Chaîne d’acquisition

Chaîne d’Acquisition

La chaîne d’acquisition décrit la manière dont l’information est acquise par un produit. La chaîne d’acquisition est une version détaillée de la fonction acquérir d’un produit.

L’acquisition d’une information comporte au maximum 5 étapes :

• transduire ;
• adapter et amplifier ;
• filtrer ;
• échantillonner ;
• convertir de l’analogique au numérique (CAN).

Fonctions de la Chaîne d’Acquisition

Transduire

La fonction transduire permet de capturer un phénomène physique, puis de le transformer en signal électrique. Le signal issu de la transduction peut être un signal logique ou un signal analogique.

Adapter et Amplifier

Les fonctions adapter et amplifier permettent de modifier les valeurs des tensions du signal, sans en changer la forme. Elles servent à faire correspondre les tensions du signal avec celles des autres composants de la chaîne d’information :

• La fonction adapter permet de décaler les valeurs de tension du signal suivant un décalage (offset en anglais) (ex. : avec un décalage de +2 V, on transforme un signal variant de -2,5 V à 2,5 V, en un signal variant de -0,5 V à 4,5 V) ;
• La fonction amplifier permet d’augmenter l’amplitude du signal suivant un gain d’amplification (ex. : avec un gain d’amplification de 100, on transforme un signal variant de 0 V à 0,2 V, en un signal variant de 0 V à 20 V).

Filtrer

La fonction filtrer permet de nettoyer le signal électrique pour en supprimer le bruit.

Échantilloner

La fonction échantillonner permet de capturer, à intervalles réguliers, les tensions du signal électrique, selon une période d’échantillonnage. (Ex. : sur le diagramme dessous, les points verts sont les échantillons, et la période d'échantillonnage vaut 0,2s).

On peut aussi calculer la fréquence d'échantillonnage d’un signal, avec la formule f = 1/T

Convertir de l'analogique au numérique (CAN)

La fonction convertir de l'analogique au numérique, abrégée CAN, permet d’attribuer une valeur numérique binaire, à chaque capture de tension issues de l’échantillonnage (cette fonction est détaillée dans une autre fiche).

Principe et Formules

La conversion de l’analogique vers le numérique, CAN, est l'opération qui consiste à convertir des valeurs de tensions analogiques en valeurs numériques binaires. Elle est réalisée par un composant qu’on appelle un convertisseur analogique/numérique, et qu’on abrège aussi en CAN.

Les caractéristiques d’un CAN sont :

• sa résolution n en nombre de bits : elle indique avec combien de bits, c’est-à-dire de chiffres binaires, chaque valeur numérique sera écrite. Plus elle est élevée, plus le CAN sera précis, mais plus il sera lent ;
• sa tension de pleine-échelle U_PE: elle représente la différence entre la tension la plus haute U_max et la plus basse Umin pouvant être converties. Plus elle est grande, moins le CAN sera précis mais plus son amplitude de numérisation sera grande ;
• sa quantification q, aussi nommée quantum : elle est dérivée de la résolution et de la tension de pleine-échelle. Elle représente le plus petit écart de tension pouvant être détecté par le CAN. Sa formule est : q = U_PE / 2ⁿ
  

La valeur numérique qu’un CAN produit, pour une valeur de tension U, est la partie entière de N = U / q.

La valeur de tension correspondante, environ, à une valeur numérique N, produite par un CAN, est U = N x q.

Exemple : Utilisation des Formules

Prenons le signal produit par le capteur de distance analogique d’un robot, après échantillonnage (chaque point vert est un échantillon) :

Les 4 premiers échantillons capturés ont pour valeurs de tension, environ :

• U₁= 2,8 V ;
• U₂ = 2 V ;
• U₃ = 1,2 V ;
• U₄ = 0,7 V

Pour numériser ces échantillons, le robot dispose d’un CAN de résolution n = 10 bits, et de tension de pleine-échelle U_PE = 5 V.

Calcul de la quantification : q = U_PE / 2ⁿ = 5 / 2¹⁰ = 5 / 1024 ≈ 0,00488 V

Calcul de N₁, à partir du U₁ : Si on prend U₁, la valeur numérique que le CAN va lui donner est N₁ = U₁ / q = 2,8 / 0,00488 ≈ 573,77, et donc N₁ = 573

Calcul de N₄, à partir du U₄ : Si on prend U₄, la valeur numérique que le CAN va lui donner est N₄ = U₄ / q = 0,7 / 0,00488 ≈ 143,44, et donc N₁ = 143

Calcul de U₁₅, à partir du N₁₅ : Si le CAN nous fournit une valeur numérique (non présente sur le graphe) N₁₅ = 798, on peut déterminer que le signal avait pour tension, à ce moment-là, environ : U₁₅ = N₁₅ x q ≈ 798 x 0,00488 ≈ 3,89 V

Courbe caractéristique

La courbe caractéristique d’un CAN permet, par lecture graphique, de facilement convertir une valeur de tension en sa valeur binaire correspondante. Voici la courbe caractéristique d’un CAN :

• de résolution 3 bits ;
• de tension de pleine-échelle U_PE = 6 V ;
• de quantification q = 6/ 2³ = 6/8 = 0,75 V

Exemple : Lecture d’une courbe caractéristique

À l’aide de la courbe caractéristique ci-dessous, on peut déterminer qu’une tension U₁ = 3,52 V sera convertie en la valeur binaire (100)₂ par le CAN.