Convertisseur analogique-numérique - objectif, classification et principe de fonctionnement
Un dispositif électronique appelé convertisseur analogique-numérique (ADC) est utilisé pour convertir un signal analogique en un signal numérique (dans une séquence de type code binaire lisible). Dans le processus de conversion d'un signal analogique en numérique, les éléments suivants sont mis en œuvre : échantillonnage, quantification et codage.
L'échantillonnage s'entend comme le prélèvement d'échantillons à partir d'un signal analogique continu dans le temps de valeurs individuelles (discrètes) tombant à des instants associés à certains intervalles et durées de signaux d'horloge se succédant.
La quantification consiste à arrondir la valeur d'un signal analogique sélectionné lors de l'échantillonnage au niveau de quantification le plus proche, et les niveaux de quantification ont leur propre numéro de séquence, et ces niveaux diffèrent les uns des autres par une valeur delta fixe, qui n'est rien de plus qu'un pas de quantification.
Strictement parlant, l'échantillonnage est le processus de représentation d'une fonction continue sous la forme d'une série de valeurs discrètes, et la quantification est la division d'un signal (valeurs) en niveaux. En ce qui concerne le codage, ici le codage est compris comme une comparaison des éléments obtenus à la suite de la quantification avec une combinaison prédéterminée de codes.
Il existe de nombreuses méthodes de conversion de tension en code. De plus, chacune des méthodes a des caractéristiques individuelles : précision, rapidité, complexité. Selon le type de méthode de conversion, les ADC sont classés en trois
-
en parallèle
-
cohérent,
-
série-parallèle.
Pour chaque méthode, le processus de transformation d'un signal dans le temps se déroule à sa manière, d'où son nom. Les différences résident dans la manière dont la quantification et le codage sont effectués : une procédure série, parallèle ou série-parallèle pour rapprocher un résultat numérique du signal converti.
Le schéma d'un convertisseur analogique-numérique parallèle est illustré sur la figure. Les ADC parallèles sont les convertisseurs analogique-numérique les plus rapides.
Le nombre de comparateurs électroniques (le nombre total de comparateurs DA) correspond à la capacité du CAN : trois comparateurs suffisent pour deux bits, sept pour trois, 15 pour quatre, etc. Le diviseur de tension à résistance est conçu pour définir une plage de tensions de référence constantes.
La tension d'entrée (on mesure ici la valeur de cette tension d'entrée) est appliquée simultanément aux entrées de tous les comparateurs et comparée à toutes les tensions de référence de ceux que ce diviseur résistif permet d'obtenir.
Les comparateurs dont les entrées non inverseuses sont alimentées par une tension supérieure à la référence (appliquée par le diviseur à l'entrée inverseuse) donneront un un logique en sortie, le reste (où la tension d'entrée est inférieure à la référence ou égale à zéro) donnera zéro.
Ensuite, un encodeur est connecté, sa tâche est de convertir une combinaison de uns et de zéros en un code binaire standard correctement compris.
Les circuits ADC pour la conversion série sont moins rapides que les circuits convertisseurs parallèles, mais leur conception élémentaire est plus simple : il utilise un comparateur, une logique ET, une horloge, un compteur et un convertisseur numérique-analogique.
La figure montre un schéma d'un tel ADC. Par exemple, tant que la tension mesurée appliquée à l'entrée du circuit comparateur est supérieure au signal de rampe de la deuxième entrée (référence), le compteur compte les impulsions du générateur d'horloge. Il s'avère que la tension mesurée est proportionnelle au nombre d'impulsions comptées.
Il existe également des ADC série-parallèles, où le processus de conversion d'un signal analogique en signal numérique est séparé dans l'espace, de sorte qu'il s'avère que la vitesse de compromis maximale est obtenue avec une complexité minimale.