Principes de base de la chaîne de signaux
Dans ce deuxième article de notre série de quatre articles de blog sur les compétences en ingénierie analogique, nous expliquerons le fonctionnement de la chaîne de signaux analogiques et passerons en revue les spécifications des composants clés.
Figure1 : schéma fonctionnel de la chaîne de signaux analogiques
La plupart des appareils électroniques qui nous sont utiles au quotidien ne fonctionneraient tout simplement pas sans signaux d’entrée réels conçus par des ingénieurs en électronique.
Qu’est-ce que la chaîne de signaux analogiques ?
La chaîne de signaux analogiques (figure 1) se compose de quatre éléments principaux : des capteurs, des amplificateurs, des filtres et des convertisseurs de données (CAN). Ces éléments ont pour tâche de détecter, conditionner et convertir des signaux analogiques en un format numérique adapté au traitement par un microcontrôleur ou par un autre système de commande numérique.
Les capteurs
La première partie de la chaîne de signaux analogiques est le capteur, souvent appelé transducteur. Celui-ci détecte le signal d’entrée et le convertit en énergie électrique, généralement sous forme de tension ou de courant analogique. Les capteurs fonctionnent selon divers principes physiques. En voici quelques exemples :
- Température : thermocouples et détecteurs de température à résistance (RTD)
- Pression : jauges de contrainte ou membranes capacitives
- Fréquence cardiaque : électrodes pour ECG
- Lumière : photorésistances
- Son : microphones
Les capteurs avec sortie de tension ont une plage de fonctionnement qui varie généralement de quelques microvolts (µV) à plusieurs millivolts (mV). Cela rend le signal très sensible aux interférences causées par des sources de bruit électrique parasite. Il existe plusieurs types de bruit, mais on distingue généralement les interférences électromagnétiques (EMI) et les interférences radioélectriques (RFI). Afin de remédier à ce problème, le signal de sortie du capteur est généralement mesuré comme la différence entre deux bornes (différentielles). Les signaux de bruit communs aux deux ne sont alors pas pris en compte.
Les amplificateurs
Le deuxième composant de la chaîne de signaux est l’amplificateur (différentiel). Il s’agit d’un circuit électronique qui augmente l’amplitude du signal de sortie du capteur d’un facteur d’échelle (notéA), selon la formule suivante, où A est appelé le gain :
L’usage d’un amplificateur s’avère nécessaire dans la mesure où le signal de sortie du capteur est généralement trop faible pour être converti en un format numérique par le convertisseur analogique-numérique (CAN) qui se trouve en bout de chaîne. L’amplificateur augmente donc l’amplitude du signal à un niveau que le CAN peut lire efficacement. La tension de sortie maximale qu’un amplificateur peut produire est très proche du niveau de tension de son alimentation.
Un autre facteur d’ingénierie à prendre en compte et qui influe sur la conception et la sélection des composants est le rapport signal/bruit (SNR). Mesuré en décibels, le SNR est le rapport entre la force du signal et le bruit parasite. Un rapport SNR dB élevé indique un signal puissant, lequel subira moins les effets indésirables du bruit.
Dans de nombreuses applications, un amplificateur de gain programmable (PGA) est associé à un circuit de contrôle automatique de gain (AGC). Cela permet d’augmenter ou de diminuer de façon dynamique le gain de l’amplificateur si l’amplitude du signal du capteur est en dehors de la plage attendue (pour des raisons environnementales ou autres). Par exemple, un signal trop élevé envoyé par le capteur peut saturer l’amplificateur, car il tentera de produire un signal de sortie plus élevé que ce dont il est physiquement capable.
Les filtres
Une fois amplifié, le signal du capteur doit ensuite passer par un circuit de filtrage analogique pour éliminer toutes les composantes de fréquence indésirables. Les trois principales catégories de circuits de filtrage analogiques sont :
- Filtres passe-bas (supprime les signaux haute fréquence)
- Filtre passe-haut (supprime les signaux basse fréquence)
- Filtre passe-bande (ne laisse passer que les signaux dans une plage définie)
Les circuits de filtrage se composent d’une combinaison de condensateurs, de résistances et d’un amplificateur opérationnel (figure 2).
Figure 2 : circuit de filtre passe-bas utilisant un amplificateur opérationnel
Les principales caractéristiques de performances des filtres sont :
- La bande passante du filtre. Elle décrit la plage de fréquences qu’un circuit permet de traverser sans réduction d’amplitude (atténuation). La fréquence de coupure de 3 dB est la fréquence pour laquelle la puissance du signal de sortie est réduite de moitié par rapport à la puissance du signal en entrée.
- Le roll-off. Il exprime la déclivité de l’atténuation, c’est-à-dire la vitesse à laquelle le filtre discrimine les composantes de fréquence indésirables à l’entrée. Il s’exprime en décibels par décade (dB/décade). Les filtres capables de fournir une atténuation plus rapide nécessitent aussi plus de composants, ce qui en augmente tant la complexité que le coût.
- La phase se réfère au retard relatif entre les signaux d’entrée et de sortie. C’est une caractéristique importante dans les chaînes de signaux contenant une boucle de rétroaction, car elle peut affecter la stabilité de la boucle.
Les convertisseurs analogique-numérique (CAN)
Le dernier maillon de la chaîne entre signal analogique et signal numérique est le convertisseur analogique-numérique (CAN). Pour qu’un CAN produise une description numérique précise du signal analogique, il doit échantillonner à deux fois la composante de fréquence la plus élevée du signal. Cette fréquence est appelée fréquence de Nyquist. Pour ce faire, un circuit d’échantillonnage et de maintien mesure périodiquement la tension d’entrée analogique et la maintient à un niveau constant suffisamment longtemps pour que le CAN puisse effectuer la conversion, avant de passer à l’échantillon suivant.
L’étape suivante du processus de conversion est la quantification. La tension échantillonnée est alors comparée à un nombre fixe de valeurs discrètes, chacune représentée par un code numérique unique. Par exemple, un CAN à quatre bits dispose de seize (16) niveaux discrets pour quantifier un échantillon. Plus le CAN a de bits, meilleure est la résolution (précision), puisque le CAN dispose alors de davantage de valeurs discrètes. Chaque bit supplémentaire multiplie en effet le niveau de résolution par deux. Les architectures de CAN les plus courantes sont :
- SAR (à registre d’approximations successives)
- Sigma Delta
- Flash
- Pipeline
Conclusion
Une chaîne de signaux analogiques est donc une série de circuits utilisée pour détecter et conditionner les signaux analogiques puis les convertir avec précision en une forme numérique. L’industrie électronique a besoin d’ingénieurs possédant les connaissances et l’expérience nécessaires en matière de circuits analogiques afin de concevoir des produits performants, fiables et efficaces.
Ne manquez pas le prochain article de la série qui traitera des outils et des ressources pour la conception analogique.
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