Qu'est-ce qu'un convertisseur CAN (convertisseur analogique-numérique) ?

Qu'est-ce qu'un convertisseur A/N (CAN) ?

Le convertisseur analogique-numérique (CAN) est l'un des éléments fondamentaux des systèmes modernes d'acquisition de données (aussi appelés systèmes DAQ ou DAS). Ces systèmes sont constitués des composants de base suivants :

• Capteurs

• Conditionnement du signal

• Convertisseur analogique-numérique (CAN) (cet article)

• Et une sorte d'ordinateur avec un logiciel DAQ pour l'enregistrement et l'analyse des signaux.

Les convertisseurs CAN jouent un rôle important dans les systèmes modernes d'acquisition de données numériques.

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Qu'est-ce que l'acquisition de données - DAQ ou DAS?Le guide complet de l'acquisition de données (DAQ). Découvrez comment fonctionnent les systèmes DAQ et quels sont les éléments de base des systèmes modernes d'acquisition de données numériques.

Que font les convertisseurs A/N ?

L'objectif principal des convertisseurs A/N dans un système d'acquisition de données est de convertir les signaux analogiques conditionnés en un flux de données numériques afin que le système d'acquisition de données puisse les traiter pour les afficher, les stocker et les analyser.

Principaux types de convertisseurs A/N

Bien qu'il existe réellement cinq grands types de CAN aujourd'hui, dans le monde moderne des DAQ, il n'y en a que deux :

• l'approximation successive et

• le delta-sigma. 

Les autres types sont parfaitement adaptés mais conviennent mieux aux applications non DAQ. Par exemple, les CAN à double rampe sont assez lents et se trouvent donc principalement dans les voltmètres de poche.

Et puis il y a les CAN flash qui offrent des taux d'échantillonnage extrêmement élevés mais une résolution de l'axe d'amplitude trop faible pour les applications DAQ. Les CAN à convertisseur pipeline sont une approche qui utilise plusieurs convertisseurs flash pour améliorer la résolution de l'axe d'amplitude, mais ils sont encore limités dans ce domaine.

Le monde des DAQ s'est donc tourné vers les CAN SAR (approximation successive) et les CAN delta-sigma (ΔΣ). Chacun d'entre eux présente ses propres avantages et inconvénients et convient donc à certaines applications. Examinons le fonctionnement de chaque CAN et comparons-les.

CAN à approximation successive (SAR)

Le convertisseur analogique-numérique SAR est le convertisseur le plus utilisé dans le monde des DAQ. Il offre un excellent équilibre entre vitesse et résolution et traite une grande variété de signaux avec une excellente fidélité.

Il existe depuis longtemps, les conceptions SAR sont donc stables et fiables, et les puces sont relativement bon marché. Elles peuvent être configurées à la fois pour les cartes A/N bas de gamme, où une seule puce CAN est "partagée" par plusieurs voies d'entrée (cartes A/N multiplexées), ou dans des configurations où chaque voie d'entrée possède son propre CAN pour un véritable échantillonnage simultané.

L'entrée analogique de la plupart des CAN est de 5V, c'est pourquoi presque tous les frontaux de conditionnement de signaux fournissent une sortie conditionnée identique. Le CAN SAR typique utilise un circuit d'échantillonnage et de maintien qui reçoit la tension analogique conditionnée de l'entrée du conditionneur du signal.

Un CNA embarqué crée une tension de référence analogique égale à la sortie du code numérique du circuit d'échantillonnage et de maintien. Les deux sont alimentés dans un comparateur qui envoie le résultat de la comparaison au SAR. Ce processus se poursuit pour "n" fois successives, "n" étant la résolution binaire du CAN lui-même, jusqu'à ce que la valeur la plus proche du signal réel soit trouvée.

Les ADC SAR n'ont pas de filtrage anti-repliement (AAF),inhérent, donc à moins que le système DAQ ne l'ajoute en amont du CAN, si l'ingénieur sélectionne une fréquence d'échantillonnage trop faible, des faux signaux ("alias") seront numérisés par le CAN SAR. Le repliement est particulièrement problématique car il est impossible de le corriger après la numérisation.

Il n'y a aucun moyen de le corriger par logiciel. Il faut l'éviter soit en échantillonnant toujours plus vite que la fréquence de Nyquist de tous les signaux d'entrée, soit en filtrant les signaux avant et dans le CAN.

Pour plus de détails, voir Repliement et le danger du sous-échantillonnage ci-dessous.

Les CAN SAR constituent un choix solide pour de nombreux systèmes DAQ utilisés aujourd'hui. Ils sont largement utilisés dans le bas de gamme du marché car ils peuvent être utilisés de manière multiplexée, c'est-à-dire que plusieurs voies sont échantillonnées par un seul CAN. Mais ils sont aussi largement utilisés dans le milieu de gamme en raison de leur vitesse et de leur bonne résolution d'amplitude.

En raison de leur résolution limitée en amplitude, ils ne sont pas bien adaptés aux applications à haute dynamique telles que le bruit, l'audio, les chocs et les vibrations, l'équilibrage, le traitement des sinus, etc. Pour ces applications, les ingénieurs doivent se tourner vers les CAN delta-sigma, comme indiqué dans la section suivante.

CAN Delta-sigma (ΔΣ)

Une conception de CAN plus récente est le CAN delta-sigma, qui tire parti de la technologie DSP (Digital Signal Processor) afin d'améliorer la résolution en amplitude et de réduire le bruit de quantification haute fréquence inhérent aux conceptions SAR.

La conception complexe et puissante des CAN delta-sigma les rend idéaux pour les applications dynamiques qui nécessitent une résolution en amplitude aussi élevée que possible. C'est pourquoi on les trouve couramment dans les domaines de l'audio, du son et des vibrations, ainsi que dans un large éventail d'applications d'acquisition de données haut de gamme.

Un filtre passe-bas implémenté dans un DSP élimine pratiquement le bruit de quantification, ce qui se traduit par d'excellentes performances en termes de rapport signal/bruit.

La mise en œuvre de ces puces pour les applications d'acquisition de données implique généralement une forte concentration sur le filtrage anti-repliement (AAF) frontal, ce qui rend pratiquement impossible la numérisation de faux signaux.

Les CAN delta-sigma fonctionnent en sur-échantillonnant les signaux à une fréquence bien supérieure à la fréquence d'échantillonnage sélectionnée. Le DSP crée ensuite un flux de données haute résolution à partir de ces données sur-échantillonnées, à la fréquence sélectionnée par l'utilisateur. Ce sur-échantillonnage peut être jusqu'à des centaines de fois supérieur à la fréquence d'échantillonnage sélectionnée. Cette approche crée un flux de données à très haute résolution (24 bits sont courants) et présente l'avantage de permettre un filtrage anti-repliement (AAF) à plusieurs étages, ce qui rend pratiquement impossible la numérisation de faux signaux.

Double CAN Delta-sigma - DualCoreADC®

Dewesoft a encore tiré parti de ces ADC en en combinant deux sur chaque voie d'entrée. Un CAN est réglé sur un gain faible et l'autre sur un gain plus élevé. Les deux CAN contrôlent le signal en même temps, et un circuit propriétaire les compare en temps réel et utilise celui qui a le meilleur rapport signal/bruit à tout moment, fusionnant les signaux numériques parallèles en un seul flux continu avec une gamme dynamique considérablement améliorée.

Cette technique améliore considérablement la plage dynamique qu'il serait impossible d'atteindre avec un seul CAN. Elle augmente la plage dynamique jusqu'à 160 dB. Dewesoft a breveté cette technologie, qui est appelée DualCoreADC sur le marché.

Il est intéressant de souligner que même avec des signaux très lents comme ceux de la plupart des thermocouples, la plus grande résolution possible de l'axe d'amplitude rend ces CAN delta-sigma préférables aux CAN SAR.

Imaginez un thermocouple capable de mesurer sur une plage de 1500° - plus l'axe d'amplitude est grand au niveau du CAN, plus le signal de température aura de résolution. 

Lequel est le meilleur ? SAR ou Delta-Sigma ?

Chaque technologie CAN a sa place. Et comme les applications sont très différentes, il est impossible de dire que l'une est meilleure qu'une autre dans l'ensemble. Cependant, il est absolument possible de dire que l'une d'entre elles est meilleure qu'une autre en ce qui concerne une ou plusieurs exigences des applications actuelles:

Le bon outil pour le bon travail

Bien que Dewesoft soit célèbre pour l'utilisation de CAN delta-sigma 24 bits et qu'elle a beaucoup innové avec la technologie DualCoreADC, elle utilise également des CAN SAR 16 bits afin d'atteindre une fréquence d'échantillonnage maximale de 1 Méch/s dans la gamme de systèmes DAQ SIRIUS. 

Ce sont les conditionneurs de signaux SIRIUS HS (high speed) et SIRIUS XHS (extra high speed) qui sont disponibles dans cette gamme.

Les conditionneurs de signaux SIRIUS HS mettent en œuvre un puissant filtrage AAF sous la forme d'un filtre anti-repliement de 100 kHz de 5e ordre. Il existe un filtre supplémentaire dans le domaine numérique, sélectionnable parmi Bessel, Butterworth (ou bypass), jusqu'au 8ème ordre.

Un puissant filtrage anti-repliement est intégré dans tous les conditionneurs de signaux CAN 24 bits de Dewesoft.

CAN multiplexé ou simple CAN par voie

Très souvent, dans les systèmes DAQ bas de gamme, tels que les enregistreurs de données ou les systèmes de contrôle industriel, des cartes A/N multiplexées sont utilisées, car elles sont moins coûteuses que les cartes A/N qui ont une puce CAN séparée par voie d'entrée.

Dans un système CAN multiplexé, un seul convertisseur analogique-numérique est utilisé pour convertir plusieurs signaux du domaine analogique au domaine numérique. Cela se fait en multiplexant les signaux analogiques un par un dans le CAN.

Il s'agit d'une approche moins coûteuse, mais il n'est pas possible d'aligner précisément les signaux sur l'axe temporel, car un seul signal peut être converti à la fois. Par conséquent, il y a toujours un décalage temporel entre les voies. Si une petite erreur de décalage temporel n'est pas pertinente dans une application donnée, ce n'est pas nécessairement une mauvaise chose. Il en va de même pour les dispositifs analogiques utilisés dans le système - le choix de la meilleure adaptation à l'application en termes de forme, d'ajustement, de fonction et la prévention de l'obsolescence sont des facteurs déterminants.

En outre, comme la fréquence d'échantillonnage maximale est toujours divisée par le nombre de voies échantillonnées, la fréquence d'échantillonnage maximale par voie est généralement plus faible dans les systèmes multiplexés, sauf dans les cas où une seule ou quelques voies sont échantillonnées.

Dans les systèmes d'acquisition de données actuels, les systèmes CAN multiplexés sont principalement utilisés par les systèmes DAQ bas de gamme, où le coût est plus important que la précision ou la vitesse.

Qu'est-ce que la fréquence d'échantillonnage ?

La vitesse à laquelle les signaux sont convertis s'appelle la fréquence d'échantillonnage. Certaines applications, comme la plupart des mesures de température, ne nécessitent pas un taux élevé car les signaux ne changent pas très rapidement.

Cependant, les tensions et les courants alternatifs, les chocs et les vibrations, ainsi que de nombreuses autres applications, nécessitent des taux d'échantillonnage de l'ordre de dizaines ou de centaines de milliers d'échantillons par seconde, voire plus. Le taux d'échantillonnage est généralement appelé l'axe T (ou X) de la mesure.

Dewesoft propose des systèmes DAQ avec des fréquences d'échantillonnage maximales, comme indiqué ici:

Le repliement et le danger du sous-échantillonnage

Pour obtenir des mesures précises, il est important de comprendre vos signaux et leurs fréquences les plus élevées possibles. Par exemple, disons que nous voulons mesurer la sortie d'un accéléromètre. 

Si nous nous attendons à ce qu'il subisse des vibrations d'une fréquence maximale de 100 Hz, nous devons régler la fréquence d'échantillonnage sur au moins le double de cette fréquence (la fréquence de Nyquist), mais en pratique, un suréchantillonnage dix fois supérieur est préférable pour obtenir une représentation de bonne qualité de la forme du signal. Ainsi, dans cet exemple, nous réglons la fréquence d'échantillonnage sur 1000 Hz et effectuons la mesure.

Théoriquement, tout devrait être parfait, mais comment savoir si le signal n'est pas réellement passé à une fréquence beaucoup plus élevée avec une amplitude importante ? Si c'était le cas, notre système ne pourrait pas mesurer ou convertir le signal avec précision. Et, en fait, si l'on pousse le phénomène à l'extrême, les valeurs mesurées pourraient même être complètement fausses.

Pour comprendre le repliement, regardez un vieux film où une caméra filme à 24 images par seconde le passage d'un chariot : à différentes vitesses, on peut avoir l'impression que les roues tournent en arrière, voire qu'elles ne bougent pas du tout.

Il s'agit d'une sorte d'effet visuel stroboscopique provoqué par la relation harmonique entre la fréquence de rotation de la roue et la vitesse de prise de vue de l'appareil photo. Vous avez peut-être déjà vu des vidéos où la vitesse d'obturation d'une caméra était synchronisée avec les pales d'un hélicoptère, où l'on a l'impression que l'hélicoptère est suspendu dans les airs, ses pales ne bougeant pas du tout.

Dans le cas d'un film ou d'une vidéo divertissante, cela n'a pas d'importance, mais lors d'une mesure scientifique, si nous croyons vraiment que les roues d'une voiture tournent en arrière, ou que les pales d'un hélicoptère ne bougent pas, alors qu'en fait elles vont très vite, nous avons un problème de mesure.

En termes de numérisation des signaux de tension avec notre CAN, il est important que la fréquence d'échantillonnage soit réglée de manière appropriée. Si nous la réglons trop élevée, nous gaspillons de la puissance de traitement et nous nous retrouvons avec des fichiers de données inutilement volumineux et peu maniables. Mais si nous la réglons trop bas, nous risquons de rencontrer deux problèmes :

1. Manquer des composantes dynamiques vitales du signal

2. se retrouver avec de faux signaux ("alias") (si le système ne dispose pas d'un filtrage anti-repliement).

Prévention du repliement

Les produits Dewesoft empêchent le repliement en utilisant des CAN 24 bits qui intègrent des filtres anti-repliement (AAF). Ces filtres fonctionnent en plusieurs étapes, dont une qui s'ajuste automatiquement à la fréquence de Nyquist (généralement environ 40 %) de la fréquence d'échantillonnage sélectionnée. Ainsi, même si vous sélectionnez une fréquence d'échantillonnage trop faible, les signaux parasites ou "alias" ne peuvent pas ruiner la mesure.

Qu'est-ce que la résolution binaire et pourquoi est-elle importante ?

Aux débuts de l'acquisition de données, les CAN de 8 bits étaient courants. À l'heure actuelle, dans le monde des systèmes d'acquisition de données, les CAN 24 bits sont standard dans la plupart des systèmes d'acquisition de données conçus pour effectuer des mesures dynamiques, et les CAN 16 bits sont considérés comme la résolution minimale pour les signaux en général. Certains systèmes bas de gamme utilisent des CAN de 12 bits.

Comme chaque bit de résolution double effectivement la résolution possible, les systèmes équipés de CAN 24 bits fournissent 2^24 = 16 777 216. Ainsi, un signal entrant d'un volt peut être divisé en plus de 16 millions de pas sur l'axe des ordonnées.

16 777 216 pas pour un CAN 24 bits, c'est beaucoup mieux que le maximum théorique de 65 656 pas d'un CAN 16 bits. L'apparence des formes d'onde est donc plus exacte et plus précise, plus la résolution est élevée. Ceci s'applique également à l'axe du temps.

La technologie DualCoreADC® et son importance

Sur l'axe de l'amplitude, un défi auquel les ingénieurs sont confrontés depuis des années est la gamme dynamique. Par exemple, que se passe-t-il si nous avons un signal qui est généralement inférieur à 5 volts, mais qui peut parfois monter en flèche ? Si nous réglons la résolution du CAN pour qu'il puisse traiter les données de 0-5V, le système sera totalement saturé lorsque le signal dépassera cette valeur.

Une solution serait d'utiliser deux voies réglées sur des gains différents et de se référer à l'une d'entre elles pour les données de 0-5V, et à l'autre pour les données de plus grande amplitude. Mais cette solution est très inefficace - il n'est pas possible d'utiliser deux voies pour chaque signal d'entrée - il faudrait deux fois plus de systèmes DAQ pour faire le même travail. En outre, l'analyse des données après chaque test serait beaucoup plus complexe et prendrait beaucoup de temps.

La technologie DualCoreADC® de Dewesoft résout ce problème en utilisant deux CAN 24 bits distincts par voie, et en passant automatiquement de l'un à l'autre en temps réel, créant ainsi une seule voie sans discontinuité. Ces deux CAN mesurent toujours le gain haut et bas du signal d'entrée. Cela permet d'obtenir toute la plage de mesure possible du capteur et d'éviter la saturation du signal.

Avec la technologie DualCoreADC®, les systèmes DAQ SIRIUS atteignent un rapport signal/bruit de plus de 130 dB et une plage dynamique de plus de 160 dB. C'est 20 fois mieux que les systèmes 24 bits typiques, avec 20 fois moins de bruit.

Résumé

Le choix de la technologie CAN à utiliser doit toujours être basé sur les exigences de l'application. Si vous mesurez principalement des signaux statiques et quasi-statiques (lents), vous n'avez évidemment pas besoin d'un système à très haute vitesse, mais vous en voulez probablement un avec une résolution de l'axe d'amplitude aussi élevée que possible.

Les systèmes fixes utilisés dans l'industrie ont généralement des exigences qui ne changent pas beaucoup, et il est généralement plus facile de choisir un système.

Pour les systèmes DAQ courants, cependant, c'est un peu plus difficile car ces systèmes sont utilisés dans une variété d'applications au fil du temps. L'essentiel est de choisir un système offrant les meilleures performances globales et des protections contre le bruit, le crénelage et l'obsolescence.

Découvrez les systèmes d'acquisition de données avec conditionnement de signaux haut de gamme de Dewesoft.