Le convertisseur analogique-numérique : de la tension du capteur au nombre

Tout capteur parle en volts ; le processeur ne comprend que des nombres. Entre les deux se tient le convertisseur analogique-numérique. Et tout ce que le calculateur croit savoir — température, pression, position du papillon, débit d'air — ne vaut que ce que vaut cette traduction. On soupçonne les capteurs ; on oublie le traducteur.

Comparer, pas à pas

• Le cheval de trait d'un calculateur, c'est le convertisseur à approximations successives (SAR). Il devine le bit de poids fort, compare, le garde ou le jette, puis passe au suivant, jusqu'au dernier. Une conversion sur 12 bits, c'est douze comparaisons contre la référence.
• Il est rapide, sobre et assez précis pour le moteur — c'est pourquoi presque tous les microcontrôleurs automobiles en embarquent un.
• Avant de comparer, le convertisseur fige la tension sur un petit condensateur : c'est l'échantillonneur-bloqueur. Il faut que la source soit assez basse en impédance pour charger ce condensateur dans le temps imparti, sinon la mesure part avant d'être stabilisée. La résistance de protection en entrée joue là aussi.

La référence, l'étalon de tout

• Le convertisseur mesure tout comme une fraction de sa tension de référence. Faussez la référence, et toutes les mesures sont fausses du même facteur.
• C'est pour ça que le 5 volts de référence est protégé et surveillé. Ce n'est pas qu'une alimentation de capteur : c'est la règle graduée contre laquelle le convertisseur mesure.
• L'élégance : alimentez un capteur depuis la même référence que le convertisseur, et les variations d'alimentation s'annulent. C'est la mesure ratiométrique. Un potentiomètre — papillon, pédale — se lit ainsi, volontairement.

Compter les marches

• La résolution, c'est la finesse du découpage : n bits donnent 2 puissance n marches. Dix à douze bits, c'est la fourchette courante dans un calculateur.
• Sur une plage de 5 volts, 12 bits font 4096 marches d'environ 1,2 millivolt chacune. Plus fin que ça est en général inutile : le bruit du capteur dépasse la marche.
• Davantage de bits n'aide que si le signal est assez propre pour les mériter. Au-delà d'un point, on ne fait que numériser du bruit.
• Offset et gain du convertisseur se corrigent par étalonnage — sans quoi une petite erreur fixe se glisse discrètement dans toutes les lectures.

Échantillonner sans mentir

• Le convertisseur prend des instantanés. Échantillonnez trop lentement un signal qui bouge vite, et vous récoltez un repliement de spectre : un fantôme de fréquence plus basse, qui a l'air vrai.
• Un filtre passe-bas matériel avant l'entrée tue les fréquences trop rapides pour être échantillonnées honnêtement. Ce filtre anti-repliement n'est pas optionnel sur les voies rapides.
• Un seul convertisseur sert souvent plusieurs entrées via un multiplexeur, qu'il échantillonne à tour de rôle : une voie rapide comme le cliquetis réclame parfois un chemin de conversion dédié, plus véloce que le tour de multiplexeur ordinaire.

Là où la traduction ment

• Une référence qui s'affaisse : toutes les mesures biaisées ensemble. Quand plusieurs dérivent en même temps, soupçonnez la référence avant les capteurs.
• Un condensateur de filtrage partagé devenu fuyard, une voie de multiplexeur bloquée : un signal figé pendant que ses voisins bougent.
• Le convertisseur ment rarement fort ; il ment doucement, de quelques pour cent, et c'est ce qui rend un mélange ou une cible de suralimentation lentement faux.

Le calculateur ne voit jamais un volt : seulement un nombre que le convertisseur lui tend. Doutez de ce nombre, et la moitié des défauts capteur se révèlent nichés dans la traduction.

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