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Convertisseur Analogique-Numérique
M.P.I.
Définition
On appelle Convertisseur Analogique Numérique ( CAN ) un dispositif qui transforme des
valeurs analogiques de tension en signaux logiques (mots binaires de 4, 8, 12 bits ...).
A- Conversion manuelle par simple rampe
I- Principe de la conversion simple rampe
La conversion Analogique/Numérique simple rampe ( sur 4 ou 8 bits ) est basée sur la comparaison
de deux grandeurs analogiques réalisée à l’aide d’un amplificateur opérationnel. L’une d’elles est la
valeur de la tension à mesurer. L’autre correspond à la tension de sortie du Convertisseur
Numérique Analogique étudié précédemment.
II- Etude de la chaîne de conversion
1. Schéma de la conversion analogique numérique
 
UCNA = Us ( pas à pas ou rampe automatique
ou approximations successives )
S
+
CNA
4 bits
Ue ( tension à convertir )
Tension U1 : branchement sur
l’adaptateur binaire en u1
R2
U1
R1
Réaliser le montage ci-dessus après avoir calculé les résistances R1 et R2 .
Données :
 courant traversant la DEL : 10 mA,
 lorsque la DEL fonctionne , la tension à ses bornes est de 1,8V
 l’AO sature à 13 V,
 la tension aux bornes de R1 doit être 0 ou 5V
Quel est le rôle de la diode électroluminescente dans la mise en forme du signal ?
2. Mesures
L’incrémentation du code binaire entre 0000 et 1111 sur 4 bits (de 0 à 15 en décimal), génère sur la
sortie analogique du CNA une rampe de tension UCNA = Us variant entre 0 et 4,8 V (4bits) . Tant que
Ue>UCNA, la DEL est allumée. Lorsque UCNA>Ue la DEL est éteinte.
Le mot binaire est incrémenté jusqu'à ce que la DEL du comparateur s’éteigne.
résultat : jusqu'à …….. Del allumée , à ………. DEL éteinte.
Les valeurs décimales correspondantes ……. et ……. permettent de donner un
encadrement de la tension à mesurer :
….. V < Ue < …… V
Recommencer avec une tension plus élevée
En admettant que la durée de passage d’un binaire au suivant soit constante, de quoi dépend la durée
totale de la conversion ?
B - Conversion manuelle par approximations successives
I. Principe
Il s’agit d’une méthode dichotomique qui permet à coup sûr de réaliser la conversion en un nombre
d’essais égal au nombre de bits quelle que soit la valeur de la tension à mesurer.
Principe de cette méthode traité sur un exemple:
Faire choisir un nombre entre 0 et 255 ( étude sur 8 bits ). En se contentant de la réponse
« plus grand » ou « plus petit » on peut, avec 8 propositions, déterminer la partie entière
de ce nombre à coup sûr en utilisant la méthode suivante :
Proposer 128 pour commencer. Si la réponse est « plus grand », proposer 128+64= 196,
sinon proposer128-64=64. Si par exemple vous avez proposé 196, en fonction de la
réponse suivante, proposer196+32=228 ou 196-32 =164. A partir de la valeur proposée
précédemment, recommencer en ajoutant ou en retranchant 16 .... Il se peut que l’on
parvienne à la réponse avec moins de 8 propositions mais le comparateur, lui, ne
proposera jamais des valeurs égales, en conséquence, les 8 propositions seront toujours
employées.
Ce résultat peut être généralisé : sur n bits, il faut n propositions.
II. Mesures
Appliquer cette méthode au convertisseur 4 bits pour deux tensions différentes. Donner un
encadrement de la tension Ue dans chaque cas.
Conclure sur l’avantage de cette méthode par rapport à la précédente
C – Conversions automatiques
I. Montage
Connecter les douilles de la platine conversions NA-AN (sur 4 bits) à l’adaptateur entrées-sorties
binaires, la tension Us = UCNA de sortie du CNA peut être incrémentée avec les programmes CNACAN pas à pas et rapide (dans le menu conversions).
1. L’incrémentation du code binaire entre 0 et 1111 sur 4 bits (de 0 à 15 en décimal), ou entre 0 et
11111111 sur 8 bits (de 0 à 255 en décimal ), génère sur la sortie analogique du CNA une rampe
de tension UCNA = Us variant entre 0 et 4,8 V (4bits) ou 5,10 V (8 bits). Cette tension est appliquée à
l’entrée inverseuse d’un amplificateur opérationnel.
2. La tension à convertir Ue est reliée à l’entrée non inverseuse.
3. Le basculement de la tension de sortie du comparateur a lieu entre 0 et 5 V ( U 1: branchement sur
la voie U1 de l’adaptateur binaire ). Il est détecté par le programme qui cesse d’incrémenter le
compteur, bloquant ainsi la rampe de tension.
La valeur du nombre présent dans le compteur à cet instant représente la valeur de conversion de
Ue (mot binaire). Un calcul permet alors d’afficher sa valeur.
La fin de la comparaison est visualisée par l’extinction de la LED placée en sortie du comparateur.
II. Manipulations en mode simple rampe
Utiliser d’abord le programme CNA-CAN en mode simple rampe et pas à pas. Le résultat de la
comparaison.
Le programme CNA-CAN en mode rapide, conçu selon le même principe, permet des conversions
continues en mode rapide.
1. Utilisation du programme CNA-CAN pas à pas sur 4 ou 8 bits en mode rampe
Appliquer au comparateur une tension continue Ue < 5 V ( choisir une tension de l’ordre de 2 V ).
Utiliser le mode simple rampe avec 4 bits.
Il est possible de modifier la temporisation. Les tensions Ue et Us(UCNA) seront visualisées à
l’oscilloscope.
Le mot binaire est incrémenté jusqu'à ce que la DEL verte du comparateur s’éteigne.
résultat : jusqu'à …….. Del allumée , à ………. DEL éteinte.
Les valeurs décimales correspondantes ……. et ……. permettent de donner un encadrement
de la tension à mesurer :
….. V < Ue < …… V
La valeur de Ue affichée est celle donnée par le CNA au basculement, mais arrondie à un chiffre
après la virgule.
Afin d’obtenir un meilleur encadrement de Ue, il est préférable de travailler sur 8 bits
Le résultat de la conversion est le mot binaire affiché.
Résultat obtenu : ………….. ce qui correspond au nombre décimal ……….
La tension correspondante est 0.020*……. = ……… V.
La valeur obtenue à l’aide du CNA est en réalité supérieure à U car le comparateur a basculé.
Nous avons alors l’encadrement suivant :
…… V < U < ……. V
mais compte tenu de la faible résolution en tension, nous pouvons nous contenter de retenir la
valeur calculée précédemment d’autant que pour des raisons diverses, il peut y avoir des
erreurs de conversion sur le bit de poids le plus faible. La valeur ainsi obtenue constitue un
échantillon.
Remarque : Visualiser Ue et Us à l’oscilloscope et constater que la conversion s’arrête lorsque les
valeurs sont pratiquement égales ( à la résolution près ).
2- Utilisation du programme CNA-CAN mode rapide en mode simple rampe sur 4 ou 8 bits
Seul le résultat de la conversion est éventuellement affiché à l’écran de l’ordinateur.
La prise d’un échantillon peut être observée sur l’oscilloscope ( tension Ue sur la voie 1 et Us
sur la voie 2 ) en utilisant 4 ou 8 bits.
Chaque fois que la tension fournie par la rampe prend la valeur immédiatement supérieure à
Ue, la prise d’échantillon redémarre.
En modifiant la base de temps et la sensibilité verticale, il est possible d’observer la rampe au lieu
d’un trait rectiligne.
Tension continue à mesurer
Rampes
t
Conclusion : Il apparaît que la durée d’échantillonnage est proportionnelle au nombre de pas
nécessaires pour obtenir le basculement du comparateur (et donc à la valeur de la tension à
convertir).
III. Manipulations en mode approximations successives
Appliquer une tension continue Ue et choisir le mode approximations successives.
La conversion peut être suivie sur les DEL du CNA ou ( et ) à l’oscilloscope ou ( et ) à l’aide
d’un voltmètre.
La première proposition ( en 8 bits ) est le mot binaire 10000000 auquel il correspond la valeur
décimale 128.
En avançant d’un pas la comparaison est faite, suivie de la proposition suivante...
Après la huitième comparaison la conversion est terminée.
Le mot binaire correspondant au résultat est affiché sur les DEL du CNA si le programme
CNA-CAN pas à pas est utilisé.
Si la valeur de la tension continue est la même que précédemment, le résultat obtenu est le
même à la résolution près soit :
Ue = ………. V à 20 mV près
En utilisant le programme CNA-CAN mode rapide, nous pouvons visualiser à l’oscilloscope
l’oscillogramme suivant ( 128, 64 ... correspondent aux différentes valeurs décimales
proposées ):
128
UCNA
voie 2
(-64)
96
(+32)
64
88
(-16)
(+8)
92 (-2)
(+4)
80
90
91
(+1)
Tension à mesurer
voie 1
(-16)
Réalisation d’une conversion
Remarque : si le signal varie rapidement, il faut utiliser un échantillonneur bloqueur qui
conserve « une image » de la tension à mesurer pendant la durée de la conversion..
Conclusion : la méthode de conversion par approximations successives présente l’avantage
d’avoir une durée d’échantillonnage qui ne dépend pas de la valeur à mesurer.
Résumé
Ecrire ci-dessous un résumé des principaux résultats rencontrés dans cette séance.