convertisseur analogique-numérique

Un convertisseur analogique-numérique (CAN) est un dispositif semi-conducteur qui échantillonne un signal de tension ou de courant continu à intervalles réguliers et exprime chaque échantillon sous forme de nombre binaire. Les systèmes industriels utilisent les CAN pour faire le lien entre le monde physique, où la plupart des mesures sont analogiques (température, pression, vibration), et les systèmes de contrôle numériques qui traitent des valeurs numériques discrètes. Sans CAN, un PLC ou un microcontrôleur ne peut pas réagir aux données des capteurs.

Le processus de conversion se déroule en deux étapes : l'échantillonnage et la quantification. Pendant l'échantillonnage, le CAN mesure la tension entrante à intervalles de temps fixes, allant généralement du kilohertz au gigahertz selon l'application. Pendant la quantification, la tension mesurée est arrondie au niveau discret le plus proche dans la résolution du convertisseur. Un CAN 8 bits produit 256 valeurs de sortie possibles ; un convertisseur 12 bits en produit 4096. La différence entre les niveaux consécutifs est appelée le bit de poids faible (LSB) ou pas de quantification. Un CAN 12 bits avec une plage d'entrée de 0 à 10 volts, par exemple, a un LSB d'environ 2,4 millivolts.

Les CAN industriels existent en plusieurs types d'architectures, chacune avec des caractéristiques de vitesse et de puissance différentes. Les registres à approximations successives (SAR) dominent dans les systèmes d'acquisition de données, offrant un bon équilibre entre vitesse et résolution avec une consommation électrique modérée. Les convertisseurs Flash sacrifient la résolution pour une vitesse extrême dans les applications vidéo et RF. Les convertisseurs Sigma-delta excellent en haute résolution avec un filtrage important, courant dans les balances de précision et les instruments analytiques. Le choix dépend du taux de conversion requis (échantillons par seconde), de la résolution (bits) et de la bande passante d'entrée.

Les modes de défaillance courants incluent l'aliasing, où les signaux plus rapides que la moitié du taux d'échantillonnage se replient dans la sortie sous forme de faux signaux basse fréquence ; et l'erreur de quantification, un bruit de fond irréductible inhérent à la résolution finie. Pour éviter l'aliasing, un filtre passe-bas analogique (appelé filtre anti-aliasing) est placé avant le CAN pour supprimer le contenu fréquentiel supérieur à la moitié du taux d'échantillonnage. La précision du CAN dépend également de la stabilité de la tension de référence ; toute dérive ou bruit sur la référence corrompt directement les codes de sortie.

Les CAN industriels apparaissent dans presque toutes les applications de contrôle et de surveillance : les variateurs de fréquence échantillonnent le courant et la tension du moteur, les contrôleurs de processus lisent les transmetteurs de température et de pression, les systèmes de surveillance des vibrations capturent les signatures de roulements. Ils sont intégrés dans des modules d'acquisition de données, embarqués dans des conditionneurs de signaux de capteurs et intégrés dans les canaux d'entrée analogiques des PLC et des ordinateurs industriels. Le terme reflète le sens de la conversion : les systèmes numériques doivent convertir le monde analogique en nombres avant de pouvoir agir sur celui-ci.