Les signaux analogiques et numériques

Introduction

Les signaux électroniques sont soit analogiques soit numériques.

Les signaux numériques

En premier, considérons les signaux numériques.

Les signaux numériques ne peuvent prendre qu’un état sur deux possibles – ON ou OFF (haut ou bas – HIGH/LOW, vrai ou faux – TRUE/FALSE).

Ils sont donc binaires et sont représentatifs du fonctionnement interne des ordinateurs modernes.

OFF (low/false) est classiquement représenté par la tension 0V.

ON (high/true) est classiquement représenté par une tension positive, dont l’amplitude dépend du système/protocole. La tension de 5V était traditionnellement la tension utilisée dans la plupart des systèmes numériques, cependant la tension de 3.3V est devenue populaire dans les nouveaux systèmes. Quelques composants utilisent des tensions encore plus basses telles que 1.8V, 1.5V, 1.35V, 1.2V, etc – plus la tension est basse plus la consommation en puissance baisse ; cependant ils sont plus sensibles aux interférences ou l’atténuation et requièrent plus d’attention lors de la conception du hardware.

Bien évidemment il est peu probable que les tensions dans le système soient exactement de 0V ou 5V. Il existe donc des tolérances dans la représentation des tensions on/high ou off/low. Les circuits intégrés les plus récents sont constitués de milliards de petits transistors et les seuils de commutation entre les états ON et OFF dépendent du type de transistors utilisés.

TTL (Transistor to Transistor Logic)

Les systèmes construits avec la technologie TTL (qui utilise des BJTs- Transistors à jonctions bi-polaires) acceptent n’importe quoi compris entre 2V et au-dessus (jusqu’à la tension maximum du signal dans le système) pour l’état ON/HIGH et toute tension inférieure à 0.8V pour l’état OFF/LOW.

Dans le même temps, en sortie, l’état ON correspondait au minimum à 2.7V et OFF au maximum à 0.5V. Les tensions comprises entre 0.8V et 2V étaient indéfinies et pouvaient être interprétées comme un ON ou un OFF (aléatoire).

CMOS (Complementary Metal-Oxyde semiconductor)

Les systèmes construits avec la technologie CMOS, plus récente (qui utilise des MOSFETs- Metal Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) acceptent n’importe quoi au-dessus d’environ 2/3 (67%) de la tension de fonctionnement pour valider l’état ON/high et n’importe quoi au-dessous de 1/3 (33%) pour l’état OFF/low. Par exemple :

Ou:

On s’attend à ce que les sorties soient très proches des niveaux logiques de l’alimentation. Ici également, les entrées entre les seuils haut et bas sont indéfinis (et pourraient induire une forte consommation de puissance).

Les signaux analogiques

Alors que les signaux numériques ne prennent qu’un état parmi les deux possibles, les signaux analogiques peuvent prendre presque une infinité de valeurs (uniquement limitées par la précision de l’équipement de mesure – techniquement jusqu‘à la valeur électrique d’une charge de proton ou d’électron).

Analogique vs numérique

En première approximation, lorsqu’on considère qu’un signal analogique peut prendre un nombre infini de valeurs alors qu’un signal numérique ne peut en prendre que deux, il semble que l’analogique est le mieux placé des deux ( ?). Les signaux analogiques ont cependant des inconvénients qui font que la plupart des systèmes électroniques modernes sont numériques.

Un inconvénient de l’analogique est que les signaux sont très sensibles aux erreurs de transmission ; c’est-à-dire qu’il est pratiquement garanti que le signal qui arrive sur le récepteur ne sera pas exactement le même que celui au niveau de l’émetteur. Ceci peut être lié au fait qu’un bruit est ajouté au signal pendant la transmission (tel qu’une interférence électromagnétique). Par ailleurs une modification du signal peut intervenir pendant la transmission, par exemple le long d’un fil métallique dont la résistance va le dégrader / atténuer. Par opposition les signaux numériques peuvent être transmis et copiés exactement, ainsi l’information numérique sera identique au niveau du récepteur et de l’émetteur.

Conversion entre analogique et numérique

La conversion d’un signal analogique en signal numérique est réalisée par un convertisseur analogique numérique (ADC en anglais pour Analogue to Digital Converter). La réciproque est assurée par un DAC (Digital to Analogue Converter).

Lorsqu’un signal est converti de l’analogique en numérique, il faut choisir une résolution pour la conversion. La résolution détermine le nombre de valeurs numériques possibles en correspondance des valeurs analogiques.

Un ADC 1 bit, par exemple, aura deux valeurs possibles, à savoir 0 ou 1.
Un ADC 2 bits génèrera une sortie comprise entre 0 et 3.
La sortie d’un ADC 3 bits variera entre 0 et 7.
La plupart des microcontrôleurs possèdent un périphérique de conversion analogique numérique interne de 10 bits. La sortie varie ainsi entre 0 et 1023.

Les ADC ont des références de tension positives et négatives qui fixent l’échelle de conversion. Avec une référence de tension positive de 5V et une référence négative de 0V par exemple :

Si la résolution est de 1 bit, alors la sortie à 1 signifie que la tension en entrée est comprise entre 2.5V et 5.0V, alors que pour la sortie 0, l’entrée est comprise entre 0.0V et 2.5V.
Si la résolution est de 2 bits, alors la sortie 3 (valeur binaire 11) représente une entrée entre 3.75V et 5.0V. Sortie 1 -> Entrée 1.25V-2.5V. Sortie 0 -> Entrée 0.0V-1.25V.
Si la résolution est de 3 bits, alors la sortie 7 (valeur binaire 111) représente une entrée entre 4.375V et 5.0V. Sortie 1 -> Entrée 0.625V-1.25V. Sortie 0 -> Entrée 0.0V-0.625V.

Et ainsi de suite. La résolution indique le nombre de digits binaires disponibles en sortie.

Certains ADC ou microcontrôleurs admettent des tensions d’alimentations séparées pour les ADC (telles que 1V pour la référence de tension négative et 2V pour la positive). Dans ce cas la sortie sera mise à l’échelle entre des valeurs de référence.

Bien évidemment choisir une résolution élevée semble préférable, cependant il y a compromis prix-performance à considérer ici et la résolution choisie est fonction de l’application. Plus de résolution implique plus de mémoire, plus de puissance de calcul et des ADC plus complexes, donc un coût supérieur – selon l’application une augmentation de la résolution n’apportera pas de gain en qualité et ne justifiera pas une complexité et un coût supplémentaire.

Il existe plusieurs types de ADCs, tels que par approximation successive ou sigma delta ; la comparaison des différents types de convertisseurs n’est pas abordé dans cet article.

Un DAC réalise la fonction opposée à l’ADC car il convertit un signal numérique en un signal analogique (toujours avec une certaine résolution). Ici aussi il existe différentes technologies de DAC, tel que ceux basés sur des échelles de résistances ou ceux basés sur une modulation par largeur d’impulsion ; à nouveau l’analyse de ces divers types sort du cadre de l’article.

Les signaux dans la simulation Proteus

Proteus dispose d’une simulation en mode mixte, ce qui signifie que l’outil peut efficacement simuler à la fois des signaux numériques et analogiques avec une puissance et une rapidité optimisées. Proteus regroupe des modèles de simulation pour une large gamme de ADCs et de DACs ainsi que de très nombreux microcontrôleurs qui incluent des convertisseurs.

Jetez un coup d’œil à la page des exemples de projets et recherchez ADC ou DAC pour trouver de nombreux projets prêts à l’emploi qui sont également inclus dans la version de démonstration de Proteus.

Traduction française