Les systèmes d’acquisitions M53

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1 Les systèmes d’acquisitions M53
Objectifs: Comprendre le fonctionnement d’un système d’acquisition et le vocabulaire associé. Plan: -Principes (rapides) -Présentation des can, cna -Mise en pratique TD: choix d’une carte d’acquisition -TP:Utilisation, programmation d’une carte d’acquisition.

2 Conversion analogique numérique CAN Calculateur
Système simple: point à point. Le calculateur enregistre les données, commande les convertisseurs (2 bus de données le calculateur n’a pas d’autre périphériques c’est souvent un microcontrôleur) Grandeur analogique Conversion analogique numérique CAN Calculateur Protection filtrage adaptation Grandeur numérique, bus de données Conversion numérique analogique CNA Protection filtrage adaptation Principes

3 Le calculateur a d’autres périphériques ( écran, clavier, mémoire…
Le calculateur a d’autres périphériques ( écran, clavier, mémoire…. c’est souvent un micro processeur) Bus d’adresses (contrôle) Bus de données CAN Calculateur CNA Périph1 Périph2 Principes

4 On désire traiter plusieurs voies locales => on ajoute des périphériques (mais ça devient cher et encombrant) Bus d’adresses (contrôle) Bus de données CAN1 Calculateur CAN2 CNA1 CNA2 Principes

5 Bus d’adresses (contrôle) Bus de données
On désire traiter plusieurs voies locales => multiplexage des entrées et sorties Bus d’adresses (contrôle) Bus de données Voie 1 CAN1 Calculateur Voie 2 Voie 3 CAN intelligent Multiplexeur Voie 1 CNA1 Voie 2 Voie 3 CNA intelligent Démultiplexeur Principes

6 Notre système doit gérer des acquisitions (production) non localisées
Notre système doit gérer des acquisitions (production) non localisées. Le système précédent devient alors esclave du système complet. CAN CNA Calculateur+ mémoire Système acq 1 Mr le maître Les données sont sérialisées pour minimiser le nombre de fils (moins rapide). Nécessite la mise en place d’un support commun d’information. Coax, RJ45, hertzien… Nécessite la mise en place d’un langage de communication que tous les systèmes doivent comprendre => Protocole C’est un réseau Interface réseau CAN CNA Calculateur+ mémoire Système acq 2 Interface réseau Principes

7 Ce réseau peut être dédié avec un support dédié
liaison série, câble série, protocole RS232 Câble MIDI, protocole MIDI Le support porte souvent le nom du protocole Ce réseau peut être généraliste Câble RJ45, protocole Ethernet Les données doivent être encapsulées mais on peut partager un support déjà présent Principes

8 =>La synchronisation
Un mot très important =>La synchronisation Même si le flux de données à travers le support n’est pas synchrone (sérialisation des données: les systèmes reçoivent leurs données les uns après les autres). La restitution et l’acquisition nécessitent souvent de se faire au même instant. Data pour sys1 à t=t0 Data pour sys2 à t=t0 Data pour sys3 à t=t0 sys1 sys2 sys3 sys4 Nécessité d’une restitution et/ou acquisition synchrone (au même instant) Principes

9 Signal analogique Signal Echantillonné Signal Bloqué Signal Numérique
Rappels sur la numérisation Signal analogique Signal Echantillonné Signal Bloqué Signal Numérique t t t ... 1000 1110 1111 1110 1100 1101 t Rappels sur la numérisation

10 Aspect temporel de l’échantillonnage Fe = 2* F
Rappels sur la numérisation

11 Aspect temporel de l’échantillonnage Fe = (5/3)* F
Rappels sur la numérisation

12 Aspect fréquentiel de l’échantillonnage blocage
L’échantillonnage se traduit par une périodisation du spectre du signal utile dans l’espace des fréquences Le blocage se traduit par la multiplication par la fonction sinus cardinal sinc(p*f*Te) Rappels sur la numérisation

13 Aspect fréquentiel de l’échantillonnage blocage Fe = 3*F
Rappels sur la numérisation

14 Aspect fréquentiel de l’échantillonnage blocage Fe = 10*F
Rappels sur la numérisation

15 Aspect fréquentiel de l’échantillonnage blocage Fe = 1.5*F
Rappels sur la numérisation

16 Présentation CNA Un convertisseur numérique-analogique ou CNA est chargé de transformer une grandeur numérique représentée par un nombre N en une tension proportionnelle. Sur la Figure suivante, le symbole # marque le signal numérique et le ∩ une grandeur analogique. Présentation CNA

17 On dispose d'un mot numérique de n bits, que l'on voudrait "convertir" en une tension analogique, en considérant un code binaire                                             La tension de sortie est rapportée à une autre tension, dite de référence : Présentation CNA

18 Convertisseur potentiométrique                                              
L'inconvénient de ce type de convertisseur est le grand nombre de composants. Les interrupteurs sont réalisés en technologie MOS. Présentation CNA Quelques structures

19 Convertisseur à résistances pondérées         
Ce montage est dit à commutation de tension, de manière similaire, on obtient un montage à commutation de courant. Présentation CNA Quelques structures

20 Convertisseur à sources de courant pondérées
Usuellement, les sources de courant de ces convertisseurs sont réalisées au moyen de transistors bipolaires. Présentation CNA Quelques structures

21 Convertisseur à réseau R 2R
La qualité du résultat ne dépend que de la précision de Vref Présentation CNA Quelques structures

22 Caractéristiques essentielles
Caractéristique de transfert C’est la représentation graphique de la loi liant la tension de sortie à N : On distingue deux types de convertisseurs suivant le signe de la tension de sortie : Présentation CNA Caractéristiques essentielles

23 L’excursion (accuracy en anglais)
C’est la différence entre les valeurs extrêmes de la tension de sortie. Le quantum q C’est l’incrément théorique de la tension de sortie correspondant à un écart de ± 1 LSB (Least significant bit) en entrée. On a donc q=Excursion/ (2n–1) (rappel : 2n valeurs correspondent à 2n–1 intervalles) La résolution C’est la taille du convertisseur en bits. Exemple: un convertisseur de 12 bits avec une tension de référence de 10 V présente un quantum de ?. Présentation CNA Caractéristiques essentielles

24 Tension de décalage ou offset
Pour une valeur numérique en entrée nulle, la tension prend une valeur e appelée erreur d’offset. Présentation CNA Caractéristiques essentielles

25 Erreur de gain Cette erreur est l’écart mesuré entre la pente de la caractéristique théorique idéale et la pente de la caractéristique réelle Présentation CNA Caractéristiques essentielles

26 Erreur de linéarité Les sommets de la caractéristique sont en fait joints par une courbe qui traduit la non linéarité. Le maximum des écarts entre la caractéristique réelle et la caractéristique théorique est l’erreur de linéarité. Elle est souvent ramenée en pourcentage de l’excursion Présentation CNA Caractéristiques essentielles

27 La monotonicité Cette propriété traduit la croissance de la sortie quand l’entrée augmente. Présentation CNA Caractéristiques essentielles

28 La précision Elle regroupe les différentes erreurs évoquées précédemment en ramenant l’erreur maximale emax à l’excursion : Précision= emax/E Le temps d’établissement (settling time, en anglais) C’est le temps nécessaire au convertisseur dans le cas le plus défavorable pour établir la sortie à un certain pourcentage de sa valeur finale. Ce temps limite la fréquence maximale de conversion. Présentation CNA Caractéristiques essentielles

29 Présentation CAN Un convertisseur analogique numérique ou CAN est chargé de transformer une grandeur analogique Vin en un nombre N proportionel. Les symboles souvent rencontrés sont: Présentation CAN

30 La numérisation du signal fait passer de grandeurs réelles variant continûment à une suite d’entiers naturels ou relatifs évoluant de manière discrète dans le temps. Plusieurs phases se succèdent donc : • Prélever la valeur du signal à un instant t ; • La conserver en attendant la suivante ; • L’associer à une valeur entière, codée en binaire. Présentation CAN

31 D’abord prélever le signal
La première opération prélève la valeur du signal s(t) : c’est un échantillon. Elle est répétée à intervalles temporels équidistants contrôlés par une horloge d’échantillonnage de période Te. La fonction obtenue n’est plus à temps continu mais discret). Présentation CAN

32 Chaque échantillon est repéré par son numéro d’ordre n (entier positif) à l’instant nTe. Chacun est noté S(nTe) ou S(n). Le bloc fonctionnel réalisant cette opération est appelée échantillonneur Présentation CAN

33 Ne pas laisser échapper l’échantillon…
Avant de passer au suivant, il faut maintenir l’échantillon le temps de le convertir. On utilise pour cela un bloqueur qui est une sorte de « mémoire analogique ». Le signal obtenu est noté s*(n). Présentation CAN

34 Présentation CAN

35 Pour laisser au CAN le temps d’agir, la tension d'entrée reste stable durant la phase de conversion. Les deux opérations d’échantillonnage et de blocage sont associées dans un même bloc technologique, c’est l’échantillonneur-bloqueur (sample and hold en anglo-américain) dont la structure de principe est la suivante: Présentation CAN

36 La dernière étape est assurée par le convertisseur proprement dit
La dernière étape est assurée par le convertisseur proprement dit. Elle consiste à associer à la valeur réelle s*(n) échantillonnée et bloquée, la valeur numérique entière la plus proche : c’est la quantification. Cette opération est imposée par le CAN puisque le code numérique ne dispose que d’un nombre fini de valeurs pour convertir les valeurs analogiques variant continûment. Présentation CAN

37 Toutes ces opérations participent à la chaîne de conversion analogique-numérique
Présentation CAN

38 Caractéristiques essentielles
Caractéristiques de transfert Comme pour le convertisseur dual, deux types de CAN coexistent. Présentation CAN Caractéristiques essentielles

39 Résolution et quantum Comme pour le CNA, le quantum q est l’écart de tension conduisant à l'incrémentation du nombre en sortie. Mais pour les CAN, on utilise plutôt la résolution qui est le nombre d’incréments possibles ou le nombre de bits n. Temps de conversion Tc C'est le temps minimum nécessaire au convertisseur pour stabiliser une donnée numérique en sortie après avoir appliqué une tension analogique stable à l'entrée du CAN. Cette caractéristique fixe la fréquence maximale de travail. Présentation CAN Caractéristiques essentielles

40 Erreur de quantification
Durant la quantification, si le CAN choisit la tension par défaut, l’erreur de quantification eq est majorée par 1 LSB. Si la règle est d’arrondir à la plus proche valeur, l’erreur est divisée par deux : eq =q/2 Cette solution décale la caractéristique de transfert d’un demi quantum Présentation CAN Caractéristiques essentielles

41 Autres caractéristiques : erreurs de linéarité, de gain, tension de décalage.
Comme pour les CNA, on retrouve des définitions similaires pour ces erreurs. Présentation CAN Caractéristiques essentielles

42 Présentation CAN Quelques structures
Ce type de convertisseur s’inspire de la mesure par comparaison de l’objet mesuré avec la règle qui sert d’étalon. En transposant à des tensions : la tension à convertir (l’objet) est comparée aux fractions de la tension de référence délivrées par un diviseur résistif (la règle). La tension atteinte est celle correspondant au dernier niveau logique « 1 » rencontré. Le décodeur est un circuit combinatoire du type 2n–1 vers n délivrant le nombre image codé en binaire naturel de la valeur de ve. Avantage : temps de conversion très court. Inconvénient : structure complexe due à la croissance exponentielle des comparateurs avec le nombre de bits et du nombre de porte important pour le décodeur. * La résistance proche de Vref est remplacée par 3R/2 et celle à la masse par R/2 dans le cas de la diminution de l’erreur de quantification. Présentation CAN Quelques structures

43 Présentation CAN Quelques structures
Convertisseur simple rampe Ce convertisseur utilise un compteur s’incrémentant à partir de 0. Le nombre obtenu est converti par un CNA. La tension interne vi qui en est issue est comparée à la tension à convertir ve. Tant que vi reste inférieure à ve, le compteur s’incrémente. Il est bloqué dès que vi atteint ve : le résultat est alors disponible en sortie du compteur. Avantage : simplicité. Inconvénient : peu précis (comptage du temps avec un condensateur), lent (le temps de conversion augmente avec la tension). Convertisseur à double rampe Pour améliorer la précision, on utilise le principe d’intégration de la tension à mesurer ve pendant une durée prédéterminée tandis qu’un compteur s’incrémente. Quand cette phase est terminée, la valeur Nc est atteinte pour une tension interne maximale vi. L’intégration d’une tension de référence (stable et très précise) négative Vref fait décroître vi. Quand cette tension s’annule, le compteur a atteint le nombre Nd. (Le manque de précision sur le condensateur est annulé) Présentation CAN Quelques structures

44 Présentation CAN Caractéristiques essentielles
Convertisseur a approximation successives La grandeur à convertir est dans un premier temps comparée à la moitié d’une tension de référence correspondant à la pleine échelle. Le résultat de cette première comparaison donne le bit de poids le plus fort (MSB : Most Significant Bit). Deux cas sont alors possibles : MSB = 0 : Dans ce cas la grandeur est comparée au quart de la tension de référence. De même que précédemment, le résultat de la comparaison donne la valeur du bit immédiatement à droite du MSB. MSB = 1 : Dans ce cas la grandeur est comparée à la demi référence augmenté du quart de celle-ci. Le résultat de la comparaison donne de nouveau la valeur du bit immédiatement à droite du MSB. Et ainsi de suite… Présentation CAN Caractéristiques essentielles

45 Présentation CAN Caractéristiques essentielles
Valeur réalisée par un CNA Exemple sur 3 bits b2b1b0 : Soit Ex la grandeur analogique à convertir. Eref Eref/2 Ex > Eref/2  b2= 1 Ex > Eref/2+ Eref/4  b1= 1 Ex > Eref/2+ Eref/4+Eref/8  b0= 1 Ex < Eref/2+ Eref/4-Eref/8  b0= 0 Ex > Eref/2- Eref/4  b1= 0 Ex > Eref/2+Eref/8  b0= 1 Ex < Eref/2+Eref/8  b0= 0 Ex < Eref/2  b2= 0 Ex > Eref/4 Ex > Eref/4 + Eref/8  b0= 1 Ex < Eref/4 + Eref/8  b0= 0 Ex < Eref/4 Ex > Eref/8  b0= 1 Ex < Eref/8  b0 = 0 Avec ce type de convertisseur, le temps de conversion est constant. Cette technologie rapide et peu coûteuse justifie son emploi courant dans les systèmes d’acquisition rapides. Présentation CAN Caractéristiques essentielles

46 Schéma fonctionnel Présentation CAN Caractéristiques essentielles

47 Convertisseur semi parallèle ou semi flash ex 8bits
La méthode consiste à convertir « grossièrement » la tension ve grâce à un CAN flash 4 bits. Le résultat correspond à la partie « haute » du résultat final. Il est mémorisé dans un verrou composé de bascules D. Simultanément, le résultat obtenu est converti en analogique, tension qui est retranchée à ve. Ce résidu est converti en numérique par un autre CAN similaire pour élaborer les 4 bits de poids faible. Sa mémorisation dans le verrou complète le mot de 8 bits. Ce convertisseur offre un bon compromis entre la vitesse de conversion et la précision du résultat. Présentation CAN Caractéristiques essentielles

48 FIN pour le moment Ce que dit national instrument

49 Présentation CAN Caractéristiques essentielles

50 Présentation CAN Caractéristiques essentielles

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58 * L'erreur de décalage (offset)
Décalage en Volt entre la réponse réelle et la réponse idéale.                                       

59 * L'erreur de gain Variation de gain entre le gain réel et le gain idéal.                                       

60 La non-linéarité intégrale
Ecart maximal entre la fonction de transfert réelle et idéale.                                     

61 La non-linéarité différentielle.
Ecart maximal entre un pas de quantification réel et le pas correspondant idéal.                                          

62 La non-monotonicité Ce défaut peut prendre beaucoup d'importance dans les systèmes bouclés, où une contre-réaction doit être négative. Un convertisseur non-monotone peut causer des instabilités.                                       

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86 La résolution est donnée par la taille en bits du mot.
Par exemple, un convertisseur de 12 bits avec une tension de référence de 10 V présente une résolution de ?. La résolution est toujours de 1 LSB puisque c’est le plus petit incrément possible en entrée. C’est pourquoi on préfère plutôt parler du nombre de bits ou de taille du convertisseur.