CNA_CAN Convertisseur Numérique Analogique - Convertisseur Analogique Numérique G.COLIN

1 – Présentation du CNA

Un Convertisseur Numérique Analogique convertit un nombre numérique en une tension analogique, proportionnelle à la valeur

numérique d’entrée.

En entrée du convertisseur, on a :

• La valeur numérique N, mot binaire constitué de n bits

• Une tension fixe et précise, appelée tension de référence Vref

En sortie :

• Une tension analogique Vs, proportionnelle à la valeur numérique N

Si le mot binaire d’entrée a n bits, la valeur N prend 2n valeurs différentes. La tension de sortie a également 2

n valeurs

différentes.

On définit le quantum, comme la plus petite variation de tension en sortie du CNA :

Quantum = q = Vref/2n

La valeur de Vs = N • q = N • Vref/2n

Exemple :

Si Vref = 5V et n = 8

N et Vs peuvent prendre 28 = 256 valeurs différentes

N peut varier de 00000000b (0) à 11111111b (255)

La valeur du quantum q = 5V /256 = 19,53 mV

Vs mini = 0V

Vs maxi = 255 • q = 255 • Vref / 256 = 4,98 V (Vref-q)

La plus petite variation de Vs = q = 19,53 mV

n bits VsTension de sortie

N valeur numérique

Vreftension deréférence Convertisseur

NumériqueAnalogique

2 – Simulation d’un CNA

Décompresser le fichier CNA_CAN.zip dans le répertoire travail.

Lancer le logiciel Orcad Demo (PSPICE STUDENT)

Ouvrir le projet CNA1.opj

Visualiser le schéma :

Le CNA est constitué de 4 bits (D3 D2 D1 D0) . La tension de référence est de 10V (simulé par V1).

Comme la plupart des CNA, il est réalisé à l’aide d’un réseau R-2R (ici 10k et 20k).

Les commutateurs (COMMUT) sont en position basse lorsque le bit Dx est à 0, en position haute lorsque le bit Dx est à 1.

Le stimuli DSTM2 permet de placer le code en entrée du convertisseur (dans le cas de la figure : 0s 0001 au temps t=0s on

place le code 0001 = D3 D2 D1 D0 ).

L’icône permet de lancer la simulation

L’icône permet de visualiser les tensions continues sur le schéma.

2.1 – En modifiant le code en entrée du convertisseur (D3 D2 D1 D0), et en lançant à chaque fois une simulation, compléter le

tableau du document réponse.

2.2 – Déterminer la valeur du quantum donnée par la simulation

2.3 – Calculer la valeur théorique du quantum.

D2

R1

20k

D1

R2

20k

0

D0

R7

10k

0

U5

COMMUT

0

R8

20k

U4

COMMUT

R5

10k

V

U3

COMMUT

V1

10Vdc

U2

COMMUT

R6

20k

R3

10k

R4

20k

Vs

D3

S4DSTM2

0s 0001

D[3:0]

3 – Convertisseur Numérique Analogique AD7524

La documentation technique du convertisseur AD7524 est donnée en annexe.

3.1 – A partir de la documentation du circuit AD7524, donner le nombre de bits de ce convertisseur.

3.2 – Indiquer la valeur des résistances du réseau R-2R constituant ce convertisseur.

3.3 – Indiquer la plage de tension de Vref à ne pas dépasser (ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS – page 3)

Simulation du circuit AD7524.

Sous Orcad Demo, ouvrir le projet CNA_7524.opj . Visualiser le schéma

La tension Vref est simulé par V1 (5V) . La tension de sortie Vs est sur la patte 1 du circuit U2A.

3.4 – En modifiant le code d’entrée (D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0), compléter le tableau du document réponse, résultats de la

simulation.

3.5 – Déterminer la valeur du quantum donné par la simulation, puis par le calcul.

Un des schémas d’application fourni par la documentation est le suivant : (correspond à la simulation précédente)

-12V

D4

V3-12V

D5

0

D7U5

CNA

D7D6D5D4D3D2D1D0

REF

OUT1

OUT2

RFB

DSTM1

0s 00000000

0

Vs

0

D[7:0]

0V1

5V

D0

D6

+12V

D1

U2ALM324

3

2

411

1

+

-

V+

V-

OUT

-12V

D2

V212V

+12V

D3

3.6 – Par un calcul simple, indiquer les tensions en volts qu’on doit obtenir en sortie du convertisseur pour les valeurs binaires

du tableau donné ci-dessus (à compléter sur document réponse, colonne Analog Output).

4 – Convertisseur Analogique Numérique

Un Convertisseur Analogique Numérique convertit une tension analogique en un nombre numérique, proportionnelle à la valeur

de la tension d’entrée.

En entrée du convertisseur, on a :

• Une tension analogique Ve

• Une tension fixe et précise, appelée tension de référence Vref

En sortie :

• La valeur numérique N, mot binaire constitué de n bits, proportionnelle à la tension d’entrée Ve.

On définit le quantum, comme la plus petite variation de tension d’entrée qui fait varier N d’une unité.

Quantum = q = Vref/2n

La valeur de N = Ve / q = Ve • 2n / Vref

5 – Convertisseur Analogique Numérique intégré au micro contrôleur de la carte ARDUINO

Le microcontrôleur de la carte ARDUINO intègre un CAN de 10 bits. Il dispose de 8 entrées analogiques (A0 à A7), et la tension

appliquée sur une de ces entrées peut être convertie en numérique.

La tension de référence, par défaut, est de 5V. Les tensions appliquées sur les entrées A0 à A7 peuvent donc varier de 0 à 5V.

Le montage de test est le suivant : on applique une tension d’entrée sur l’entrée A0, qui peut varier entre 0 et 5V. Cette tension

variable est obtenue à l’aide d’un potentiomètre de 10kΩ.

Vreftension deréférence

VeTension d'entrée

ConvertisseurAnalogiqueNumérique

n bits N valeur numérique

A0

+5V

10K

P1

CarteARDUINO

Le programme à placer dans la mémoire du µP de la carte ARDUINO est le suivant :

int analogPin = A0;

unsigned int val = 0; // variable de type int pour stocker la valeur de la mesure

void setup()

Serial.begin(115200); // initialisation de la connexion série

void loop()

// lit la valeur de la tension analogique présente sur la broche

val = analogRead(analogPin);

// affiche la valeur (comprise en 0 et 1023) dans la fenêtre terminal PC

Serial.println(val);

delay(100);

Explications : La fonction prédéfinie « analogRead » renvoie le résultat de la conversion Analogique Numérique, de la tension

appliquée sur l’entrée analogPin (A0). Le résultat est ensuite envoyé sur le moniteur série, en décimal.

Un délai de 100ms a été mis, temps entre 2 conversions.

A l’aide d’un petit tournevis et d’un multimètre, régler la tension appliquée sur l’entrée A0 aux valeurs 0V, 1V, 2V, 3V, 4V et

5V et relever la valeur envoyée sur le moniteur série.

5.1 – Compléter le tableau du document réponse avec les valeurs relevées.

5.2 – Calculer les valeurs théoriques données par les formules du 4) et compléter le tableau du document réponse.

On modifie le programme de la manière suivante :

int analogPin = A0;

unsigned int val = 0; // variable de type int pour stocker la valeur de la mesure

unsigned long tension;

void setup()

Serial.begin(115200); // initialisation de la connexion série

void loop()

// lit la valeur de la tension analogique présente sur la broche

val = analogRead(analogPin);

tension=val;

tension=tension*5000;

tension=tension/1024;

// affiche la valeur (comprise en 0 et 1023) dans la fenêtre terminal PC

Serial.println(tension);

delay(100);

Rappel : unsigned int déclare une variable sur 16 bits – unsigned long déclare une variable sur 32 bits.

Donc sur 16 bits, la valeur maximale est 216

-1 = 65535

5.3 – Calculer 1023*5000

5.4 – Quelle est la valeur maximale d’une variable sur 32 bits ?

5.5 – Justifier l’utilisation d’une variable sur 32 bits.

Implanter le programme dans la carte ARDUINO. Observer le résultat envoyé sur le moniteur série (faire varier le

potentiomètre)

5.6 – Quelle est l’information affichée sur le moniteur série ? (être précis : grandeur – unité) ? Justifier.