L’importance des compétences en ingénierie analogique pour l’industrie électronique
Des expressions comme «l’économie numérique» et «la transformation numérique» sont si courantes qu’elles en sont presque devenues des clichés. L’industrie met tant l’accent sur le numérique qu’on en oublierait que le monde réel n’est pas de nature numérique, mais analogique.
Figure 1 : thermomètres analogiques et numériques
Ainsi s’installe dans les esprits l’idée fausse que la technologie dite analogique serait devenue obsolète et qu’elle n’a plus aucun intérêt. Cette erreur de perception a de graves conséquences pour l’industrie électronique. Par exemple, de nombreux ingénieurs de premier cycle et des cycles supérieurs choisissent de limiter leurs études et leurs recherches à l’électronique numérique seulement.
Les ingénieurs en électronique sont par conséquent de moins en moins nombreux à posséder une véritable compréhension, de l’expérience pratique et des compétences d’application dans le domaine de la conception analogique. Un facteur aggravant est le fait que beaucoup de jeunes ingénieurs pensent que la conception de circuits analogiques est mal définie, qu’elle implique régulièrement des calculs mathématiques compliqués et qu’ils ne disposent pas dans ce domaine d’outils logiciels aussi sophistiqués que ceux dont disposent les ingénieurs en numérique. À moins que cette tendance ne s’inverse rapidement, l’industrie électronique sera bientôt confrontée à une pénurie d’ingénieurs expérimentés dans l’analogique, l’empêchant ainsi de lancer des innovations répondant aux attentes des consommateurs.
Le but de cette série d’articles est de rétablir l’équilibre entre les connaissances et la compréhension de la conception analogique. Au cours des prochaines semaines, nous passerons en revue les bases de la conception de circuits analogiques et les outils dont disposent les ingénieurs pour concevoir en toute confiance. Nous démontrerons que la conception de circuits analogiques a évolué et dispose désormais d’une méthodologie très structurée. Nous verrons aussi quelques-uns des outils matériels et logiciels avancés disponibles sur le marché qui permettent de réduire considérablement le nombre de calculs manuels complexes. Nous espérons ainsi encourager un plus grand nombre de jeunes ingénieurs à réviser leur position sur la conception analogique et la considérer comme une compétence très appréciée et enrichissante qui élargit les possibilités de développement de carrière.
Qu’entend-on par « analogique » et « numérique » ?
Le terme analogique se réfère à la représentation de signaux ou d’informations par une quantité physique continuellement variable. Des exemples de grandeurs analogiques sont la tension, la lumière, la chaleur, la pression et le son. En revanche, la représentation numérique d’une quantité ne peut se faire que sous forme de nombres prédéfinis ou de valeurs préenregistrées (ou discrètes). Ces quelques exemples simples illustrent la différence entre analogique et numérique :
- Une commande pour allumer ou éteindre la lumière dans une pièce relève du numérique tandis qu’un variateur capable de régler la lumière à l’intensité souhaitée est un procédé analogique.
- On peut utiliser d’une part un thermostat qui allume ou éteint simplement un radiateur lorsque la température de la pièce franchit une valeur prédéfinie (numérique) ou, d’autre part, un thermostat qui ajuste en permanence le fonctionnement du radiateur afin d’assurer une température constante dans la pièce (analogique).
- Certains systèmes audio ont des commandes de volume prédéfinies (numérique), d’autres sont dotés d’un bouton rotatif permettant de régler le volume au niveau souhaité (analogique).
Si des quantités analogiques sont converties sous une forme numérique, c’est qu’elles peuvent ensuite rapidement être traitées par des circuits numériques. Cependant, cela ne signifie pas que les signaux numériques sont toujours les plus précis. Prenons l’exemple d’un thermomètre : contrairement à son homologue analogique, un thermomètre numérique ne mesure la température qu’à intervalles périodiques. Ce processus est appelé échantillonnage. Ensuite, il ne peut afficher cette mesure qu’en utilisant l’une de ses valeurs prédéfinies – un processus appelé quantification.
Par conséquent, pour que l’affichage sur un thermomètre numérique (figure 1) se mette à jour consécutivement à un changement de température, le thermomètre doit d’abord effectuer une mesure (ce qui ne peut se faire qu’après que la température a changé), puis le changement mesuré doit être supérieur à la plus petite valeur prédéfinie que le thermomètre peut détecter. Précisons toutefois que les instruments de mesure numériques d’aujourd’hui sont capables d’effectuer de nombreuses mesures à grande vitesse et de détecter des variations minimes grâce à leur grand nombre de valeurs discrètes. De ce fait, s’il est vrai qu’ils ne pourront jamais atteindre le degré de précision de leurs homologues analogiques en termes de mesure pure, leurs performances sont généralement suffisantes pour l’application à laquelle ils sont destinés.
Les capteurs
Les capteurs (ou transducteurs) sont utilisés pour détecter et convertir une forme d’énergie en une autre. Ils captent par exemple la température, la lumière ou le son et les convertissent en énergie électrique, généralement sous forme d’un signal de tension analogique. Les thermocouples et les détecteurs de température à résistance (RTD) sont des capteurs couramment utilisés pour détecter la température. Les photodiodes sont utilisées pour détecter la lumière et les microphones servent à capter le son.
Conclusion
Finalement, la plupart des capteurs fonctionnent selon des principes analogiques et les signaux de sortie électriques qu’ils produisent sont généralement très faibles (de l’ordre du millivolt, voire moins). Cela signifie que leur signal doit être conditionné pour éliminer le bruit et augmenter l’amplitude ou le niveau, avant d’être converti dans la forme numérique requise par le système de contrôle en aval. Le capteur et les circuits utilisés pour effectuer ce conditionnement sont appelés la chaîne de signaux analogiques (amplificateurs, filtres et convertisseurs de données). Ce sont ces éléments que nous aborderons plus en détail dans notre prochain article.
Ne manquez pas le prochain article de la série qui traitera des principes de base de la chaîne de signaux.
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