IV .) la technologie lectronique num rique. 4.1) ?· de signal analogique en num rique et num rique…

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    11-Sep-2018

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IV.) la technologie lectronique numrique.4.1) Introduction:Deux technologies lectroniques cohabitent : l'analogique et le numrique ou technologie digitale. Le numrique est plus rcent, son dveloppement est principalement d aux ordinateurs et il prend de plus en plus de "parts de march" de l'analogique. Cependant, l'analogique n'est pas du tout en dclin parce qu'il y a des domaines dans lesquels elle est irremplaable, notamment en hautes frquences. Des progrs importants sont faits dans la ralisation de circuits intgrs analogiques qui ouvrent de nouveaux champs d'applications hors de porte auparavant.Analogique: la grandeur lectrique ou signal varie de faon analogue la grandeur physique qu'elle dcrit. Une caractristique importante est la continuit du signal.Numrique: la grandeur lectrique est traduite en une suite de nombres spars par un intervalle de temps. L'impossibilit de dcrire le signal par une suite de nombres infinie si l'intervalle de temps tend vers zro a pour consquence une discontinuit de la description du signal physique.C'est cette technologie que nous allons dcrire dans ce chapitre et aborder des techniques de conversion de signal analogique en numrique et numrique en analogique.4.2) Codage binaire:En analogique, on dcrira une variation de temprature de 0 100C par une variation de tension de 0 1V par exemple.En numrique, on dcrira une variation de temprature par une suite de nombres... Comment coder lectriquement des nombres ? 4.2.1) le code binaire :On utilisera le code binaire et on codera un 0 par une tension de 0 Volt et un 1 par une tension de 5 Volts.Un inconvnient de cette mthode est l'obligation d'utiliser un certain nombre de fils lectriques pour coder un nombre, en effet chaque bit an sera matrialis par un fil.Nombre de fils f ncessaires pour coder un nombre n:! f = log2(n +1)Nombre n pouvant tre cod avec f fils: ! n = 2f"1012345678901010101010011001100000011110000000000110000000000binaire dcimalFig. 1 Code binaireEcole Suprieure de Biotechnologie de Strasbourg. Electronique C.LingCr le 24/112005 A/D! 14.2.2) conversions :Conversion binaire -> dcimale :soit d un nombre dcimal, alors on pourra crire : ! d = a020+ a121+ a222+ ...+ an2n o an sont les bits du nombre binaire correspondant. a0 est le bit de poids le plus faible, an est le bit de poids le plus fort.Exemple :1101=?1.20+0.21+1.22+1.23 =1+4+8=13Conversion dcimale -> binaire : On opre des divisions successives par 2 :Exemple: 12 =?12/2 = 6, reste 06/2 = 3, reste 03/2 = 1, reste11/2 = 0, reste 1Le rsultat est la lecture des restes de bas en haut, soit 1100.Remarque:On utilise encore d'autres bases pour le travail sur les circuit numriques: le code octal (base 8) ou le code hexadcimal (base 16).Exemple: le code hexadcimal: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1A 1B...4.3) Circuits logiques:L'application la plus clbre utilisant la technologie lectronique numrique est l'ordinateur. Celui-ci travaille sur des nombres binaires. Ses circuits sont capables de raliser toutes sortes d'oprations arithmtiques ou logiques sur ces nombres.Il existe une famille nombreuses de circuits lectroniques intgrs et spcialiss qui ne reconnaissent que les valeurs de tension 0 et 5V correspondants aux niveaux logiques 0 et 1.Ci-contre, exemples de circuits logiques lmentaires: ET - OU - NON.Ces circuits constituent des "briques de base" de circuits beaucoup plus complexes obtenus par combinaison de plusieurs d'entre eux.circuit logique ET (AND)abs s = a.ba b s0 0 00 1 01 1 11 0 0circuit logique OU (OR)absa b s0 0 00 1 11 1 11 0 1circuit logique NON (NOT)a s0 11 0a s s = as = a+bFig. 2 Portes logiques : symboles, quations, tables de vrit.Ecole Suprieure de Biotechnologie de Strasbourg. Electronique C.LingCr le 24/112005 A/D! 24.4) Conversion A/D (analogique --> digitale):On a souvent besoin de fournir un ordinateur des donnes constitues par des tensions analogiques issues de capteurs quelconques.Le capteur de temprature fournit une tension proportionnelle T variant de 0 10mV. On amplifie ce signal pour l'amener dans une plage de variation plus grande de lamplitude de la tension par exemple de 0 10V.Il s'agit ensuite de convertir ce signal en numrique.ampli.Convertisseuranalogique->digitalEchantillonneurbloqueurcircuit de commandeFig. 4 Synoptique du convertisseur analogique - digital.En dehors de la conversion A/D elle-mme, on trouve dans la pratique des circuits annexes indispensables : L'chantillonneur-bloqueur a pour rle de "prlever" un chantillon des intervalles de temps prcis fournis par le circuit de commande. Il doit aussi maintenir la tension chantillonne constante pendant le temps que met le Convertisseur A/D pour faire la conversion. Le circuit de commande est le "chef d'orchestre" : il donne les "tops" :1. dbut d'chantillonnage l'chantillonneur-bloqueur,2. dbut de conversion au convertisseur A/D3. dialogue avec l'ordinateur: 4. conversion effectue, lire la valeur convertie ==> ordinateur5. l'ordinateur rpond, prt pour la donne suivante. ==> circuit de commandeFourcapteur de tempratureampli.???Fig. 3 Ncessit de la conversion analogique - digitale.Ecole Suprieure de Biotechnologie de Strasbourg. Electronique C.LingCr le 24/112005 A/D! 34.4.1) L'chantillonneur - bloqueur:Problme: le convertisseur analogique-digital ncessite un certain laps de temps pour effectuer la conversion. Pendant ce temps, le signal volue : il y a donc incertitude sur la valeur effectivement convertie !On utilisera un circuit de mmorisation et de maintien de la tension analogique prsente lentre du convertisseur un instant donn lchantillonneur - bloqueur.CinterrupteurConvertisseur A/DFig. 5 Circuit d'chantillonneur-bloqueurCircuit de commandetensionanalogiquetensionbloqueLa tension analogique Va est transmise via un suiveur au condensateur C pendant le temps o l'interrupteur est ferm. Le condensateur C se charge rapidement la valeur de Va car la rsistance du circuit de charge est la rsistance de sortie du suiveur, donc nulle (RC=0).L'interrupteur est alors ouvert et la tension du condensateur reste stable: aucune dcharge n'est possible puisque la rsistance d'entre du 2me suiveur est infinie. La tension prsente aux bornes du condensateur est transmise par le 2me suiveur au convertisseur A/D qui peut alors convertir une tension stable tant exactement celle correspondant l'instant choisi pour l'chantillonnage.Ce circuit quivaut une mmoire analogique.EchantillonnageVaV*dbut fin{dure de conversionttension analogiquetension bloqueFig.5 Mmorisation d'une tension analogique pendant la conversion A/DEcole Suprieure de Biotechnologie de Strasbourg. Electronique C.LingCr le 24/112005 A/D! 44.4.1) Le convertisseur A/D:La tension mesurer (quantifier) Va est compare aux diffrents niveaux de tensions prsents aux diffrents points de lchelle de rsistances R. Si la tension analogique est suprieure la tension de la borne - du comparateur, celui-ci bascule sur la tension positive dalimentation qui peut tre une tension correspondant un niveau logique. Rciproquement, si la tension analogique est infrieure la tension sur la borne -, alors la sortie du comparateur bascule la tension dalimentation complmentaire. Si on choisit comme valeurs de tension dalimentation 0V et + 5V, on obtient en sortie directement un mot binaire.Il est vident que dans cette opration on fait une erreur dans la quantification du signal analogique qui est au maximum gale la diffrence des tensions de rfrence entre les bornes - de 2 comparateurs voisins. Cest le pas de quantification. Pour rduire cette erreur, il faudra augmenter le nombre de pas, cest dire augmenter le nombre de comparateurs.4.4) Conversion D/A ( Digitale --> Analogique):Lorsqu'on a besoin de transformer des donnes numrique en un signal analogique, on utilise un convertisseur Digital / Analogique.Les Compact Disc (CD) audiophoniques sont des supports de donnes numriques. Les donnes numriques, en l'occurrence dcrivants une vibration acoustique, doivent tre converties en un signal analogique susceptible d'tre envoy aux haut-parleurs.RRRRVref VaFig. 4 Convertisseur A/D comparateursbits desortie0V5V0V5V0V5VVamot de sortiedu convertisseur00000001001101111111Vref4Vref3Vref4Vref20Fig. 7 QuantificationEcole Suprieure de Biotechnologie de Strasbourg. Electronique C.LingCr le 24/112005 A/D! 5Le mot binaire est matrialis dans le circuit convertisseur D/A par des interrupteurs bipolaires qui prsentent deux niveaux de tension diffrentes selon leur position.dans la pratique, ces interrupteurs sont lectroniques car ils doivent tre rapides et pouvoir tre actionns un trs grand nombre de fois.Exemple de convertisseur D/A 3 bits:On peut montrer que :a2 a1 a0 Va (V)0 0 0 00 0 1 Vref/70 1 0 2Vref/70 1 1 3Vref/71 0 0 4Vref/71 0 1 5Vref/71 1 0 6Vref/71 1 1 VrefOn a donc une valeur de tension analogique proportionnelle la valeur binaire code sur les bits a0, a1 et a2. Le choix de la tension Vref dterminera la plage de tension qu'on dsire obtenir en sortie.Vref Vref0VVref0V0VEtat logique 1Etat logique 0Fig. 9 Etats logiques d'un interrupteur.R4R2RVrefVaFig. 8 Convertisseur Digital / Analogiquea0a2a1Ecole Suprieure de Biotechnologie de Strasbourg. Electronique C.LingCr le 24/112005 A/D! 64.4) Comparatif:Quelques lments de comparaison entre la technologie analogique et numrique:Analogique:inconvnients: bruit drive mmorisation difficilecondensateurpiste magntique (squentiel) consommation importanteavantages: caractre analogique des capteurs facilit des rglagesNumrique:inconvnients: quantification et chantillonnageplus de bits ==> plus lent et plus cher inutilisable pour des frquences > 10 GHzavantages: insensible aux bruit et drivessi erreur, il y a possibilit de mettre en place des algorithmes de correction facilit de transmissionon peut rgnrer le signal isolement galvanique facilit de traitement numrique intelligence de la programmationdialogue homme-machinecommande adaptative*-Ecole Suprieure de Biotechnologie de Strasbourg. Electronique C.LingCr le 24/112005 A/D! 7

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