LIAISON REFERENTIEL B.32 Le conditionnement du signal
Thèmes : I3 – Liaison entre chaîne d’énergie et chaîne d’information
                  I4 – Transformation d’une grandeur physique à mesurer en une                                              grandeur mesurable par capteurs analogique ou numérique

Centre d’intérêt : CI9 Acquisition et conditionnement des informations

TP et TD associés : TP-B32-xx, TP-B32-xx

 

 

 

 

 

I- PRESENTATION - DEFINITION :
            La chaîne d’énergie exploite les informations qui proviennent de la chaîne d’information. Ces informations sont acquises par des capteurs dont le rôle est de transformer une grandeur physique en une grandeur mesurable. La grandeur mesurable peut être obtenue sous deux formes

1. Analogique
2. Numérique  

            Si le traitement est numérique et que l’information est analogique il faut dans ce cas une conversion Analogique/Numérique (CAN). Si le traitement est numérique et si les ordres de la chaîne d’énergie doivent être analogiques, dans ce cas une conversion Numérique/Analogique est nécessaire (CNA).

            Principe d’une chaîne de conversion dans un processus

 

II- RAPPEL : DEFINITIONS DES SIGNAUX

         II-1-Signal analogique :
                        Un signal est dit analogique si l’amplitude de la grandeur porteuse peut prendre une     infinité de valeurs dans un intervalle donné. C’est une fonction continue du temps. La grandeur            analogique est  représentative d’une tension d’un courant.

            II-2-Signal binaire :
                        Un signal est dit binaire si l’amplitude de la grandeur porteuse de l’information ne peut             prendre que deux valeurs.

           

            II-3-Signal numérique :
                        Un signal numérique est un signal dont l’amplitude donnée à un instant est représentée par       un nombre binaire

III- CONVERSION NUMERIQUE ANALOGIQUE :
            III-1-Définition.
                        Un convertisseur Numérique/Analogique est un circuit hybride qui, à une information   numérique d’entrée N codé suivant un certain protocole, fait correspondre en sortie un signal             analogique S. N représente le « mot binaire » codé sur n bits. S représente le signal de sortie.

            III-2- Quantum :
                        Le quantum noté q correspond à la quantité élémentaire de variation du signal de sortie. On    appelle aussi « pas » de progression ou incrément de sortie

            III-3- Résolution :
                        La résolution est donnée par le nombre de bits n que le convertisseur peut accepter sur ses     entrées (caractérise le mot N à convertir). C’est le rapport q/PE en % ( PE étant la pleine échelle,
            valeur analogique max. que peut prendre le convertisseur)

            III-4-Code de conversion :
                        L’écriture du nombre N peut se faire suivant deux modes de représentation, ou code :                         - le code unipolaire
                        - le code bipolaire

III-5- Code unipolaire :
            L’écriture du mot binaire N est le binaire naturel. Ce code permet d’obtenir en sortie du convertisseur une grandeur qui est toujours de même signe (positive ou négative)

            III-6- Code bipolaire :
                        L’écriture du mot binaire N est le binaire décalé ou binaire signé (binaire avec signe ou            complément à 2). Ce code permet d’obtenir en sortie du convertisseur une grandeur (tension ou
            courant) qui peut prendre des valeurs positives et négatives.

         III-7- Exemple de convertisseur :

 
                   La table de vérité est la suivante 

         III-8- Applications :
III-8-1- Soit un convertisseur NA de 5 bits. Quand l'entrée vaut 10100 le courant de sortie    vaut 10 mA. Calculer le courant de sortie pour une valeur de 11101.

III-8-2- Soit un convertisseur NA de 5 bits. Quand l'entrée vaut 00001 la tension de sortie     vaut 0,2 volts. Calculer la tension de sortie maximum ?

III-8-3- Un convertisseur de 10 bits à un pas de progression de 10 mV déterminer la             tension pleine échelle et la résolution en pourcentage.

IV- ETUDE INTERNE DU CONVERTISSEUR N/A :

         La structure interne de ces convertisseurs est basée sur l’utilisation d’AOP montés en sommateur. (d’autres montages sont possibles)

Calculer la tension maximum de sortie de ce convertisseur après avoir complété le tableau (la tension d’alimentation est de 5 volts).


V- AUTRE CONSTITUTION :

            Le CNA précédent est un convertisseur de tension la sortie est inversée, mais on peut utiliser d’autre type de convertisseur. Le convertisseur N/A de courant à l’image du DAC 0800. Dans le montage suivant exprimer le courant de sortie avec et sans Rf. Quelle remarque peut-on faire.convertisseur N/A de tension par la mise en place d’un ampli opérationnel

L’influence de la résistance Rf est loin d’être négligeable, pour palier à cet inconvénient on transforme ce convertisseur N/A de courant en monté en convertisseur courant/tension

 

 

 

 

Et Vs=-If x Rf

VI- APPLICATIONS DES CNA :
            Dans la régulation. La sortie d’un ordinateur ou d’une carte numérique peut être convertie en un signal analogique pour réguler une grandeur électrique, le courant ou la vitesse, ou bien une température dans le cas d’un four.

VII- CONVERSION ANALOGIQUE/NUMERIQUE :
            VII-1-Définition :
                        Un convertisseur analogique numérique est un circuit hybride qui transforme une grandeur       analogique d’entrée E (souvent une tension) en une valeur numérique N exprimé sur n bits. N       représente le mot binaire délivré en sortie du convertisseur qui est l’image de la grandeur
            d’entrée E. La conversion A/N est généralement plus difficile que la conversion N/A. On y fait            appel à un CNA, des portes logiques, une horloge, des compteurs ou des registres.

            VII-2- Quantification :
                        Cette opération consiste à discrétiser la grandeur électrique d’entrée, c’est à dire que le          signal analogique sera réduit en un nombre fini de valeurs par une opération de prélèvement appelée échantillonnage. Les valeurs d’entrées issues de cet échantillonnage sont quantifiées. On      obtient alors des grandeurs multiples d’une quantité élémentaire q appelé quantum.

            VII-3- Codage :
                        A chaque valeur (issue de la quantification) de la grandeur d’entrée, cette opération associe    un mot binaire de sortie. Avec un codage sur n bits on obtient alors 2n valeurs possibles en    sortie.

         VII-4- Structure d’un CNA :


Explication du fonctionnement:
Une impulsion sur l'entrée "commande début" démarre le cycle, à la cadence déterminée         par l'horloge l'unité de commande modifie sansarrêt le contenu du registre (c'est un compteur). Le signal numériqueest convertit en tension analogique Va' par le convertisseur NA, le   comparateur compare cette tension à la tension de mesure tant que Va >Va' la sortie du     comparateur reste à 1. Dès que Va<Va' le comparateur change d'état et bloque l'unité de             commande. Il ne reste plus qu'a lire numériquement la valeur de la tension Va.

Quel est l'inconvénient de ce convertisseur.
            On ne connaît jamais la valeur exacte de Va. De plus il faut savoir que le temps de      conversion de ce type de convertisseur dépend de la grandeur à convertir et donc ne convient pas     aux systèmes dons la grandeur d’entrée varie rapidement.

VII-5- Convertisseur A/N à approximation successives.
            Il est appelé aussi convertisseur à pesée car il utilise la méthode employée pour la pesée de     solides. Ce type de convertisseur est l’un des plus utilisé car il possède un bon compromis prix,     précision, temps de conversion. Il est de conception plus complexe que le CAN à rampe.

            Principe de fonctionnement.
            La logique de commande place le bit de poids fort (MSB) à 1 et les autres à zéro. Si Va' est plus       grande que Va l'amplificateur bascule à zéro ce qui ramène le bit de poids fort à zéro dans le cas        contraire il reste à 1. La logique de commande fixe alors le bit immédiatement à droite à 1. On
obtient une  nouvelle valeur de Va' si Va' est plus grande que Va l'amplificateur passe à zéro afin         de ramener le bit à zéro dans le cas contraire il reste à 1. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que le             contenu du registre soit égal à Va. La durée de conversion est liée au nombre de bits du        convertisseur

Il peut y avoir d’autres principes de fonctionnement :
On part du bit moyen et le résultat de la comparaison détermine le bit a mettre à 1 suivant en divisant l’écart par 2.
Exemple :

 

 

 

 

 

 

 

VII-6- Convertisseur A/N flash ou parallèle :
C’est le convertisseur le plus rapide (conversion simultanée) mais aussi le plus complexe du point de vue fabrication. On compare la grandeur d’entrée analogique avec des valeurs prédéfinies et constituant les éléments de comparaison. Il est donc constitué de 63 comparateurs pour un convertisseur de 6 bits et de 1023 pour un de 10 bits.
           
           
           

 

 

            Structure d’un convertisseur flash :

  

Le tableau représente la table de vérité du codeur de priorité. On peut en déduire les équations de chaque sortie et en établir le chronogramme

VIII-EXERCICES :
            VIII-1- Calculer le temps de conversion max. d’un convertisseur de 10 bits à rampe dont la   fréquence de l’horloge est de 500kH. Calculer le temps de conversion pour un convertisseur à           pesée de 10 bits. Commenter les résultats obtenus.

            VIII-2- On propose d'étudier un dispositif de régulation de position au moyen d'un servomoteur.        La commande sera numérique, issu d'un calculateur par exemple, le servomoteur déplace un bras      levier. Le moteur tourne dans un sens ou dans l'autre. Le moteur est arrêté quand le signal     différentiel est nul.

            Schéma d’étude :
Quand le levier est à 0 cm la tension Vp est nulle, quand il est à 25 cm Vp vaut 10v.
Combien de bits doit avoir l'entrée numérique pour obtenir une résolution de 0,25cm
Quel peut-être l'inconvénient du système de mesure.