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Le secret d'une conversion parfaite : quel est l'ADC idéal ?
En électronique, un convertisseur analogique-numérique (CAN) est un composant clé qui convertit les signaux analogiques en signaux numériques. Ces signaux peuvent provenir du son capté par un microphone, ou de la lumière dans le cas d’un appareil photo numérique. La fonction de l'ADC ne se limite pas à la conversion d'une entrée analogique de tension ou de courant en nombres numériques, mais peut également impliquer une mesure isolée, ce qui rend sa plage d'application assez large.
En général, la sortie numérique est un nombre en complément à deux, proportionnel à l'entrée, mais il existe d'autres possibilités.
En fonction de l'architecture, la conception de l'ADC présente de plus en plus de complexité et des exigences de correspondance précise des composants. Par conséquent, à l’exception de quelques ADC dédiés, presque tous les ADC sont implémentés sous la forme de circuits intégrés (CI). Ces circuits intégrés sont généralement des puces de circuits intégrés à signaux mixtes à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS) qui intègrent des circuits analogiques et numériques.
Quel est un ADC idéal ?
Un ADC idéal doit avoir plusieurs caractéristiques clés, notamment une bande passante élevée et un bon rapport signal/bruit (SNDR). Ces caractéristiques dépendent généralement du taux d’échantillonnage de l’ADC et de sa résolution. Une mesure importante utilisée pour quantifier ces caractéristiques est le nombre effectif de bits (ENOB), qui reflète le nombre de bits de la sortie numérique qui ne sont pas affectés par le bruit.
Un ADC idéal aurait un ENOB égal à sa résolution.
Lors de la sélection d'un ADC, la première chose à faire est de faire correspondre la bande passante du signal à numériser et le SNDR requis. Si le taux d'échantillonnage est supérieur à deux fois la bande passante du signal, selon le théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon, il est possible d'obtenir une reconstruction du signal presque parfaite. Cependant, qu’il s’agisse d’un CAN idéal ou d’un autre type, une erreur de quantification existe toujours.
Erreur de résolution et de quantification
La résolution d'un ADC détermine le nombre de valeurs numériques différentes qu'il peut produire. Parmi eux, plus la résolution est élevée, plus l’erreur de quantification est faible et, idéalement, plus le rapport signal/bruit (SNR) est élevé. La résolution est généralement exprimée en bits et affecte la précision de l'amplitude du signal analogique que l'ADC peut représenter.
L'erreur de quantification est une erreur causée par le processus de numérisation, qui provoque un certain écart entre la tension d'entrée analogique et la valeur numérisée de sortie. Dans un CAN idéal, l’erreur de quantification serait répartie uniformément entre -1/2 LSB et +1/2 LSB, et le signal couvrirait uniformément tous les niveaux de quantification.
L'erreur de quantification peut être un facteur important affectant les performances de l'ADC, en particulier lors de la numérisation de signaux de bas niveau.
Application de l'anti-facteur et amélioration des performances
Dans certains cas, pour améliorer les performances de la conversion numérique, une technique de « dithering » est utilisée, qui consiste à ajouter une petite quantité de bruit aléatoire au signal d'entrée pour randomiser le bit le moins significatif (LSB) de la sortie numérique . Cela modifie les caractéristiques de quantification du signal, réduisant la distorsion des signaux de bas niveau et rendant les rapports de données plus réalistes.
Cependant, cela peut également entraîner une légère augmentation du bruit du signal, ce compromis doit donc être fait lors de la conception de l'ADC.
Fréquence d'échantillonnage et aliasing
L'ADC convertit un signal à temps continu en valeurs numériques en l'échantillonnant à des moments discrets. Le choix du taux d'échantillonnage ou de la fréquence d'échantillonnage est essentiel et est étroitement lié au théorème de Nyquist, qui stipule que le signal d'origine ne peut être reconstruit avec précision que lorsque le taux d'échantillonnage est supérieur à deux fois la fréquence maximale du signal.
L'aliasing peut provoquer une distorsion du signal, c'est pourquoi l'introduction d'un filtre anti-aliasing est une étape essentielle dans le système ADC.
De plus, les circuits intégrés ADC actuels disposent généralement d'un circuit d'échantillonnage et de maintien intégré pour maintenir la tension d'entrée constante pendant le processus de conversion.
Conclusion
La conception et les performances de l'ADC affectent directement la précision et la fiabilité des signaux numériques. Avec le développement de la technologie, la sélection de l'ADC est devenue de plus en plus compliquée et les exigences de l'environnement d'application ont également changé. À l’ère du numérique, comment choisir l’ADC idéal pour obtenir la meilleure efficacité de conversion et de traitement du signal ?
