2009/2010 Electronique d’instrumentation Répartition horaire : cours : TD : 8 h TP : 14 h Auteurs du document :      Myriam Chesneau Responsable du document :      idem Intervenants      André Betemps Myriam Chesneau Laurent Goujon       Dernière mise à jour : 28/08/2009 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

ELECTRONIQUE D’INSTRUMENTATION MPh1 : Électronique : ampli op « parfait » Instrumentation : utilisation des CAN et CNA sur une carte d’acquisition. MPh2 : Ampli Op réel, en boucle ouverte Principe électronique des CAN et CNA Amplificateurs spécifiques à l’instrumentation IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

CH 1 : AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL REEL L’amplificateur opérationnel réel diffère sensiblement du modèle étudié en premier année. Nous proposons ici des modèles plus élaborés tenant compte de ces écarts. Une connaissance des caractéristiques et des limites de l’amplificateur opérationnel réel permet de l’utiliser à bon escient dans le domaine de la mesure. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

AOP « idéal » rappels MPh1 1.1. Modèle Le modèle étudié en première année suppose L’amplification différentielle infinie pour toute la gamme de fréquence Ad = Vs / e Ad    fréquence La tension de sortie limitée  vs max = Vsat  0,9 Vcc vsmin = - Vsat  - 0,9 Vcc. Les courants d’entrée nuls  i+ = i- = 0 Rd =. La résistance de sortie nulle Rs = 0 + - i+ i-  vs  + - vs Ad Rs Rd IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

1.2. Deux modes de fonctionnement Si le montage fonctionne en régime linéaire, il possède une contre-réaction, alors e+ = e-  = 0 on réalise ainsi des amplificateurs, des sommateurs, des filtres…. Si le montage fonctionne en boucle ouverte, il est en régime non-linéaire : la sortie est saturée : si  > 0 vs = Vsat, si  <0 vs = - Vsat montages étudiés au chapitre 3 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2. Caractéristiques réelles statiques 2.1 Tension de décalage : VIO définition si e+ = e- = 0,  = 0, vs 0. VIO est la tension continue à appliquer en entrée pour annuler la tension de sortie mesure : Pour un A.O. monté en amplificateur (A), on mesure la tension de sortie pour e+ = e- = 0 V soit Vs cette tension, alors Vio = Vs / A + - + - VIO 0 V - + VS IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2.2 Courant de polarisation IB et de décalage IIO Le courant de polarisation est la moyenne des courants d'entrée lorsque la tension de sortie est nulle IB = ( IB+ + IB-)/2 Le courant de décalage est la différence entre les courants d’entrée : IIO = IB+ - IB- IB+ IB- + - IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2.3 Caractéristique de sortie La sortie d’un ampli-op est équivalente à une source de tension imparfaite, de résistance Rs, limitée en courant. Le courant maximum en sortie est de l’ordre de 20 mA RS A Ve VS IS VS Pour Vs positif IS 20 mA IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

+ - Ve Vs Exemple Ampli Op : Rs = 100 , ISmax = 16 mA. Montage amplificateur non-inverseur, A = 10. Ve = 1 V À vide : Vs = 10 V + - Ve Vs IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

IS = 1 mA < 16 mA : pas de limitation Pour RL = 10 k, IS = 1 mA < 16 mA : pas de limitation VS = 10 000 / (100 + 10 000) . 10  10 V : la résistance de sortie ne modifie pas la tension à vide. + - RL Ve Vs RS = 100 Ω IS A Ve=10 V VS RL IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

IS = 10 / (100 + 600) = 14,2 mA < 16 mA : pas de limitation Pour RL= 600  IS = 10 / (100 + 600) = 14,2 mA < 16 mA : pas de limitation VS = 600 / (100 + 600) . 10 = 8,57 V Pour RL= 400  IS = 10 / (100 + 400) = 25 mA IMPOSSIBLE donc Is = Ismax = 16 mA VS = 16 m х 400 = 6,4 V IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Conclusion : Pour une résistance de charge RL donnée, la tension de sortie ne peut dépasser (en valeur absolue) VSAT Imax  RL IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2.4 Taux de rejet de la tension de mode commun (TRMC) (common mode rejection ratio : CMRR) Idéalement, seule la différence des tensions  = (e+ - e-) est amplifiée. Dans la réalité, vs = Ad (e+ - e-) + Ac (e+ + e-)/2 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

3. Caractéristiques dynamiques 3.1 Bande passante L'amplification différentielle Ad n'est pas infinie, et varie en fonction de la fréquence du signal d'entrée :   La largeur de bande passante (appelée bande passante, band width, BW ) est extrêmement faible : f0  10 Hz. |Ad|dB Ad0 f0 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Boucle ouverte Ad0(dB) Av1 (dB) f0 f1 fT En utilisant l'amplificateur opérationnel contre-réactionné, on étend la bande passante : le produit gain-bande passante (gain-bandwidth product ) est généralement constant : Ad0  f0 = Av1  f1 = 1  fT Boucle ouverte Ad0(dB) Av1 (dB) f0 f1 fT IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Attention, on dit "produit gain-bande", mais il s'agit en fait du produit de l'amplification par la bande passante IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Av Ve vs(t) Pente max Ve ve(t) 3.2 Vitesse de variation maximale : slew-rate Conséquence directe de la réponse en fréquence de l’ampli – op : l’ampli – op  « ne passe pas bien » les hautes fréquences. La pente maximale du signal de sortie est appelée slew–rate : SR Av Ve vs(t) Pente max Ve ve(t) IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

|A| . VEMAX . f < SR / 2 (cf. TD) Cas d’un amplificateur inverseur A = -10, ve(t) = VEMAX sin ( 2  f t) Pour ne pas déformer le signal, il faut vérifier : |A| . VEMAX . f < SR / 2 (cf. TD) IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

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CH 2 : AMPLIFICATEUR D’INSTRUMENTATION & D’ISOLATION L’amplificateur d’instrumentation permet, principalement, d’amplifier une tension utile de faible amplitude, variable, superposée à une tension continue plus élevée, « inutile ». C’est le cas par exemple de la tension de sortie d’un pont de Wheatstone alimenté entre 0 V et une tension positive. L’amplificateur d’isolation permet en plus une isolation galvanique entre les signaux d’entrée et de sortie. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Vmode commun = (VA + VB)/2 VB ≈ V0/2 Vutile = VA – VB Vmode commun = (VA + VB)/2 V0 VA VB IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Amplificateur soustracteur 1.1 Amplifications (démo en TD) Si R1 = R’1 et R2 = R’2 le montage soustracteur amplifie la différence des tensions présentes sur ses entrées : Vs = R2/R1 . (v1-v2) On parle alors d’amplification différentielle. R2 R1 - + v2 R’1 vs R’2 v1 Si les résistances ne sont pas strictement égales(R1  R’1 ou R2  R’2 ), l’amplification ne concerne pas uniquement (v1-v2), et on peut écrire : Vs = Ad (v1-v2) + Ac (v1+ v2)/2 : Ac est l’amplification de mode commun -> Si Ac est non nul, la tension de mode commun est mal « rejetée » : mauvais TRMC IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

R2 1.2 Impédances d’entrée Le montage soustracteur présente sur chacune de ses entrées une résistance finie : Rin 1 = V1/I1 = R1 + R2 (pour v2 = 0) Rin 2 = V2/I2 = R1 (pour v1 = 0) R1 - + I1 R1 v1 R2 R2 R1 I2 - + v2 R1 R2 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

1.3 Limites Si on souhaite obtenir une amplification élevée, il faut R2 grande et R1 petite, l’impédance d’entrée sur l’entrée inverseuse est « faible ». Si les résistance ne sont pas bien ajustées (R1 = R’1 et R2 = R’2 ) , l’amplification de mode commun est non nulle, on n’amplifie pas uniquement la différence des tensions. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

1.4 Solutions On utilise l’impédance d’entrée « infinie » du montage non-inverseur: Rin = Rin AOP   Les résistances du soustracteur sont ajustées par le constructeur. + - v2 v1 vs R R’ R’2 R’1 R1 R2 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2. Amplificateur d’instrumentation 2.1 Structure + - v2 v1 vs R 2R’ A = 1 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

La structure est très proche de celle proposée précédemment : Deux étages d’entrée non-inverseurs permettent d’avoir une forte impédance d’entrée. Les deux résistances « R’ » sont reliées pour éviter des connexions masse et réduire ainsi les sources possible de bruit. Le premier étage possède une forte amplification L’amplificateur de différence possède souvent des résistances égales (R1 = R2 = R’1 = R’2 ) très ajustées, pour réduire le mode commun. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2.2 Amplification (démo en TD) Ad = R2/R1 . ( 1 + 2R/ « 2R’ ») = Exemple INA 114 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2.3 Caractéristiques L’amplificateur d’instrumentation est donc une structure différentielle qui comme le soustracteur possède une amplification différentielle une très faible résistance de sortie De plus, l’impédance sur chaque entrée est élevée l’offset est souvent très faible Le taux de rejet de mode commun est élevé et permet en sortie un faible résidu de la tension parasite de mode commun L’amplification est fixée par une seule résistance externe. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

RG v1 v2 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2.4 Limites Si la tension de mode commun du signal est supérieure à la tension d’alimentation de l’amplificateur d’instrumentation, ce dernier ne peut être utilisé. Si des signaux de puissance partagent les même lignes de masse que le signal utile, celui-ci risque d’être perturbé. Il faut alors séparer les signaux utiles et les signaux de puissance, ainsi que les masses de ces signaux. L’amplificateur d’isolement permet de résoudre ces problèmes. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

3. Amplificateur d’isolation 3.1 Fonctions Un amplificateur d’isolement est un amplificateur d’instrumentation pour lequel les signaux d’entrée et de sortie sont isolés galvaniquement. Il n’y a a pas de chemin direct pour le passage d’un courant entre l’entrée et la sortie. Les circuits d’entrée et de sortie sont isolés électriquement : les références de tensions (masses) en entrée et en sortie peuvent être à des potentiels différents. Conséquences : les surtensions accidentelles provenant des équipements ou des défauts d’isolation, de masse au niveau de l’entrée ne sont pas transmis au système à mesurer… ce qui est primordial dans le cas de mesures sur un animal ou un homme ( ex : électrocardiogramme) IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Isolation électrique Ve Appareil de mesure Alim étage sortie Alim étage entrée IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

3.3 Réalisation Le signal utile est transmis par couplage capacitif optique magnétique (transformateur) ou galvanique Dans ce dernier cas, l’alimentation du circuit d’entrée peut également être transmise au circuit de sortie par transformateur. Le procédé d’isolation est « transparent » à l’utilisateur. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

AD 210 isolation galvanique IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

ISO 122 isolation capacitive IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

ISO 100 isolation optique IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

CH 3 : AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL EN BOUCLE OUVERTE L'amplificateur n'est pas contre-réactionné, il fonctionne en régime non-linéaire de saturation (ou commutation) : si  > 0 Vs = Vsat, si  <0 Vs = - Vsat IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Comparateur Ve Vs 1.1 Comparateur à zéro + - Ve si  > 0 Vs = Vsat, si  <0 Vs = - Vsat  = e+ - e- = ve – 0 = ve + - Ve Ve Vs IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Cas d’un signal bruité Des commutations multiples du signal de sortie sont possibles quand la tension d’entrée est proche de 0 V (cf TD): IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Ve Vs 1.2 Comparateur à une référence + - Ve Vs Vref = e+ - e- = ve – Vref si ve > Vref vs = Vsat, si ve < Vref vs = - Vsat + - Ve Vs Ve Vs Vref IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2. Trigger de Schmitt 2.1 Trigger de Schmitt inverseur appelé aussi comparateur à hystérésis, ou bascule à seuil Principe La sortie peut prendre deux états : + Vsat et – Vsat. L’entrée inverseuse peut donc prendre deux valeurs : Vsat R1/(R1 + R2) ou - Vsat R1/(R1 + R2) Ce sont ces deux valeurs de la tension d’entrée qui peuvent annuler , donc provoquer le basculement de la sortie. Mise en équation  = e+ - e- = Vs . R1/(R1 + R2) – Ve Si Vs = + Vsat,  > 0 tant que Ve < Vsat R1/(R1 + R2) (Seuil positif) Si Vs = - Vsat,  < 0 tant que Ve > - Vsat R1/(R1 + R2) (Seuil négatif) R1 R2 - + ve vs IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Seuil positif Seuil négatif Vs +Vsat Ve -Vsat IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2.2 Trigger de Schmitt non-inverseur  = (VsR1 + VeR2)/(R1 + R2) Vs =  Vsat Seuils de basculement : (  = 0) =  Vsat. R1/R2 + - R1 R2 ve Vs ve Vsat - Vsat - R1/R2. Vsat R1/R2. Vsat vs IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2.3 Intérêt (cf TD) Ces montages permettent d’éviter les commutations multiples autour de 0 en créant deux seuils de commutation -> meilleure insensibilité aux bruits. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

3. Limitations de l’ampli opérationnel 3.1 Le slew-rate… En régime de commutation, Vs = + Vsat ou Vs = - Vsat : la sortie commute de –Vsat à + Vsat : La pente du signal de sortie est limitée par le slew-rate de l’ampli-op. +Vsat Pente max -Vsat IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Pour travailler en commutation, on utilise des circuits spéciaux qui possèdent une bande passante plus large, donc un meilleur slew-rate que les ampli-op traditionnels. Ils sont par contre moins stables et ne doivent pas être utilisés en boucle fermée. 3.2 Circuits utilisés En boucle fermée : ampli-op type TL 081 En commutation : comparateur type LM 311 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

4. Comparateur type LM 311 4.1 Avantages du comparateur Gamme d’alimentation variée, symétrique ou non : exemples - 12 V ; + 12 V comme les AOP 0 ; 5 V comme les circuits logiques TTL Sortie de type « collecteur ouvert », permet de choisir les 2 niveaux de la sortie : exemples 0 V et 5 V Alimentation positive et 0 V … IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

4.2 Collecteur ouvert… Utilisation de la sortie collecteur ouvert en symétrique États de sortie : Transistor bloqué : Vs = + 12 V Transistor saturé : Vs = - 12 V 12 V - 12 V R = 1 k Vs 0 V IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Vs Utilisation de la sortie collecteur ouvert en « TTL » États de sortie : Transistor bloqué : Vs = + 5 V Transistor saturé : Vs = 0 V 5 V R = 1 k Vs 0 V IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Tensions de sortie et courant maximum de sortie sont fixés par l’alimentation extérieure : fortes valeurs possibles. Exemple : 50 V – 50 mA pour piloter lampes ou relais. 4.3 Utilisations Ce type de circuit permet de réaliser les fonctions de comparaison à une référence et de comparaison avec hystérésis. On peut également réaliser des oscillateur (multivibrateur astable) à l’aide de tels comparateurs. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

5. Circuits logiques à trigger de Schmitt 5.1 Rappel : En logique, les niveaux haut (1) et bas (0) sont définis par une gamme de tension, par exemple, en entrée TTL : 0 : [ 0 V ; 0,8 V ] 1 : [ 2 V ; 5 V ] Exemple : inverseur E = 0,5 V -> S : niveau haut E = 1 V -> S : niveau ??? IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

5.2 Circuit logiques à hystérésis Permet de lever l’indétermination : la sortie est définie pour tout niveau d’entrée, par une caractéristique à hystérésis. Exemple de l’inverseur : E = 0,5 V -> S : niveau haut E = 1 V croissant : S = niveau haut décroissant : S = niveau bas VT- = 0,9 V VT+ = 1,5 V IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

5.3 Autres circuits logiques à hystérésis Ces circuits sont appelés « circuits à trigger de Schmitt » IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

CH 4 : CONVERTISSEUR NUMERIQUE ANALOGIQUE (CNA = DAC) Un convertisseur analogique numérique est utilisé sur une carte multifonctions pour générer une sortie analogique. µP CNA Sortie CNA Après filtrage IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Principes généraux Vs = q. Ne, 1.1 Rappel de MPh1 Circuit permettant de convertir un nombre codé Ne en tension analogique Vs. Pour un convertisseur de résolution « n », de pleine échelle PE, Vs = q. Ne, avec q = PE/2n. Circuit présent sur de nombreuses cartes d’acquisition multifonctions IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Carte d’acquisition multifonctions Bus du PC PORT I/O TIMER CNA CAN I/O connecteur Tension analogique Tension lue 0 ou 5 V Tension délivrée 0 ou 5 V Comptage Signaux d’horloge Vs Ne IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

1.2 Aspect électronique MPh1 : utilisation d’un CNA pour générer une tension analogique (Analog Output…) MPh2 : compréhension du principe de fonctionnement La plus part des CNA sont de type « parallèle » : Tous les bits du nombre Ne sont traités simultanément par le circuit pour produire – au bout d’un certain temps – la tension analogique de sortie. Ce temps est appelé le temps d’établissement du CNA. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2. CNA parallèle 2.1 CNA à résistances pondérées Exemple d’un CNA de résolution n = 4 : Ne = b3b2b1b0 b3 2R R b2 I 4R - + b1 8R b0 Vs 16R - Eref IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

b3 = 1 -> I3 = -Eref/2R b3 = 0, I3 = 0 Chaque bit de Ne positionné à 1 commute un courant proportionnel à son poids : Si Ne est codé en binaire naturel, on obtient bien Vs = q. Ne, avec q = Eref/16 = PE/24. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

I = ( -16/2R) + ( -16/4R) + ( -16/16R) = - (8/R + 4/R +1/R) Exemple I = ( -16/2R) + ( -16/4R) + ( -16/16R) = - (8/R + 4/R +1/R) Vs = -RI = 8 + 4 + 1 = 13 V 1 2R R 1 I 4R - + 8R 1 Vs 16R - 16 V IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Nécessite une large gamme de résistances, précises et stables -> réalisation difficile dans un circuit intégré -> intérêt pédagogique (cf TP) IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2.2 CNA à réseau R – 2R Exemple d’un CNA de résolution n = 4 : Ne = b3b2b1b0 Chaque bit de Ne commute une courant vers la masse ou l’entrée inverseuse de l’AOP : I3 I2 I1 I0 R R R 2R 2R 2R 2R 2R - Eref I3 R I2 I1 I0 b3 b2 b1 b0 I - + Vs IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Si Ne est codé en binaire naturel, on obtient bien On montre que Si Ne est codé en binaire naturel, on obtient bien Vs = q. Ne, avec q = Eref/16 = PE/24. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Seules deux valeurs de résistances sont utilisées : R et 2R. Structure très fréquente sur les CNA 12 ou 16 bits des cartes d’acquisition multifonctions. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

3. UTILISATIONS Dans la pratique, les CNA sont souvent bipolaires : mêmes principes. Utilisation En synthèse de signaux : un filtre est souvent nécessaire pour supprimer les « marches d’escalier » inhérentes à la conversion. Dans le domaine audio : le filtre conditionne la qualité du son. En automatisme, l’élaboration d’une commande permet le contrôle de processus. En amplificateur programmable : Eref devient ve(t) Pour concevoir les CAN IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

CH 5 : CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMERIQUE (CAN = ADC) Un convertisseur numérique analogique est utilisé sur une carte multifonctions pour acquérir un signal analogique. Il est souvent précédé d’un multiplexeur permettant alors l’acquisition de plusieurs signaux analogiques. µP CAN Stockage, traitement… IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Principes généraux 1.1 Rappels de MPh1 Circuit permettant de convertir une tension analogique Ve en un nombre codé Ns. Nécessité d’échantillonner le signal (discrétisation en temps) de quantifier le signal (discrétisation en valeur) IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

instants d’échantillonnages : 0, Te, 2Te, 3Te… V(t) échantillonnage blocage V(nTe) instants d’échantillonnages : 0, Te, 2Te, 3Te… 011 101 100 001 000 V(nTe) quantification : 100 110 101 100 011 010 001 000 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Ns = Ve / q, -q/2 <  < q/2 Pour un convertisseur de pleine échelle PE de résolution n, le pas de quantification ou quantum ou LSB vaut : PE/2n. La caractéristique est centrée sur la droite d’équation Ns = Ve / q, avec un écart maximal de q/2 par rapport à cette caractéristique : -q/2 <  < q/2 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

PE 7 : 111 6 : 110 5 : 101 4 : 100 3 : 011 2 : 010 1 : 001 0 : 000 q = LSB Ns Ve IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

1.2 Aspects électroniques MPh1 : utilisation d’un CAN MPh2 : compréhension du principe de fonctionnement 3 principes présentés : Convertisseur parallèle (flash) : rapide, résolution limitée (8), utilisé dans les oscilloscopes numériques. Convertisseur à approximations successives : bon compromis précision – rapidité : très fréquent en acquisition de données Convertisseur à comptage d’impulsions ou rampe : lent mais avec une très bonne immunité aux bruits, utilisé pour les mesures sur signaux stabilisés, dans les multimètres… IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2 . CAN parallèle ou flash 2.1 Principe - + logique Ve Eref 3R/2 R R/2 b2 b1 b0 2.1 Principe La tension Ve à mesurer est comparée simultanément à 2n-1 tensions de référence. Le résultat des comparaisons est traduit par un décodeur logique en nombre codé Ns = b2b1b0 Un CAN flash 2 bits sera étudié en TD. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

2.2 avantages – inconvénients Très rapide : limité uniquement par les temps de réponse des comparateurs et de la logique. Limité en résolution, il faut 2n-1 comparateurs : 255 pour un CAN 8 bits. Dans la pratique, 6 ou 8 bits : insuffisant pour l’instrumentation. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

3. CAN à pesées successives 3.1 Principe Même principe que la pesée sur un balance à deux plateaux : Ve est comparée à PE/2 (b2b1b0=100) Si Ve > PE/2, on conserve b2=1 Si Ve < PE/2, b2=0 Ve est comparée à Vn = ¾ PE ( b2b1b0=110) ou Vn = ¼ PE (b2b1b0=010) 100 Ve > PE/2 ? O N 110 010 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

100 Selon le résultat, on positionne b1….etc… Ve > Vn ? 111 101 110 011 001 010 000 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Registre à approximations successives 3.2 Circuit Le registre à approximations successives génère le nombre 100 au départ. Le CNA élabore la tension de comparaison Vn à partir de ce nombre. Le résultat de la comparaison permet de sélectionner le nombre suivant 110 ou 010 lors du premier passage… + - CNA Logique de commande Registre à approximations successives Ve Ns Eref Vn IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Ve < PE/2 + PE/4 Ve > PE/2 Ve > PE/2 + PE/8 Ve<PE/2+PE/8+PE/16 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

3.3 Avantages – inconvénients Précis, lié à la résolution du CNA. Chaque conversion prend le même temps, d’autant plus long que la résolution est importante, conséquences : Il faut maintenir la tension d’entrée pendant le temps de conversion : un échantillonneur bloqueur est souvent inclus dans ce type de CAN Ns est disponible uniquement à la fin de la conversion. Rapide : limité par le temps d’établissement du CNA (+ logique et comparateur), mais moins que le flash. Il existe une version « série », où les bits sont délivrés successivement sur une ligne de sortie unique, au fur et à mesure de leur calcul. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

4. Convertisseur à rampe 4.1 Principe La tension analogique Ve est convertie en un temps Te. Ce temps est mesuré par un compteur, en comptant le nombre de périodes d’horloge du compteur contenu dans cet intervalle de temps. Charge d’un condensateur à courant constant Io et lancement du compteur. Arrêt du compteur quand Vc(t) = Ve. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Io - + Ve Vc(t) = Ve pour t = Te = Ve.C/Io. Pendant Te, le compteur a compté Ns impulsions d’horloge, telles que Te = Ns.TH. Ns = Te/TH = (Ve.C/Io) / TH = k. Ve. Io - + Ve IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Pente Io/C Ve Te = NS TH IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

4.2 Convertisseurs à plusieurs rampes Le CAN simple rampe est trop sensible aux valeurs de C, Io, TH. Sur le même principe, on réalise des convertisseurs à 2 rampes : Ve Vr Intégrateur + - -Vr Logique de commande Horloge Compteur IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Un compteur est déclenché et Ve est intégrée pendant un cycle de comptage. L’intégrateur produit une rampe Vr = k.Ve.t qui atteint sa valeur max en fin de comptage : k Ve 2n. TH Puis le compteur est relancé et une tension de référence –Vref est connectée à l’intégrateur. Il produit une tension en – k Vref t. Dès que cette tension s’annule, le comptage est stoppé : le compteur a compté pendant NTH IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Pente kVe Pente - kVref 2nTH NTH IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

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4.3 Avantages – inconvénients La tension Ve est intégrée grâce à un condensateur, pendant une durée 2nTH. Toute tension parasite superposée à Ve sera également intégrée. Si le temps 2nTH est un multiple de 20 ms (l’inverse de 50 Hz), les tensions parasites de fréquence 50 Hz seront éliminées, puisque d’intégrale nulle sur une période. C’est le principal avantage de ce type de CAN, utilisé dans les multimètres de poche. IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Faire un dessin… IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

5. Convertisseur sigma-delta (quelques notions…) 5.1 Le bruit dans les convertisseurs La quantification introduit une erreur : pour Ve tension en entrée du convertisseur, on obtient Ns nombre codé de sortie, ce qui permet de calculer Vcalc = Ns * q, qui approche Ve à  q/2 près. L’erreur de quantification  est comprise entre –q/2 et +q/2, avec une répartition uniforme correspond à un bruit de valeur efficace de q/√12 Ce bruit est réparti sur la bande de fréquence [0 ; Fe/2] q/2 -q/2 f()  IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Le filtrage à Fe/2 est numérique. L’idée est de répartir le bruit de quantification sur une bande plus grande, pour diminuer son importance quand on revient par filtrage à la bande utile : ceci est obtenu par sur-échantillonnage à k.Fe Le filtre anti-repliement (FAR) analogique est alors plus facile à réaliser. Le filtrage à Fe/2 est numérique. Fe/2 Spectres f bruit signal k.Fe/2 f Spectres Spectres FAR FAR f Fe/2 Fe/2 k.Fe/2 IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

5.2 Principe des CAN - ( d’après Tillier / Gargèse / mars 2005) Ce sont les variations du signal Ve qui sont échantillonnées à k.Fe (Fe étant la fréquence « normale » d’échantillonnage de Ve), et converties sur 1 bit par le comparateur. Un filtre numérique et un décimateur permettent de revenir à un débit d’information à la fréquence Fe, sur k bits, tout en supprimant le bruit haute-fréquence. Principe d’une réalisation : CNA 1 bit Filtre numérique et Décimateur intégrateur comparateur kFe Fe + - Ns A D +Vref si c=1 –Vref si c=0 Ve S B C CAN 1 bit IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

S + A B C - D Exemples de fonctionnement kFe Ve Ns CNA 1 bit Fe Ve=0 A Filtre numérique et Décimateur intégrateur comparateur kFe Fe + - Ns A D +Vref si c=1 –Vref si c=0 Ve S B C CAN 1 bit B C 1 Ve=0 A IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Signal PDM Modulation de densité d’impulsion CNA 1 bit Filtre numérique et Décimateur intégrateur comparateur kFe Fe + - Ns A D +Vref si c=1 –Vref si c=0 Ve S B C CAN 1 bit Signal PDM Modulation de densité d’impulsion 1 C Ve=Vref/2 B A IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

5.3 Utilisation Bon rapport signal / bruit ->précis Faible coût Le sur-échantillonnage l’empêche de travailler avec de signaux de fréquence élevée. Bien adapté aux signaux audio. Extrait du guide : «Amplifier and Data Converter Selection Guide ». Texas Instruments IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1

Comparatif : Résolution / Féch - IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Instrumentation 1