CAN

1-Introduction :

L’électronique est 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.
Le domaine numérique est maintenant prédominant. Il s’est beaucoup développé grâce aux progrès faits par les microprocesseurs. Beaucoup de signaux naguère traités de façon analogiques le sont aujourd’hui par programmation de microprocesseurs.
Le gros avantage apporté par la numérisation des signaux est la possibilité de stockage, de transformation et de restitution des données sans qu’elles ne soient altérées. On peut par exemple faire transiter un signal sonore de qualité HI-FI par une ligne téléphonique sans que la bande passante réduite ni le bruit de cette ligne ne soient gênants, ce qui aurait été impensable avec le signal analogique de départ !
Le traitement des données par programmation introduit aussi une souplesse dans la conception de produits à base d’électronique : un même circuit électronique à base de P pourra traiter des signaux différents ; seul le programme va changer. Cela permet de réduire les coûts par standardisation, la même carte étant utilisée pour plusieurs fonctions différentes. L’électronique analogique nécessitait au mieux un changement des composants, au pire, la conception d’une nouvelle carte.
Mais, à la base, les signaux ont toujours une nature analogique ! Il faut donc les amplifier et éventuellement les extraire de signaux parasites (tension de mode commun par exemple). 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.
Le passage d’un type de donnée à l’autre se fera par des convertisseurs, composants ” mixtes ” qui vont manipuler des tensions analogiques en entrée et des signaux logiques en sortie ou vice versa.
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.
Plusieurs types de convertisseurs sont disponibles dans chaque catégorie, qui se différencient par leur précision, leur vitesse de traitement de l’information, leur prix…
Il n’y a pas ” le ” convertisseur à tout faire qui soit bon partout : on devra faire un choix en fonction de ses besoins.

2-Définition d’un CAN

Le but du CAN est de convertir un signal analogique continu en un signal discret et

cela de manière régulière (à la fréquence d’échantillonnage).

Il existe différents types de convertisseur qui vont se différencier par leur temps de

Conversion et leur coût (Surface de silicium).

Un Convertisseur Analogique Numérique (CAN, ADC pour Analog to Digital Converter ) est un montage électronique dont la fonction est de générer à partir d’une valeur analogique, une valeur numérique (codée sur plusieurs bits), proportionnelle à la valeur analogique entrée. Le plus souvent il s’agira de tensions électriques.

Généralement, il possède:
– une entrée ” début de conversion ” qui permet de démarrer la conversion (Start)
– une sortie ” fin de conversion ” qui indique que la conversion est terminée (End)
– une entrée analogique (courant ou tension)
– plusieurs sorties numériques, dont le nombre est fonction de la résolution

Les concepts logiques de la CAN

La conversion analogique / numérique, ou processus de numérisation, comprend trois concepts logiques ou mathématiques de base : 

1. L’échantillonnage
2. La quantification
3. Le codage 

Ces trois étapes sont généralement réalisées de façon à ne constituer qu’une seule opération, mais historiquement, chacune représente une voie indépendante dans la compréhension des principes des communications numériques.

Les étapes de la conversion 

La numérisation du signal fait passer de grandeurs réelles variant continûment à une suite d’entiers naturels ou relatifs évoluant de manière discrète dans le temps. Plusieurs phases se succèdent donc : 

1. • Prélever la valeur du signal à un instant t ; 
2. • La conserver en attendant la suivante ; 
3. • L’associer à une valeur entière, codée en binaire. 

Le principe de la CAN

Le principe du convertisseur est le suivant : à chaque coup d’horloge, un circuit échantillonneur bloqueur (sample and hold) est bloqué pendant une période d’horloge à la tension du signal d’entrée. Cette tension est comparée à la tension d’alimentation du convertisseur et le rapport est converti en binaire, les sorties sont alors pendant un coup d’horloge représentatives de ce nombre binaire. On obtient ensuite une série de nombres binaires en enregistrant la valeur de sortie à chaque coup d’horloge. Les échelles temporelle et d’amplitude sont déconnectées du signal numérisé et doivent être enregistrées séparément.

Les principales caractéristiques du convertisseur sont : 

 Fréquence d’échantillonnage  fe=1/Te  où Te sépare deux coups d’horloge (demi période de l’horloge); 

– Dynamique : N nombre de digits sur lesquels le signal sera représentés en numériques (typiquement 8, 12 ou 16 digits ou bits). La dynamique peut être convertie en dB, rapport niveau max. sur niveau min., qui correspond à la valeur maximale exprimée par le nombre de digits. 

– Il existe plusieurs solutions pour convertir un signal analogique en signal numérique elles sont classées ici dans l’ordre de la moins rapide à la plus rapide.

1-Méthodes Indirect : VCO

La valeur de la tension du signal d’entrée est convertie en une fréquence par une

Oscillateur commandé en tension. En anglais : Voltage Controlled Oscillateur (VCO).La fréquence est proportionnelle à la tension.

Ensuite on compte le nombre de passage à zéro pendant ΔT.

2-Convertisseur à double rampe

Utilise le principe de l’intégration à courant constant :

Cette évolution des convertisseurs à simple rampe permet de s’affranchir de la dérive naturelle des composants qui le compose. Son fonctionnement repose sur une comparaison entre une référence et le signal à convertir.
La conversion se déroule en 3 étapes :

• On charge une capacité avec un courant proportionnel au signal à convertir pendant un temps fixe (le temps du comptage complet du compteur);
• On décharge en suite la capacité, avec un courant constant issue de la tension de référence, jusqu’à annulation de la tension à ses bornes. Lorsque la tension devient nulle, la valeur du compteur est le résultat de la conversion;
• On annule enfin la tension aux bornes de la capacité par une série convergente de charges et de décharge (l’objectif étant de décharger totalement la capacité pour ne pas fausser la mesure suivante). On parle en général de phase de relaxation.

Ces convertisseurs sont particulièrement lents (quelques dizaine de milliseconde par cycle, et parfois quelques centaines), et très précis (plus de 16 bits). Ils dérivent peu (dans le temps, comme en température).

3-Convertisseur à simple rampe 

On réalise au moyen d’un compteur et d’un convertisseur numérique analogique une rampe de tension. Un comparateur arrête le compteur lorsque la tension créée par le CNA atteint la tension à convertir. Le compteur indique alors le résultat sur N bits, qui peut être stocké ou traité.
Ces convertisseurs ont les mêmes performances en terme de stabilité que les convertisseurs à approximations successives, tout en étant nettement plus lent que ces derniers. De plus leur temps de conversion qui évolue avec la tension à convertir en fait un outil peu utilisé.

Avantages :

• Simple et peu coûteux.

 Inconvénients :

– N dépend de C donc de la tolérance sur C.

– Lent car nécessite 2N cycles d’horloges pour effectuer une conversion.

4-Convertisseur à approximations successives 

Très proche en terme de composition que les convertisseurs à simple rampe, les convertisseurs  à approximations successives (aussi appelés pesées successives) utilisent un processus de dichotomie pour traduire numériquement une tension analogique.

Un séquenceur (généralement nommé SAR pour Successive Approximation Registre), couplé à un CNA génère une tension analogique, qui est comparée au signal à convertir. Le résultat de cette comparaison est alors introduit dans le SAR, qui va le prendre en compte, pour la suite du processus de dichotomie, jusqu’à complétion.

Le convertisseur réalise donc sa conversion en positionnant en premier le bit de poids fort (MSB) et en descendant progressivement jusqu’au LSB.

Les convertisseurs à approximation successive ont des temps de conversion de l’ordre de la dizaine de microsecondes, pour des précisions d’une douzaine de bits environ.

5-Convertisseur Sigma Delta

Ce type de convertisseur est basé sur le principe du sur échantillonnage d’un signal d’entrée.
Un comparateur est en général utilisé pour convertir sur un bit (c’est-à-dire 0 ou 1) la différence (delta) entre le signal d’entrée et le résultat de la conversion (0=plus petit, 1=plus grand).
Le résultat de la comparaison est alors entré dans un filtre appelé le décimateur, qui somme (sigma) les échantillons du signal d’entrée. Cela revient à calculer l’intégrale de la différence entre l’entrée et la sortie.
Cela crée un système asservi (la sortie est rebouclée sur l’entrée) qui fait osciller la valeur de l’intégrale du signal à convertir autour d’une valeur de référence (le résultat de la conversion).
La sortie numérique du comparateur est sur 1 bit à haute fréquence (la fréquence d’échantillonnage), qui est filtrée par le décimateur qui augmente le nombre de bits en réduisant la pseudo fréquence d’échantillonnage. L’intérêt de ce genre de convertisseur réside dans sa grande résolution de sortie possible (16, 24, 32, 64 bits voir plus) pour des signaux d’entrée avec une bande passante modérée.
Ces convertisseurs sont très adaptés à la conversion de signaux analogiques issus de capteurs dont la bande passante est souvent faible (par exemple les signaux audio). Les convertisseurs Sigma/Delta sont, par exemple, utilisés dans les lecteurs de CD.

6-Convertisseur flash (ou par comparaison directe)

Le principe est de générer 2^N tensions analogiques au moyen d’un diviseur de tension à 2^N +1  résistances. Les  2^N  tensions obtenues aux bornes de chacune des résistances est ensuite comparé dans 2^N  comparateurs au signal à convertir. Un bloc logique combinatoire relié à ces comparateurs donnera le résultat codé sur  N bits en parallèle. Cette technique de conversion est très rapide, mais coûteuse en composants et donc utilisée pour les applications critiques comme la vidéo.
Les convertisseurs Flash ont des temps de conversion inférieurs à la microseconde mais une précision assez faible (de l’ordre de la dizaine de bits). Ce convertisseur est souvent très cher.

Avantage : 

     Rapide est simple. 

Inconvénient :  

     Manque de précision

3- Caractéristiques générale des convertisseurs A / N

Les caractéristiques générales des convertisseurs analogique / numérique sont du même type que celles correspondant aux convertisseurs N / A. On peut donc se reporter à la leçon précédente. Nous avons vu néanmoins que le temps de la conversion analogique / numérique peut être plus ou moins important ; c’est donc un élément essentiel dans le choix du convertisseur.

Un CAN est caractérisé par :

– sa résolution : elle est fixée par le nombre de bits de conversion

– sa précision : elle est fixée par les valeurs des seuils Vk . Les seuils déterminent la linéarité du convertisseur. En général, la précision est de (1/2) LSB (Least Significant Bit), la dimension d’une plage est alors comprise entre 1/2 et (3/2) LSB. Un bon CAN n’a pas de code manquant (no missing code), c’est à dire que toutes les configurations binaires existent, la Fig. 24 montre un CAN avec et sans code manquant.

– son temps de conversion : il est fixée par la structure du CNA

– sa pleine échelle (Full Scale Range FSR) : c’est la tension maximum acceptable, FSR= 2Nq pour un convertisseur linéaire.

Les principales caractéristiques d’un convertisseur:

• quantum (1/2ⁿ)
• linéarité
• pleine échelle 2ⁿ-1
• précision 1/2 quantum ou 1 LSB en général

 ▪  Monotonie c’est à dire l’absence d’erreur de codage faisant qu’un code correspondant à une augmentation de l’entrée de 1 quantum ne soit inférieur au précédent, en d’autres termes caractéristique correspondant au fait que les codes successifs sont constamment croissants. 

 ▪  Temps de conversion : temps au bout duquel une valeur stable est obtenue à 1/2 quantum près.

Version numérique: