Le monde réelle physique est de nature analogique (dans la quasi-totalité des cas). Il apparaître sous forme des signaux analogiques (Pression, son, Température, ondes visuelles…) qui doivent être traités par des systèmes analogiques. C’est pourquoi le convertisseur Analogique Numérique !
Depuis deux décennies, le traitement numérique des données a pris le pas sur les méthodes purement analogiques. L’utilisation de la technologie numérique permet un stockage aisé des informations, une excellente reproductibilité des traitements, la possibilité de développer des fonctions complexes avec une relative facilité, des coûts de production réduits, etc.
L’interface nécessaire entre le monde analogique et un processus numérique passe par convertisseur analogique-numérique et un convertisseur numérique-analogique. Le CAN est dont la mission de convertir le signal analogique en un signal numérique qui sera traité par une logique numérique. Tandis que le rôle du CNA est de reconvertir le signal numérique traité en un signal analogique.
Le Convertisseur Analogique Numérique :
1. Définition du Convertisseur Analogique-digital:
Le convertisseur analogique/ numérique (CAN) est un dispositif électronique exécute la conversion d’un signal analogique en un signal numérique.
La première définition complète nécessite deux autres définitions, analogique et numérique :
Signal analogique : Un signal continu dans le temps et l’amplitude.
Signal numérique : un signal échantillonné et quantifié qui est discret dans le temps et en amplitude.
Le but de conversion d’un signal analogique en signal numériques :
Étant donné que les ordinateurs ne traitent que des informations numériques, ils nécessitent une entrée numérique. Par conséquent, si l’entrée analogique est envoyée à un ordinateur, un convertisseur analogique-numérique (CAN) est requis. L’appareil peut prendre un signal analogique, tel qu’un courant électrique, et le numériser dans un format binaire qu’un ordinateur peut comprendre.
Les convertisseurs ADC sont souvent utilisés pour convertir la vidéo analogique au format numérique. Par exemple, une vidéo enregistrée sur un film 8 mm ou une bande VHS est stockée au format analogique. Pour transférer une vidéo sur un ordinateur, elle doit être convertie au format numérique. Cela peut être fait à l’aide d’un convertisseur vidéo ADC, qui a une entrée vidéo composite et une sortie Firewire. Certaines caméras vidéo numériques avec entrées analogiques peuvent également être utilisées pour convertir une vidéo analogique en vidéo numérique.
Plus de détails :
Les convertisseurs CAN peuvent également être utilisés pour convertir des flux audios analogiques. Par exemple, si vous souhaitez enregistrer le son d’un microphone, vous devez convertir le son du signal analogique du microphone en un signal numérique que l’ordinateur peut comprendre.
C’est pourquoi toutes les cartes son avec entrées audio analogiques ont également besoin d’une ADC pour convertir le signal audio entrant au format numérique. La précision de la conversion audio dépend de la fréquence d’échantillonnage utilisée dans le processus de conversion. Une fréquence d’échantillonnage plus élevée fournit une meilleure estimation du signal analogique, ce qui se traduit par un son de meilleure qualité.
Alors que les convertisseurs ADC convertissent l’entrée analogique en un format numérique qu’un ordinateur peut comprendre, il arrive parfois qu’un ordinateur doive émettre un signal analogique. Pour ce type de conversion, un convertisseur numérique-analogique (DAC) est utilisé.
Comment transformer un signal analogique en signal numérique :
Principe convertisseur analogique numérique :
Principalement, le processus de conversion analogique-numérique se constitue trois étapes principales : échantillonnage temporel, quantification et codage.
La figure suivante décrit ces trois étapes d’une ADC avec une sortie de signal numérique 3 bits.
Nous avons vu dans l’introduction que les signaux numériques ne changent pas continuellement. En effet, lorsque l’on veut numériser un signal analogique (et donc être continu), il faut le discrétiser en deux dimensions : le temps et l’amplitude.
Il est inconcevable de décrire un signal avec des valeurs infinies. On va le mesurer à un certain moment : c’est ce qu’on appelle l’échantillonnage.
Quant à l’amplitude, un intervalle de tension du signal d’entrée correspondra à une seule valeur : c’est la quantification (ci-dessous). La valeur sera alors codée (binaire, binaire signé…) et renvoyée en binaire en sortie du convertisseur pour traitement par l’électronique numérique.
La figure ci-dessus représente la fonction de transfert d’un CAN, à savoir le code numérique de sortie en fonction de la tension d’entrée. On voit clairement que la plage de tension est liée à l’état de la sortie numérique :
Vlog = 0 si 0 Ve < 0,1V
V log = 1 si 0,1 Ve < 0,2V
V log = 6 si 0,6 Ve < 0,7V …
La phase de quantification de la conversion analogique numérique engendre une perte d’information.
Un résumé graphique de tout ceci est exprimé sur la figure suivante : on remarque un signal analogique en entrée sous forme de sinusoïde, et Un échantillon obtenu à partir de la conversion analogique-numérique par la double discrétisation décrite ci-dessus.
Définitions théoriques :
On montre quelques définitions théoriques. Pour bien comprendre à quoi ils correspondent réellement, nous aborderons plus loin un exemple de convertisseur 3 bits. Les lecteurs sont invités à consulter les deux paragraphes en parallèle.
Toutes ces définitions s’appliquent aux convertisseurs complets. Ces composants intègrent des comparateurs différentiels, des amplis op et d’autres réseaux de résistance incomplets, de sorte qu’ils sont en fait loin de l’objectif. Voici une liste des pannes majeures du convertisseur.
• Plage de conversion
Le convertisseur produit un nombre fini de codes numériques pour une plage de tension d’entrée analogique limitée. Il s’agit de la plage de conversion du convertisseur (ou tension pleine échelle). Cette plage de conversion est typiquement 05V, 010V, et même ± 5V ou ± 10V. Il existe d’autres plages de conversion qui sont rarement utilisées.
• Résolution
Les intervalles de tension plus petits codés dans le même nombre binaire fournissent une mine d’informations sur le signal numérisé. Cela se fait dans une plage de conversion spécifique.
La résolution de l’ADC est la plage de tensions d’entrée correspondant à des nombres binaires égaux.
Théoriquement, la marge de tension est la même pour tous les codes binaires, mais pratiquement ce n’est pas toujours le cas. La résolution correspond à la valeur théorique.
Aussi :
• Dynamique
La dynamique d’un signal est le rapport de la tension maximale et minimale que le signal peut gérer.
Pour les CAN, il s’agit du nombre binaire maximal divisé par le 1 minimal (0 au lieu de 0, ce qui correspond à un signal nul), donc le nombre de codes binaires différents que le convertisseur peut fournir est de -1 (zéro !).
En prenant un convertisseur 8 bits comme exemple, la plage dynamique est en fait de 28 1 = 255.
En pratique, ce nombre est arrondi à la puissance 2, qui est le nombre de bits dans le convertisseur. Par conséquent, la plage dynamique du convertisseur est de 256. Il est conseillé d’exprimer cela sous forme de « 8 bits » ou 48 dB = 20log (256).
• Mise en relation
Vous pouvez associer la plage dynamique, la résolution et la plage de conversion du convertisseur.
La résolution correspond à une variation d’une unité de code binaire. Cette unité est égale à la variation du bit le moins significatif LSB. Si on nomme la plage de conversion par VMAX et le nombre de bits du convertisseur par N, on a la relation :
L’exemple suivant explique cette relation :
3. Exemple : CAN 3 bits
La figure ci-dessus montre la fonction de transfert d’un ADC 3 bits avec une marge de conversion de 8V. comme on a huit états logiques, donc la plage de transition est fractionnée en huit sections équivalentes, chacune correspondant à l’état logique de sortie.
Notez que la transition ADC finale s’engendre d’une tension d’entrée de 7V, ce qui est équivalent à l’état logique de sortie final (égal à 7).
Donc, à partir de cette valeur de 7V, le convertisseur ne changera pas d’état. Cependant, la plage de conversion est étendue jusqu’à 8V, et la dernière partie de 7-8V devrait correspondre au « 7 » logique.
Dans ces conditions, la plage de conversion divise 8V en 23 = 8 sections, chacune correspondant au LSB égal à 8V / 8 = 1V. Trouver le résultat de l’équation [1].
• L’erreur de quantification et Amélioration :
On a déjà constaté que la double quantification du temps et de l’amplitude se manifeste dans la perte d’information du signal. Ceci introduit le concept d’erreur de quantification. Ceci est unique aux conversions analogique-numérique (et vice versa) et est présent même lorsque le convertisseur est considéré comme complet. Par conséquent, cette erreur systématique s’ajoute aux erreurs décrites ci-dessous.
Lorsque la rampe de tension est numérisée, l’erreur entre la tension d’entrée et la tension de sortie nommé reconstruite (convertie en analogique par le CNA) se présente sous la forme suivante :
Par défaut, l’erreur est toujours négative et se varie entre 0 et 1 LSB (dans ce cas 0 et 1 V).
Parfois c’est trop, et parfois il vaut mieux avoir une erreur centrée sur le zéro à quantifier par défaut. En effet, la quantification standard systématique introduit des décalages dans le signal numérisé.
Pour pallier cette lacune, un offset est introduit au niveau du premier LSB du convertisseur, comme le montre la figure 5. La première transition ne se produit pas à 1 LSB, mais seulement à 1/2 LSB. Les valeurs d’entrée inférieures à 1/2 LSB sont quantifiées par défaut, et entre 1/2 et 1 LSB sont surquantifiées.
L’erreur obtenue correspond à l’erreur de la figure 6. Il est symétrique par rapport à 0 et est égal à ± 1/2 LSB.
Il n’y a qu’une seule particularité. Le premier 1/2 LSB tronqué se termine à la fin de l’échelle. L’état numérique final correspond à une plage d’entrée analogique de 1 1/2 LSB. L’erreur de quantification est importante dans cette plage, mais elle n’est pas si grave.
Pratiquement, la majorité des ADC ayant une fonction de transfert de décalage pour maintenir des erreurs de quantification équilibré. Mais, cela doit être confirmé en lisant les informations du fabricant.
Ce détail peut être important lors de la réalisation de mesures précises à l’aide de cartes d’acquisition de données (y compris CAN). Pour ajuster le gain et le décalage de la chaîne de conversion, vous devez observer les première et dernières transitions, et l’étalonnage dépend du décalage du convertisseur. En cas d’erreur, un écart de 1/2 LSB peut fausser la mesure.
les types de convertisseur analogique numerique :
Il y a plusieurs types de CAN, parmi ces types les plus connus on trouve :
• Flash CAN, Approximations successives (SAR), Delta-sigma, CAN En cascade
1. Convertisseur Flash :
Le convertisseur parallèle (flash) est le plus rapide. Le principe est de générer une tension analogique 2N1 à l’aide d’un diviseur de tension 2N qui alimente le comparateur parallèle 2N1. Des blocs logiques combinatoires connectés à ces comparateurs fournissent des résultats codés en parallèle sur N bits. Le temps de conversion du convertisseur flash est inférieur à la microseconde, mais la précision est considérablement moindre (de l’ordre de la dizaine de bits).
Ces convertisseurs sont souvent très coûteux et nécessitent beaucoup de puissance. Par exemple, un convertisseur analogique-numérique Maxim MAX104 8 bits avec un convertisseur parallèle nanoseconde nécessite 255 comparateurs et coûte environ 900 $ en 2012.
2. CAN SAR : à approximation successive :
Les ADC à comparaison séquentielle sont un autre type de convertisseur analogique-numérique qui utilise une recherche binaire au niveau de la quantification avant la conversion dans le domaine numérique.
Le processus global est divisé en plusieurs sous-processus. Il y a suffisamment de circuits de maintien pour prendre en charge l’entrée analogique Vin. Ensuite, il y a un comparateur qui compare la tension d’entrée analogique avec le convertisseur numérique-analogique interne. Il existe également un registre de comparaison séquentielle (SAR) qui reçoit des entrées sous la forme d’impulsions d’horloge et de données de comparateur.
Ainsi:
Le SAR est principalement initialisé pour rendre la logique MSB (bit le plus significatif) haute ou 1. Ce code est fourni à un convertisseur numérique-analogique qui fournit l’équivalent analogique d’un circuit comparateur pour un signal d’entrée analogique échantillonné. Si la tension est supérieure à la tension d’entrée, le comparateur réinitialise les bits. Sinon, les bits restent les mêmes. L’ensemble du processus est ensuite répété jusqu’à ce que le bit suivant soit défini sur un bit numérique et que chaque bit d’un registre d’approximation contigu soit testé. La sortie finale est une version numérique du signal d’entrée analogique.
Comparaison séquentielle Il existe deux types de convertisseurs analogique-numérique. Type de compteur et type de servo suiveur.
Ces types d’ADC fournissent les résultats les plus précis que les autres types d’ADC.
3. Le convertisseur Delta / sigma (ΔΣ) :
Une conception récente de convertisseur A/N est un convertisseur delta sigma (ou convertisseur delta). Il utilise la technologie DSP pour améliorer la résolution de l’axe d’amplitude et réduire le bruit de quantification à haute fréquence inhérent aux conceptions SAR.
La conception complexe et puissante du convertisseur delta-sigma le rend idéal pour les applications dynamiques qui nécessitent la résolution la plus élevée possible pour l’amplitude du signal. Pour cette raison, il est courant non seulement dans les domaines de la mesure de l’audio, du bruit et des vibrations, mais également dans une variété de systèmes d’acquisition de données haut de gamme. Il est également couramment utilisé dans les applications de mesure de précision industrielle.
Le filtre passe-bas monté sur le DSP élimine pratiquement le bruit de quantification et fournit un bon rapport signal sur bruit.
Le convertisseur Delta-sigma fonctionne en suréchantillonnant le signal d’entrée à un taux beaucoup plus élevé que le taux d’échantillonnage que vous choisissez. À partir de ces données suréchantillonnées, le DSP crée ensuite un flux de données haute résolution à la fréquence d’images souhaitée.
Ce suréchantillonnage peut aller jusqu’à 100 fois la fréquence d’échantillonnage sélectionnée. Cette approche a l’avantage de produire un flux de données de très haute résolution (le 24 bits est presque courant pour ce type de convertisseur). Et permet un filtrage anticrénelage multi-niveaux (AAF), qui élimine le phénomène de crénelage, le rendant pratiquement impossible. Cependant, en raison de la vitesse d’acquisition limitée, les convertisseurs delta-sigma ne sont généralement pas aussi rapides que les convertisseurs SAR.
4. Convertisseur en cascade :
Pour les applications qui nécessitent des taux d’échantillonnage plus élevés que ceux que les convertisseurs A/N SAR et Delta Sigma peuvent fournir, mais qui ne nécessitent pas les convertisseurs A/N flash ultra-rapides, il existe une série de convertisseurs A/N flash.
Comme nous l’avons vu dans la section précédente, le flash ADC manque de latence car tous les comparateurs sont verrouillés en même temps. En revanche, cela nécessite beaucoup de puissance. Surtout lorsque vous utilisez plus de comparateurs pour obtenir une résolution de bits plus élevée.
Cependant, dans un ADC série, le signal analogique n’est pas bloqué par tous les comparateurs en même temps. De sorte que l’énergie nécessaire pour convertir la valeur analogique en une valeur numérique est distribuée. Par conséquent, le comparateur flash est enchaîné dans un processus quasi-série de 23 cycles. Cela a l’avantage d’obtenir une résolution élevée sans utiliser beaucoup d’énergie, mais cela présente deux inconvénients. La fréquence d’échantillonnage ne peut pas être aussi élevée que l’approche flash uniquement et a généralement une latence de 3 cycles. Ce dernier peut être atténué dans une certaine mesure, mais ne peut pas être complètement éliminé.
Ces ADC sont une architecture commune pour des applications de 23 MS/s à 100 MS/s (1 GS/s est possible). La technologie Flash ADC est généralement utilisée pour des taux d’échantillonnage plus élevés. La résolution d’un ADC série peut atteindre 16 bits au taux d’échantillonnage le plus bas, mais est généralement de 8 bits au le plus élevé. Encore une fois, il y a toujours un compromis entre vitesse et résolution.
Les critères de choix d’un convertisseur analogique-numérique
Avant de vous lancer dans le monde plus large des convertisseurs analogique-numérique, vous avez probablement besoin d’un examen de la façon dont la résolution, la vitesse, la précision et le bruit affectent vos choix.
La résolution fait référence au nombre de bits de sortie qu’un convertisseur analogique-numérique peut générer pour chaque conversion. Ce nombre détermine le plus petit signal d’entrée que le système peut afficher. La résolution définit également la variation incrémentielle minimale d’un signal analogique qu’un convertisseur analogique-numérique peut représenter.
La vitesse fait référence au taux d’échantillonnage de l’appareil (le nombre maximal de conversions par seconde qu’un convertisseur analogique-numérique peut traiter). Le taux d’échantillonnage dépend du temps nécessaire pour effectuer une seule conversion. Au mieux, ce nombre détermine le nombre maximal d’échantillons par seconde.
Aussi
La précision est relativement facile. Dans quelle mesure la sortie correspond-elle à l’entrée ? Quelle proportion de la sortie correspond au signal souhaité ? La précision est généralement mesurée en fonction du bruit présent dans le signal de sortie, à l’aide d’un nombre appelé rapport signal sur bruit (SNR). Plus ce nombre est élevé, meilleur est le signal (plus la force du signal par quantité de bruit est élevée). Même un convertisseur analogique-numérique idéal générera toujours du bruit (bruit de quantification, décrit ci-dessous) car il nécessite un arrondi pour numériser un signal analogique. Plus l’erreur d’arrondi est petite, plus la sortie numérique sera fidèle à l’entrée analogique. Et plus la résolution est élevée, plus la précision est élevée en général.
Le bruit de quantification est l’un des types de bruit qui contribue à la précision de l’appareil. Le bruit de quantification est inévitable dans les conversions analogique-numérique, ce type de bruit doit donc être mentionné. En d’autres termes, la conversion d’un ensemble continu en un ensemble discret implique une perte d’information. Cette information perdue correspond au bruit de quantification qui apparaît comme un signal de bruit irrégulier. Bien qu’il soit possible de gérer fonctionnellement le bruit de quantification avec une résolution suffisamment élevée, il reste une partie intégrante du processus de conversion analogique-numérique.
Enfin, je vous invite de lire aussi sur notre site :
Une réflexion au sujet de « Convertisseur Analogique Numérique : Principe et technologie »