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Jusqu’en 1960-1970 : Traitement du signal analogique
• Manque de fiabilité des résultats • Dérives et dispersions des caractéristiques des composants • Etude difficile et approximative (multi capteur, nonlinéaire) • Introduction d'artefacts - parasites - (bruits propre/externe) • Coût/Réglage des prototypes • Coûts élevés de construction en série Nombre de composants discrets analogiques à faible densité d'intégration : R, C, etc. Depuis 1970 : Avènement du microprocesseur (les convertisseurs sont apparus dans les 60’s )
CAN / CNA : Historique & Généralités
3
Temps Amplitude
Continu
Discret
Continue Discrète
Signal analogique Signal quantifié
Signal numérisé Signal échantillonné
Calculateur
Filtre analogique / ampli
Après échantillonnage et discrétisation, on peut associer
un mot binaire au signal
Variante : échantillonné-bloqué
Sortie d’un Echantillonneur
/ Bloqueur
Signal logique idéalisé
Monde réel macros.
Du signal continu au signaux numérisés
Monde physique
Monde physique
Calculateur Stockage
Traitement
CAN ADC
n
CNA DAC m Signal est continu
en temps & amplitude
Signal discrétisé en temps et amplitude
Données numériques
Entrées => CAN / CNA => Sorties
Filtre antirepliement
E / B CAN
Contrôle
n bits
Signal Multiplexeur
analogique
Chaîne d’entrée
Cap
teur
s
CNA
Contrôle
Filtre de lissage m bits Ampli.
Actionneurs
Chaîne de sortie
Capteurs Réceptions Actionneurs
Transmission Affichage
Signal est continu en
temps & amplitude
6
Système industriel
Multiplexage éventuel (multi capteurs, système réparti )
Système lent Calculateur rapide
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Féchantillonnage
FEchantillonnage
Théorême de Schanonn
Féchan. > 2*Fmax
Filte Anti repliement
Fmax
Bruit HF
E / B Filtre anti-repliement
CAN Entrées analogiques Multiplexeur
analogique
Féchan.< 2*Fmax
Il y a repliement
Fréquence d’échantillonnage?
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Echantillonneur Bloqueur (E/C ou S/H)
Principe : Echantillonne, en fermant T1, en chargant C, puis on bloque (ouvrant T1), enfin avant la prochaine acquisition, on décharge C (T2 Fermé)
T1
T2
Cde Echan. Cde R.à.Z
Signal à temps continu
Signal échantillonner
Signal d’entrée analogique
Signal échantillonné-bloqué
I1
Cde Echan.
Signal à temps continu
Signal échantillonner +
-
+ -
ZO (i-1)
VSig.
VIn ZL
C VOut
ZIn (suiveur) =Ad.Zd~∞
VIn = VSig ZO(i-1)<<ZIn (E/B)
VOut = VSig.(te) ZL>>ZO (E/B)
Pas de décharge (Zi2~ ∞) Faible temps de charge (Zo1.C~0)
ZOut (suiveur) =Zo/Ad
qques µΩ
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Interrupteur analogique Inter. analog
C
Cde Echan.
Signal continu en temps
Signal Échan.
Cahier des charges : Faible impédance série qd l’Inter. Ouvert (<100Ω)
Forte impédance qd l’Inter. ouvert (>1GΩ) Conduction bidirectionnelle (signaux alternatif)
Faible puissance de commande (qques µW) Temps de fermeture/ouverture réduit (µs)
multiplexeur
Sélection d’une entrée sur 2n
n = nbes de bits d’adressage
Exemple de multiplexeur : 8 voies (NOi) vers une (COM),
3 bits d’adressage
E/B
Structure interne d’un Interrupteur analogique (CMOS)
Conduction bidirectionnelle ⇒ grâce à la conduction dans le
NMOS et PMOS
18 18
Interrupteur analogique réel Cahier des charges : Faible impédance série (Inter. Ouvert) Zon<100Ω Forte impédance (Inter. Fermé) Zoff >1GΩ) Conduction bidirectionnelle (signaux alternatif) Faible puissance de commande (qques µW) Temps de fermeture/ouverture réduit (µs)
Ron
Ioff
FC
-3dB
Protection ESD
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Choix du filtre anti-repliement
Attention à la réponse
temporelle (retard et
ondulations) et à la phase !
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Filtres à capacités commutées Principe :
Petits logiciel de synthèse de filtre :
FilterCAD (linear Technology) Analog Devices
On ajuste la fréquence de coupure fC à l’aide de la fréquence d’horloge externe!
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filtre anti-repliement : 4nd ordre linéaire + filtrage numérique
Après filtrage numérique, la décimation consiste à ne
conserve qu’un échantillon sur 6, pour obtenir au final une
fréquence d’échantillage de 8kHz
Chaine d’acquisition multi voies
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Capt.1 Capt.2 Capt.3
Capt.i
Multiplexeur Analogique
Sélect. de voie
Amplificateur à gain et
offset prog.
Mux Av
Voffset
Filtre anti-repliement
prog.
FH
FC= FH /k
Echantillonneur / Bloqueur
Acquisition séquentielle
E/B S/H
Convertisseur Analogique Numérique
CAN ADC
Filt. Ampl.
FEch CdesConv.
N bits Séquenceur µContrôleur
(DSP, µP, µCont.) Mémoire
Cœur numérique de traitement
Capt.1
Capt.2
Capt.3
Capt.i
Multiplexeur Analogique
Sélect. de voie
Amplificateur à gain et
offset prog.
Mux Av
Voffset
Acquisition synchrone Convertisseur
Analogique Numérique
CAN ADC
Ampl.
CdesConv.
N bits Séquenceur µContrôleur
(DSP, µP, µCont.) Mémoire
Cœur numérique de traitement
Filtre anti-repliement
prog.
FH
Echantillonneur / Bloqueur
E/B Filt.
FEch
E/B Filt.
E/B Filt.
E/B Filt.
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• CAN – Principe – Architectures
– flash / semi-flash – à rampe(s) – approximation – pipeline – delta-sigma
– Mise en œuvre – Erreurs et Technologie
• CNA – Principe – Architectures
• directes – R et R/2R – variantes
• indirectes – fréquence et temps – charges
– Mise en œuvre – Erreurs et Techno.
CAN / CNA : Plan de cours
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Dynamique : Variation possible de tension (ou de courant) d’entrée d’un CAN ou de sortie d’un CNA (Dynamique) Résolution : Plus petite tension manipulable (q = Dynamique/(2n-1) ) avec n est le nombre de bits (Entrée CAN ou Sortie CNA) Précision : Différence entre la sortie théorique et effective [%, mV ou lsb] Cadence : Vitesse de conversion en «Sample Per Seconde» (SPS) [ MHz du signal d’entrée pour un CAN] Format : Format du mot binaire (BCD, …) Fidélité : Le fait de donner le même résultat pour une entrée donnée Linéarité (erreur de) : différence entre la courbe idéale et effective
Définition des Caractéristiques
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