| 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 quatre types de convertisseurs: approximation, flash, double rampe et bitstream |
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Les premiers convertisseurs analogique - numérique utilisaient des tubes de conversion ressemblant à un oscilloscope. Le signal à numériser produisait la déflection horizontale des électrons, mais l'écran phosphorescent était remplacé par de petites plaquettes qui recevaient le flot d'électron et produisaient un signal qui pouvait être mis en forme pour fournir un signal numérique.
Dans les exemples, nous travaillons avec des valeurs numériques en base 10, bien que la plupart des convertisseurs utilisent une base binaire. La tension à mesurer est de 6.459V (échelle de 0 à 10V).
Convertisseur à approximations successives
Le convertisseur se compose des éléments suivants: un circuit sample and hold qui va fixer la valeur à mesurer pendant toute la durée de l'échantillonage, un comparateur, un convertisseur numérique analogique et un régistre d'approximation.
La conversion commence avec une valeur à mi-course, donc en pratique avec le bit de poids le plus significatif étant 1. La valeur est envoyée au convertisseur numérique-analogique et produit un résultat de 5V. La tension a mesurer étant plus importante que la tension produite, on garde le bit à un. On met le bit de poids juste inférieur à 1 (donc 11xx xxxx), ce qui nous donne une valeur de 7.5V. Le convertisseur fournit maintenant une valeur trop élevée. On remet le bit à 0. Les bits 'x' sont des bits qui n'ont pas encore été attribués et qui ont une valeur de 0. On continue avec le bit suivant, donc 101x xxxx, ce qui nous donne une valeur de 6.25V. La valeur étant trop basse on laisse le bit à 1. On continue avec le bit suivant, donc 1011 xxxx, ce qui nous donne une valeur de 6.875V, trop élevée. On remet le bit à zéro et on continue. On continue avec le bit suivant, donc 1010 1xxx, ce qui nous donne une valeur de 6.562V, trop élevée, on remet le bit à 0 et on continue. En fin de conversion, on envoie la valeur calculée sur le bus de sortie. Ce système est basé sur le fait que la conversion numérique - analogique est plus aisée que la conversion analogique - numérique. La conversion est lente, mais le temps nécessaire à la conversion est fixe. Dans certaine applications où il faut mesurer une valeur qui change très graduellement on commence à partir de la dernière valeur mesurée.
La conversion commence par un reset où tous les condensateurs sont déchargés (interrupteurs de valeur à la masse et sortie à la masse). Pour produire un signal analogique on met certains bits à 1 selon la valeur à produire. Il se produit un équilibre des charges et la tension passe par un sample and hold puis est envoyée au comparateur.
Convertisseur flash
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,... 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.
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 détermine le courant pour charger le condensateur et où le palier de commutation ext fixe. Le premier type de convertisseur (déjà développé avant la seconde guerre mondiale) était un convertisseur de ce type, mais à simple rampe qui n'était pas précis. Il n'était pas utilisable pour des applications pratiques.
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 dérive 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.
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Le convertisseur numérique - analogique est simple en comparaison. Dans les convertisseurs à composants discrets on utilise des résistances de valeurs précises (les résistances peuvent être fabriquées avec de très faibles tolérances). Dans les circuits intégrés on utilise des condensateurs qui sont plus faciles à fabriquer dans un circuit intégré. Le système est réalisé par des condensateurs de valeur déterminée et progressive (par exemple 1pF, 2pF, 4pF, 8pF, 16pF...)
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. C'est le système le plus utilisé de tous les systèmes possibles pour augmenter la précision.
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