TP CAN CNA
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TP CAN CNA
Date : A2 Analyser le système Etude des CAN et CNA TP 4h Nom : Objectifs Le rôle des systèmes à microprocesseurs est de plus en plus important pour le traitement des données dans la fonction Traiter de la chaîne d’information. Les grandeurs à saisir sont le plus souvent de type analogique, le système devra donc comprendre un convertisseur analogique numérique CAN transformant le signal d'entrée (tension ve(t) ou courant ie(t)) en une grandeur numérique N codée sur un certain nombre de bits. Le signal traité numériquement sera ensuite converti en une tension vs(t) ou un courant is(t) grâce à un convertisseur numérique analogique CNA. La maîtrise de la mise en œuvre de ces composants est donc particulièrement importante. Matériel et documents nécessaires Ordinateur avec le logiciel cadence Orcad Capture. Fichiers Orcad Capture pour les projets : CNA2.opj, R_CAN.opj, et CAN_CNA.opj. Documents constructeur (data sheet) : DAC0808.pdf et ADC0803.pdf. Mise en situation Nous nous interessons à la chaîne de traitement numérique du son représentée ci-dessous : CAN : Convertisseur Analogique Numérique ou ADC (Analog to Digital Converter) CNA : Convertisseur Numérique Analogique ou DAC (Digital to Analog Converter) C A N Microphone C N A Traitement numérique Enceinte amplifiée I Mise en œuvre d’un Convertisseur Numérique Analogique I.1 Etude préliminaire A l’aide de la documentation constructeur du DAC0808 dans le répertoire commun répondre aux questions suivantes dans le tableau ci-dessous : Dessiner la représentation normalisée simplifiée de ce DAC en utilisant l’extrait de la norme CEI 60617. Donner son nombre de bits. Donner les plage de tensions d’alimentation VCC et VEE. Représentation normalisée Convertisseurs : norme CEI 60617 Les astérisques doivent être remplacés par des indications appropriées pour les grandeurs ou qualités concernées. L'astérisque de gauche se réfère à l'entrée, celui de droite à la sortie. Il convient d'utiliser les indications suivantes pour les fonctions : numérique, analogique. Plages d’alimentation < VCC < < VEE < Nombre de bits (n) n= TP CAN CNA 1/6 Repérer sur les schémas ci-dessous les entrées numériques et préciser quel est le bit de poids fort. Repérer sur les schémas ci-dessous la sortie analogique. Donner le nom des tensions de référence Vref(-) et Vref(+) du modèle Orcad et préciser leurs rôles. Compléter le schéma électrique afin d’avoir un signal de sortie qui puisse évoluer de 0 à 10 V. la sortie du convertisseur sera chargée par une résistance de 100 kΩ. Calculer la valeur du quantum q du convertisseur pour une tension d’alimentation de 10 V, en utilisant le schéma d’application présenté page 4 de la documentation constructeur. Schéma du DAC0808 Schéma sous Orcad du DAC0808 Quantum pour 10 V : q= Les entrées sont notées: Le MSB est : La sortie analogique est : Nom des tensions de référence Vref(-) : Vref(+) : Rôle des tensions de référence I.2 Simulation sous ORCAD Réaliser sous ORCAD capture le schéma suivant dans un nouveau projet nommé CNA1. Créer un nouveau profil de simulation Pspice/new simulation profil, sélectionner le mode transient avec une durée de simulation d’une seconde (1s) et positionner un voltmètre sur la sortie. Raccorder des bornes HI (niveau haut 1) et LO (niveau bas 0) correctement afin de remplir le tableau ci après par simulation. Mesurer la tension de tension de sortie pour chaque combinaison du tableau de simulation. Schéma de simulation sous Orcad Bibliothèques à utiliser DAC0808 : Vdc : R1 : BREAKOUT SOURCE ANALOG 0: icône Place power, puis bibliothèque SOURCE HI : icône Place power puis bibliothèque SOURCE LO : icône Place power puis bibliothèque SOURCE TP CAN CNA 2/6 Compléter alors le tableau de simulation. Tableau de simulation B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 N10 Tension de sortie 1.3 Exploitation des résultats Déduire de vos mesures le quantum q, comparer le à la valeur trouvée théoriquement. q= Donner la relation liant la tension de sortie Vs aux codes d’entrée (B7 … B0) et au quantum q. Vs = Calculer les codes d’entrée en binaire et en décimal afin d’obtenir les tensions de sorties suivantes : B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 N10 Tension de sortie 5V 2,5 V 1.4 Incidence de la tension de référence VREF sur le quantum q Pour une tension de référence VREF de 5 V puis de 18 V, calculer le quantum q. VREF = 5 V q = VREF = 18 V q = On souhaite avoir un quantum q de 50 mV, proposer une solution d’alimentation. Tester la solution sous Orcad et faire valider par le professeur votre travail en préparant des commentaires sur la simulation réalisée. Validation fonctionnement Heure : TP CAN CNA Visa : 3/6 1.5 Caractéristique de transfert du CNA 1 Ouvrir avec Orcad le projet CNA2, présenté ci-dessous. LOAD ENP ENT CLK RCO D QD C QC B QB A QA 6 5 4 3 U5 U3 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 74161 13 12 11 10 9 8 7 6 CLR 1 HI 15 11 12 13 14 9 7 10 2 LOAD ENP ENT CLK RCO D QD C QC B QB A QA 6 5 4 3 U4 V OFFTIME = .5uSDSTM1 ONTIME = .5uS CLK DELAY = STARTVAL = 1 OPPVAL = 0 Compteur 8 bits CLR 9 7 10 2 DB7 DB6 DB5 3 DB4 OUT DB3 DB2 4 DB1 REF DB0 AGND DAC808 5 vs R1 V1 12.75Vdc 15 11 12 13 14 100k 0 74161 Les composants U4 et U5 sont des compteurs 4 bits qui associés permettent de réaliser un compteur 8 bits. Ce montage va nous permettre d’incrémenter l’information numérique N(D7,….,D1) toute les microsecondes. Lancer la simulation afin de tracer la fonction de transfert Vs = f(N) complète, puis sur un nombre de combinaisons plus restreint afin de mettre en évidence les marches d’escaliers de la caractéristique. Vs (V) 10 8 6 4 2 255 250 200 100 50 150 N 0 V Vs 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 N[ ]2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 N10 0 0 0 0 0 0 0 0 TP CAN CNA 4/6 II Mise en œuvre d’un convertisseur analogique numérique II.1 Etude préliminaire A l’aide de la documentation constructeur de l’ADC0803 dans le répertoire commun répondre aux questions suivantes dans le tableau ci-dessous : Dessiner la représentation normalisée simplifiée d’un CAN 8 bits (norme CEI 60617). Calculer le quantum q pour une tension de référence de 5 V. Repérer sur le schéma Orcad les sorties numériques et préciser quel est le bit de poids fort. Repérer sur le schéma Orcad l’entrée analogique. Représentation normalisée Quantum Sorties numériques et MSB Entrée analogique Schéma sous Orcad d’un CAN ADC0808 II.2 Simulation sous ORCAD Ouvrir avec Orcad le projet R_CAN, présenté ci-dessus. Lancer la simulation et noter les valeurs binaires et décimales des nombres N correspondant aux sorties numérique pour les trois valeurs de la tension Ve proposées. Ve (V) 0 2 4 N2 N10 Calculer la valeur du quantum q trouvée expérimentalement. Pour Ve = 2 V q= Ve = N , pour Ve = 4 V q= Ve = N Comparer cette valeur avec celle trouvée théoriquement TP CAN CNA 5/6 III Mise en œuvre d’une chaîne numérique III.1Analyse et mise en œuvre des constituants de la chaine numérique Signal analogique à numériser C A N C A N N A Signal restitué après traitement Signal numérique pouvant être traité CLK Repérer sur le schéma Orcad, le signal analogique à numériser Ve, le signal restitué après traitement Vs, le CAN et sa fréquence d’échantillonnage fconv , le CNA et le signal numérique N pouvant être traité. Ouvrir avec Orcad le projet CAN_CNA, présenté ci-dessous. Lancer la simulation et visualiser le signal à numériser Ve et le signal obtenu après traitement Vs. Que dire du traitement numérique ? Proposer une solution qui va diviser par deux l’amplitude du signal de sortie. Le traitement numérique ne peut se faire que sur le signal N. Les entrées du CNA non utilisées doivent être connectées à un niveau logique soit haut avec le signal HI ou bas avec le signal LO. Tester la simulation sous Orcad et faire valider par le professeur votre travail en préparant des commentaires sur la simulation réalisée. Validation Schéma Orcad de la chainefonctionnement de traitement Heure : Visa : III.2 Influence de la fréquence d’échantillonnage et théorème de Shannon Effectuer trois simulations en visualisant le signal à numériser et le signal après traitement pour des fréquences d’échantillonnage de 100 Hz, 500 Hz et 1 kHz. Configurer la fréquence de DSTM1 en les sélectionnant puis en cliquant sur edit/pspice stimulus. Il faut valider le changement de fréquence entre deux simulations. Donner le rôle de la fréquence d’échantillonnage fech et décrire l’évolution de la tension de sortie Vs en fonction de cette fréquence. Le théorème de Shannon nous dit que pour numériser convenablement un signal, il faut que la fréquence d'échantillonnage fech soit au moins deux fois supérieure à la fréquence du signal à numériser fe. Donner une contrainte plus réaliste sur la fréquence d’échantillonnage à partir de vos essais. fech > fe TP CAN CNA 6/6