Conception d'un filtre Analogique / Numérique

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 [1] H. Ma inez, J. Cosp and M. Manzana es . “Obse a ion o Chao ic Beha io in Au oma ic Tuning Loops o Con inuous-Time Fil e s,” P oceedings o he 56 h Midwes Symposium on Ci cui s and Sys ems (MWSCAS 2013), Columbus, OH, USA, Augus , 2013. H. Ma inez, E. Vidal, A. Can o, A. Po eda, and F. Guinjoan, “Bandwid h- Enhancemen g m-C Fil e wi h Independen ω0 and Q Tuning Mechanisms in Bo h Topology and Con ol Loops,” P oceedings o he 2010 IEEE In e na ional Symposium on Ci cui s and Sys ems (ISCAS’10): pp. 3625–3628, 2010. H. Ma inez, E. Vidal, E. Ala con, and A. Po eda, “Dynamic Modeling o Tunable Analog In eg a ed Fil e s o a S abili y S udy o On-Chip Au oma ic Tuning Loops,” Analog In eg a ed Ci cui s and Signal P ocessing, ol. 61 (nº 3): pp. 231-246, 2009. [2] MCP4251 7/8-Bi Single/Dual SPI Digi al POT wi h Vola ile Memo y h p://ww1.mic ochip.com/downloads/en/De iceDoc/22060b.pd [3] Spa an-3A/3AN FPGA S a e Ki Boa d Use Guide h p://www.xilinx.com/suppo /documen a ion/boa ds_and_ki s/ug334.pd LTC6912 Dual P og ammable Gain Ampli ie s wi h Se ial Digi al In e ace h p://www.linea .com/pc/downloadDocumen .do?na Id=H0,C1,C1154,C1009,C1121,P7596 ,D5359 LTC1407A-1 Se ial 14-bi Simul aneous Sampling ADCs wi h Shu down h p://www.linea .com/pc/downloadDocumen .do?na Id=H0,C1,C1155,C1001,C1158,P2420 ,D1295 LTC2624 Quad DAC Da a Shee h p://www.linea .com/pc/downloadDocumen .do?na Id=H0,C1,C1155,C1005,C1156,P2048 ,D2170 MCP6024 quad ope a ional ampli ie h p://ww1.mic ochip.com/downloads/en/De iceDoc/21685d.pd Digilen FX2 B eadboa d Re e ence Manual h p://www.digilen inc.com/Da a/P oduc s/FX2BB/FX2BB_%20 m.pd Se ial Pe iphe al In e ace h p:// .wikipedia.o g/wiki/Se ial_Pe iphe al_In e ace