Conversions Analogique-numérique Et Numérique-Analogique (Partie 2)

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  • Conversions analogique-numrique et numrique-analogique (partie 2)

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

    1. Description technique et architectures des CAN ........................... E 371 - 21.1 CAN intgration ........................................................................................ 21.2 CAN approximations successives ........................................................... 3Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait lectronique E 371 1

    a symtrie qui existe entre conversion analogique-numrique (AN) et num-rique-analogique (NA), lorsque lon prend en compte la troncation du nombre

    rel vers le code binaire pour la conversion NA, disparat en partie dans les archi-tectures des convertisseurs [sauf pour les Sigma-Delta ()].

    Les convertisseurs AN sont toujours plus difficiles raliser que les conver-tisseurs NA. Les CNA sont comparativement plus faciles raliser et, tech-nologie gale, les CNA sont un ordre de grandeur plus rapides.

    De nombreuses architectures ont t inventes pour essayer de raliser aumieux la conversion AN. Ces solutions ont volu avec les technologies deralisation pour donner le meilleur compromis fonction/cot/performances.Beaucoup de CAN contiennent un ou plusieurs CNA en rebouclage (SAR,subranging, ...).

    Un des critres les plus frquemment rencontrs pour comparer ces conver-tisseurs est le facteur de mrite qui est le produit de 2 la puissance du nombrede bits (effectif) multipli par la frquence dchantillonnage divis par la puis-sance consomme (voir [E 372]) :

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

    [E 370] : Principes ; [E 371] : Description technique et architectures ; [E 372] : March, technologie et applications.

    1.3 CAN Sigma-Delta ................................................................................. 31.4 CAN parallles (ou flash) ............................................................................ 51.5 CAN subranging ou pipeline ...................................................................... 5

    2. Description technique et architectures des CNA ........................... 72.1 CNA parallles ............................................................................................. 72.2 CNA Sigma-Delta ( ) ............................................................................... 92.3 CNA multiplieurs ......................................................................................... 92.4 CNA dglitchs ............................................................................................ 102.5 CNA srie...................................................................................................... 10

    3. Combinaison de CAN ou de CNA ........................................................ 12

    L

    Facteur de mrite 2 N eff f ch P consomme =

  • CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE 2) ________________________________________________________________

    1. Description techniqueet architectures des CAN

    Ce paragraphe dcrit les architectures les plus courantes : srie,parallle et Sigma-Delta (), et leurs performances en terme gn-rique ainsi que les technologies rencontres selon larchitecture.

    Les deux principales architectures rencontres sont les archi-tectures srie et parallle (flash ). Ce sont les premires qui ont tutilises. Une troisime architecture, plus rcente (1980), estSigma-Delta (). Grce sa trs grande prcision intrinsque etun bon facteur de mrite, elle est de plus en plus utilise.

    Une pratique de plus en plus courante pour les produits les plusperformants consiste associer plusieurs architectures qui ra-lisent ainsi le meilleur compromis pour une application souhaite.

    Larchitecture srie est typiquement le dcompte dune horlogependant que la valeur convertir charge une capacit ; cedcompte est stopp lorsque la tension intgre atteint un certainseuil. CAN intgration et SAR (Successive Approximation Regis-ter, voir Terminologie [E 370, 1]) sont deux exemples deconversion en srie.

    Larchitecture parallle est typiquement la comparaison directeet simultane de la valeur convertir tous les seuils possibles

    a schma de principe

    A comparateurB intgrateurD horloge

    E logique de commandeF compteur

    commande de l'interrupteur I

    t fixe t mesur

    ED

    A

    C

    B

    F

    Ve Vrf

    Sortie numrique

    +--

    I

    VB

    VB

    Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.

    E 371

    2

    Techniques de lIngnieur, trait lectronique

    (2

    N

    ) suivi du codage du rsultat.

    L

    architecture Sigma-Delta

    (

    ) est typiquement le rsultatmoyenn (dcim) de la comparaison, avec un seul comparateur,de la valeur convertir ce rsultat intgr.

    Gnralement pour les architectures srie et parallle, on trouveun chantillonneur-bloqueur aprs lamplificateur dentre pourmaintenir la tension fixe pendant la dure de la conversion. Cenest gnralement pas le cas pour larchitecture Sigma-Delta (

    )o il ny a pas de bloqueur et o ltage

    suit le signal.

    1.1 CAN intgration

    Les convertisseurs intgration sont particulirement apprcislorsque lon cherche liminer du bruit ou des frquences parasi-tes du fait mme de lintgration. Leur principal inconvnient estdtre lents (quelques millisecondes de temps de conversion). Ilssont facilement intgrables sur des procds CMOS.

    1.1.1 CAN rampe

    Les plus connus des CAN intgration sont les CAN rampe. Leplus courant, car il saffranchit des erreurs et tolrances descomposants, est le CAN double rampe. Son principe est illustrpar la figure

    1

    .

    La tension (positive) mesurer est applique travers linter-rupteur

    I

    lentre de lintgrateur pour une dure fixe

    t

    1

    , mesurepar lhorloge. La tension de la capacit

    C

    dcrot.

    t

    1

    , la logiquede commande connecte lentre de lintgrateur la rfrencengative. La tension de la capacit

    C

    crot pendant que le compteurcompte les impulsions de la mme horloge. Le comparateur arrtele compteur au passage zro de la sortie de lintgrateur, ce quimesure le temps

    t

    2

    , proportionnel la tension dentre

    V

    e

    .

    La prcision de ce type de CAN est indpendante des variationsventuelles de la frquence de lhorloge ainsi que des variationsdans le temps de la capacit (on suppose quelles ne varient paspendant le temps de conversion). La prcision ne dpend que decelle de la rfrence et de la linarit de lintgrateur.

    La tension est donc :

    avec

    t

    1

    et

    t

    2

    mesurs en nombre dimpulsions dhorloge.

    1.1.2 CAN compensation de charges

    Les convertisseurs compensation de charges sont une autrevariante des CAN intgration. Ici cest la rfrence qui estconnecte pendant une dure fixe. Le schma de principe estdonn dans la figure 2. Leur fonctionnement peut sexpliquer de lafaon suivante.

    Une tension dentre positive Ve provoque un courant I 1 tra-vers une rsistance R 1. Ce courant est intgr et la tension de sor-tie de lintgrateur a lallure dune rampe ngative. Chaque fois quela rampe atteint zro, le comparateur dclenche un compteur dli-vrant une impulsion de largeur constante .

    Pendant cette dure, la rsistance R2 est connecte la tensionde rfrence Vrf et la sortie de lintgrateur est une rampe posi-tive. Cette rampe est en gnral plus rapide (R2 < R1).

    Ce processus se rpte, engendrant ainsi un train dimpulsionsqui compense exactement le courant dentre (do le nom de ceprincipe : compensation de charges). La priode des impulsionsest donne par la formule :

    On remarquera que ce circuit peut tre aussi considr commeun convertisseur tension/frquence.

    Ve Vrft 2t 1--------=

    Figure 1 CAN double rampe

    b signal de sortie de l'intgrateur

    1 2

    t

    T 1VrfVe

    ------------+R 1R 2----------

    =

  • _______________________________________________________________ CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE 2)

    A comparateurB intgrateurD gnrateur d'impulsions de prcisionF compteur

    commande de l'interrupteur

    D

    ABI1 I2

    C

    F

    Ve

    R1

    R2

    Vrf

    Vrf

    Sortie numrique

    +--

    VB

    a schma de principe

    TVB

    a schma de principe

    A comparateur

    CNA

    A RAS

    V

    Ve

    3PE/4

    PE/2

    PE/4

    V (V)

    Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait lectronique

    E 371

    3

    1.2 CAN approximations successives

    Leur principe, illustr par la figure

    3

    , sapparente celui dunepese avec une simple balance plateaux (dichotomie pour lesmathmaticiens).

    Ils utilisent un convertisseur NA en rebouclage. Le comparateurjoue le rle de balance. Une de ses entres (un des plateaux de labalance) reoit la tension mesurer. Sur lautre entre sont appli-qus successivement des poids de plus en plus faibles (du MSB auLSB). Ces poids sont gnrs par un CNA dont lentre estcommande par le registre approximations successives (RAS).

    chaque

    pese,

    ltat de la sortie du comparateur indique si lasortie du CNA dpasse ou non la tension mesurer. Lorsquil y adpassement, le poids qui vient dtre appliqu est enlev et lonapplique le poids suivant. Lorsquil ny a pas dpass