CoursSEL2 - iAi - HEIG-VD

Cours - Systèmes Électroniques 2
Conditionnement, Acquisition, Restitution des signaux.
(SEL2)
Cours crée par Marc CORREVON
mis à jour par Maurizio TOGNOLINI
iAi / HEIG-VD 2014-2015
rev. 1.5

Cours SEL2 - r1.5 - 15.09.2014
SYSTEMES ELECTRONIQUES 2 - iAi - HEIG-VD
Conditionnement, Acquisition, Restitution des signaux.
Informations générales
Professeur HES Maurizio TOGNOLINI
Email [email protected]h
Tlephone 024 557 64 12
Bureau C03a sur le site de la route de Cheseaux 1, CH-1400 Yverdon-les-Bains
Organisation du cours
Démarrage des cours 15 Septembre 2014
Fin du cours 21 janvier 2015
Durée 15 x 2 périodes
Évaluation cours : 2 travaux écrits
Examen pas demandé
Laboratoire
Dure 7 x 4 périodes
Yverdon-les-Bains
Évaluation Laboratoire 1 Labotest
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Cours SEL2 - r1.5 - 15.09.2014
HISTORIQUE - MODIFICATIONS MAJEURES
VERSION DATE DESCRIPTION
V0 septembre 2010 Traduction Latex depuis document original MS Office
de Marc Correvon
V1.0 septembre 2010 corrections Chap1 et Chap2
V1.1 juillet 2011 Ajout chapitre Conversion A/D et changement de
l’ordre des chapitres.
V1.2 septembre 2011 Mise en page pour impression, corrections chapitre 2.
V1.3 septembre 2012 Ajouts Chap 2 Aspects théoriques : effets du sur-
échantillonnage sur le débit de données .
V1.4 septembre 2013 Remise à jour de l’organisation horaires etc. Completé
chapitre 2 avec des caractéristiques réelle de convertis-
seur A/D. Ajout Amplificateurs à sortie balancé dans
chapitre 3. Ajout Filtres CIC chapitre 10.
V1.5 septembre 2014 Remise à jour de l’organisation horaires etc. Ajout par.
2.5.3.3 Explication de l’INL
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Table des matières
1 Introduction 1
1.1 Organisation du cours ....................................... 1
1.1.1 But ............................................. 1
1.1.2 Fils conducteurs et chapitres du cours .......................... 1
1.2 Considérations technologiques ................................... 2
1.2.1 Généralités ......................................... 2
1.3 Notes d’applications ........................................ 3
1.4 Avertissement ............................................ 3
1.4.1 Site Web .......................................... 3
2 Aspects théoriques 5
2.1 Acquisition d’un signal analogique ................................ 5
2.1.1 Le théorème de l’échantillonnage ............................. 5
2.1.1.1 Définition ..................................... 5
2.1.1.2 Etude de cas ................................... 5
2.1.1.3 Théorème de Shannon .............................. 6
2.1.2 Échantillonnage idéalisé .................................. 6
2.1.2.1 Modèle mathématique .............................. 6
2.1.2.2 Illustration par une étude de cas ........................ 7
2.2 La quantification .......................................... 9
2.2.1 Description ......................................... 9
2.2.2 Modèle du convertisseur A/N ............................... 10
2.2.3 Bruit de quantification ................................... 12
2.2.4 Rapport signal sur bruit de quantification SNQR .................... 13
2.2.5 Exemple 1 : signal triangulaire .............................. 13
2.2.6 Exemple 2 : signal sinusoïdal ............................... 14
2.3 Suréchantillonnage et décimation ................................. 15
2.3.1 Recherche de résolution élevée .............................. 15
2.3.2 Effet sur le bruit de quantification dans la bande utile ................. 15
2.3.3 Effet sur le rapport signal sur bruit ............................ 15
2.3.4 Effet sur le filtre antirepliement .............................. 16
2.3.5 Effet du sur-échantillonnage sur le nombre effectif de bit de résolution ........ 16
2.3.6 Effet sur le flux de données ................................ 17
2.4 Restitution analogique d’un signal numérique .......................... 18
2.4.1 Description ......................................... 18
2.4.2 L’élément de maintien ................................... 18
2.5 performances des convertisseurs A/N et N/A .......................... 20
2.5.1 Résolution ou pas de quantification ............................ 20
2.5.2 Polarités et codage ..................................... 20
2.5.2.1 Convertisseur unipolaire ............................. 20
2.5.2.2 Convertisseur bipolaire ............................. 20
2.5.3 Erreurs et imperfections de conversion .......................... 21
2.5.3.1 Caractéristique de conversion idéale ...................... 22
2.5.3.2 Erreur de gain (Gain Error) .......................... 23
2.5.3.3 Non-linéarité intégrale (INL :Integral Nonlinearity Error) .......... 23
2.5.3.4 Non-linéarité différentielle (DNL : Differential Nonlinearity Error) ..... 25
2.6 Interpretation de la feuille technique d’un convertisseur A/D ................. 27
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Cours SEL2 - r1.5 - 15.09.2014
3 Aspects technologiques des chaines de conditionnement du signal 33
3.1 Description générale d’une chaine d’acquisition ......................... 33
3.1.1 Inventaire des topologies possibles ............................ 33
3.1.1.1 Relation entre la plage de mesure et la plage de conversion. ......... 34
3.1.2 Contraintes sur les amplificateurs opérationnels. .................... 34
3.1.2.1 Caractéristiques de l’étage de sortie des amplificateurs ............ 37
3.2 Montages classiques amplificateurs opérationnels ........................ 40
3.2.1 Caractéristiques des amplificateurs opérationnels .................... 40
3.2.2 Amplification et décalage de tension ........................... 40
3.2.3 Amplificateur d’instrumentation ............................. 41
3.3 Amplificateur différentiel en entrée et balancé en sortie ..................... 42
3.3.1 Généralités ......................................... 42
3.3.2 Schéma fonctionnel interne ................................ 43
3.3.3 Analyse ........................................... 43
3.3.4 Montages avec entré en mode commun. ......................... 45
3.3.5 Application et dimensionnement pratique (tiré de AN-1026 de Analog Devices Inc.) 47
3.3.5.1 Terminaison d’une entrée référencée à GND (Single ended) avec source
idéale ....................................... 48
3.3.5.2 Terminaison d’une entrée référencée à GND (Single ended) avec source réelle 49
4 Etage d’entrée 51
4.1 Introduction ............................................. 51
4.2 Protection contre les surtensions ................................. 51
4.2.1 Introduction ........................................ 51
4.2.2 Mode commun des entrées hors des limitations ..................... 51
4.2.3 Courant inverse dans les diodes de protection ...................... 52
4.2.4 Limiteur CMOS de la tension de mode commun .................... 53
4.2.4.1 Description générale ............................... 53
4.3 Applications des protections en surtension ............................ 55
4.3.1 Les suiveurs de tension ................................... 55
4.3.2 Les amplificateurs opérationnels ............................. 57
4.3.3 Montage différentiel une seule tension d’alimentation .................. 58
4.4 Protection contre les inversions de phase ............................. 58
4.4.1 Introduction ........................................ 58
4.4.2 Choix des composants de protection ........................... 59
4.5 entrée mode commun ........................................ 59
4.5.1 Introduction ........................................ 59
4.5.2 Alimentation bipolaire symétrique (dual supply) .................... 59
4.5.3 Alimentation uni-polaire (single supply) ......................... 60
4.6 Entrée différentielle ......................................... 61
4.6.1 Alimentation bipolaire symétrique (dual supply) .................... 61
4.6.2 Alimentation uni-polaire (single supply) ......................... 62
5 Les filtres antirepliement 65
5.1 Introduction ............................................. 65
5.1.0.1 Butterworth ................................... 65
5.1.0.2 Bessel ....................................... 65
5.1.0.3 Chebyshev .................................... 65
5.1.0.4 Aspects théoriques ................................ 66
5.1.1 Caractéristiques des filtres passe-bas du 2ème ordre .................. 67
5.1.1.1 Caractéristiques des filtres passe-bas du 2ème ordre ............. 67
5.1.2 Filtre Butterworth du 2ème ordre ............................ 68
5.1.2.1 Filtre de Bessel 2ème ordre ........................... 68
5.1.3 Filtre Chebyshev 2ème ordre avec une ondulation de 1dB ............... 69
5.1.3.1 Comparaison entre les différents types de filtres passe-bas du 2ème ordre . 69
5.2 Cellules du 2ème ordre passe bas ................................. 70
5.2.0.2 Généralités .................................... 70
5.2.0.3 Cellule passe-bas de Sallen & Key ....................... 70
5.2.0.4 Cellule Multiple feedback ............................ 71
5.2.1 Cellule de Akerberg Mossberg ............................... 72
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