OBJECTIF : Tracé de la caractéristique dynamique d'un C.N.A. - Mesure de la résolution analogique et influence du nombre de bits
PUBLIC :
Elèves de Seconde option M.P.I.
MATERIEL: AOP, oscilloscope numérique et Interface Fast lab (Eurosmart) LOGICIEL: Synchronie 2000 (Eurosmart)
METHODE :
Premier partie : Utilisation d'un compteur intégré (circuit 4024) et observation des tensions de sorties.
Deuxième partie : Réalisation d'un convertisseur à résistances pondérées (ou réseau R/2R).
Troisième partie : Acquisition de la caractéristique dynamique du CNA , influence du nombre de bits.
AVANTAGES : Utilisation d'un simple circuit intégré pour le compteur. Acquisition rapide pour montrer l'influence du nombre de bits.
DIFFICULTES: Réalisation du montage en n'utilisant pas de maquette précâblée.
Configuration du logiciel et graduation de l'axe des abscisses (nombre binaire).
AUTEUR DU DOCUMENT :
André Méraud Lycée d’Arsonval 65 rue du Pont de Créteil 94107 Saint-Maur Cedex
MANIPULATION
Un convertisseur numérique-analogique (C.N.A.) transforme un nombre binaire d'entrée [N]
dont la valeur décimale est N en une grandeur électrique proportionnelle à ce nombre : uS = k N.
ð Un "mot" binaire [N] de n bits peut s'écrire : N an1,an2,..., ,a a1 0 ð Sa valeur décimale est N2n1an12n2an2 ... 21a120a0. ð Sa valeur décimale maximale vaut Nmax 2n 1.
A. Etude du compteur CMOS 4024
1 2 3 4 5 6 7
8 9
10 11
12 13
14
H GND GND
(Reset)
V = +5 V Qo Q1 Q2
Q3
compteur 4024
On utilisera les sorties Qo, Q1, Q2 et Q3 pour réaliser un compteur binaire 4 bits.
Alimenter le circuit sous la tension continue V = +5 V
Appliquer à l'entrée H (horloge) un signal rectangulaire de fréquence 1 kHz variant entre 0 et +5V.
Observer en concordance de temps à l'oscilloscope les chronogrammes de H et des sorties Qo, Q1, Q2 et Q3
Vérifier que les fréquences sont dans un rapport simple
Vérifier que les changements d'état des sorties ont lieu sur un front descendant de l'horloge.
#
[N]
uS S iS
B. C.N.A. à réseau de résistances pondérées 1. Montage
+
_
M
R
uS
S
8 R 4 R 2 R R
Eo E3 E2 E1
2. Etude théorique
Démontrer la relation :
0
0 1 1 2 2 3 3
S 2 2 2 2
8
V a a a a
u
En déduire la valeur maximale Umaxde la tension de sortie et le quantum q, ou résolution analogique, correspondant au bit de poids le plus faible du convertisseur.
3. Caractéristique de transfert uS = f(N) : étude dynamique Convertisseur 4 bits :
Relier les sorties Qo, Q1, Q2 et Q3 du compteur aux entrées Eo, E1, E2 et E2 du convertisseur.
Observer, à l'oscilloscope, la tension de sortie uS(t) du convertisseur A
cquisition avec l'interface Fast-Lab et le logiciel Synchronie 2000 (Eurosmart)
Appliquer la tension de sortie uS sur l'une des entrées analogiques de l'interface.
Lancer le logiciel "Synchronie" et lancer l'acquisition avec les paramètres de configuration
"par défaut".
Observer le graphe et modifier la configuration afin d'observer une rampe avec un déclenchement satisfaisant.
Légender le schéma en faisant apparaître en abscisses les grandeurs numériques.
Mesurer la valeur maximale Umax, en déduire le quantum q.
4. Influence du nombre de bits
Modifier le montage afin d'effectuer la conversion sur 3 bits., puis 2 bits en ne conservant que les entrées (E3, E2, E1) puis (E3, E2)
Convertisseur -Umax q
4 bits 9,1 V 0,61 V
3 bits 8,44 V 1,2 V
2 bits 7,25 V 2,4 V
Oscillogrammes : CNA 4 bits et signal d'horloge :
Cet oscillogramme a été réalisé avec un oscilloscope numérique HP54600 et la copie d'écran (au format PCX) avec le logiciel HP BenchLink. On peut mettre en évidence le changement de mot binaire sur les fronts descendants de l'horloge (dans ce cas la sortie Qo du compteur).
L'acquisition peut être réalisée avec Synchronie en utilisant 2 voies analogiques.
Remarques : Pour obtenir une rampe positive, il suffit de placer un montage inverseur à la sortie du convertisseur. Le convertisseur à résistances pondérées peut être remplacé par un réseau R/2R.
