Expériences sur CAN et CNA utilisant les entrées/sorties

BULLETIN
DE
L’UNION
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PHYSICIENS
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Expériences sur CAN et CNA utilisant
les entrées/sorties logiques d’une carte d’acquisition
par Roger DUFFAIT
Préparation au CAPES de physique-chimie
Université Claude Bernard Lyon-1 - 69622 Villeurbanne Cedex
[email protected]
RÉSUMÉ
Les expériences proposées illustrent les possibilités des entrées/sorties logiques des
cartes d’acquisition. Elles sont ici utilisées pour comprendre le fonctionnement d’un
CAN à approximations successives et proposer une application d’un CNA.
Certaines cartes d’acquisition utilisées en enseignement possèdent, en plus des
entrées/sorties analogiques, des entrées/sorties logiques. Mais très peu d’expériences de
physique ont jusqu’à présent été proposées utilisant ces E/S logiques. Cet article décrit
quelques expériences qui portent essentiellement sur les convertisseurs analogique - numérique (CAN) et numérique - analogique (CNA).
Dans la pratique, nous avons utilisé les cartes Eurosmart (PCMes2-3, Fastlab ou
Sysam PCI) avec les logiciels Synchronie ou Synchronie 2000. Nous avons également
utilisé les plaquettes CAN et CNA commercialisées par MEP. Nous ne reviendrons pas
sur les différents types de convertisseurs dont on trouve la description dans de nombreux
ouvrages (par exemple 1, 2, 3, 4, 5) et pour lesquels des maquettes spécialisées sont disponibles chez plusieurs fabricants de matériel d’enseignement. Nous nous restreindrons
à quelques exemples utilisant spécifiquement les E/S logiques des cartes d’acquisition.
1. CAN À APPROXIMATIONS SUCCESSIVES
C’est ce type de convertisseur qui est présent dans une carte d’acquisition. Sa bonne
précision (en général 12 bits ou plus) et sa rapidité (de l’ordre de la µs) conviennent bien
à l’acquisition informatisée de signaux de fréquences pas trop élevées.
Il est basé sur un principe de dichotomie et associe un CNA, un comparateur et une
logique de commande. C’est l’analogue d’une méthode de pesée avec une balance de
type Roberval lorsque, selon le résultat de la comparaison, on ajoute ou on retranche des
masses marquées de plus en plus faibles.
Nous proposons trois approches. Dans la première, la logique de commande est
manuelle et permet de bien comprendre le principe. Dans la seconde, on utilise un CAN
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intégré mais la sortie numérique binaire est lue par l’ordinateur qui affiche la valeur en
décimal de la tension d’entrée (on constitue ainsi un « voltmètre » numérique). Dans la
troisième, la sortie du comparateur pilote, grâce au logiciel, la logique de commande et
on peut suivre, « au ralenti », les différentes étapes.
1.1. Approche manuelle
On utilise un CNA intégré dont les huit entrées logiques D7...D0 peuvent être portées à 0 (0 volt) ou à 1 (5 volts) par action sur un interrupteur. La sortie du CNA Vapprox
est envoyée sur l’entrée (–) d’un comparateur dont l’autre entrée (+) est portée à la tension à mesurer Vmes (< 5 volts). On visualise la tension de sortie du comparateur avec
une LED. Dans la pratique, on peut prendre une plaquette CNA (MEP réf. 40000) et un
amplificateur opérationnel comme comparateur.
Figure 1
Prenons par exemple une tension à mesurer Vmes = 3,5 V.
♦ On part de D7...D0 = 10000000 (soit une tension Vapprox = 5 × 128/255 . 2,5 V) : la
comparaison indique que Vmes >Vapprox (la diode est allumée) & on laisse D7 à 1.
♦ On modifie la tension de comparaison en portant D6 à 1 (soit Vapprox = 5 × (128 +
64)/255 . 3,75 V) : la LED s’éteint & on met D6 à 0.
♦ On met ensuite D5 à 1 : si la comparaison est positive (Vmes > Vapprox), on laisse le bit
à 1 ; on le met à 0 sinon.
♦ On répète l’opération jusqu’au bit D0. Le résultat final est une valeur par défaut dont
l’erreur est au maximum de 1 bit soit une erreur absolue de 5 × 1/2n volt.
1.2. Utilisation d’un CAN intégré
On utilise une maquette CAN (par exemple MEP réf. 40011) à 8 bits. La conversion
est validée avec un bouton poussoir ou avec une impulsion d’horloge (la sortie TTL d’un
générateur BF par exemple). Le résultat de la conversion s’affiche sous forme de huit LEDs
qui visualisent l’état 0 ou 1 des 8 bits D7...D0. On peut déjà vérifier le résultat de la
conversion en calculant la somme S = D7 # 27 + D6 # 26 + ... D0 et l’on a Vmes = 5 # S/ 255.
Il est intéressant d’appliquer ces huit sorties aux entrées logiques correspondantes de la
carte d’acquisition.
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Figure 2
Dans Synchronie, on écrit la feuille de calcul suivante :
a = in(2)
{port 2}
b = 5*a/255
{calcul de Vmes}
La valeur a est la valeur décimale du nombre binaire D7...D0.
On règle l’affichage de commentaire E = {b} Volts (pour plus de visibilité, mettre
une police de grande taille encadrée - voir un exemple en figure 4). En revenant en
fenêtre graphique, il s’affiche, à chaque lancement du calcul (F2), la valeur de la tension
à mesurer.
On peut simultanément visualiser la tension à mesurer. Pour effectuer une mesure
permanente, mettre l’acquisition en permanent (dans Paramètre - acquisition) et régler le
lancement du calcul après chaque acquisition (dans Paramètre - option acquis. ou décocher « inhiber calculs » - Synchronie 2000). Le lancement de l’acquisition (F10) affiche
la tension (convertie par le CAN de la carte) et sa valeur numérique décimale convertie
par le CAN externe. On a ainsi simulé un multimètre numérique.
Remarque : Les vrais multimètres numériques possèdent un convertisseur analogique - numérique basé sur un principe différent (CAN à intégration - double rampe -).
1.3. Utilisation des entrées/sorties logiques
On revient à la première expérience (cf. § 1.1.) mais cette fois, on commande les
entrées du CNA avec la sortie logique de la carte d’acquisition et le résultat de la comparaison est lu par une entrée logique. On teste cette valeur et selon le résultat de ce test,
on modifie en plus ou en moins la sortie logique. Toutes les opérations manuelles du
§ 1.1. vont donc s’accomplir automatiquement. Simultanément, on peut tracer les valeurs
successives que prend la tension de comparaison Vapprox.
Il est nécessaire d’utiliser une carte PCMes2 ou 3 qui possède sur le boîtier d’extension des fiches séparées pour les entrées et les sorties logiques (les cartes Fastlab et
SysamPCI n’ont pas - pour l’instant - cette séparation). Il faut aussi utiliser Synchronie
2000 qui possède dans sa feuille de calcul une opération conditionnelle SI (analogue de
la fonction IF des vrais langages de programmation).
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Une petite complication apparaît pour l’utilisation des sorties logiques de la carte
PCMes qui sont à « collecteur ouvert ». Pour récupérer correctement les valeurs logiques
de la sortie, il faut relier chacune de ses bornes au + 5 V par l’intermédiaire d’une résistance de charge (10 kΩ par exemple). De même, les entrées sont par défaut à l’état 1 (il
y a une résistance de rappel au + 5 V) et si l’on veut qu’elles soient à 0 (de E1 à E7), il
faut les relier à la masse.
Figure 3
La sortie + Vsat de l’amplificateur opérationnel (Vmes > Vapprox) donnera pour E0 la
valeur 1 et donc a = 00000001. La sortie – Vsat conduit à E0 = 0 d’où a = 0.
La feuille de calcul de Synchronie est la suivante :
um=moy(EA0)
{Tracé de la moyenne de la tension à mesurer}
Umes=table(um) {acquise en EA0}
b=128
{initialisation b = 128 ; mi-échelle}
n=0
{init.}
li=1
{init.}
Uapprox=table(0) {init.}
.repeter 8
{boucle}
.tempo 500
out(1,b)
{émission du nombre binaire b sur port 1}
u=5*b/255
{valeur en Volts ( 255 correspond à 5 V ) }
e=2^n
{suite 1 ; 2 ; 4 ; 8 ; 16 ; 32; 64}
a=in(2)
{entrée de la comparaison sur port 2}
b=SI(a>0, b+(64/e),b-(64/e))
{test et modification de b}
Uapprox=Uapprox+(table(u)*creneau(li,li+99)) {tracé de u sur 100 points}
n=n+1
{incrémentation de n}
li=li+100
{incrémentation de l’adresse du tracé de u}
Les deux premières lignes ne sont pas indispensables. Elles servent à tracer la valeur
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moyenne de Vmes (EA0) plutôt que EA0 directement.
Le nombre de points est réglé sur 800 et le tracé des valeurs successives de Vapprox
se fera sur huit portions de 100 points chacun. La première valeur de Vapprox est de 2,5 V.
La suivante est de 1,25 V ou 3,75 V selon le résultat de la comparaison, etc.
La temporisation de 500 ms permet de suivre visuellement les différentes étapes de
la dichotomie. On peut l’augmenter ou la supprimer.
La fenêtre graphique est donnée en figure 4 et il est très instructif de la voir se construire
par approximations successives. Comme au § 1.2., on ajoute sur la page graphique un
commentaire donnant la valeur de u (proportionnelle à b).
Figure 4
2. APPLICATION D’UN CNA
On peut utiliser les sorties logiques de la carte d’acquisition pour commander les
entrées d’un CNA et récupérer ainsi une tension analogique que l’on visualise à l’oscilloscope ou que l’on envoie (après amplification) sur un haut-parleur.
On peut, par exemple, « fabriquer » une rampe de tension en escalier.
2.1. Utilisation d’un CNA externe
On utilise à nouveau le CNA du § 1.1. (réf. 40000 MEP).
On peut programmer simplement les sorties logiques dans Synchronie ((Exécuter sortie logique) : par exemple mettre les valeurs successives 0, 1, 2, 3...7. Les sorties
logiques S2 S1 S0 prendront donc successivement les valeurs 000, 001, 010, 011...111
(conversion sur 3 bits).
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On peut régler la durée entre chaque émission, par exemple 10 ms.
Si l’on utilise une carte PCMes 2 ou 3, il faut (comme au § 1.3.) placer une résistance de 10 kΩ entre chacune des sorties utilisées (S2 S1 S0) et le + 5 V. Avec les cartes
Fastlab et SysamPCI, ce n’est pas nécessaire.
On applique ces sorties sur les entrées du CNA (par exemple S2 sur D7, S1 sur D6
et S0 sur D5 afin de récupérer un signal d’amplitude importante - jusqu’à presque 5 V).
Figure 5
La tension analogique de sortie du CNA est visualisée sur un oscilloscope. On
observe la rampe de la figure 6.
Figure 6
Si l’on augmente le nombre de bits utilisés, on peut augmenter le nombre de marches
et donc réduire la « hauteur » de chaque marche. On peut ainsi se rapprocher d’une courbe
« continue » (même si par principe la tension de sortie est quantifiée).
Développement possible : prendre des valeurs successives qui synthétisent une tension sinusoïdale et l’envoyer sur un haut-parleur après amplification (pour avoir une fréquence pas trop basse, il faudra diminuer la durée entre chaque émission à 1 ms). Ces
valeurs peuvent être choisies par tâtonnement. On peut aussi faire une détermination préalable en utilisant une sortie analogique sinusoïdale et en prenant dix points d’acquisition
par exemple. Avec le tableur on peut alors trouver les valeurs numériques des différents
points. Par exemple, les valeurs 128, 210, 253, 234, 171 84, 17, 2, 45 fournissent une
sinusoïde variant entre 0 et 5 V (toujours avec le même CNA) échantillonnée sur neuf
points (cf. figure 7).
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Figure 7
On peut naturellement rapprocher cette expérience de ce qui se passe lorsqu’on lit
un CD audio.
2.2. Utilisation du CNA de la carte d’acquisition
On règle le nombre de points d’acquisition sur une valeur faible (par exemple 8 ou
16) et on programme la sortie analogique SA1 avec une rampe de 0 à 5 V. On l’émet en
« permanent » et on la visualise à l’oscilloscope. On peut comme précédemment programmer une sortie sinusoïdale. En augmentant le nombre de points d’acquisition, on
peut changer le nombre d’échantillons par période et se rapprocher d’une tension variant
continûment.
BIBLIOGRAPHIE
[1] (a) FRETAUD P., HUMEAU J.-P. et VELAY B. Acquisition numérique automatisée
d’une tension : analyses d’une configuration matérielle et logicielle. Bull. Un. Phys.,
mai 1993, vol. 87, n° 754, p. 731-748.
(b) AUSSEL G. et LAGOUGE M. Travaux pratiques (TP) : les convertisseurs AN et
NA à réseaux R2R. Bull. Un. Phys., mai 1993, vol. 87, n° 754, p. 805-814.
[2] FONTENAY R. Convertisseurs. Éditions Radio.
[3] JALLU L., JALLU O. et MALBEC J.-M. Manuels de seconde IESP. Nathan, 1997.
[4] DUFFAIT R. et LIEVRE J.-P. Expériences d’électronique. Bréal, 1999.
[5] BELLIER J.-P., BOULOY C. et GUÉANT D. Montages de physique électromagnétisme.
Dunod, 2000.
FOURNISSEURS
♦ Maison des Enseignants de Provence - 13264 MARSEILLE - Tél. : 04 91 59 15 09
Convertisseurs : CAN et CNA.
♦ Eurosmart - www.eurosmart.fr
Cartes d’acquisition : PC-MES2, PC-MES3, FASTLAB, SYSAM-PCI ;
Logiciels : Synchronie et Synchronie 2000.
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