Convertisseur Numérique Analogique

Vous devez réaliser les montages proposés et répondre individuellement par écrit aux questions posées (si possible réaliser le compte rendu sur traitement de texte). Mais, bien évidemment vous notez – en plus – toutes les informations qui vous semblent utiles : vous vous constituez votre propre cours.

Objectifs généraux :

    • Nécessité de la conversion analogique-numérique.
    • Conversion numérique/analogique avec un réseau R-2R de 2 à 4 bits.
    • Utilisation de la simulation.
    • Notion de résolution.
    • Tracé de la courbe UCNA = f(N).
    • Réalisation d’un compte-rendu intégrant les simulations réalisées, les tableaux de résultats et la courbe.
    • Durée : 1 séance

Matériel :

    • Crocodile Clip
    • Platine R/2R; 2 bits; 3 bits ; 4 bits
    • Générateur continu
    • Voltmètre

I Généralité

A) Signaux analogiques et signaux numériques

Un signal analogique sa(t) est un signal continu dont la valeur varie en fonction d'une variable continue t (le temps). La grandeur analogique sa(t) est représentée par un nombre réel variant de façon continue (exemples : tension, température...).
Un signal numérique sn(tE) est un signal discontinu dont la valeur varie en fonction d'une variable discontinue tE (t= n.TE avec TE la période de prise des mesures (période d'échantillonnage)). La grandeur numérique n'a pas de dimension physique, c'est un nombre formé d’une suite de 0 et 1 (mot binaire). Les appareils de mesure numérique et les ordinateurs utilisent ce type de grandeur.

B) Traitement numérique de l'information

En général, l'information issue d'un capteur est une grandeur analogique ( tension par exemple) et les actionneurs commandés par un ordinateur fonctionnent avec des signaux analogiques. Par conséquent, il faut procéder à des conversions de données.
Pour mesurer une tension à l’aide d’un ordinateur, il faut convertir cette grandeur analogique en une grandeur numérique. Pour cela on utilise un convertisseur analogique-numérique.
Pour commander un moteur par exemple à partir d’un ordinateur, il faut convertir la grandeur numérique en une grandeur analogique. C’est le rôle du convertisseur numérique-analogique.
CHAINE D'ACQUISITION
CHAINE DE COMMANDE

II Définition du Convertisseur Numérique-Analogique

On appelle Convertisseur Numérique Analogique ( CNA ) un dispositif qui transforme des signaux logiques ( 0 ou 1 ) en valeurs analogiques de tension électrique.
Ce CNA entre dans la composition du traitement numérique dû à un ordinateur au niveau de la chaîne de commande incluse dans l’interface d’acquisition.

III Réseau R / 2R et CNA 2 , 3 et 4 bits

A) Réseau R / 2R

C’est un dispositif électrique constitué d’une source de tension de valeur Uref et d’un ensemble de résistances de valeurs R et 2R. La tension de sortie - ou résultat de la conversion - est tributaire de la disposition de ces résistances.

B) CNA 2 bits

Dans un premier temps, on étudie le montage électrique suivant :
  1. Simuler le montage sur Crocodile clips et mesurer Us.
  2. Enregistrer sous le nom « CNA2BITS ».
  3. Alimenter la platine R/2R avec une tension de référence de 5,12V. Mesurer Us pour les 4 combinaisons possibles. Comparer les deux séries de valeurs.

A chaque interrupteur est associée une valeur logique :

  • tension appliquée 0 V <=> A = 0
  • tension appliquée Uref <=> A = 1

Comme il y a deux interrupteurs , l'état de l'ensemble des interrupteurs est associé à un nombre binaire de 2 bits (A1A0 ) .Compléter le tableau suivant :

Binaire
00
01
10
11
Décimal
.
.
.
.
Tension simulation (V)
.
.
.
.
Tension mesurée (V)
.
.
.
.

 

Conclusion :

C) CNA 3 bits

Simuler le montage CNA 3 bits sous Crocodile Clips en complétant le schéma précédent et enregistrer sous le nom « CNA3BITS ».
Modifier le montage expérimental précédent de façon à réaliser un CNA 3 bits.

Noter les résultats des mesures :

A2
A1
A0
décimal
Us simulé (V)
US mesuré(V)
0
0
0
.
.
.
0
0
1
.
.
.
0
1
0
.
.
.
0
1
1
.
.
.
1
0
0
.
.
.
1
0
1
.
.
.
1
1
0
.
.
.
1
1
1
.
.
.

 

Conclusion :

D) CNA 4 bits

Simuler le montage CNA 4 bits sous Crocodile Clips en complétant le schéma précédent et enregistrer sous le nom « CNA4BITS ».
Modifier le montage expérimental précédent de façon à réaliser un CNA 4 bits.

 

Noter les résultats des mesures :

décimal
A3
A2
A1
A0
Us simulé (V)
US mesuré(V)
.
0
0
0
0
.
.

.
0
0
0
1
.
.
.
0
0
1
0
.
.
.
0
0
1
1
.
.
.
0
1
0
0
.
.
.
0
1
0
1
.
.
.
0
1
1
0
.
.
.
0
1
1
1
.
.
.
1
0
0
0
.
.
.
1
0
0
1
.
.
.
1
0
1
0
.
.
.
1
0
1
1
.
.
.
1
1
0
0
.
.
.
1
1
0
1
.
.
.
1
1
1
0
.
.
.
1
1
1
1
.
.

Linéarité de la conversion

Entrer manuellement, dans Regressi, les valeurs de tensions obtenues sur 3 bits en fonction du nombre décimal correspondant au binaire affiché.

  1. Avec quel type de fonction peut-on modéliser la courbe obtenue ?
  2. Réaliser cette modélisation. Quel est le résultat ?
  3. Quelle relation existe-t-il entre cette courbe et la résolution en tension ?
  4. Quel résultat peut-on prévoir pour le convertisseur 8 bits ?
  5. Conclure sur la linéarité de la conversion.

E) Automatisation du CNA à 4 bits

On aura remarqué qu’il est nécessaire de manœuvrer les interrupteurs figurant des états logiques à la main.
Ce processus peut être automatisé en utilisant un compteur, incrémenté à l’aide d’un circuit appelé « horloge », capable de parcourir seul les valeurs logiques.

Simulation :
Pour voir les effets d’un tel circuit, modifier le circuit précédent et le compléter pour obtenir le circuit ci-dessous. Nommer le fichier CNA_AUTO.

Correspondent-elles à ce qui a été mesuré précédemment ?

Compter les « marches » de cette rampe :
Mesurer à l’écran la hauteur de chaque « marche » : ................ V
Conclure :

F) Conclusions

Résolution en tension: sur 4 bits : …………… V


Valeur maximale de la tension obtenue: sur 4 bits : ………..V soit (5,12 - ……….)

IV CONCLUSIONS SUR LE CNA.

Résolution

La résolution en tension d’un CNA alimenté par une tension Uref est donnée par où n est le nombre de bits.

Valeur maximale atteinte
Nous pouvons vérifier que la valeur maximale atteinte est
Pour améliorer la précision du CNA il faut donc augmenter le nombre de bits.

V Résumé des connaissances révisées ou découvertes

Vous devez résumer ici ce qui vous est apparu indispensable, ou simplement utile pour l’année de MPI et pour vos révisions lors du prochain contrôle …