2. Les différents méthodes de conversion
2.2. Les CAN par approximations successives
2.2.1. Principe :
Ce système reprend la méthode décrite précédemment . La différence provient du fait que le compteur est remplacé par un programmateur.
Ce programmateur va successivement proposer au comparateur des mots binaires (par la méthode dichotomique)
2.2.2. Explication
Initialement, le programmateur met le bit de poids fort à 1 (MSB) les autres étant à 0 : le comparateur fait la comparaison.
· Si la sortie du CNA est plus grande que Va : le MSB est mis à 0 et le bit immédiatement inférieur est mis à 1 puis comparé.
· Si la sortie du CNA est plus petite que Va : le MSB reste à 1 et le bit de poids immédiatement inférieur est mis à 1 puis comparé.
Un 1 est donc essayé dans chaque bit d'entrée du CNA jusqu'à l'obtention de l'équivalent binaire de Va.
2.2.3. Conclusion
Temps de conversion : Pour un système de N bits, il faut N périodes d'horloge.
Illustration 5: CAN à approximation successive
2.3. Les CAN à comparateurs parallèle (Flash).
2.3.1. Principe
Ce système est le plus rapide de tous les convertisseurs. La figure suivante indique le principe utilisé.
La tension analogique à convertir est appliquée simultanément à un groupe de comparateurs à seuils. Les seuils sont également espacés (ici de V/8 ).
2.3.2. Explication
Les sorties de chaque comparateur à seuils sont au niveau bas (0) si l'entrée est au-dessus de la tension Va.
Les sorties sont au niveau haut (1) si l'entrée est au-dessous de Va.
Exemple : si 2V/8 < Va < 3V/8 alors W1 = &, W2 = 1 et les autres valeurs de Wi sont à 0 (i = 3 à 7)
On s'aperçoit que la table de vérité est celle d'un codeur de priorités 3 bits.
Temps de conversion : il dépend uniquement des comparateurs et du codeur de priorités. (AMD686A (comparateur) + TI147 (codeur) donne un retard de 20ns.)
2.3.3. Conclusion
Illustration 6: CAN flash
L'inconvénient de ce système provient du très grand nombre de comparateur à mettre en œuvre. Pour une conversion sur n bits il faut 2N-1 comparateurs. De plus le codeur de priorités devient complexe.
Afin de limiter le nombre de comparateur on utilise des convertisseurs semi-flash et on effectue la conversion en 2 temps.
2.4. Les CAN à rampe
2.4.1. Principe
On va associé la valeur à convertir à un temps de comptage. On améliore la précision en comptant plusieurs fois.
2.4.2. Explication
La figure suivante représente ce système très répandu.
Considérons le cas unipolaire : Va > 0 et Vr < 0.
Initialement, si S1 est ouvert, S2 est fermé et le compteur est remise à zéro (RAZ).
· A t = t1, S1 applique Va à l'intégrateur et S2 s'ouvre. La tension Va échantillonnée est (et donc constante) intégrée durant un nombre fixe n1 d'impulsions d'horloge.
· Si la période d'horloge est T, l'intégration dure le temps connu défini par T1 = n1 x T.
La forme du signal est représentée ci-après.Dans le cas d'un compteur en cascade de N étages et de n1 = 2N, à l'instant t2 (fin d'intégration de Va) toutes les bascules du compteur lisent 0. Le compteur repasse de lui-même à zéro au bout de t1.
C
· Du fait du fonctionnement du compteur, la tension Vr de référence est automatiquement appliquée à l'entrée de l'intégrateur à t = t2, instant auquel le compteur lit zéro. La tension Vr étant négative, la tension V a une pente positive.
Par hypothèse |Vr| > Va, aussi le temps T2 d'intégration est inférieur à T1. Tant que la tension V est négative, la sortie du comparateur est positive et la porte ET laisse compter les impulsions.
· Lorsque V s'annule, à t = t3, la porte Et est invalidée et aucune impulsion d'horloge n'entre dans le compteur.
V
t1 t2 t3 t4 t
Montrons que la lecture à t3 est proportionnelle Va : on a
Si le nombre d'impulsions accumulées dans l'intervalle T2 est n2, alors T2 = n2 T.
Or T1 = n1 T = 2N T,
|Vr| et N étant constants, la tension Va est donc proportionnelle à la lecture n2 du compteur. Le résultat ne dépend pas de RC.
Le système inclut une séquence logique automatique (non représentée sur la figure) qui remet le compteur à zéro entre t3 et t4, prélève un nouvel échantillon de la tension
lecture Va est obtenue toutes les t3 = t1 + T1 + T2 secondes.
Cette technique est très précise ; les voltmètres numériques à six chiffres traitent les signaux de cette façon. Le compteur alimente un décodeur/pilote de voyant qui rend la sortie visible. On obtient une nouvelle lecture de tension pour chaque cycle de fonctionnement.
Le système à deux pentes est naturellement insensible au bruit en raison de l'intégration du signal d'entrée ; c'est-à-dire qu'on élimine le brouillage omniprésent de 60 Hz en prenant comme temps d'intégration un multiple exact de la période d'entrée.
D'où l'inconvénient évident du système, à savoir le longtemps de conversion de 1/60 s
» 16 ms.
La complexité d'un tel convertisseur analogique-numérique à deux pentes varie selon les exigences de l'utilisateur. Le Datel Intersil ICL7109 est un convertisseur analogique-numérique monolithique à deux pentes 12 bits compatible avec un microprocesseur.
Afin d'améliorer encore la précision il existe des convertisseurs triple rampe.
2.4.3. Conclusion
CAN à rampe : très précis mais lent
2.5. CAN delta sigma
2.5.1. Principe
Les CAN delta sigma travaillent en suréchantillonnage (ils ne respectent pas Nyquist).
La valeur analogique est transformée en suite binaire (1bit codé PCM) dont la valeur moyenne est l'image de l'entrée analogique.
Exemple :
échantillonnage du son : fmax = 22100 Hz on sur-échantillonne à 64 pour 16bits.
2.5.2. Explication
Illustration 7: extrait TI How delta-sigma work part1.
Illustration 8: extrait TI How delta-sigma work part1.
Si le signal croit bit = 1 sinon bit=0.
Ce qui donne :
2.5.3. Conclusion
Le suréchantillonnage permet de diminuer le bruit de quantification.
Ces CAN convertissent parfaitement des grandeurs variants en permanence comme la voix.
On les retrouve maintenant dans de nombreuses autres applications.
2.6. CAN pipeline
2.6.1. Principe
Ce type de CAN utilise des petits CAN flash mis en cascade afin de rapidement convertir la tension d'entrée.
2.6.2. Explication
Ici nous avons 4 étages flash3bits qui donnent en sortie 12bits. La conversion se fait par 3bits à la fois.
Cette technologie travaille de 1Msps jusqu'à 100Msps avec des résolutions de 12 à 24 bits.
2.6.3. Conclusion
La technologie pipeline permet de répondre à la demande entre les SAR (peu couteux, bonne résolution mais peu rapide) et les Flash (cher , résolution moyenne et extrêmement rapide).
3. Comparaison des technologies
Les CAN intégrés correspondent à CAN inclus dans les microcontroleurs.
4. Les CAN : Caractéristiques
Les constructeurs de composants fournissent une palette importante de CAN adaptée à toutes les situations. Ainsi le tableau non exhaustif suivant fournit les caractéristiques de quelques convertisseurs2.
Désignation Résolution Nb de canaux
MAX153 8 1 0.66 µP/8 avec
échantil-lonneur
MAX188 12 8 7.5 série Faible
consommatio n
MAX191 12 1 7.5 série & µP Faible
consommatio n
MAX132 ±18 1 10 ms série
AD574A 12 1 35 µP8 ou 16
Nous allons revenir sur les éléments caractérisants un CAN.
4.1.1. Résolution
La résolution détermine le nombre de bits pour convertir la valeur numérique d'entrée en nombre binaire. La valeur donnée est toujours un maximum.
4.1.2. Nombre de canaux
Il définit le nombre d'entrée possible du circuit, en général de 1 à 8 canaux.
4.1.3. La référence de tension Elle peut être externe ou interne.
4.1.4. Les tensions d'alimentation Deux types : unipolaire ou bipolaire.
2D'après documentation MAXIM et ANALOG DEVICES
4.1.5. Erreur de linéarité
L'erreur de linéarité correspond à la déviation de chaque valeur codée avec une ligne passant par 0 (0000 sur 4 bits) et par la valeur pleine échelle (1111 sur 4 bits).
Elle indique l'erreur réalisée durant le conversion. Elle s'exprime en LSB : ±1LSB, ±1/2 LSB, ±1/4 LSB.
4.1.6. Code manquant (DNL Differential NonLinearity)
Le constructeur peut indiquer qu'un code peut manquer : ±1LSB
4.1.7. Erreur d'offset
Cette erreur qui peut souvent être compensée est aussi exprimée en LSB.
4.1.8. Interfaçage
Série ou parallèle : les 2 permettent la communication avec un microprocesseur. Le mode parallèle étant le plus rapide pour communiquer mais utilisant un grand nombre de liaisons.
4.1.9. Temps de conversion
C'est le temps séparant l'arrivée de la valeur à convertir et sa présence sur le bus de sortie.
Le temps de conversion sur un CAN peut dépendre du mode de fonctionnement choisi parmi les différents modes proposé par le constructeur.
De plus en fonction on a vu que le temps n'était pas fixe et dépendait du type de convertisseur. Les constructeurs donnent donc une valeur maximale.