Echantillonneur-bloqueur

Il suffit de regarder les nombreux catalogues de matériels pédagogiques pour s’apercevoir que l’investissement dans des CAN ou dans des échantillonneurs-bloqueurs implique une dépense certaine dans les budgets de nos laboratoires.
En cette période de profondes réformes et de renouvellement progressif de nos matériels, une alternative pour un lycée ne pouvant engager cette dépense pourrait être le recours à une simulation grâce à laquelle les élèves manipuleraient virtuellement les principaux réglages d’un CAN (ou d’un échantillonneur-bloqueur).
Cette animation permettrait de répondre à la double exigence du programme de classe Terminale Scientifique, à savoir :

• Reconnaître des signaux de nature analogique et des signaux de nature numérique.
• Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un échantillonneur-bloqueur et/ou un convertisseur analogique numérique (CAN) pour étudier l’influence des différents paramètres sur la numérisation d’un signal (d’origine sonore par exemple).

 L’animation

L’animation « Echantillonneur-bloqueur », téléchargeable ci-dessous, présente un écran d’oscilloscope ainsi qu’un tableau de bord. Sur cet écran, il est possible de visualiser (ou non) le signal analogique en entrée ainsi que le signal numérisé en sortie.

Voir l’animation

 Le signal analogique

L’animation laisse le choix entre un signal analogique de type sinusoïdal ou de type triangulaire. De même, il sera possible de modifier la fréquence (100Hz à 1kHz) et l’amplitude de ce signal analogique. Toutes ces modifications sont visualisables de façon simultanée sur l’écran d’oscilloscope.

 Le signal numérisé

Ce signal peut être affiché ou non à l’écran. Il pourra être échantillonné sur une plage de fréquences allant de 1kHz à 20KHz. Cette option permettra ainsi à l’élève de se rendre compte de l’importance de la fréquence d’échantillonnage sur la qualité du signal en sortie.
Mais il se rendra également compte qu’un signal fortement échantillonné ne sera pas, pour autant, systématiquement synonyme de signal numérique de qualité si le pas de quantification est trop grand. Pour cela, l’élève aura le choix entre différentes résolutions allant de 2 bits (4 paliers) à 8 bits (256 paliers).

Il est dès lors intéressant de faire prendre conscience à l’élève que chaque plateau du signal numérisé représente une donnée que l’outil informatique va devoir stocker (ou restituer…). Il faut alors trouver un juste milieu entre qualité à outrance et déformation excessive du signal d’où une analyse sur deux situations différentes :

 Exemple 1 - Cas d’un signal analogique de 100Hz

Cherchons des paramètres de numérisation qui suffiront à l’obtention d’un signal numérique de qualité.
Dès la fréquence d’échantillonnage de 5kHz et la résolution de 4 bits, le signal numérique est de qualité satisfaisante. Le passage à 10 kHz (double de données stockées) ne modifie sensiblement pas la qualité de signal de sortie. Il faudra alors passer à une résolution de 8 bits pour obtenir une nette amélioration soit pour chaque valeur de tension numérisée le stockage du double de bits !

 Exemple 2 - Cas d’un signal analogique de 1000Hz

Reprenons les mêmes réglages qui nous ont permis d’obtenir dans l’exemple précédent un signal de qualité acceptable.
Cette fois-ci, le signal de sortie est clairement de mauvaise qualité. Seul le passage à une résolution de 8 bits et à une fréquence d’échantillonnage de 20KHz permettra d’obtenir un signal de qualité acceptable.

 Exemple 3 - Cas limite

Prenons le cas d’un signal analogique de 500Hz numérisé en 1KHz et 2 bits, qu’observe t-on ? un bruit de fond !
Quand on sait que tout signal peut être décomposé en série de Fourier, cette composante serait tout bonnement filtrée !

 D’autres activités possibles

• Faire visualiser l’ensemble des plateaux pour chaque résolution (sauf peut-être 8bits…) et faire comprendre qu’à chaque plateau correspond un code binaire.
• Numériser un signal analogique de 145Hz sur 2 bits et avec une fréquence d’échantillonnage de 1 KHz. L’élève fait alors correspondre chaque plateau à un nombre binaire (00,01,10 et 11) et peut en extraire le code binaire du signal numérisé qui sera stocké dans la mémoire d’un ordinateur.
• Visualiser l’influence de la saturation en tension de l’échantillonneur- bloqueur
• La forme du signal a-t-elle un impact sur le signal de sortie ?
• …

 Auteur

bfareneau