ZOH

Un échantillonneur bloqueur d'ordre zéro (ZOH) est une méthode de reconstruction de signal qui convertit des échantillons numériques discrets en une forme d'onde analogique continue en maintenant chaque valeur d'échantillon constante jusqu'à l'arrivée de l'échantillon suivant. En pratique, un ZOH prend la sortie d'un convertisseur numérique-analogique (CNA) et maintient ce niveau de tension pendant toute la période d'échantillonnage, créant une forme d'onde caractéristique en escalier plutôt qu'une courbe lisse. C'est la méthode de reconstruction la plus simple et la plus courante dans les systèmes de contrôle, la sortie audio et l'instrumentation.

Le nom reflète les mathématiques : un polynôme d'"ordre zéro" est une valeur constante, et le bloqueur maintient cette constante entre les temps d'échantillonnage. Chaque marche s'étend sur une période d'échantillonnage. Si votre fréquence d'échantillonnage est de 10 kHz, chaque marche de tension dure 0,1 milliseconde avant que la marche suivante ne commence. Le résultat est un signal constant par morceaux qui approxime la forme d'onde analogique originale.

La plupart des CNA en électronique industrielle incluent le comportement ZOH par défaut ; la sortie numérique reste simplement à une valeur jusqu'à ce qu'elle soit mise à jour par l'impulsion d'horloge suivante. Cela se produit à l'intérieur des régulateurs de température, des variateurs de moteur, des systèmes d'acquisition de données et des amplificateurs audio. L'alternative, un bloqueur d'ordre un (FOH), interpolerait entre les valeurs d'échantillon, mais elle est rarement utilisée car elle ajoute des coûts et de la complexité avec peu d'avantages pratiques dans la plupart des applications.

Le ZOH introduit un artefact spécifique dans le domaine fréquentiel : la réponse en amplitude diminue aux fréquences plus élevées, avec une forme caractéristique de fonction sinus cardinal. Cette atténuation augmente avec la fréquence et atteint son premier nul à deux fois la fréquence d'échantillonnage, atténuant le bruit haute fréquence mais émoussant également légèrement les transitoires nets dans le signal reconstruit. Ce comportement spectral est prévisible et bien compris, ce qui rend le ZOH plus facile à utiliser que les méthodes de reconstruction plus exotiques.

Dans les systèmes rapides, la nature en escalier du ZOH peut être importante. Une boucle de contrôle échantillonnant à 1 kHz voit la même tension de sortie pendant 1 milliseconde à la fois, ce qui peut provoquer un décalage ou des problèmes de stabilité si le système nécessite une réponse rapide. Dans les processus plus lents, tels que la régulation de température ou le contrôle de niveau de réservoir, la taille du pas est négligeable. Pour l'audio, le ZOH à 48 kHz produit des pas de 20 microsecondes, en dessous du seuil de perception humaine mais toujours visibles dans le spectre de fréquences au-dessus de 20 kHz.