Convertisseurs Analogique/Numérique et Numérique/Analogique

FALLET Laurent
PERRIN Guillaume
GRISONI Florian
Institut National des Sciences Appliquées de Rouen -1-
UV P10-2
Convertisseurs Analogique/Numérique et
Numérique/Analogique
Juin 2002

FALLET Laurent
PERRIN Guillaume
GRISONI Florian
Institut National des Sciences Appliquées de Rouen -2-
Sommaire
UV P10-2 ................................................................................................... 1
Convertisseurs Analogique/Numérique et Numérique/Analogique ... 1
Sommaire ................................................................................................. 2
Introduction.............................................................................................. 3
I Présentation CAN et CNA ..................................................................... 5
a) Architecture........................................................................................... 5
b) L’interface du port imprimante .................................................................. 13
c) Le programme en Pascal.......................................................................... 14
II Réseau R/2R........................................................................................ 15
a) Etude théorique................................................................................... 15
b) Etude expérimentale ........................................................................... 17
III Echantillonneur Bloqueur................................................................. 18
a) Etude théorique................................................................................... 18
b) Etude expérimentale ........................................................................... 19
IV VCO..................................................................................................... 21
a) Présentation ............................................................................................. 21
b) Etude expérimentale................................................................................. 22
Conclusion ............................................................................................. 25
Annexes.................................................................................................. 26

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Introduction
On peut dire que le monde entier est « analogique ». La conversion A-N permet le
traitement par des machines de données digitales. Les techniques actuelles font de plus en
plus appel au traitement numérique, très performant. Le domaine des télécommunications
est sans doute celui dans lequel l’application des techniques numériques est la plus
développée (numérisation de la voix pour la téléphonie, généralisation du FAX et du courrier
électronique, enregistrement numérique des disques…). Sans oublier le domaine musical qui
utilise grandement les convertisseurs dans la transmission des signaux audio.
L'électronique est en effet divisée en deux domaines distincts :
- le domaine analogique, où les variables peuvent prendre une infinité de valeurs
différentes ; les signaux varient continûment. Tous les signaux issus des capteurs sont
analogiques, et traduisent des phénomènes physiques qui varient continûment.
- le domaine numérique, où les variables prennent uniquement deux états, un état
haut et un état bas.
Beaucoup de signaux était avant traités de façon analogiques et le sont aujourd'hui par
programmation de microprocesseurs.
Mais, à la base, les signaux ont toujours une nature analogique ! Il faut donc les
amplifier et éventuellement les extraire de signaux parasites. Le domaine analogique va
donc toujours exister au moins en amont de toute chaîne de traitement. Parfois, on a aussi
besoin d'un signal analogique en sortie de cette chaîne de traitement : il faudra alors
reconvertir les données numériques en signal analogique.
Il existe deux catégories de convertisseurs :
- les Convertisseurs Analogique Numérique (CAN, ADC en anglais, pour analog to
digital converter), qui vont transformer les tensions analogiques en signaux logiques aptes à
être traités par microprocesseur (numérisation des signaux).
- les Convertisseurs Numérique Analogique (CNA, DAC en anglais, pour digital to
analog converter) qui vont convertir les signaux logiques en tension analogique.
Applications des CAN
Les applications dans lesquelles des données analogiques doivent être numérisées et
transférées dans une mémoire d’ordinateur sont nombreuses. Le processus de saisie par
l’ordinateur des données analogiques numérisées s’appelle l’acquisition de données. Selon
l’application, l’ordinateur peut manipuler les données de différentes façons. Quand on utilise
un ordinateur pour mémoriser une donnée analogique (c’est le cas d’un oscilloscope
numérique), ce dernier stocke les données puis les transfère à un CNA à un moment
ultérieur pour qu’il reproduise les données analogiques. On trouve donc des CAN dans les
multimètres numérique, les systèmes d'acquisition, l’élaboration de la matrice d’un disque
compact...

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Applications des CNA
Des CNA sont utilisés à chaque fois qu'il faut transformer la sortie numérique d'un
circuit en une tension ou un courant analogique pour entraîner un dispositif analogique. Voici
certaines des applications les plus courantes :
Régulation : la sortie numérique d'un ordinateur est convertie en un signal de
régulation analogique afin de régler la vitesse d'un moteur, la température d'un four ou de
commander une variable physique quelconque. La commande des machines est également
un secteur où les techniques numériques connaissent un vif succès (commande de moteurs,
régulation de chauffage…).
Essai automatique : il est possible de programmer les ordinateurs pour qu'ils
produisent les signaux analogiques nécessaires à l'essai des circuits analogiques. La
réponse analogique du circuit testé est normalement convertie en en une valeur numérique
par un CAN et réintroduire dans l'ordinateur pour être mémorisée, affichée et parfois
analysée.
Réglage numérique de l'amplitude : il est possible d'utiliser un CNA multiplicateur
pour régler numériquement l'amplitude d'un signal analogique. (Un CNA multiplicateur dérive
une sortie égale au produit d'une tension de référence par une entrée binaire). Si la tension
de référence est un signal qui varie dans le temps, la sortie du CNA suit ce signal mais son
amplitude est conditionnée par le code d'entrée binaire. Une application typique de ceci est
le "réglage de volume" numérique, dans laquelle la sortie d'un circuit numérique ou d'un
ordinateur sert à régler l'amplitude d'un signal audio.
On retrouve donc des CNA dans les lecteurs CD, les systèmes d'acquisition (par ex.
cartes vidéos pour PC), et les modems.
Exemple de chaîne de traitement.
Un exemple très répandu de conversion et traitement de données est la chaîne de
transformation du son, de l'enregistrement de la musique à sa restitution par les enceintes
acoustiques.
Le son est capté par des micros, dont la très faible tension de sortie est amplifiée. Le
signal peut être numérisé directement à ce niveau, et sera alors traité de façon entièrement
numérique (mixage...). Il peut aussi être stocké de façon analogique sur bande magnétique,
mixé, et ensuite numérisé. L'avantage du traitement numérique réside dans le fait que les
données sont inaltérables, contrairement aux données analogiques stockées sur bande
magnétique : celle-ci se dégrade lors des passages répétés sur les têtes de lecture.
Le stockage est maintenant presque toujours numérique. Le lecteur de CD contient
des convertisseurs numériques analogiques qui vont retransformer les informations
numériques en signal analogique qui sera amplifié avant d'être envoyé aux enceintes.

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I Présentation CAN et CNA
Il existe principalement deux types de convertisseurs numérique / analogique : les
convertisseurs à résistances pondérées, et les convertisseurs à réseau R/2R.
a) Architecture
Pour chaque convertisseur, on retrouve toujours la même structure; seul les blocs de
base change d'un convertisseur à l'autre et en fait sa spécificité.
Il est donc intéressant d'étudier l'architecture mettant en évidence les points communs
à tous les convertisseurs.
Architecture des CNA.
Sur la figure, on voit 5 blocs :
- un buffer numérique d'entrée : celui-ci est chargé de garder en mémoire la donnée
numérique pendant le temps de conversion ; il sert aussi d'interface entre les parties
numérique et analogique du convertisseur.
- une référence de tension : son importance est capitale pour la précision de
l'ensemble ; c'est elle qui donne le signal de référence servant à la détermination des
tensions de sortie.
- l'arbre de commutation (switching tree en anglais) : il est commandé par le buffer
d'entrée et va déterminer les résistances qui seront alimentées par la référence de tension.
- le réseau de résistances : c'est un ensemble de résistances, qui, alimentées par la
référence de tension via l'arbre de commutation vont générer des courants très précis
fonction du code binaire d'entrée.
- le convertisseur courant/tension est un ampli servant à transformer les courants
générés par le réseau de résistances en tension de sortie. Il est optionnel, certains CNA ne
l'incluent pas, d'autres l'incluent, mais laissent le choix de l'utiliser ou non.