Les circuits intégrés analogiques : Les convertisseurs analogique-numérique - Quiz
Les convertisseurs analogique-numérique
Un convertisseur analogique-numérique, souvent appelé CAN ou ADC (Analog to Digital Converter), est un circuit intégré capable de transformer une grandeur analogique, généralement une tension électrique, en une valeur numérique que peut traiter un circuit numérique.
Les convertisseurs analogique-numérique assurent le lien entre le monde physique et les systèmes numériques. Ils permettent à un microcontrôleur, un ordinateur ou un processeur de mesurer une température, une pression, une intensité lumineuse, un son ou toute autre grandeur fournie par un capteur.
Ils sont présents dans les smartphones, les appareils photo numériques, les systèmes automobiles, les équipements médicaux, les instruments de mesure, les objets connectés, les robots et la plupart des appareils électroniques modernes.
Pourquoi convertir un signal ?
La plupart des phénomènes physiques évoluent de manière continue.
La température d'une pièce, la tension délivrée par une cellule solaire ou le signal provenant d'un microphone peuvent prendre une infinité de valeurs comprises dans une certaine plage.
À l'inverse, un circuit numérique ne manipule que des nombres représentés sous forme de bits. Pour qu'un processeur puisse exploiter ces informations, il faut donc convertir le signal analogique en une suite de valeurs numériques.
Le principe de fonctionnement
Le convertisseur mesure régulièrement la tension présente sur son entrée.
À chaque mesure, il compare cette tension à une tension de référence, puis lui associe un nombre binaire représentant sa valeur.
Plus la tension mesurée est élevée, plus le nombre obtenu est grand.
Cette opération est répétée des centaines, des milliers ou des millions de fois par seconde selon les applications.
La tension de référence
La tension de référence, souvent notée VREF, fixe la plage de mesure du convertisseur.
Si un convertisseur est réglé avec une tension de référence de 5 V, il peut mesurer des tensions comprises entre 0 V et 5 V.
Une tension supérieure à cette valeur ne pourra plus être distinguée : le convertisseur fournira sa valeur maximale.
La stabilité de cette tension de référence est essentielle pour obtenir des mesures précises.
La résolution
La résolution indique le nombre de valeurs différentes que peut distinguer le convertisseur.
Elle est exprimée en bits.
Un convertisseur de 8 bits peut produire 28 = 256 valeurs différentes, numérotées de 0 à 255.
Un convertisseur de 10 bits fournit 1 024 valeurs, un modèle de 12 bits en fournit 4 096, tandis qu'un convertisseur de 16 bits distingue 65 536 niveaux différents.
Plus la résolution est élevée, plus les variations de tension peuvent être mesurées avec précision.
Le pas de conversion
La plus petite variation de tension que peut distinguer un convertisseur est appelée le pas de conversion ou quantum.
Il dépend de la tension de référence et de la résolution.
Pas = VREF / (2n - 1)
où n représente le nombre de bits du convertisseur.
Un convertisseur de 10 bits utilisant une tension de référence de 5 V possède 1 024 niveaux de mesure. Chaque niveau correspond donc à environ 4,9 mV.
La quantification
Comme un convertisseur ne peut produire qu'un nombre limité de valeurs, chaque tension mesurée est remplacée par le niveau disponible le plus proche.
Cette approximation est appelée la quantification.
Elle introduit une très faible erreur, appelée erreur de quantification, qui diminue lorsque la résolution augmente.
L'échantillonnage
Pour mesurer un signal qui varie dans le temps, le convertisseur effectue des mesures successives appelées échantillons.
Le nombre de mesures réalisées chaque seconde constitue la fréquence d'échantillonnage.
Un thermomètre électronique peut ne réaliser que quelques mesures par seconde, tandis qu'un enregistreur audio effectue plusieurs dizaines de milliers de mesures chaque seconde.
Les CD audio utilisent par exemple une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz, ce qui correspond à 44 100 mesures par seconde.
Le théorème de Nyquist-Shannon
Pour reproduire correctement un signal, la fréquence d'échantillonnage doit être suffisamment élevée.
Le théorème de Nyquist-Shannon indique qu'elle doit être au moins égale au double de la fréquence maximale présente dans le signal.
Ainsi, pour enregistrer des sons audibles jusqu'à environ 20 kHz, une fréquence supérieure à 40 kHz est nécessaire. La fréquence de 44,1 kHz utilisée sur les CD respecte cette condition.
Les principales architectures
Il existe plusieurs familles de convertisseurs analogique-numérique, chacune adaptée à des besoins différents.
Les convertisseurs à approximation successive (SAR) offrent un excellent compromis entre vitesse, précision et consommation. Ils sont largement utilisés dans les microcontrôleurs et les appareils de mesure.
Les convertisseurs Flash sont extrêmement rapides grâce à un grand nombre de comparateurs fonctionnant en parallèle. Ils sont utilisés dans les oscilloscopes rapides et certaines liaisons de télécommunication.
Les convertisseurs Sigma-Delta privilégient une très grande précision au détriment de la vitesse. Ils équipent notamment les balances électroniques, les appareils de mesure de précision et de nombreux systèmes audio.
Les convertisseurs à double rampe sont plus lents mais offrent une excellente stabilité. Ils sont utilisés dans de nombreux multimètres numériques.
Les applications
Les convertisseurs analogique-numérique permettent de numériser les signaux provenant des capteurs afin qu'ils puissent être traités par un système numérique.
Ils convertissent le signal d'un microphone avant son enregistrement, la lumière captée par les pixels d'un appareil photo numérique, la température mesurée par une sonde, la pression relevée par un capteur industriel, la position d'un joystick ou encore la tension délivrée par une batterie afin qu'un microcontrôleur puisse en surveiller l'état.
Les convertisseurs intégrés
De nombreux microcontrôleurs possèdent aujourd'hui un ou plusieurs convertisseurs analogique-numérique directement intégrés sur la même puce.
Les cartes de développement, comme celles utilisant des microcontrôleurs AVR, PIC, STM32 ou ESP32, disposent généralement de plusieurs entrées analogiques permettant de connecter directement des capteurs sans ajouter de circuit spécialisé.
Pour les applications nécessitant une très grande précision ou une vitesse élevée, on utilise des convertisseurs externes spécialisés offrant davantage de bits, une meilleure stabilité ou une fréquence d'échantillonnage plus importante.