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Convertisseurs
Analogique -> numérique
ADC
Le monde se compose de valeurs analogiques qu'il faut convertir en valeurs numériques pour pouvoir être utilisées par l'ordinateur. Il y a en gros trois types de convertisseurs: flash, double rampe et bitstream
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Tous les convertisseurs ont besoin d'un signal d'horloge pour effectuer la conversion, c'est une de leurs caractéristiques. Il n'y a pas de convertisseur qui est moins bon ou meilleur, il n'y a que des convertisseurs qui sont plus ou moins bien adaptés à la tâche. Nous expliquons ici les trois grands principes des convertisseurs, sans trop entrer dans les détails de leur réalisation pratique.

Dans les exemples, nous travaillons avec des valeurs numériques en base 10, bien que la plupart des convertisseurs utilisent une base binaire.

Convertisseur flash

Ce convertisseur effectue la conversion en une fois, on l'appelle pour cela aussi convertisseur direct. Il est équipé d'une série de comparateurs qui mesure la valeur par rapport à une échelle de résistances. Supposons que nous devons mesurer une tension de 0 à 10V et que nous avons 10 comparateurs. La valeur à mesurer est 6.459V. Le résultat est de 1111110000 (la tension est supérieure à 6V mais inférieure à 7V).

L'avantage de ce type de convertisseur est sa vitesse: la conversion est effectuée en un cycle d'horloge. Ce type de convertisseur était utilisé pour numériser des signaux vidéo avec un signal d'horloge de 10MHz et une précision de 8 bits (256 niveaux). Comme on recommence une nouvelle conversion à chaque cycle d'horloge, ce type de convertisseur est parfait pour numériser les signaux à flancs raides. Il est actuellement utilisé pour numériser des signaux de radar, pour controler des processus industriels qui doivent être suivis rapidement (coulée continue, laminage,...).

Un inconvénient de ce type de convertisseur, c'est que le nombre de comparateurs augmente au carré avec la précision voulue, ce qui rend le convertisseur très complexe s'il faut une précision élevée.

Certains types de convertisseurs font une seconde mesure avec un champ réduit. Dans notre exemple, le convertisseur va effectuer une seconde mesure avec deux tensions de référence de 6 et 7V (et produire un résultat 1111000000, donc "quelque chose entre 6.4 et 6.5").

Le nombre de conversions avec une gamme à chaque fois plus réduite est limitée par la précision des sources de tension et des comparateurs et ce système n'est presque pas utilisé dans cette forme. Par contre on retrouve des systèmes où on détermine une gamme, par exemple 6 à 7V et puis on s'approche par approximations successives en divisant à chaque fois la gamme en deux: 6-7, 6-6.5, 6.25-6.5, 6.375-6.5, 6.4375-6.5, 6.4375-6.46875. Un comparateur binaire est plus facile à réaliser qu'une série de comparateurs.

La conversion en plusieurs étapes ajoute une complication importante au circuit et n'est que rarement utilisée, quelle que soit la forme de la seconde étape.

Le convertisseur travaillant à grande vitesse, on peut ajouter un dither (ya pas vraiment de bonne traduction), il s'agit d'un léger signal aléatoire qui va faire que la mesure n'est pas toujours la même (résultat soit 6, soit 7V). Le bruit de fond doit être supérieur à la précision du convertisseur pour avoir un effet. En combinant le résultat d'une dixaine de mesures (moyenne arithmétique), on obtient une précision accrue tout en n'investissant pas dans un convertisseur plus précis et donc plus cher.

Un autre système où on utilise la rapidité du convertisseur, c'est un système où on retranche la mesure numérique de la valeur effective et on ajoute la différence à l'entrée du convertisseur. Comme on dispose d'une série de résistances il est facile de les utiliser à la fois pour faire une conversion numérique et pour retransformer la valeur numérique en valeur analogique. On ajoute ainsi un dither qui va réduire l'erreur de la conversion.

AvantagesInconvénients
Très rapide, suit immédiatement le signalPrécision limitée
Peut servir à la fois comme convertisseur A->N et N->AComplexe, consommation la plus élevée
Utilisation: convertisseurs vidéo et puis numérisation de divers signaux (radar, processus industriels rapides)

Convertisseur double rampe

Le convertisseur à double rampe se compose d'un condensateur qui est chargé et déchargé par deux sources de courant constantes, d'un comparateur et d'une minuterie. La minuterie est mise à zéro et la charge commence à partir d'un niveau bas (par exemple 0V) et continue jusqu'à ce que la tension sur le condensateur dépasse la tension à mesurer. Le condensateur est alors déchargé. Le cycle est terminé quand la tension repasse par le niveau bas.

Dans l'exemple, nous mesurons une tension rouge et une tension bleue. Le cycle de comptage demande 417µs pour la tension bleue et 768µs pour la tension rouge.

C'est un convertisseur très simple mais relativement lent et le temps mis pour la conversion n'est pas fixe. Il ne faut ajouter que peu de composants pour mesurer une seconde tension. La valeur accumulée dans la minuterie est une valeur qui correspond linéairement avec la tension à mesurer. Ce type de convertisseur est souvent utilisé dans les multimètres numériques où la vitesse de conversion ne doit pas être importante.

On utilise une double rampe pour réduire les erreurs dans la partie analogique. Ce convertisseur permet une précision importante.

Ce type de convertisseur existe en plusieurs versions, par exemple où c'est la tension à mesurer qui charge le condensateur à travers d'une résistance et où le palier de commutation ext fixe.

AvantagesInconvénients
Haute précisionLent
Simple et faible consommationTemps d'échantillonage indéfini (mais limité)
Utilisation: multimètres et autres types d'afficheurs

Convertisseur bitstream

Ce convertisseur ressemble fort au convertisseur double rampe avec un condensateur, un niveau bas et un niveau haut. Le condensateur est chargé via une résistance qui est connectée soit au niveau haut si la tension au condensateur est inférieure à la tension à mesurer, soit au niveau bas dans le cas contraire. Il est important de noter que le condensateur est chargé via une résistance et non via une source de courant (charge et décharge logaritmique). Avec une source de courant il n'est pas possible de déterminer la valeur exacte de la tension, le résultat de la conversion tendant vers 1010101010101010 quelle que soit la valeur à numériser.

A chaque top de l'horloge, l'interrupteur est basculé si nécessaire et le convertisseur fournit un bit 1 si la résistance est branchée au niveau haut ou un 0 si elle est branchée au niveau bas.

Nous obtenons un flot de bits dont la valeur (mesurée sur un nombre important de bits) représente la valeur à mesurer.

C'est le type de convertisseur le plus simple qui soit et on peut obtenir avec le même convertisseur des mesures très rapides (mais de précision moindre) ou des mesures plus espacées dans le temps (mais plus précises).

Ce type de convertisseur est principalement utilisé dans la numérisation de signaux audio où on utilise une fréquence d'horloge de plus de 10MHz. Ces signaux n'ont pas de flancs raides qui mettraient à mal les approximations successives.

La précision est moyenne mais permet aisément de calculer une dérivée en comparant une fenètre récente avec la fenètre précédente.

Il faut beaucoup de bits pour donner une mesure, car chaque bit a un même poids. Il faut cent mille mesures pour arriver à la précision d'un bon convertisseur dual slope. Pris individuellement, un bit ne représente que du bruit.

Une version un peu plus évoluée est appellée convertisseur sigma-delta où on renvoie le bit à l'entrée, delta pour la différence valeur approximative calculée moins valeur à numériser et sigma pour la sommation des bits (moyenne). Cette amélioration permet de suivre plus rapidement un signal changeant.

AvantagesInconvénients
Simple, fonctionalités ajoutées par logicielSuit le signal avec un retard, pas adapté pour les signaux à flancs raides
Précision élevée ou mesure rapideApproximations successives: beaucoup de mesures nécessaires pour obtenir une moyenne valable
Utilisation: convertisseurs audio

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