convertisseurs 2/2

Convertisseur Analogique Numérique à rampe

Les convertisseurs analogiques numériques ont sensiblement les mêmes caractéristiques que les CNA, mais en plus il faudra tenir compte de leur impédance d'entrée, de leur RRMC puisqu'ils vont se trouver souvent reliés soit directement à un capteur, soit le plus souvent après un préamplificateur. A la différence des CNA ils sont le plus souvent en mode série. Les convertisseurs à rampe sont les premiers à avoir été imaginés. Ils sont basés sur la comparaison entre le signal inconnu et une rampe de tension connue.

simple rampe

Le principe est très simple: le signal échantillonné V_X est mémorisé et isolé sous forme analogique dans un dispositif capacitif dit bloqueur. Au temps t₀ on déclenche simultanément :

une porte reliant le signal V_X bloqué et un comparateur
une rampe de tension V_S conçue autour d'un intégrateur et envoyée vers l'autre entrée du comparateur
une porte ET permettant la transition d'un signal d'horloge de période T vers un compteur, cette porte ET possède 3 entrées : l'une de contrôle mise à 1 à l'instant t₀, l'autre issue du comparateur est aussi à 1 au temps t₀ et enfin la troisième reçoit le signal d'horloge qui est donc normalement transmis.

Fig. principe du convertisseur simple rampe

Lorsque la rampe de tension qui varie donc linéairement avec le temps atteint la valeur V_X, à l'instant t₁, le comparateur change d'état, sa sortie passe à zéro et la porte ET ne transmet plus les impulsions d'horloge. Le contenu du compteur, égal au temps écoulé depuis t₀, est alors directement proportionnel à V_X.
En effet la sortie de l'intégrateur est du type V_S= -E(t/RC) où t est le temps écoulé depuis l'enclenchement du processus.

Fig. correspondance temps-tension

si N est le nombre de périodes d'horloge comptées on a V_X= -E (t₁-t₀)/RC = NT.

Fig. cas d'une tension négative

Dans le cas où V_X n'est pas de même polarité que V_S on devra employer un double comparateur. La rampe débutera alors à -V, mais le comptage ne débutera , pour les valeurs négatives, que lorsque V_S = V_X et s'arrêtera alors pour V_S = 0. Pour les valeurs positives de V_X le comptage démarrera quand la rampe passera à 0 et s'arrêtra comme dans le cas précédent quand on aura V_S = V_X. Le montage permettant ce double comptage implique un circuit ou exclusif doublé d'un inverseur sur les sorties des comparateurs reliées à la porte ET.

Fig. convertisseur à double comparateur

propriétés de ce type de CAN:

simplicité et économie du principe
précision 10^-3
mais sensibilité au bruit
variation de RC avec la température
nécessité d'une horloge stable et surtout d'un intégrateur de qualité
la résolution augmente avec la fréquence mais elle résulte en fait d'un compromis entre diverses contraintes contradictoires.
le temps de conversion est variable
rappelons qu'une erreur sur la fréquence d'horloge se traduit par l'équivalent de l'erreur de gain dans le CNA et qu'une erreur de synchronisation entre l'ouverture de la porte ET et l'instant de démarrage de l'intégration se traduit par un offset..
une autre source d'erreur est liée à la précision de l'instant d'échantillonnage. En effet sur un convertiiseur procédant, par exemple à un échantillonnage toute les microsecondes une fluctuation de l'horloge de quelques centaines de picosecondes n'est pas rare, il en résulte que les mesures ne sont pas espacées correctement dans le temps et, si le phénomène suivi est fortement variable, une incertitude supplémentaire du même ordre de grandeur que les autres sources d'erreur.
En outre l'échantillonneur bloqueur introduit une autre difficulté : il comporte généralement deux amplificateurs suiveurs, l'un en entrée et l'autre en sortie alternativement reliés au condensateur de mémorisation. Sachant qu'un tel ampli-op nécessite 150 ns pour se stabiliser et que les MOS de commande des divers dispositifs qui doivent être synchronisés nécessitent 10 ns pour conduire, on voit qu'il faudra anticiper de 140 ns la commande de sortie de l'échantillonneur pour garantir l'application de V_X à l'entrée du comparateur simultanément au démarrage de l'intégrateur (sinon il y a risque de fluctuations aléatoires du comparateur, voire d'arrêt immédiat du comptage).
Enfin la qualité du comparateur est essentielle, il faut qu'il bascule exactement à l'égalité de ses deux entrées et que ce basculement soit instantané, c'est à dire que sa sortie doit avoir un front parfaitement raide, sous peine de rajouter quelque(s) quantum(s) d'erreur supplémentaire avant la fermeture de la porte ET et l'arrêt du comptage.

double rampe

Pour s'affranchir des principaux défauts du système à simple rampe, on a imaginé un système à double rampe. On applique la tension à mesurer à un intégrateur pendant un temps prédéterminé ₁ = N₁T on obtient alors une tension V₁ = -V_X₁/RC.

Fig. principe de la double rampe de tension

Puis on commute l'intégrateur sur une tension de réf E de polarité opposée à V_X. V_S va alors décroitre linéairement de V₁ jusqu'à 0 et on compte ce temps de décroissance on obtient évidemment V₁ = -E N₂T/RC. En égalant les deux relations on obtient V_X = E N₂/N₁et le résultat ne dépend plus de RC.

caractéristiques:

précision environ 10^-5
nécessité d'une réf de tension stable et d'un comparateur de qualité
si ₁ est un multiple de 20ms on élimine l'influence du 50Hz
l'inconvénient est évidemment qu'alors le temps de conversion est supérieur à 20ms ce qui est souvent excessif.
notons le risque de dérive du zéro de l'intégrateur.
et la nécessité d'un organe de calcul numérique pour obtenir V_X

rampe numérique

La rampe de tension peut être générée non par un intégrateur mais par un CNA alimenté via un compteur. Ce montage est intéressant puisqu'il aura la linéarité et la stabilité du CNA ce qui est plus facile à garantir que celle d'un intégrateur à circuit RC. La sortie du CNA sera comparée à la tension à convertir, et le comparateur en changeant d'état lors de l'égalité arrêtera le comptage.

fig. convertisseur à compteur de rampe

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	AVERTISSEMENT				dernière mise à jour 18 mars 2013

CAN à simple rampe analogique	le grand principe
CAN à double rampe	une méthode plus fiable
CAN à rampe numérique	encore plus linéaire
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CONVERSIONS numérique-analogique et analogique-numérique deuxième partie (2/3) : CAN

Convertisseur Analogique Numérique à rampe

simple rampe

rampe numérique

CONVERSIONS numérique-analogique et analogique-numérique
deuxième partie (2/3) : CAN