Un signal analogique issu d`un capteur

SSI
SCIENCES DE
Convertir un signal analogique
FICHE DE
V Chassilian
St Jo
Avignon
SYNTHESE
en un signal numerique
Un signal analogique issu d’un capteur analogique délivre un signal dont l’amplitude varie selon la
grandeur physique mesurée :
Signal
L’INGENIEUR
analogique
représentatif d’une
grandeur physique
t
Le système de traitement de l’information le plus utilisé en électronique est le microprocesseur qui
fonctionne uniquement avec des données numériques (Codée par système binaire 0,1 sous
différents formats : 8, 16, 32, 64, ... bits ). Chaque nombre N est codé sur n bits.
Signal numérique
représentatif d’une grandeur physique
( Codé sur 4 bits )
Bit 3
Bit 2
Bit 1
Bit 0
0101
0110
0111
1000
1001
1000
0111
0110
0110
t
Données numériques
représentatives d’une grandeur physique (Codé sur 4 bits )
Il va donc falloir transformer (ou coder) ce signal analogique en un mot logique codé sur n bits.
Cette opération s’effectue à l’aide d’un Convertisseur Analogique-Numérique en 2 temps :
- Echantillonner le signal : On prélève des valeurs du signal analogique à intervalles de temps
réguliers (cet intervalle de temps noté T se nomme période d’échantillonnage), et on mémorise
ces valeurs pendant toute la durée de la conversion. Cette opération est effectuée par un
échantillonneur bloqueur.
- Convertir chacun de chaque échantillon analogique en un code numérique d’une
longueur de n bits. Cette opération est réalisée par différents composants selon la technologie
du convertisseur utilisé.
Exemple :
Remarques :
- la plupart des microprocesseurs possèdent un convertisseur Analogique-Numérique
intégré.
- CAN se dit ADC en anglais : Analog to Digital Converter.
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1. Présentation :
La conversion transforme une tension ou un courant analogique appliqué en entrée en une
valeur numérique N codée sur n bits.
Condition d’emploi :
Symbole :
N
2. Ses caractéristiques :
2.1. Sa caractéristique de transfert :
La tension Vpe correspond à la valeur
maximale de la tension analogique dite « pleine
échelle ». En anglais, elle est nommée Vfs (Full
Screen Voltage).
La tension Ve appliquée en entrée devra être
comprise entre Vref+ et Vref-.
2.2. Sa résolution :
Dans le monde industriel, la résolution d’un convertisseur représente le nombre de bits n en
sortie du CAN c’est-à-dire le nombre de bits sur lequel va être codée la tension d’entrée.
2.3. Sa quantification ou variation élémentaire, son quantum :
Le pas de quantification ou quantum représente la plus petite variation mesurable entre deux
valeurs codées distinctes en sortie exprimée en volts (V) :
Vpe
q=
2n
q : Quantum exprimé en Volts : V
n : Nombre de bits en sortie du convertisseur
Vpe : Représente la plage de tension maximale de la tension
que l’on pourra convertir : Vpe = Vref+ - Vref- (Vref+ et Vrefétant les tensions appliquées sur les entrées de référence).
2.4. N :
N représente le nombre décimal obtenu en sortie du CAN et codé sur n bits.
Le calcul de N en fonction de Ve s’obtient selon l’équation suivante :
(N)10 = ENT (Ve/q)
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2.5. Polarité de la conversion :
 Dans le code unipolaire la grandeur analogique est toujours de même signe.
Si Vréf+ = +Vcc et si Vréf- = 0, alors le quantum, et donc la grandeur analogique seront positifs.
Si Vréf+ = 0 et si Vréf- = -Vcc, alors le quantum, et donc la grandeur analogique seront négatifs.
 Dans le code bipolaire la grandeur analogique peut prendre des valeurs positives
ou négatives.
Il faut Vréf+ positive et Vréf- négative, pour N, le MSB donne le signe de la tension convertie :
2.6. Le temps de conversion :
C’est le temps minimum nécessaire au convertisseur afin de stabiliser une donnée en sortie
après qu’une tension analogique stable ait été appliquée à l’entrée du CAN. Il est donné par la
documentation constructeur. Attention, Tconversion doit être inférieure à Téchantillonage.
2.7. La précision ou erreur de quantification :
Cela représente la différence entre la valeur du signal échantillonné et la valeur analogique
d’entrée correspondant au code de sortie (correspondance donnée par la droite de transfert
idéale). L’erreur de codage est exprimée en LSB.
L’erreur de quantification est comprise entre 0 et 1 LSB (si on reprend la caractéristique de
transfert de la page 1, les tensions d’entrée 1<Ve<2V correspondent au code numérique
………..). Ainsi, plus la résolution sera élevée plus l’erreur sera ……………………………….. .
Une autre solution, moins onéreuse que la
précédente peut être envisagée : Changer de
convention, dans la fixation des tensions de seuil.
Ainsi, on utilisera plutôt la quantification linéaire
centrée, pour laquelle la droite de transfert idéale
passera par le centre des "marches" de la
caractéristique.
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3. Les entrées/sorties principales du convertisseur :
Entrées :
La tension d’alimentation qui permet de fournir l’énergie au circuit,
Vref qui donne la « tension pleine échelle »,
L’entrée de sélection du boîtier « CS »,
L’entrée d’horloge (soit on y applique un signal d’horloge, soit le convertisseur contient
un oscillateur, il faudra réaliser un montage autour, fourni par le constructeur).
L’entrée analogique : tension à convertir.
Sorties :
Les n sorties numériques qui présentent le résultat de la conversion : N,
La sortie EOC (End Of Conversion) indiquant que la conversion est terminée.
4. Application :
Le CAN d'entrée d'une carte d'acquisition possède les caractéristiques suivantes : Gamme 0 à
5V / résolution 8 bits.
a. Quelle est la valeur numérique maximale Nmax de sortie de ce CAN ?
b. Quelle est sa tension pleine échelle ?
c. Quelle est sa résolution ? En déduire sa quantification (détailler calcul et application
numérique).
d. Donner la valeur numérique (en binaire) de la mesure d’une tension de 2,1 V puis de
4V.
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