20. Conversion Analogique Numérique
1. Analogique ou numérique ?
a. Petit retour….en arrière
Lors du TP sur le capteur de température :
on a mesuré la température avec une thermistance qui a transformé la température en résistance
on a transformé la résistance en tension ( montage diviseur de tension )
CASSY a transformé la tension ( grandeur analogique ) en grandeur numérique, ce que comprend l’ordinateur.
b. Les différents types de signaux b.1. Signal analogique :
Signal dont l’amplitude varie de façon continue au cours du temps.
Tous les niveaux dans un domaine donné sont permis. C’est le cas de la plupart des paramètres de la physique (température, vitesse, pression…)
b.2. Signal échantillonné :
Ce signal ne prend une valeur qu’à des intervalles de temps réguliers.
L’intervalle de temps entre deux prises d’échantillons est appelé : pas d’échantillonnage (et l’inverse fréquence d’échantillonnage). Plus cette fréquence sera élevée plus on se rapprochera du signal analogique.
b.3. Signal numérique
Un signal numérique est représenté par un nombre binaire, constitué d’éléments binaires (bits). Ce nombre binaire ou « mot » représentera la valeur du signal aux instants imposés par l’échantillonnage.
c. CAN
Dans Cassy, il y a un Convertisseur Analogique Numérique (CAN) qui est un dispositif électronique essentiel de la carte d’acquisition ; il transforme une tension analogique en une suite de codes binaires (0 et 1).
Symbole :
2. Etude d’un CAN
a. Première étape : Echelle de tension
Toutes les résistances R sont identiques : R = 1 k
L'alimentation Uref = 15 V
Déterminer UR, tension aux bornes de R, en fonction de Uref et R. ( aide : revoir le diviseur de tension)
On admet que le courant est nul dans les branches latérales (plus loin on verra que ces branches seront reliées à l’entrée d’un Amplificateur opérationnel donc on a bien I = 0).
On définit alors une échelle de tension dont les
« barreaux » sont égaux à Uref/NR. ( NR : nombre de résistances )
Complément
b. Deuxième étape : la comparaison b.1. Principe
Dans quel cas la DEL s’allume-t-elle ?
b.2. Etude du montage
Réaliser le montage suivant dans Crocodile clip.
Toutes les résistances R sont identiques : R = 1 k.
L'alimentation Uref = 15 V
Les A.O sont alimentés en (+15 V ; - 15 V)
La protection des DELs est assurée par les résistances Rp = 470.
On fait varier U de 0 à 15V
Compléter le tableau suivant : on notera « 1 » la diode allumée, « 0 » dans le cas contraire.
Etat n° Ui > à Ui < à n = nombre de diodes
allumées
Sortie du CAN
DEL4 = A DEL3 = B DEL2 = C DEL1 = D
1 0
2 1
3 2
4 5 6
Pour vérifier : voir le fichier
Pourquoi est-ce un « Voltmètre à DEL » ?
Quelle est la « sensibilité » du dispositif ? (c’est à dire la valeur minimale de U qui permet d’allumer une DEL ?)
Peut-on améliorer cette sensibilité ?
Combien d'états distingue-t-on en sortie du dispositif ?
On définit : le pas de résolution Uref/NR ( NR : nombre de résistances )
En résumé
Si une tension de... (pleine échelle) est découpée par cinq conducteurs ohmiques identiques, il dispose alors d'une... de tension.
Exemple :
Uref = 15V l'échelle est la suivante : 0V,....V ,....V ,....V , ....V , V . Cette échelle a un pas de....V.
Uref = 15 V
Une tension inconnue est... à cette échelle en utilisant quatre ... en comparateurs. Les tensions 3V , 6V , 9V , 12V, sont imposées aux entrées ……….. des AO alors que la tension... est imposée aux entrées non inverseuses. Pour chaque AO, si la tension inconnue est... à la tension de l’échelle, alors la diode électroluminescente (DEL) placée en sortie est allumée. On en déduit un ... de la tension inconnue.
Exemple : si 2 DEL brillent
6V <Ui < 9V soit n =....*(Uref / 5) <Ui < ...*(Uref / 5) Uref / 5 devient le pas ou la résolution du convertisseur.
Nous avons appelé ce montage « le voltmètre visuel ».
c. Troisième étape : Visualisation de la tension à la sortie du CAN c.1.Principe
Supposons que l'ordinateur puisse dénombrer le nombre de DEL allumées.
Connaissant le pas du dispositif, il pourrait alors calculer une valeur de Ui, tension à mesurer. (les interfaces d’acquisition comme CASSY fonctionnent sur ce principe et renferment un CAN).
Mais il y a un problème dans l’information donnée à la sortie du CAN. En effet, dans le tableau ci-dessus, lorsque le CAN donne le mot binaire 0011, il y a en fait 2 diodes éclairées (ou 2 AO comparateurs ayant basculé).
Or l’ordinateur va interpréter 0011 en binaire comme étant un 3 en décimal et non un 2 !
Il faut rajouter un dispositif de codage binaire (décodeur) pour transformer le mot 0011 (3(10) ) en 0010 (2(10)).
Ce dispositif est constitué de portes logiques.
Combien d’entrées et de sorties doit posséder ce dispositif ? Compléter le tableau suivant qui récapitule tous les cas
Codage du nombre de DEL allumées (4 entrées)
Nombre de diodes allumées exprimé en binaire (3 sorties)
A B C D E2 E1 E0
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 1 0 1 0
0 1 1 1
1 1 1 1
Quel dispositif va permettre de transformer les quatre entrées en 3 sorties souhaitées ????
C’est un dispositif à base de portes logiques ….
Vérifier que l’on a :
E2 = A
E1= C EXOR A
E0= (D EXOR C) OU ( B EXOR A)
Rappel :
c.2. En pratique....
Ouvrir le fichier « Can Flash exe » ( U:/ PHY_CHIM/MPI/ Documents) (attention l’échelle des tensions est un peu différente de celle que nous avons utilisée). Uréf = 15 V
Travailler surtout sur les parties « décodeur » et « montage complet ».
Tracer le graphe N (valeur binaire) en fonction de la tension à mesurer U.
3. Le module CAN
C’est une « petite » interface pour acquisitions automatiques de données.
Il est constitué de 2 modules : module DEL et module CAN a. Connexions
Le module DEL est relié à l’ordinateur parla prise parallèle.
Les modules DEL et CAN sont connectés par leur prise DB25.
Connecter l’alimentation { +15 V ; 0 ; -15 V } sur le module DEL et la mettre sous tension.
- Lancer le logiciel ELWIN ( menu Démarrer/sciences physiques).
b. Montage
On applique une tension à mesurer (générateur de tension réglable) entre la borne Ex et la masse.
On peut mesurer des tensions comprises entre 0 et 5 V ou entre –2,5 V et +2,5 V. La position du bouton K sélectionne cette fonction.
E1 E2 S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
E1 E2 S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
c. Utilisation du CAN
On veut vérifier si le CAN donne une indication compatible avec la tension à mesurer.
Cliquer sur « CAN-Principe du CAN ».
c.1.Observation
Actionner le curseur et observer les bits actifs :
sur les fils dessinés sur l’écran,
sur les DEL du module DEL.
Qu’observe-t-on ? c.2. Mesure
Mesurer avec un voltmètre, sur la sortie analogique, la valeur de la tension . Comparer à celle affichée.
Conclusion ?
