le convertisseur analogique numerique
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LE CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMERIQUE
Un convertisseur analogique numérique (CAN) est un appareil permettant de transformer en
une suite de codes binaires (0 ou 1) une tension analogique (variant de manière continue dans
le temps) délivrée par un capteur. La carte d’acquisition CANDIBUS possède par exemple un
convertisseur analogique numérique. De nombreux périphériques d’ordinateurs possèdent
également des convertisseurs analogiques numériques : les cartes d'acquisition vidéo, les
scanners, les cartes de capture sonore (la quasi-totalité des cartes-sons), la souris, l'écran et
tout mécanisme de pointage, les lecteurs (optiques comme le lecteur cd CD-ROM,
magnétiques comme le disque-dur), les modems (à la réception).
Le but de ce TP est d’étudier et de comprendre le fonctionnement d’un convertisseur
analogique numérique simplifié en simulant sa construction à l’aide du logiciel crocodile
clips. Pour illustrer cette étude, on va chercher à transformer une tension U = 3,5 V en un mot
de 3 bits.
Cette conversion analogique numérique se déroule en deux étapes successives : la
comparaison et le codage.
I. LA COMPARAISON
On commence par encadrer la tension U = 3,5 V à mesurer à l’aide d’une échelle de potentiels
réalisée à partir d’une tension de référence Uref = 5V. On utilise ces deux tensions pour
allumer un nombre déterminé de diodes.
A. Réalisation d’une échelle de potentiels électriques :
On réalise une échelle de potentiels électriques en utilisant le montage diviseur de tension
suivant :
Exprimer les tensions UAM, UBM, UCM, UDM, UEM en fonction de Uref et de R. Préciser
le potentiel électrique des points A, B, C, D, E. On peut dire que la tension de
référence Uref est découpée pour produire une échelle de potentiels.
B. Le montage comparateur
Pour pouvoir utiliser l’échelle de potentiels précédente, il faut utiliser plusieurs amplificateurs
opérationnels en comparateurs. On rappelle dans ce paragraphe le fonctionnement d’un
montage comparateur.
En fonction des tensions Uétud et Ucomp, indiquer l’état de la diode électroluminescente.
Préciser l’état logique à la sortie du comparateur.
C. Utilisation de l’échelle de potentiels
On a réalisé dans le fichier COMP4AO.CKT le montage suivant :
Rappeler les différents potentiels de chaque entrée inverseuse E- des AO :
VB =
VC =
VD =
VE =
Quel est le potentiel électrique de chaque entrée non-inverseuse E+ ?
Faire varier U de 0 à 5 V. Qu’observez-vous ?
Noter les valeurs de U pour lesquelles le nombre de DEL allumées change.
Pour U = 3,5 V, indiquer le nombre de DEL allumées.
Expliquer les observations précédentes.
Donner selon la valeur de U (intervalle), le nombre de diodes allumées, les valeurs des
variables logiques E1, E2, E3, E4 …
Intervalle de
Nombre de
E1
E2
E3
E4
tension U
DEL allumées
II. TRANSITION ENTRE LA COMPARAISON ET LE CODAGE
On vient de voir que la tension à étudier U est comparée grâce à une échelle de potentiels.
Cette comparaison est ensuite interprétée à l’aide de 4 diodes placées en sortie de 4 montages
comparateurs pour conduire à un encadrement de la tension mesurée : pour donner un
encadrement de la tension U à mesurer, il suffit de dénombrer le nombre de DEL allumées.
Par exemple s’il y a 3 diodes allumées, U est comprise entre
V et
V. D’une façon
plus générale, s’il y a n diodes allumées, U est comprise entre
V et
V.
Il faut maintenant que l’ordinateur puisse dénombrer le nombre de DEL allumées. Le CAN
doit donc lui indiquer par un nombre binaire le nombre n de DEL qui sont allumées.
L’ordinateur pourra alors accéder à la valeur de U. La solution la plus simple serait d’envoyer
directement à l’ordinateur l’état des variables logiques E1, E2, E3 et E4 issues des
comparateurs. Si trois diodes sont allumées, le CAN enverrait par exemple le nombre binaire
0111. Malheureusement dans ce cas l’ordinateur recevrait le nombre 7 et pas le nombre 3 qui
se code en binaire 011. Cette solution n’est donc pas acceptable. Il est donc nécessaire de
procéder à un traitement logique des variables logiques E1, E2, E3 et E4 issues des
comparateurs. Cette étape porte le nom de codage.
III.LE CODAGE
A. Introduction
Lors de la première étape, 4 diodes peuvent au maximum s’allumer. Le plus grand nombre
décimal qui devra être codé en binaire sera 4. Ce nombre se codant 100, seuls 3 bits sont
nécessaires pour réaliser ce codage. Le montage logique permettant le codage doit donc
permettre de passer des 4 variables logiques E1, E2, E3 et E4 issues des comparateurs (les 4
entrées) à trois sorties binaires S0, S1, S2.
Compléter la table de vérité de ce montage.
Nombre décimal de
Etats d’entrée possibles
Sorties binaires
DEL allumées
correspondantes
E4
E3
E2
E1
S2
S1
S0
0
1
2
3
4
On peut schématiser les opérations que doit effectuer le CAN par :
U grandeur
analogique
1er étage du
CAN :comparaison
n LED allumées (5 états possibles)
2ème étage du
CAN :codage
Nombre binaire
codant sur 3 bits la
valeur de n
B. Réalisation théorique du codage
Coder un mot relève de l’électronique logique et de l’utilisation des portes logiques. On va
utiliser ici des portes logiques seules ou combinées pour parvenir au résultat désiré c’est à dire
à un montage possédant la table de vérité établie dans la partie précédente. On utilise dans ce
montage uniquement des portes OU et OU EXCLUSIF.
Rappeler les tables de vérité de ces deux portes logiques.
Trouver un lien logique entre l’entrée E4 et la sortie S2.
Trouver un lien logique entre les entrées E2 et E4 et la sortie S1.
Le lien logique permettant de trouver S0 est (E1 OU EXCLUSIF E2) OU (E3 OU EXCLUSIF
E4).
Vérifier cette relation en complétant les tableaux suivants.
Sortie binaire
Etats d’entrée possibles
E’=
E’’=
E4
E3
E2
E1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
L’étapes de codage utilise donc
E1 EXOR E2 E3 EXOR E4
portes OU EXCLUSIF et
S0 = {E’ OU E’’}
porte OU.
C. Réalisation pratique
Le circuit correspondant a été réalisé à l’aide du logiciel crocodile clips. Il est contenu dans le
fichier can2.ckt.
Vérifier que le circuit réalisé permet de réaliser le travail demandé.
L’ensemble du dispositif électronique étudié ici est un convertisseur analogique-numérique 3
bits qui quantifie une tension de référence sur 5 états.
