois parties :

    [E 370] : Principes ; [E 371] : Description technique et architectures ;Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.E 370 2 Techniques de lIngnieur, trait lectronique

    [E 372] : March, technologie et applications.

    1. Glossaire

    Absolute Accuracy (prcision absolue) : erreur dun conver-tisseur de donnes entre lentre et la sortie dans le cas le plusdfavorable et rfrence une tension de un volt.

    Accuracy (prcision) : diffrence entre valeur mesure et valeurvraie ; erreur maximale dun convertisseur de donnes par rapport la valeur vraie (cf. prcision absolue et prcision relative).

    Acquisition Time (temps dacquisition) : pour un chantillon-neur-bloqueur, temps ncessaire pour modifier la charge ducondensateur de maintien dune valeur gale la tension pleinechelle, de telle sorte que lerreur se maintienne ensuite en-dedune bande derreur spcifie.

    Aperture Jitter Uncertainty (erreur sur linstant dchantillon-nage) : reprsente une fluctuation alatoire de linstant dchan-tillonnage due aux erreurs de stabilit du gnrateur dhorlogeinterne au CAN. Lerreur en amplitude due lincertitude au pointdouverture dpend de la pente du signal dentre au pointdchantillonnage.

    Binary Coded Decimal (BCD) (dcimal cod binaire) : codebinaire utilis pour reprsenter des nombres dcimaux, tel quechaque chiffre de 0 9 est reprsent par 4 bits de poids 8 ; 4 ; 2 ;1. Seuls 10 des 16 tats possibles sont utiliss (en tlcommunica-tion, on utilise parfois dautres longueurs de mots).

    Bipolar Mode (mode bipolaire) : mode pour un convertisseur dedonnes, lorsque la gamme du signal analogique comprend lafois des valeurs positives et des valeurs ngatives.

    Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) (rapport de rjection dumode commun) : pour un amplificateur, rapport entre le gain en

    tension diffrentielle et le gain en tension de mode commun, gn-ralement exprim en dcibels : CMRR (dB) = 20 lg (A 0 /A CM) avecA0 gain en tension diffrentielle, ACM gain en tension de modecommun.

    Conversion Time (temps de conversion) : pour un convertisseurAN, temps ncessaire pour effectuer une conversion avec unersolution et une linarit spcifies lorsque la tension analogiquedentre varie dune valeur gale la pleine chelle.

    Conversion Rate (vitesse de conversion) : nombre de conver-sions successives que peut effectuer un convertisseur AN ou NAen une seconde avec une rsolution et une linarit spcifies.

    Differential signal (signal diffrentiel) : signal qui est port pardeux fils (A et B) et dont la tension sur chaque fil est loppose delautre.

    Ils peuvent tre centrs 0 V ou une autre tension V 0 (parexemple la moiti de la tension unique dalimentation) :

    VA = S /2 + V0 ; VB = S /2 + V0 et S = VA VB

    avec S signal.

    Differential Non-Linearity (DNL) (erreur de linarit diffren-tielle) : dans la fonction de transfert dun convertisseur de don-nes, cart maximal entre la valeur effective dun quantum (ten-sion analogique correspondant un LSB) et sa valeur idale PE/2N

    (PE tant la tension pleine chelle et N la rsolution en bits).

    Dual Slope AD converter (convertisseur AN double rampe) :mthode indirecte de conversion AN dans laquelle une tensionanalogique est convertie dabord en un temps grce un intgra-teur et une tension de rfrence ; ce temps est ensuite mesurgrce une horloge et un compteur. La mthode est relativementlente mais capable dune grande prcision.

    Effective Number of Bits (ENOB) (nombre de bits effectifs) :cf. SINAD et SNR.

    Full Scale range (FS) [tension pleine chelle (PE)] : diffrenceentre les tensions analogiques maximale et minimale lentredun convertisseur AN ou la sortie dun convertisseur NA.

    ADC : Analog Digital Converter. CAN : Convertisseur ana-logique-numrique

    DAC : Digital Analog Converter. CNA : Convertisseur num-rique-analogique

  • _______________________________________________________________ CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE 1)

    Full-Power Bandwith (FPBW) : frquence dentre pour laquellelamplitude de la fondamentale reconstruite aprs codage estrduite de 3 dB pour un signal dentre pleine chelle.

    Gain Error (erreur de gain) : diffrence de pente entre les fonc-tions de transfert idale et effective dun convertisseur.

    Harmonic Distorsion (taux de distorsion dharmonique) : ratioentre la somme rms (root mean square) efficace des i premiresharmoniques et la valeur rms du signal mesur. Le nombredharmoniques pris en compte est usuellement infrieur 10 ; par-fois, on ne prend en compte que les seuls premiers harmoniques,soit les rangs 2, 3, 4, et 5 (les rangs pairs ou impairs peuvent treabsents selon la structure). Le taux de distorsion sexprime endcibels (dB).

    Integral Linearity Er