Guide de sélection de convertisseur analogique-numérique

Pour sélectionner le convertisseur analogique-numérique approprié, vous devez d'abord tenir compte de quatre facteurs essentiels :

- Résolution
- Vitesse
- Précision
- Bruit

Une fois les besoins de votre projet évalués dans ces domaines, vous pouvez affiner encore plus votre sélection en tenant compte de variables moins importantes, telles :

- La tension d'entrée
- L'interface
- Le nombre de canaux

Critères de sélection d'un convertisseur analogique-numérique

Avant d'entrer dans le vaste monde des convertisseurs analogique-numérique, une piqûre de rappel sur la façon dont la résolution, la vitesse, la précision et le bruit influenceront votre choix est probablement nécessaire.

Résolution se rapporte au nombre de bits de sortie que le convertisseur analogique-numérique peut générer par conversion. Ce chiffre détermine le plus petit signal d'entrée que le système peut représenter. La résolution définit également le plus petit changement incrémentiel du signal analogique que le convertisseur analogique-numérique peut exprimer.

Vitesse concerne le taux d'échantillonnage de l'appareil (nombre maximum de conversions par seconde que le convertisseur analogique-numérique peut traiter) Le taux d'échantillonnage est déterminé par le temps nécessaire pour effectuer une seule conversion. Ce chiffre détermine le nombre maximal d'échantillons par seconde dans le meilleur des cas.

Précision est relativement simple. À quel point la sortie correspond-elle à l'entrée ? Quelle part de la sortie correspond au signal souhaité ? Généralement, la précision est mesurée en fonction du bruit présent dans le signal de sortie, à l'aide d'un chiffre appelé rapport signal-bruit (SNR). Plus ce chiffre est élevé, plus le signal est de qualité (davantage de puissance de signal par quantité de bruit). Même dans un convertisseur analogique-numérique idéal, il existera toujours une certaine quantité de bruit, dans la mesure où un arrondissement est nécessaire produire pour numériser un signal analogique (bruit de quantification, expliqué ci-dessous). Une résolution supérieure entraîne généralement une précision supérieure, car plus l'erreur d'arrondissement est faible, plus la sortie numérique est fidèle à l'entrée analogique.

Bruit de quantification fait partie des types de bruit qui contribuent à la précision de l'appareil. Ce type de bruit doit être mentionné, car le bruit de quantification est inévitable dans une conversion analogique-numérique. En d'autres termes, la conversion d'un ensemble continu en un ensemble discret s'accompagne d'une perte d'informations. Ces informations perdues correspondent au bruit de quantification, qui se manifeste comme un signal de bruit en dents de scie. Avec une résolution suffisamment élevée, il est possible de traiter le bruit de quantification de façon fonctionnelle, mais cela reste une partie inhérente au processus de conversion analogique-numérique.

Présentation des architectures courantes de convertisseurs analogique-numérique

Les différents modèles de convertisseurs analogique-numérique ont leurs avantages et leurs inconvénients. Votre projet ainsi que le cas d'utilisation prévu dicteront donc en grande partie votre choix de convertisseur analogique-numérique. Si vous avez clairement défini l'utilisation que vous désirez faire de votre appareil, vous pourrez définir un ordre de priorité parmi les quatre facteurs décrits ci-dessus et vous serez en mesure de choisir le type d'architecture de convertisseur analogique-numérique appropriée.

Architectures de convertisseurs analogique-numérique les plus courantes :

- Flash
- Approximations successives (SAR)
- Delta-sigma
- En cascade

Pour un type d'architecture donné, plus la résolution d'un convertisseur analogique-numérique est élevée, moins sa vitesse sera rapide (et inversement), car une résolution supérieure implique davantage de données à convertir. Toutefois, les convertisseurs analogique-numérique en cascade sont une méthode à part : ils associent le meilleur des convertisseurs de type SAR et flash pour garantir une vitesse et une résolution élevées.

Les convertisseurs analogique-numérique de type flash sont imposants et coûteux, mais leur vitesse en fait des candidats de qualité pour la conversion d'enregistrements vidéo analogiques en enregistrements vidéo numériques, processus adapté aux volumes de données importants. Les convertisseurs SAR sont très populaires pour les applications d'acquisition de données et d'instrumentation, qui n'exigent pas nécessairement une vitesse élevée, mais où la précision est reine.

L'architecture delta-sigma (l'une des conceptions les plus récentes) fait preuve d'une précision étonnante. C'est également la solution la plus lente parmi les plus courantes, et convient donc parfaitement aux applications audio haute-fidélité. Dans de telles circonstances, la capture des moindres nuances est essentielle, mais la quantité totale de données n'est pas démesurée (par rapport à la vidéo, par exemple). Les solutions delta-sigma sont donc largement utilisées dans l'audio numérique et l'instrumentation.

Enfin, les convertisseurs analogique-numérique en cascade gagnent en popularité en raison de leur capacité à associer une résolution et une vitesse relativement élevées. Les solutions en cascade sont à peu de choses près une version plus aboutie du convertisseur SAR et sont adaptées à un large éventail d'applications, telles que :

- L'imagerie médicale par ultrasons
- La vidéo numérique
- Les solutions Internet haute vitesse (modems câble, xDSL, etc.)

La précision découle de la combinaison de la résolution et de la vitesse d'échantillonnage. La résolution définit la précision de l'amplitude et l'erreur d'arrondissement (et donc le bruit de quantification ainsi qu'une perte basique de précision). La vitesse d'échantillonnage définit quant à elle la précision temporelle (plus le nombre d’échantillonnages de la source par seconde est élevé, plus la précision temporelle est importante). La précision globale et le bruit de quantification spécifique sont indiqués dans la section « rapport signal-bruit » des caractéristiques d'un convertisseur analogique-numérique. Cette valeur doit être la plus élevée possible (davantage de puissance de signal par quantité de bruit).

Autres éléments à prendre en compte

N'oubliez pas les aspects pratiques. Les différents convertisseurs analogique-numérique varient largement selon les facteurs suivants :

- Taille physique
- Nombre d'entrées possibles
- Exigences d'alimentation

Par exemple, les convertisseurs analogique-numérique de type flash ne sont pas adaptés aux périphériques portables, car les nombreux composants qui les composent ont un impact sur leur taille et leur consommation d'énergie. Toute personne souhaitant construire un périphérique portable devra probablement renoncer aux convertisseurs analogique-numérique de type flash et envisager une solution plus adaptée à un périphérique et une alimentation de taille inférieure. De même, de nombreux convertisseurs analogique-numérique n'autorisent que deux entrées. En conséquence, si votre application nécessite plus de deux entrées, vous pouvez gagner du temps en limitant vos recherches aux convertisseurs analogique-numérique multicanaux.

Quelle que soit l'architecture choisie, la fréquence d'échantillonnage minimale (appelée fréquence de Nyquist) doit être au moins deux fois supérieure à la fréquence maximale de l'entrée. Selon la fréquence attendue des données entrantes, assurez-vous de disposer d'un taux d'échantillonnage suffisamment élevé.