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28 janvier 2015
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Conversions numérique-analogique et analogique-numérique
3ème partie (3/3) : CAN rapides

convertisseur delta-sigma une durée de conversion figée
CAN à approximations successives une bonne précision
CAN flash la super rapidité
conversion tension-fréquence une autre éventualité
considérations sur le choix d'un CAN >quelle résolution choisir ?
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Convertisseur delta-sigma

Le convertisseur à modulateur delta-sigma est une sorte de CAN à double rampe switchée continument. La charge intégrée dans le condensateur est maintenue nulle en moyenne au moyen d'une boucle de contrôle.Comme le montre la figure la tension VX est additionnée à une tension de référence V alternativement positive ou négative selon la position du commutateur S.

Examinons d'abord la situation en absence de tension VX. Dans ce cas à la sortie de l'intégrateur on a une onde triangulaire symétrique (de faible amplitude, quelques microvolts) synchronisée sur la fréquence d'horloge (f), mais de période double. L'ensemble comparateur bascule D est en pratique équivalent à un détecteur de polarité, puisqu'à chaque signal d'horloge l'état du comparateur induit la sortie de la bascule D qui entraine le changement d'état du commutateur S et donc l'inversion de charge qui se traduit très vite par une inversion de polarité donc un basculement du comparateur qui sera recopié au coup d'horloge suivant, etc.

Le processus a une durée T fixée par le monostable. Il en résulte qu'aux N coups d'horloge pendant ce temps T correspond N/2 changement de la sortie de la bascule D et donc N/2 impulsions transmises au compteur.


Par contre si une tension Vx différente de zéro (positive) est présente une dissymétrie va s'instaurer puisque l'entrée de l'intégrateur sera alternativement V+Vx et Vx-V. La charge sera plus rapide que la décharge. Il en résultera que le changement d'état de la sortie de la bascule D sera lui aussi dissymétrique et par conséquent le nombre n d'impulsions transmises au compteur sera réduit. Un calcul élémentaire montre que . Ce résultat peut être obtenu aisément en exploitant un compteur-décompteur et une logique un peu plus sophistiquée exploitant les deux sorties de la bascule D et deux portes ET différentes l'une pour l'entrée compteur, l'autre pour l'entrée décompteur.

caractéristiques essentielles:

CAN à approximations successives

Il s'agit du principe le plus utilisé actuellement. Le principe est de déterminer les n bits du résultat en n coups d'horloge grâce à une logique générant celui-ci par approximations successives. Examinons le fonctionnement d'un convertisseur 8 bits : Au premier coup d'horloge le programmateur génère le bit de poids fort (le bit 7) à1 et tous les autres à zéro. Le résultat mémorisé dans le registre est transmis au CNA et sa tension de sortie VS (soit 128 fois le quantum) est comparée à la tension inconnue VX. Si VX est supérieur à VS, ce bit est retenu et la logique met alors le bit de rang immédiatement inférieur (le bit 6) à 1 et à nouveau le contenu du registre alimente le CNA dont la nouvelle sortie est comparée à VX. Supposons que VS soit maintenant supérieure à VX, cela signifie que la tension VX est supérieure à 128 fois le quantum mais inférieure à 128+64=192 fois le quantum. Le comparateur change d'état et le bit 6 est mis à 0. on met alors le bit 5 à 1 et on reprend le cycle de comparaison jusqu'à obtenir l'égalité entre VX et VS à 1 digit près, ce qui sera obtenu en huit opérations successives.

Caractéristiques:

CAN flash

Lorsqu'on désire une conversion ultra rapide, pour les applications vidéo par exemple, on pourra utiliser un convertisseur flash ( encore appelé parallèle). Un tel dispositif est basé sur l'emploi de 2n-1 comparateurs associés à un décodeur pour une conversion sous n bits.A titre d'illustration nous donnons l'exemple d'un convertisseur 3 bits à 7 comparateurs (un 8 bits emploierait 255 comparateurs et ne peut être raisonnablement représenté ici, mais le principe est rigoureusement le même).


Le décodeur identifie le comparateur de rang le plus élevé qui a basculé indiquant ainsi la valeur de la tension VX à mesurer et élabore le code binaire correspondant. Le coût d'un tel comparateur est élevé puisqu'il nécessite un grand nombre de comparateurs et un réseau de résistances identiques de grande taille, mais on sait fabriquer de tels dispositifs à 16 bits capable de fonctionner au rythme de 108 échantillons par seconde.

Conversion tension fréquence

C'est une technique assez élaborée qui consiste à transformer le signal continu VX en une tension en dent de scie dont la fréquence est mesurée sur un certain intervalle de temps (soit N périodes) déterminé grâce à un monostable. La dent de scie est obtenue via un intégrateur et un détecteur de seuil : dès que la sortie de l'intégrateur atteint le seuil
Vseuil = VXT/RC, l'intégration est arrêtée et la capacité de l'intégrateur est rapidement déchargée par le biais d'un transistor FET contrôlé par le détecteur de seuil et dont la résistance RON est très inférieure à R, alors le seuil n'étant plus atteint le détecteur change d'état et la charge de la capacité reprend. On obtient ainsi un signal périodique dont la période est inversement proportionnelle à VX.


Fig. principe de la conversion en fréquence

considérations concernant le choix d'un CAN

La mise en oeuvre d'un système d'acquisition implique une réflexion à propos de la résolution numérique à choisir. Celle-ci résulte du meilleur compromis entre plusieure exigences parfois contradictoires. On tiendra compte en particulier du système informatique en bout de chaîne, du langage dans lequel seront éventuellement développés les programmes de traitement, du procédé d'affichage exploité tout autant que de la qualité du capteur et de son conditionnement.


Notons enfin que très souvent on prendra un CAN de résolution supérieure de 1 ou 2 bits à ce dont on a effectivement besoin ce qui permettra en ne tenant pas compte de ces bits supplémentaires de réduire le bruit du au convertisseur.

Ronald Tocci, Digital Systems, Principles and Applications, 3rd edition 1985, Prentice Hall (Cliffs).

Anton Van Putten, Electronic Measurement Systems, IPP (Bristol), 1996.

D. Lewin, Design of logic systems, Van Nostrand Reinhold (New York), 1986.

A. Capolino, Convertisseur tension fréquence à fonction de transfert linéaire, Electronique applications, 1 (1977), pp 19-21

F. Rutkowski, CAN et CNA, Electronique Applications, 3 (1977), pp 97-103