Les circuits intégrés analogiques : Les convertisseurs numérique-analogique - Quiz
Les convertisseurs numérique-analogique
Un convertisseur numérique-analogique, souvent appelé CNA ou DAC (Digital to Analog Converter), est un circuit intégré capable de transformer une valeur numérique en un signal analogique, généralement une tension ou un courant électrique.
Il réalise l'opération inverse du convertisseur analogique-numérique. Alors que le CAN permet à un système numérique de mesurer le monde réel, le CNA lui permet d'agir sur celui-ci en produisant un signal continu exploitable par un haut-parleur, un moteur, un écran ou un autre dispositif analogique.
Les convertisseurs numérique-analogique sont présents dans les ordinateurs, les smartphones, les téléviseurs, les lecteurs audio, les consoles de jeux, les cartes son, les instruments de mesure, les systèmes industriels et de nombreux appareils électroniques.
Pourquoi convertir un signal ?
Les microprocesseurs, les microcontrôleurs et les ordinateurs manipulent uniquement des nombres binaires.
Pour produire un son, afficher une image, commander un moteur ou générer une tension précise, ces valeurs numériques doivent être transformées en signaux analogiques.
Le convertisseur numérique-analogique assure cette transformation en produisant une tension ou un courant correspondant à la valeur numérique reçue.
Le principe de fonctionnement
Le convertisseur reçoit un mot binaire composé de plusieurs bits.
Chaque combinaison binaire correspond à une valeur analogique bien précise.
Plus la valeur numérique est élevée, plus la tension ou le courant délivré en sortie est important.
Par exemple, avec un convertisseur de 8 bits, la valeur 00000000 produit généralement la tension minimale, tandis que la valeur 11111111 produit la tension maximale.
La résolution
Comme pour les convertisseurs analogique-numérique, la résolution est exprimée en bits.
Elle détermine le nombre de niveaux différents que le convertisseur peut produire.
Un convertisseur de 8 bits génère 256 niveaux de tension.
Un convertisseur de 10 bits en produit 1 024, un modèle de 12 bits en fournit 4 096, tandis qu'un convertisseur de 16 bits peut produire 65 536 niveaux distincts.
Plus la résolution est élevée, plus les variations de tension sont fines et plus le signal obtenu est précis.
La tension de référence
Le fonctionnement du convertisseur repose sur une tension de référence, notée VREF.
Cette tension fixe la valeur maximale que pourra produire la sortie.
Par exemple, avec une tension de référence de 5 V, un convertisseur de 12 bits peut fournir une tension comprise entre 0 V et 5 V, répartie sur 4 096 niveaux.
Une référence très stable est indispensable pour garantir une bonne précision.
La quantification
La sortie d'un convertisseur numérique-analogique ne varie pas de manière parfaitement continue.
Chaque nouvelle valeur numérique provoque un changement vers le niveau de tension correspondant.
La tension évolue donc par petits paliers.
Lorsque la résolution est élevée, ces paliers deviennent extrêmement faibles et le signal obtenu se rapproche d'une variation continue.
Le filtrage de sortie
Dans de nombreuses applications, la sortie du convertisseur est reliée à un filtre passe-bas.
Ce filtre atténue les variations brusques entre deux niveaux successifs et transforme les paliers en un signal beaucoup plus lisse.
Cette opération est particulièrement importante pour la restitution des sons et de certains signaux de mesure.
Les principales architectures
Il existe plusieurs technologies de convertisseurs numérique-analogique adaptées à différents besoins.
Les convertisseurs à réseau R-2R utilisent uniquement deux valeurs de résistances. Leur structure est simple, précise et largement utilisée dans les convertisseurs de résolution moyenne.
Les convertisseurs à résistances pondérées utilisent une résistance différente pour chaque bit. Bien qu'ils soient simples, ils deviennent difficiles à réaliser lorsque la résolution augmente.
Les convertisseurs Sigma-Delta offrent une excellente qualité de restitution et équipent la plupart des systèmes audio modernes.
Les convertisseurs à courant sont principalement utilisés dans les applications très rapides, comme les télécommunications ou certains instruments de laboratoire.
La vitesse de conversion
Le convertisseur doit mettre à jour sa sortie suffisamment rapidement pour suivre les variations des données numériques.
La fréquence de mise à jour indique le nombre de nouvelles valeurs que le convertisseur peut produire chaque seconde.
Dans un lecteur audio, plusieurs dizaines de milliers de nouvelles valeurs sont générées chaque seconde afin de restituer fidèlement la musique.
Dans certains générateurs de signaux ou systèmes de télécommunication, cette fréquence peut atteindre plusieurs centaines de millions de conversions par seconde.
Les applications audio
L'une des principales applications des convertisseurs numérique-analogique est la restitution du son.
Les fichiers musicaux stockés dans un ordinateur, un smartphone ou un lecteur audio sont constitués de nombres.
Le convertisseur transforme ces nombres en une tension analogique qui est ensuite amplifiée avant d'être envoyée vers un casque ou un haut-parleur.
La qualité du convertisseur influence directement la fidélité de la reproduction sonore, notamment le niveau de bruit, la distorsion et la dynamique.
Les autres applications
Les convertisseurs numérique-analogique permettent également de commander des moteurs, de produire des tensions de référence, de piloter certains instruments de mesure, de générer des formes d'onde en laboratoire ou de contrôler des systèmes industriels.
Ils sont aussi utilisés dans les synthétiseurs électroniques, les cartes graphiques, les systèmes de communication, les équipements médicaux et les appareils de test.
Les convertisseurs intégrés
De nombreux microcontrôleurs modernes possèdent un ou plusieurs convertisseurs numérique-analogique directement intégrés.
Ils permettent de produire facilement une tension variable sans ajouter de circuit externe.
Lorsque des performances supérieures sont nécessaires, on utilise des convertisseurs spécialisés offrant une résolution plus élevée, une meilleure précision ou une vitesse de conversion plus importante.
Quelques circuits intégrés célèbres
Les circuits DAC0808 et DAC0832 ont longtemps été utilisés dans les montages pédagogiques et les instruments de laboratoire.
Les familles MCP4725, MCP4921 ou AD56xx sont largement utilisées dans les systèmes embarqués et les applications de précision.
Les convertisseurs audio modernes, intégrés dans les cartes son, les smartphones ou les lecteurs haute fidélité, atteignent souvent des résolutions de 24 bits avec des fréquences d'échantillonnage pouvant dépasser 192 kHz.