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TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE1. CHANE DE TRAITEMENT NUMRIQUE D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE. Image d'un support de donnes numriques. Le CD est ici press et non grav (ce n'est pas un CD-R)Observation au MEB (x 20000) : 2m entre 2 sillonsImage d'un support de donnes analogiques.Le disque microsillons ou vinyl (3D) . A observer avec lunettes Rouge/Bleu en inversant Rouge/Bleu . Observation au MEB (x 390) : 100m entre 2 sillons CAN: ve Nb=ent [ ve tvMINr ] Application de vers ve(t) grandeur analogique , ent , partie entire.r rsolution LSBou quantumq =q=UPE2n; n nombre debits du convertisseur CNA:Nb vas = r.Nb Application de Nb: grandeur numrique(nombre entier) , vas : grandeur analogique de sortie r rsolution LSBou quantumq =q=UPE2n1 ; n nombre debits du convertisseur Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 1 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUELes CD-R vierges ont des pr-sillons avec une surface plane au sommet d'environ 1m de large. Le laser fait un trou correspondant un 0(pas de lumire rflchie) au gravage . Aprs 6 jours de photo-irradiation, les bords des trous et les surfaces des sillons sont altrs . EXEMPLE de CHANE DE TRAITEMENT NUMRIQUE D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE.:SCHMA SYNOPTIQUE DUNE PROTHSE AUDITIVE NUMRIQUEhttp://www.cndp.fr/secondaire/interdiscipline/electron/agregation/ab_2000_tron_cor.pdfSpectre de la musique Spectre de la paroleBande passante oreille normale.Bande passante oreille d'un malentendant (a)Seuil de douleur moyen . Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 2 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE1. CLASSIFICATION DES SIGNAUX (Voir cours capteurs)1.1...SIGNAL ANALOGIQUE (SYMBOLE )Un signal est dit analogique si l'amplitude de la grandeur physique le reprsentant peut prendre une infinit de valeurs dans un intervalle donn. Il a une unit (V, A, s, kg ...)x(t) temps continu et amplitude continue .Pas de discontinuit pour l'amplitude ou le temps.Toutes les valeurs relles de t et de l'amplitude sont possibles. 1.2...SIGNAL NUMRIQUE (SYMBOLE #):SRIE de NOMBRES ENTIERS le plus souvent CODS EN BINAIRE pour les systmes informatiss. 1.3...SYMBOLES :Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 3 / 19Systmede traitementnumriqueVe VsN bitsde sortieM bitsd'entreSYSTME DE TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE2. CONVERSION ANALOGIQUE NUMRIQUE OU CAN (DAC Digital-to-Analog Converters)LE PRINCIPE DE BASE: TABLIR une CORRESPONDANCE ENTRE une grandeur analogique et une grandeur numrique. GRANDEUR ANALOGIQUE mesure par un NOMBRE REL GRANDEUR NUMRIQUE mesure par un NOMBRE ENTIER donc grandeur DISCRTE . Le NOMBRE ENTIER doit tre LISIBLE PAR un systme MICROCONTRLEUR.ve Nb=ent [ ve tvMINr ] Application de vers ve(t) grandeur analogique , ent , partie entire.r rsolution LSBou quantumq =q=UPE2n; n nombre debits du convertisseurTROIS TAPES DE NUMRISATION : DISCRTISATION(CHANTILLONNAGE): prendre des mesures intervalles de temps rguliers . QUANTIFICATION : Arrondir les valeurs mesures aux valeurs codables du CAN . CODAGE: Reprsenter chaque valeur quantifie par un nombre entier. Gnralement le nombre est en code binaire. Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 4 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE2.1...DISCRTISATION - CHANTILLONNAGE ET BLOCAGE (voir le TP chantillonnage manuel et par transistor MOS)La grandeur analogique est le plus souvent une fonction continue du temps, il faut donc la discrtiser en prenant des chantillons . CHANTILLONNEUR: C'est un INTERRUPTEUR COMMAND par un signal la frquence Fe d'chantillonnage. Temps (interrupteur ferm) , DURE D'UN CHANTILLON Te=1FeFe FRQUENCE D'CHANTILLONNAGE. CHANTILLONNEUR/BLOQUEUR:Permet de maintenir l'chantillon, pendant le temps de conversion du CAN ASPECT FRQUENTIEL ET FILTRE ANTI-REPLIEMENT:L'chantillonnage PRIODISE la frquence d'chantillonnage fe, le spectre du signal analogique X(f).Si la frquence maximale fM du spectre X(f) du signal analogique dpasse fe/2 , il y a recouvrement (repliement) du spectre du signal chantillonn et conduit des pertes d'informations importantes Le thorme de SHANNON : montre que la reconstitution correcte dun signal ncessite que lafrquence dchantillonnage fe soit au moins deux fois plus grande que la plus grande des frquencesfM du spectre du signal : fe2.f M .On prfre donc filtrer le signal analogique d'entre par un filtre anti-repliement qui coupe le spectre fe/2. EXERCICE : Signal fM = 1 kHz chantillonn fe = 1kHz . Tracer les spectres X(f) et Xech(f) et indiquer la frquence fc de coupure du filtre anti-repliement ncessaire. Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 5 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUEECHANTILLONNAGE :EXERCICE D'APPLICATION D'aprs jean-philippe muller Mai 2005Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 6 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUEERREUR DE QUANTIFICATION : La conversion analogique-numrique ne se fait pas sans pertes, l'ERREUR SYSTMATIQUE de QUANTIFICATION est en gnral +/- (1 LSB) ou +/- ( LSB ). La rsolution analogique r est aussi appele quantum q .Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 7 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE1. CARACTRISTIQUES DE TRANSFERT DES CAN ET CNA DFINITION: courbes reprsentant la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d'entre.2. RSOLUTION ET QUANTUM D'UN CONVERTISSEUR:EXERCICE: Donner UPE, la tension pleine chelle , la rsolution numrique n et Calculer la rsolution analogique r ou quantum q pour les convertisseurs ci-dessus.(CAN)UPE = r = q = n = (CNA)UPE = r = q = n = Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 8 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE3. CODAGE DES VALEURS QUANTIFIES Exemples de code binaire sign4. TEMPS DE CONVERSION - TEMPS D'TABLISSEMENT (SETTLING TIME)5. QUELQUES IMPERFECTIONS DES CONVERTISSEURS : Prcision (Accuracy)(en % de PE(FS) ou en multiple de q): Elle caractrise l'cart maximal entre la valeur thorique de sortie et la valeur relle. Elle tient compte de toutes les erreurs cites ci-aprs. Erreur de dclage (Offset error): ( ex: +/- 0, 2 % FS ou multiple de q ) L'erreur de linarit: ( ex: +/- 0, 2 % FS ou multiple de q )Elle caractrise la variation autour de la sortie thorique(proportionnelle l'entre) de la sortie relle. Erreur de gain (Gain Error):Elle caractrise une pente diffrente entre la caractristique de transfert thorique et relle. L'erreur de quantification a t dfinie plus haut :en gnral +/- (1 LSB) ou +/- ( LSB ). Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 9 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE6. DIFFRENDS TYPES DE CONVERTISSEURS:6.1...CAN SIMPLE RAMPE 6.1.1.PRINCIPE:C'est un CAN intgration , qui convertit une dure proportionnelle la tension d'entre en un Nombre par comptage . 6.1.2.Schma fonctionnel de principe :CHRONOGRAMMES (avec la RSOLUTION NUMRIQUE n = 3 bits) :Analyse du fonctionnement: Conditions initiales: t= 0- , uE convertir est applique, K ouvert , C dcharg(ur(0)=0) t= t * = 0 , on OUVRE K , on remet 0 le compteur (RAZ) , et le comptage dmarre. t= 0+ , C se charge courant constant(intgration) et ur(t) croit LINAIREMENT. t= t , ur t =uet , le comparateur A bascule de 1 0 et donc ARRT COMPTEUR.On a donc converti la dure de charge de C pour atteindre ue convertir en un nombre N sortie du compteur. Or, N= tTHet t=CI. uet , donc N=f H .CI. ue t N=ent [uet r ]=5 ; avec r=U PE2n =ueMAXueMIN2n ; n bits rsolution numrique du CAN. Ensuite, la rampe de charge de C continue jusqu' T . t = T , uR t=ueMAX t ; K est ferm( C se dcharge , le compteur remis Zro. t = T+ , K est ouvert . La rampe et le comptage recommence . Le temps de conversion dpend de ue 0TconvT . Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 10 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUEAvantages et inconvnients des CAN simple rampe: N= tTHet t=CI. uet , donc N=f H .CI . uetInconvnients: N dpend de fH donc l'horloge sur la dure de vie du CAN. N dpend de la pente CIqui doit tre trs stable . (ERREUR DE LINARIT) Le temps de conversion dpend de ue(t) . Avantage: Structure simple . 6.1...CAN DOUBLE RAMPE :Trs utilis dans les multimtres numriques Avantage: L'horloge H doit tre stable sur temps court (la dure de conversion): n=2NVref.E indpendant de T . l'horloge peut tre de priode diffrente pour la prochaine mesure. Inconvnient s: Rampe parfaitement linaire exige et temps de conversion dpendant de E . ATTENTION :Ici, N(bits) rsolution numrique)n le nombre reprsentant l'entre analogique E On obtient finalement n=2NVref.Eindpendant de T . Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 11 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE6.1...CAN APPROXIMATIONS SUCCESSIVESSchma bloc fonctionnel de principe et algorigramme de fonctionnement . EXERCICE SUR L'EXEMPLE CI-DESSUS:Donne V A max= 12V ; V A min= 0V , Donner le nombre de bits du CAN, sa rsolution numrique Rn(bits), la rsolution analogique ou quantum q .Donner la relation entre N(nombre reprsentant ) et V A . Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 12 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE6.1... Principe du C.N.A. rseau de rsistances R-2RSeules deux valeurs de rsistances sont utilises. La tension de rfrence se distribue sur le rseau R-2R avec les valeurs : Chaque bit commande un courant qui s'exprime par l'inverse d'une puissance de 2 partir de Io. L'amplificateur oprationnel en sommateur dlivre la tension analogique. Finalement, on obtient : N=B3.23B2.22B1.21B0.20 donc vS=V ref2n.R1R. NLe quantum q est: La plage de tension de sortie est : VS UPE = Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 13 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE1. ETUDE DE LA CHANE MODULAIRE DE MESURE D'UN MULTIMTRE Conditionnement du signal & Amplification:Rle : mise lchelle de la tension dentre : - attnuation des hautes tensions - amplification des basses tensionsExemple de calibres (multimtre Agilent 34401A) : 0,1 V 1 V 10 V 100 V 1000 VLe signal dentre est ramen une tension comprise dans lintervalle 10 V.Exemple : VE = 82 VLe pont diviseur ramne la tension 0,82 V puis amplification dun facteur 10.Finalement 8,2 V en sortie du conditionneur et donc en entre du convertisseur analogique-numrique (ADC). CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMRIQUE ( A.D.C) NOMBRE DE POINTS DUN MULTIMTRE: Exemple : un multimtre 4000 points permet dafficher des valeurs de 0000 4000.On parle aussi de multimtre 3 digits . Le digit de poids fort ne peut prendre que les valeurs 0 4 .Pour obtenir le calibre 400 mV, il faut faire en sorte de compter jusqu 4000 pour VE = 400,0 mV.RSOLUTION ANALOGIQUE OU QUANTUM. Cest le plus cart entre deux valeurs affichable par le multimtre.A.N. multimtre 4000 points, sur calibre 400 mV ; Rsolution 000.1 mV = 100 VA.N. calibre 40 V ; Rsolution 00.01 V = 10 mVA.N. calibre 1000 V ; Rsolution 0001 V = 1 VPhysique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 14 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE2. ETUDE DE LA DOCUMENTATION TECHNIQUE (DATA SHEET):2.1... ETUDE DU CONVERTISSEUR AD673:Type de convertisseur ?Calculez la valeur de la tension Pleine Echelle. Calculez le quantum q ou rsolution analogique de ce convertisseur. Donnez la rsolution numrique de ce convertisseur. Donnez le temps de conversion de ce convertisseur.2.2...ETUDE DU CONVERTISSEUR DAC08C: mmes questions . Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 15 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE3. COMPARAISON DES DIFFRENTES TECHNOLOGIESAPPLICATION:Restitution dun son numrique Echantillonnage dun sonBande passante dun son : 20 Hz (grave) 20 kHz (aigu)Calculer la frquence f ECH d'chantillonnage minimal ncessaire pour restituer ce son sans pertes. Le son de Qualit CD est chantillonn 44,1 kHz . TAILLE MMOIRE OCCUPE PAR LE SON NUMRIQUE :Montrer qu'une seconde d'enregistrement sonore stro numris fECH = 44,1 kHz avec un rsolution de 16 bits occupe 172 ko . (o:octets ou Bytes en anglais signifie un mot de 8 bits; 1 ko = 2 =1024 octets)En dduire que la Capacit dun CD audio : 700 Mo permet d'enregistrer 80 min de son . Le lecteur de CD effectue la lecture optique du CD, la conversion N/A et le filtrage (lissage des marches descalier).Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 16 / 19 TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE4. EXEMPLE DE RALISATION DES HORLOGES : ASTABLES PORTES LOGIQUEShttp://pagesperso-orange.fr/alain-nol.soulier/Techno%20Electronique/astablelogique/ASTALOG.HTMAstable avec une seule porte NAND ou NOR entres Trigger de Schmitt , technologie Cmos. RAPPEL : Une porte logique utilisant des entres Hystrsis, prsentent deux seuils de dclenchement VT+ et VT-. VT+ est le premier seuil actif. VT+ = 52% de VDD en technologie CMOS.( ou 1/3 de 5V, 1.65V en TTL). VT- = 42% de VDD en technologie CMOS. ( ou 1/6 de 5V, 0.85V en TTL). Avec la constante de temps =R.CPhysique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 17 / 19http://pagesperso-orange.fr/alain-nol.soulier/Techno Electronique/astablelogique/ASTALOG.HTM TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUELIENS AYANT SERVI A FAIRE CE COURS OU COMME DOCUMENTATION COMPLMENTAIRE:CAN-CNA.pdf ; CNA_CAN_Prof.pdf : http://www.ac-orleans-tours.fr/sti/recherche.php3?recherche=etudehttp://perso.wanadoo.fr/arsene.perez-as/signal/numerisation/http://www.atela.uhp-nancy.fr/tisserand/sma/HTML/echantillonnage_quantificat.htm#dAstables portes logiques: http://pagesperso-orange.fr/alain-nol.soulier/Techno%20Electronique/astablelogique/ASTALOG.HTMFonction de transfert CAN-CNA, Echant Son etc:CAN1rampCNA-IUT-chronoSonEchantBlocFtransf.pdfMultimtre Numrique :MultimetreNumeriquIUTnancy.pdfCAN double rampe: http://lmi17.cnam.fr/~anceau/Documents/CAN.pdfPhysique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 18 / 19http://pagesperso-orange.fr/alain-nol.soulier/Techno Electronique/astablelogique/ASTALOG.HTMhttp://www.atela.uhp-nancy.fr/tisserand/sma/HTML/echantillonnage_quantificat.htm#dhttp://perso.wanadoo.fr/arsene.perez-as/signal/numerisation/ TRAITEMENT NUMRIQUE DU SIGNAL-CAN-CNA-MULTIMTRE NUMRIQUE1. LMENTS DE CORRECTIONCorrection exercice filtre antirepliement :si fM = fe = 1kHz , le spectre du signal chantillonn Xech(f) se repliera de fe/2 fe . Il faut fc = 500Hz pour le filtre anti-repliement. CARACTRISTIQUES DE TRANSFERT DES CAN ET CNA Physique Applique-Lyce du Pays de soule 05/05/10-TtNumCAN-CNA-MultimetrNum.odt-Djl-Page: 19 / 19

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