Rappo de s age
2012 - 2013
Mas e Elec onique Vision Au oma ique
Uni e si é de Bou gogne
Ad anced Ha dwa e A chi ec u es
Uni e si é Poly echnique de Ca alogne(Espagne)
Sous la esponsabili é de Jo di COSP VILELLA
ZHANG Xipeng
A
HA
Concep ion d'un il e
Analogique / Numé ique
2
Reme ciemen s
E ec ue mon s age de in d’é udes pa mi le g oupe de che cheu s de l’AHA
de l'Uni e si é Poly echnique de Ca alogne a é é une é ape impo an e dans mon
cu sus. J'ai eçu un accueil chaleu eux de la pa des pe sonnes du g oupe.
L'in ég a ion au sein du g oupe s'es ai e apidemen e dans les meilleu s
condi ions.
Je eme cie i emen Jo di COSP VILELLA qui m’a encad é e guidé ou au
long de ce s age, pou sa disponibili é, ses explica ions qui m’on aidé à éalise mon
a ail.
Mes eme ciemen s on aussi à ous les enseignan s, che cheu s e
s agiai es du g oupe AHA pou leu accueil chaleu eux e leu en housiasme au
a ail.
En in, je eme cie S éphane BINCZAK de m’a oi pe mis de éalise mon s age
de in d’é udes à Ba celone.
3
Sommai e
Reme ciemen s ............................................................................. 2
Sommai e ........................................................................................ 3
Table des illus a ions ................................................................ 5
I. In oduc ion ................................................................................ 7
II. P ésen a ion du g oupe Ad anced Ha dwa e
A chi ec u es ............................................................................ 8
1. In oduc ion ...................................................................................... 8
2. Suje s d’in é ê s ................................................................................ 8
III. Fil e Analogique / Numé ique ......................................... 9
1. Desc ip ion ........................................................................................ 9
2. Ma é iels u ilisés e composan s du il e ....................................... 10
2.1. Ma é iels u ilisés ............................................................................................ 10
2.2. Composan s du il e ..................................................................................... 11
IV. Se ial Pe iphe al In e ace ............................................... 12
1. In oduc ion .................................................................................... 12
2. In e ace ......................................................................................... 12
3. Desc ip ion du bus .......................................................................... 13
4. Fonc ionnemen ............................................................................. 14
5. Mode de onc ionnemen ............................................................... 14
V. Con ôle des po en iomè es numé iques
p og ammables .................................................................... 16
1. Po en iomè es numé iques p og ammables MCP 4251 .............. 16
1.1. Desc ip ion ..................................................................................................... 16
1.2. Fonc ionnemen des b oches ........................................................................ 17
1.3. Réseau de ésis ances .................................................................................... 17
1.4. Calcul de ésis ance ....................................................................................... 18
4
1.5. Ec i u e de donnée ........................................................................................ 18
2. Con ôleu du MCP 4251 ................................................................. 20
2.1. Desc ip ion ..................................................................................................... 20
2.2. Concep ion VHDL ........................................................................................... 20
3. Tes de la pe o mance du po en iomè e numé ique p og ammable
........................................................................................................... 22
VI. É ude du il e en aleu de ésis ance ixe ................ 24
1. Analyse du il e .............................................................................. 24
2. Choix de l’ampli ica eu .................................................................. 29
VII. Con e sion des signaux analogique en numé ique e
ice e sa ................................................................................ 30
1. Con e sions Analogique Numé ique ............................................. 30
1.1. Desc ip ion ..................................................................................................... 30
1.2. P éampli ica eu ............................................................................................ 32
1.3. Con e isseu Analogique Numé ique .......................................................... 33
2. Con e sion Numé ique Analogique ................................................ 34
3. Con ôleu du Con e isseu Analogique Numé ique e Numé ique
Analogique .......................................................................................... 36
VIII. Con ôle de la Phase ........................................................ 40
1. Desc ip ion ...................................................................................... 40
2. Dé ec ion de phase ......................................................................... 41
3. Commande du po en iomè e ........................................................ 46
IX. Analyse du il e analogique numé ique ..................... 48
1. Assemblage des di é en s composan s du il e ............................. 48
2. Analyse du il e .............................................................................. 49
X. Conclusion ............................................................................... 52
Ré é ences - Bibliog aphie ..................................................... 53
5
Table des illus a ions
Tableau 1 : Mode de onc ionnemen du bus SPI ........................................................ 14
Tableau 2 : Exemple des données d’éc i u e ................................................................ 19
Tableau 3 : Tableau de mesu es .................................................................................. 26
Tableau 4 : Gain de l’ampli ica eu .............................................................................. 33
Tableau 5 : Rele é des ca ac é is iques du il e analogique numé ique .................... 50
Figu e 1 : Rep ésen a ion du il e Analogique / Numé ique «Mai e » e «Escla e »
...................................................................................................................................... 10
Figu e 2 : Ca e Digilen FX2-BB ................................................................................... 11
Figu e 3 : In e ace du bus de communica ion SPI ....................................................... 13
Figu e 4 : Exemple de ansmission de données su bus SPI dans di é en mode ...... 15
Figu e 5 : Vue de l’encapsula ion e du block diag amme MCP 4251 [2] ................... 16
Figu e 6 : Schéma du éseau de ésis ances [2] .......................................................... 18
Figu e 7 : Fo ma de commande SPI [2] ...................................................................... 19
Figu e 8 : Ec i u e d'une donnée en mode (0,0) su bus SPI [2] .................................. 19
Figu e 9 : Simula ion du con ôleu du composan MCP 4251 .................................... 21
Figu e 10 : Mon age de mesu e de la ension du po en iomè e ................................ 22
Figu e 11 : Tension en onc ion de la aleu de la ésis ance (cycle 0 KOhm - 10
KOhms - 0 KOhm) ......................................................................................................... 23
Figu e 12 : Tension en onc ion de la aleu (illus a ion de la s abili é) .................... 23
Figu e 13 : S uc u e du il e de la pa ie analogique ................................................. 24
Figu e 14 : E olu ion du gain e de la phase en onc ion de la équence d'en ée du
signal ............................................................................................................................ 26
Figu e 15 : Signaux d’en ée (jaune) e de so ie (bleu) à 1kHz .................................. 28
Figu e 16 : Signaux d’en ée (jaune) e de so ie (bleu) à 11kHz ................................ 28
Figu e 17 : Signaux d’en ée (jaune) e de so ie (bleu) à 5kHz .................................. 28
Figu e 18 Ampli ica eu LM 833 ................................................................................... 29
Figu e 19 Ampli ica eu MCP 6024 .............................................................................. 29
Figu e 20 : In e ace du ci cui de con e sion analogique numé ique [3] ................... 31
Figu e 21 : Commande de l’ampli ica eu [3] .............................................................. 32
Figu e 22 : Con e sion analogique numé ique [3] ....................................................... 34
Figu e 23 : In e ace du ci cui de con e sion numé ique analogique [3] ................... 35
Figu e 24 : Commande con e sion numé ique analogique [3] .................................... 36
Figu e 25 : Simula ion du con ôleu des con e isseu s ............................................. 38

6
Figu e 26 : Con e sion a ec signal sinusoïdal .............................................................. 39
Figu e 27 : Con e sion a ec signal ca é ...................................................................... 39
Figu e 28 : Con e sion a ec signal iangulai e ........................................................... 39
Figu e 29 : Cycle de con ôle de phase ......................................................................... 41
Figu e 30 : F on mon an de a e de x au même momen .......................................... 43
Figu e 31 : F on descendan a e de x au même momen .......................................... 43
Figu e 32 : F on descendan de a e on mon an de b au même momen ............ 43
Figu e 33 : Dé ec eu de on mon an e descendan ............................................... 44
Figu e 34 : Résul a du dé ec eu de on mon an .................................................... 44
Figu e 35 : Résul a du dé ec eu de on descendan ............................................... 45
Figu e 36 : Changemen de la équence cen ale ...................................................... 46
Figu e 37 : Connexion des composan s ........................................................................ 48
Figu e 38 : E olu ion du gain e de la phase ................................................................ 50
Figu e 39 : E olu ion de la aleu de ésis ance du po en iomè e ............................. 50
Figu e 40 : F équence à 3.3 kHz ................................................................................... 51
Figu e 41 : F équence à 5 kHz ...................................................................................... 51
Figu e 42 : F équence à 10.4 kHz ................................................................................. 51
Figu e 43 : F équence à 3.3 kHz ................................................................................... 51
Figu e 44 : F équence à 5 kHz ...................................................................................... 51
Figu e 45 : F équence à 10.4 kHz ................................................................................ 51
7
I. In oduc ion
J’ai éalisé mon s age de in d’é ude à l’Uni e si é poly echnique de Ca alogne
à Ba celone. Ce s age m’a appo é une expé ience p o essionnel, a en ichie mes
connaissances, e a app o ondi mes compé ences dans le domaine du ai emen du
signal.
Le p oje éalisé lo s de ce s age s’in i ule «concep ion, simula ion e
éalisa ion d’un il e Analogique / Numé ique ». Nous oulons ab ique un sys ème
de il age cons i ué de deux il es don la équence cen ale es églable, deux
il es analogiques numé iques iden iques qui on la même ca ac é is ique son ainsi
u ilisés, le il e p incipal que nous appelons « maî e », e le il e auxiliai e que nous
appelons « escla e », le « maî e » pe me de égle la équence cen ale du il e, le
« escla e » es u ilisé pou il e le signal inu ile e d’ob eni une éponse de so ie
u ile. La éalisa ion du il e « maî e » es le bu de no e p oje . Ce il e es églé
pa des po en iomè es numé iques p og ammables, a in d’a oi la équence
cen al du il e qui es la même que celle du signal d’en ée (signal de é é ence). Le
signal d’en ée e de so ie du il e on la même phase au même momen . C’es -à-
di e qu’il n’y a pas de déphasage en e le signal d’en ée e de so ie du il e. Plus
p écisémen , il s’agi de conce oi la pa ie de con ôle numé ique du il e pou
annule le déphasage en e les signaux. La pa ie analogique a déjà é é conçue pa
Jo di COSP e He minio MARTÍNEZ dans l’a icle « Obse a ion o Chao ic Beha io in
Au oma ic Tuning Loops o Con inuous-Time Fil e s » [1]. Mon a ail p incipal
consis e à dé eloppe un ci cui numé ique qui dé ec e le déphasage des signaux
d’en ée e de so ie du il e, e de con ôle les po en iomè es numé iques
p og ammables en onc ion de ce déphasage. La con e sion du signal analogique en
signal numé ique es aussi une pa ie de mon p oje .
Dans ce appo , je ais d’abo d p ésen e no e g oupe de a ail AHA, e ses
suje s d’é udes, puis déc i e le a ail que j’ai éalisé ainsi que les p ocessus de
concep ion, puis a iche les ésul a s des es s, e en in ai e un ésumé.
8
II. P ésen a ion du g oupe
Ad anced Ha dwa e A chi ec u es
1. In oduc ion
Le g oupe Ad anced Ha dwa e A chi ec u es (AHA) es une équipe cons i uée
d'enseignan s e de che cheu s du dépa emen d'ingénie ie élec onique (DEE) de
l'Uni e si é Poly echnique de Ca alogne (UPC) à Ba celone, en Espagne. Leu s
domaines d'ac i i é comp ennen la eche che, le dé eloppemen e la mise en
œu e de sys èmes élec onique a ancés de ai emen de l'in o ma ion.
2. Suje s d’in é ê s
Les p incipaux suje s d'in é ê s son indiqués dans la lis e sui an e :
 Concep ion VLSI (Ve y-La ge-Scale In eg a ion, In ég a ion à ès g ande
échelle) numé ique, analogiques e à signaux mix es
 Concep ion de sys èmes numé iques hau s ni eaux
 Modèles de So Compu ing ( éseaux neu onaux a i iciels, sys èmes
in elligen s lous, sys èmes é olu i e bio-inspi és)
 Concep ion de mic op ocesseu e de DSP pou sys èmes emba qués
 FPGA e sys èmes in ég és p og ammables (sys èmes su puce - SOC)
 T ai emen d'image
9
III. Fil e Analogique / Numé ique
1. Desc ip ion
L’objec i de mon p oje es de conce oi un il e passe bande Analogique /
Numé ique don la équence cen ale es églée pa un con ôleu digi al.
Pou éalise ceci, l’idée es de end e la équence cen ale du il e égale à la
équence du signal d’en ée. Nous sa ons que si la équence du signal d’en ée e
la équence cen ale du il e son égaux, le déphasage des signaux d’en ée e de
so ie du il e se a nul. Sinon il exis e un déphasage en e les signaux d’en ée e de
so ie du il e. Donc le déphasage es une condi ion de es pou é i ie
l’égalisa ion de la équence du signal d’en ée e la équence cen ale du il e.
La équence cen ale d’un il e es en onc ion des aleu s des ésis ances e
des condensa eu s p ésen s en son sein. Dans le ci cui du il e de no e p oje , ous
les condensa eu s on la même aleu , de plus la aleu des condensa eu s ne a ie
pas. La ésis ance qui dé e mine la équence cen ale es éalisée pa un
po en iomè e numé ique p og ammable, qui peu ê e con ôlée pa un bus SPI
mas e . La modi ica ion de la aleu de ésis ance de ce po en iomè e nous pe me
donc de ai e a ie la équence cen ale du il e. Pou a eind e le bu de no e
p oje , nous de ons conce oi un con ôleu de phase qui dé ec e le déphasage e
change la aleu du po en iomè e. Le p oblème es illus é ci-dessous.
16
V. Con ôle des po en iomè es
numé iques p og ammables
Pou éalise no e il e, nous a ons besoin des po en iomè es numé iques
p og ammables pou ai e a ie les aleu s de ésis ance in e ne du il e, a in de
modi ie la équence cen ale du il e. Dans no e p oje , nous a ons u ilisé le
composan MCP 4251.
1. Po en iomè es numé iques
p og ammables MCP 4251
1.1. Desc ip ion
Le composan MCP 4251 qui ou ni deux éseaux de ésis ances a pou 8
bi s de ésolu ion, la aleu des ésis ances a ien en e 0 es 10 kOhms. Ce
composan es p og ammé pa un bus SPI. Nous a ons besoin d’une in e ace
SPI mas e pou con ôle ce composan . La ue de l’encapsula ion e du block
diag amme du composan MCP 4251 su la igu e sui an :
Figu e 5 : Vue de l’encapsula ion e du block diag amme MCP 4251 [2]

17
1.2. Fonc ionnemen des b oches
 CS : commande de sélec ion, ac i à l’é a bas
 SDI : l’en ée de donnée en sé ie, le maî e ansme des données à l’escla e
ia ce e ligne
 Ex émi és B des po en iomè es : les bo nes P0B e P1B son eliées à
l'in é ieu à l’ex émi é B des po en iomè es. La ension appliquée su ces
bo nes P0B e P1B doi ê e comp ise en e VSS e VDD, soi 0 V e 5 V.
 Ex émi és W (Wipe , cu seu en ançais) des po en iomè es : les bo nes
P0W e P1W son eliées à l'in é ieu à l’ex émi é W des po en iomè es. Le
cu seu pe me de égle la aleu numé ique du po en iomè e.
 Ex émi és A des po en iomè es : les bo nes P0A e P1A son eliées à
l'in é ieu à l’ex émi é A des po en iomè es. La ension appliquée su la
bo ne A doi ê e comp ise en e VSS e VDD.
 SHDN : La b oche SHDN es u ilisée pou o ce le éseau de ésis ances à ê e
dans l'é a d'a ê du ma é iel.
1.3. Réseau de ésis ances
Le éseau de ésis ances a une ésolu ion de 8 bi s. Le éseau de
ésis ances es composé de 256 ésis ances iden iques, chaque ésis ance es
d’en i on 39 Ohms. Le cu seu (W) se déplace le long de l’échelle pou
sélec ionne la aleu souhai ée. La ep ésen a ion de ce éseau es indiquée
dans la igu e en dessous.
18
Figu e 6 : Schéma du éseau de ésis ances [2]
1.4. Calcul de ésis ance
La aleu de la ésis ance en e les poin s W e B es ep ésen ée pa la
onc ion sui an e.
R
WB
=
+R
W
a ec N = 0 à 256 (décimal), R W =75 Ω
Fonc ion de Calcul R WB
1.5. Ec i u e de donnée
La commande d’éc i u e de données compo e 3 champs : 4 bi s de
l’ad esse, 2 bi s du mode, e 10 bi s de données. Les deux bi s de poids o des
données son igno és pa le composan .
19
Figu e 7 : Fo ma de commande SPI [2]
Pou éc i e une donnée dans MCP 4251, les bi s de mode doi en ê e
00, ce qui signi ie en mode éc i u e. L’ad esse mémoi e pe me de choisi
en e les deux éseaux de ésis ance. Si l’ad esse mémoi e es 0000, le éseau
0 es ac i é, si l’ad esse mémoi e es 0001, le éseau 1 es ac i é, comme dans
le ableau sui an :
Add ess
Command
Da a
(10-bi s)
SPI S ing (Binai e)
Value
Func ion
00h
Wipe 0
Ec i u e
nn nnnn nnnn
0000 00nn nnnn nnnn
01h
Wipe 1
Ec i u e
nn nnnn nnnn
0001 00nn nnnn nnnn
Tableau 2 : Exemple des données d’éc i u e
Le mode de communica ion du bus SPI es (0,0), les données son
ansmises su le on mon an de SCK comme su la igu e sui an e.
Figu e 8 : Ec i u e d'une donnée en mode (0,0) su bus SPI [2]
20
2. Con ôleu du MCP 4251
2.1. Desc ip ion
Nous a ons conçu un con ôleu pou le MCP 4251. Ce con ôleu pe me
d’a ec e une aleu de ésis ance in e ne au MCP 4251 pa le bus SPI. Il s’agi
d’un SPI maî e. Nous a ons choisi le ype de mode de ansmission (0,0).
Ap ès a oi Analysé le onc ionnemen du composan MCP 4251, nous a ons
décidé d’u ilise un sys ème d’au oma e à l’é a pou déc i e l’é olu ion des
signaux.
2.2. Concep ion VHDL
Le p og amme VHDL du con ôleu du MCP 4251 in èg e 3 p ocessus
p incipaux :
clk_gen : Ce p ocessus pe me de comp e le nomb e de coups d’ho loge du
sys ème e de géné e une sé ie de pulsa ions len es. Ces pulsa ions se en à
déclenche les changemen s d’é a s. Pou égle la i esse de changemen
d’é a , nous pou ons comp e un nomb e plus ou moins g and de coups
d’ho loge du sys ème. A ec ce e concep ion, la i esse maximale de SCK
(ho loge du bus SPI) es de 12.5 Mhz a ec une ho loge sys ème de la ca e de
50 Mhz.
s a e_con olle _seq : Nous a ons di isé le p oblème en plusieu s é apes,
au emen di en plusieu s é a s, qui doi en ê e exécu é dans le bon o d e. Il
au 16 coups d’ho loge de SCK pou éc i e une aleu su le composan
MCP4251. Dans no e p og amme, un coup d’ho loge SCK es ep ésen é pa
les é a s ST_DPP_LD_HI e ST_DPP_LD_LO.
s a e_con olle _ ansi ions: l’é olu ion des signaux son déc i dans ce
p ocessus a in d’a oi les bons signaux au bon momen . Les données
ansmises au MCP4251 son déc i es dans chaque é a .
Un ape çu de la simula ion de ce composan es ep ésen é su la igu e
sui an e :
21
Figu e 9 : Simula ion du con ôleu du composan MCP 4251

22
3. Tes de la pe o mance du po en iomè e
numé ique p og ammable
Pou assu e le bon onc ionnemen du il e dans no e p oje , nous de ons
é i ie la pe o mance du po en iomè e numé ique p og ammable en
changemen de aleu de la ésis ance.
Nous a ons c éé un p og amme VHDL qui ai a ie la aleu de la
ésis ance du po en iomè e de 0 kOhm à 10 kOhms puis e ien à 0, pa pas de 1
kOhm ous les 100 µs.
Nous ajou ons une ésis ance ixe de aleu 5 kOhms en sé ie a ec le
po en iomè e, puis nous mesu ons la ension su le po en iomè e comme su le
mon age sui an :
Figu e 10 : Mon age de mesu e de la ension du po en iomè e
Poin de mesu e
23
Nous oyons la en ions su le po en iomè e change ous les 100µs : ça
aleu s’inc émen e jusqu’à a eind e la aleu maximale lo sque la aleu de la
ésis ance du po en iomè e es maximale, puis la ension déc émen e jusqu’à 0,
puis un nou eau cycle ecommence. La ension es p opo ionnelle à la aleu de
la ésis ance ( igu e 11). La aleu de la ension es s able aux changemen s de
aleu de la ésis ance : le passage d’une aleu à une au e es immédia ( igu e
12).
Figu e 11 : Tension en onc ion de la aleu de la
ésis ance (cycle 0 KOhm - 10 KOhms - 0 KOhm)
Figu e 12 : Tension en onc ion de la aleu
(illus a ion de la s abili é)
24
VI. É ude du il e en aleu de
ésis ance ixe
1. Analyse du il e
Ap ès a oi éussi à con ôle les po en iomè es numé iques, nous a ons
commencé à analyse la pa ie analogique du il e qui es sans le con ôleu de
phase. La s uc u e du il e analogique es mon ée igu e 13 :
Figu e 13 : S uc u e du il e de la pa ie analogique
Dans la s uc u e, les ésis ances R1, R2 e R3 on oujou s a oi la même
aleu , ce qui pe me de égle la équence cen ale du il e. La aleu de la
somme de R4 e de R8 pe me de égle le ac eu de la quali é du il e.
Nous a ons p og ammé le po en iomè e numé ique à 5 KOhms, qui es en
sé ie a ec une ésis ance de 4.6 KOhms, donc la ésis ance o ale su la b anche
es équi alen e à 9.6 kOhms.
25
La équence cen ale c du il e es calculée pa la onc ion sui an e :
c =
a ec ω0 =
Applica ion numé ique : c =
=
* 103 5 kHz
Nous a ons injec é un signal sinusoïdal d’ampli ude 1 ol à l’en ée du il e,
e nous a ons ai a ie sa équence ou en e ec uan les mesu es su le signal
de so ie du il e. Nous a ons ele é les mesu es dans le ableau 3 e nous a ons
acé le g aphique sui an :
32
L’ampli ude du signal du CAN es de ± 1,25 V, cen ée au ou de la
ension de é é ence, 1.65V. Pa conséquen , la aleu de 1.25V appa aî dans
le dénomina eu de l’échelle d’en ée analogique.
En in, le CAN p ésen e une so ie numé ique 14 bi s complémen é à
deux, donc les aleu s son comp ises en e -213 e 213-1. Pa conséquen , la
aleu es mise à l'échelle pa 8192 ou 213.
1.2. P éampli ica eu
L’ac ion d’ampli ica ion es ai e pa composan LTC6912-1. Le bu de
l'ampli ica ion es de me e à l'échelle les deux ensions d'en ée su VINA ou
VINB, de so e qu’elle maximise la plage de con e sion du CAN, à sa oi 1,65 ±
1,25.
Ce composan u ilise l’in e ace de communica ion SPI. Le gain pou
chaque ampli ica eu es en oyé en an que mo de commande de hui bi s,
composé de deux champs de qua e bi s, un pou le canal A, e l’au e pou le
canal B. Le bi de poids o , B3, es en oyé en p emie , comme mon ée su la
igu e sui an :
Figu e 21 : Commande de l’ampli ica eu [3]

33
Le gain de chaque ampli ica eu es p og ammable de -1 à -100, dans
no e p oje nous u ilisons un gain de -1, comme indiqué dans le ableau
sui an .
Gain
A3
A2
A1
A0
Inpu Vol age Range
B3
B 2
B 1
B 0
Minimum
Maximum
-1
0
0
0
1
0.4
2.9
Tableau 4 : Gain de l’ampli ica eu
1.3. Con e isseu Analogique Numé ique
La con e sion analogique numé ique es assu ée pa le composan
LTC1407A-1. Ce composan a deux oies qui son échan illonnées
simul anémen su on mon an du signal AD_CONV.
Lo sque le signal AD_CONV passe au ni eau hau , le con e isseu
con e i simul anémen deux échan illons des canaux analogiques. Un
échan illonnage d’un poin du signal analogique commence à pa i d’un on
mon an de AD_CONV jusqu’au p ochain on mon an de AD_CONV. La
équence d'échan illonnage maximale es d'en i on 1,5 MHz. Chaque
échan illonnage se ai en un cycle de 34 coups d’ho loge du bus SPI, comme
illus é su la igu e sui an :
34
Figu e 22 : Con e sion analogique numé ique [3]
Pou es e la con e sion analogique numé ique, nous a ons besoin de ai e
la con e sion numé ique analogique, e é i ie que le signal de so ie du
Con e isseu Numé ique Analogique es le même que le signal d’en ée du
Con e isseu Analogique Numé ique. Pa ce que chaque échan illon de con e sion
du signal analogique es ep ésen é pa 14 bi s qui son en oyés bi pa bi en 34
cycles d’ho loge SCK, il es di icile de connai e la aleu ep ésen ée pa un
échan illon, donc nous sommes obligé d’u ilise le con e isseu Numé ique
Analogique.
2. Con e sion Numé ique Analogique
La ca e de dé eloppemen Spa an 3A comp end un con e isseu
numé ique-analogique à qua e canaux. Les qua e so ies du con e isseu
numé ique analogique se ou en su le connec eu J5 de la ca e FPGA, ep ésen é
su la igu e ci-dessous :
35
Figu e 23 : In e ace du ci cui de con e sion numé ique analogique [3]
L’ac ion de con e sion se ai pa le composan LTC2624. Ce composan
communique a ec le FPGA en u ilisan l’in e ace SPI. Le FPGA ansme les données
su le signal SPI_MOSI, ap ès a oi ac i é le signal DAC_CS. Ap es un cycle de
con e sion, DAC_CS es désac i é jusqu’à la p ochaine con e sion. La con e sion es
ai e en 34 coups d’ho loge SCK.
Le FPGA en oie d'abo d hui bi s ac ices, sui ies pa une commande de
qua e bi s. La commande la plus cou ammen u ilisée es COMMAND [3:0] = 0011,
qui signi ie que les données d’en ée du con e isseu son au o ma binai e. Sui e à
la commande, c’es un champ d'ad esse de qua e bi s. Ensui e, le FPGA en oie une
aleu de données non signé de 12 bi s que le con e isseu con e i en une aleu
analogique su la so ie sélec ionnée. En in, qua e bi s ac ices supplémen ai e, ce
qui donne un mo de commande de 32 bi s comme su la igu e sui an e :
36
Figu e 24 : Commande con e sion numé ique analogique [3]
Chaque aleu de so ie du con e isseu es l'équi alen analogique d'une
aleu numé ique non signé su 12 bi s, D [11:00], en oyé pa le FPGA ia
l'in e ace SPI. La ension de so ie spéci ique es déc i e pa l'équa ion sui an e :
VOUT =
x VREFERENCE a ec VREFERENCE = 3.3V
3. Con ôleu du Con e isseu Analogique
Numé ique e Numé ique Analogique
Nous a ons conçus un con ôleu qui pe me de con ôle les
con e isseu s, il assu e l’ac ion de con e sion en e analogique e numé ique.
37
Les deux con e isseu s son synch onisés su la même ho loge SCK, e
nous de ons en oye les données numé iques so an es su le pin T7 du FPGA à
l’en ée MOSI du con e isseu numé ique analogique. Le Con e isseu
analogique numé ique con e i le signal d’en ée analogique en un nomb e
complémen é à 2, alo s que le con e isseu numé ique analogique p end des
aleu s en iè es non signées, donc nous a ons besoin de con e i la aleu qui
so du con e isseu analogique numé ique.
Les ésul a s du con e isseu analogique numé ique son ep ésen és su 14
bi s, ces aleu s son donc comp ises en e -8192 e +8191. Pou les con e i en
aleu s en iè es non signées, nous de ons leu ajou e 8192, ce qui ai que leu
aleu es en e 0 e 16365.
Le Con e isseu numé ique analogique p end des données numé iques su
12 bi s, donc nous p enons les 12 bi s de poids o de la so ie du con e isseu
analogique numé ique.
Nous a ons simulé no e p og amme de con ôleu en VHDL, le ésul a es
su la igu e 25.

38
Figu e 25 : Simula ion du con ôleu des con e isseu s
39
Nous a ons es é no e p og amme du con ôle des con e isseu s a ec
di é en es o mes de signaux. Le signal con e i es en e a d su le signal d’o igine,
ce emps de e a d es dû à la con e sion dans les deux sens. Su les igu es ci-
dessous, nous mon ons la con e sion des di é en s signaux. Le bon
onc ionnemen des composan s es con i mé.
Figu e 26 : Con e sion a ec signal sinusoïdal
Figu e 27 : Con e sion a ec signal ca é
.
Figu e 28 : Con e sion a ec signal iangulai e
40
VIII. Con ôle de la Phase
1. Desc ip ion
Le bu es de me e le signal de so ie en phase a ec le signal d’en ée.
No e p og amme en VHDL commence à ini ialise le il e, puis le con ôleu de
phase commence à dé ec e s’il y a un déphasage.
Nous a ons u ilisé le emps de signal d’en ée du il e comme le é é ence pou
l’ac ion du con ôleu . L’ac ion du con ôleu de phase se décompose en qua e
é apes :
 Dé ec e le déphasage : dé e mine le déphasage en e les signaux de l’en ée
e de la so ie du il e, iden i ie si le signal de la so ie es en a ance ou en
e a d.
 Calcule la aleu de la ésis ance : inc émen e la aleu de la ésis ance de 1
(sa aleu binai e), si le signale de la so ie du il e es en e a d, sinon
déc émen e la aleu de la ésis ance de 1.
 Modi ie le po en iomè e : a ec e la nou elle aleu au po en iomè e
calculée à l’é ape p écéden e.
 A end e la s abili é du il e : ap ès a oi a ec é la nou elle aleu au
po en iomè e, le il e onc ionne a ec une nou elle équence cen ale, e il
au a end e un ce ain emps pou oi si le signal de so ie du il e es s able.
Ensui e le cycle ecommence, illus é su la igu e 29.
41
2. Dé ec ion de phase
La dé ec ion du déphasage se ai pa un dé ec eu de phase. Son ôle es
de dé ec e l’exis ence d’un déphasage e d’iden i ie la posi ion du signal de
so ie pa appo à celui de l’en ée.
Nous c éons deux signaux a e b : le signal a ep ésen e le signal d’en ée, il es
à l’é a hau lo sque le signal d’en ée es posi i , à l’é a bas lo sque le signal es
néga i . De même le signal b es à l’é a hau , lo sque le signal de so ie es posi i ,
e à l’é a bas lo sque le signal es néga i .
Pou dé ec e la phase des deux signaux sinusoïdaux, nous pou ons ai e la
compa aison des signaux a e b en u ilisan la onc ion ou exclusi . x ep ésen e la
compa aison en e a e b.
Il exis e qua e cas, ils son déc i s dans les igu es sui an es:
Signal d’en ée
Dé ec e le
déphasage
Calcule la
aleu
Modi ie le
po en iomè e
A end e
é a S able
Figu e 29 : Cycle de con ôle de phase
48
IX. Analyse du il e analogique
numé ique
1. Assemblage des di é en s composan s
du il e
Nous a ons elié la pa ie analogique du il e, le con e isseu analogique
numé ique e le con ôleu de phase, comme su la igu e sui an e.
Figu e 37 : Connexion des composan s
Vin( )
CAN Channel B
Channel A
Vou ( )
Con ôleu
Phase
Pa ie Analogique
MCP4251
MCP4251
MCP4251

49
2. Analyse du il e
Ap ès a oi éussi la concep ion de no e il e analogique numé ique, nous
a ons analysé ce il e, e ele é les mesu es su di é en es ca ac é is iques :
 la équence de dans laquelle le il e peu ê e églée es comp ise en e 3.3
kHz e 10.4 KHz.
 Le gain du il e es supé ieu à 0 dB pou ce aines équences, cela signi ie
que l’ampli ude du signal de so ie du il e es supé ieu à l’ampli ude du
signal d’en ée, le signal es ampli ié.
 Nous cons a ons su les ele és que le déphasage en e les deux signaux es
oujou s à 0, les signaux son bien en phase.
 La aleu de la ésis ance dans le domaine de onc ionnemen du il e a ie
en e sa aleu minimale (0 KOhm) e sa aleu maximale (10 KOhm).
50
F(KHz)
3.3
3.6
3.9
4.2
4.5
4.8
5.0
5.2
5.5
5.8
6.1
6.4
6.7
7.0
7.3
7.6
7.9
8.2
8.5
8.8
9.1
9.4
9.7
10.1
10.4
Ampli ude
(m )
1900
1560
1400
1260
1180
1100
1000
980
940
900
860
830
816
800
780
760
750
730
720
710
704
696
690
680
680
1,90
1,56
1,40
1,26
1,18
1,10
1.00
0,98
0,94
0,90
0,86
0,83
0,82
0,80
0,78
0,76
0,75
0,73
0,72
0,71
0,70
0,69
0,69
0,68
0,67
Gain(dB)
5,6
3,9
2,9
2,0
1,4
0,8
0,0
-0,2
-0,5
-0,9
-1,3
-1,6
-1,8
-1,9
-2,2
-2,4
-2,5
-2,7
-2,9
-3,0
-3,0
-3,1
-3,2
-3,3
-3,4
Pe iod (ms)
302
276
258
238
222
210
200
193
182
171
163
156
149
143
136
131
126
122
117
113
110
106
103
99
96
Déphasage(°)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Rz (kΩ)
9,67
8,72
7,71
6,88
6,12
5,48
5,07
4,73
4,25
3,79
3,38
3,00
2,70
2,40
2,1
1,83
1,60
1,38
1,20
0,97
0,82
0,63
0,48
0,29
0,14
Fc (KHz)
3,38
3,62
3,92
4,20
4,50
4,78
4,99
5,17
5,45
5,75
6,04
6,35
6,61
6,89
7,20
7,50
7,78
8,07
8,32
8,66
8,90
9,22
9,49
9,86
10,17
Tableau 5 : Rele é des ca ac é is iques du il e analogique numé ique
Figu e 38 : E olu ion du gain e de la phase
Figu e 39 : E olu ion de la aleu de ésis ance du po en iomè e
-4,0
-2,0
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
3,3
3,9
4,5
5
5,5
6,1
6,7
7,3
7,9
8,5
9,1
9,7
10,4
Gain(dB)
F équence (KHz)
Gain
-90
-40
10
60
3,3
3,9
4,5
5
5,5
6,1
6,7
7,3
7,9
8,5
9,1
9,7
10,4
Phase(°)
F équnce(KHz)
phase
0
2
4
6
8
10
3,3
3,9
4,5
5
5,5
6,1
6,7
7,3
7,9
8,5
9,1
9,7
Résis ance (KΩ)
F équence(KHz)
R kohms
51
Nous a ons compa é les signaux a an e ap ès l’u ilisa ion du con ôleu de
phase, e nous a ons imp imé les signaux d’en ée du il e (en jaune) e de so ie du
il e (en bleu) : pou des équences de 3.3 kHz ( équence minimale du il e
analogique numé ique), de 5 KHz ( équence cen ale de la pa ie analogique du
il e) , e de 10.4 kHz( équence maximale du il e analogique numé ique) dans les
igu es sui an es :
A an u ilisa ion du con ôleu de phase
Figu e 40 : F équence à 3.3 kHz
Figu e 41 : F équence à 5 kHz
Figu e 42 : F équence à 10.4 kHz
Ap ès u ilisa ion du con ôle de phase
Figu e 43 : F équence à 3.3 kHz
Figu e 44 : F équence à 5 kHz
Figu e 45 : F équence à 10.4 kHz
52
X. Conclusion
En conclusion, nous a ons p ésen é dans ce appo la concep ion d’un
il es Analogique / Numé ique. Nous a ons éussi à con ôle sa équence cen ale
pa un ci cui digi al. Ce il e peu ê e enco e dé eloppé. Nous pou ons ajou e un
deuxième con ôleu qu’il s’agi un con ôle Q, qui ai égle l’ampli ude du signal de
so ie du il e. Nous a ons u l’ensemble des echniques u ilisées pou la con e sion
Analogique Numé ique, la communica ion en SPI, le con ôle de composan s, e le
ai emen du signal. Mes a aux éalisés peu en ê e se is à la sui e des
eche ches, pa exemple les p og ammes du con ôle de po en iomè e Digi al
MCP4251, de con ôle du con e isseu analogique numé ique à deux sens, de
con ôle de phase.
L’ensemble de ces ac i i és éalisées au sein du g oupe AHA m’on pe mis de
consolide mon expé ience dans le dé eloppemen de sys èmes élec oniques,
cen é au ou de l’en i onnemen Xilinx e au ou des FPGAs : aussi bien du poin de
ue du câblage de ca es e de composan s, que du poin de ue de la
p og amma ion, de la simula ion e du es su FPGA. Ainsi j’ai pu en ichi e
app o ondi mes connaissances en élec onique au a e s de ce s age.
Ce s age a con i mé mon p oje p o essionnel, qui es de a aille dans le
domaine du ai emen du signal, en me donnan une ision su l’ensemble de ce
a ail e en m’appo an de nou elles connaissances e compé ences dans ce
domaine.
53
Ré é ences - Bibliog aphie
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LTC2624 Quad DAC Da a Shee
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,D2170
MCP6024 quad ope a ional ampli ie
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Digilen FX2 B eadboa d Re e ence Manual
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Se ial Pe iphe al In e ace
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