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  • Aprs une prsentation sur le matriel Arduino, suivie dune activit pratique, voici le temps de

    connecter notre petit matriel vers lextrieur et de commencer faire des mesures dans le

    monde analogique: ce nest pas toujours facile !

    Table des matires

    1) Le convertisseur analogique / digital (A/D)

    2) Les recommandations de cblage

    3) Les diffrents amplificateurs isols galvaniquement

    4) La mesure de courant

    5) Les jauges de contraintes

    6) Les capteurs relis directement un bus de donnes

  • 1) Le convertisseur analogique digital (A/D)

    Quelques paramtres:

    a. La plage de mesures.

    Il y a des convertisseurs qui fonctionnent dans une plage de:

    0-5V -> Adapt lalimentation du microcontrleur

    0-10V -> Un meilleur rapport signal / bruit

    -10V / + 10V -> Bipolaire.

    Ratio mtrique -> On fournit au convertisseur la mesure de la tension de

    rfrence aux bornes du capteur, cette tension peut varier lgrement (compensation

    des chutes de tension dans les cbles, etc.)

    b. La vitesse de conversion

    Il existe des convertisseurs trs rapides, dautres trs prcis, cest toujours un

    compromis entre vitesse, rsolution et . prix !

    c. Le sample and hold

    Quelques fois, on doit mesurer un signal un instant trs prcis. Le convertisseur est

    incapable de convertir la tension cet instant prcis. De plus, la commande software ne

    connat pas forcment cet instant.

    On va donc prendre un chantillon cet instant prcis, mmoriser de manire

    analogique la valeur.

    On aura ainsi le temps deffectuer une conversion prcise off line

    Cas particulier le peak and hold : cest la mmorisation de la valeur maximum. Du

    point de vue lectronique, cest tout un art !

    d. La rsolution.

    Supposons que je veuille construire un pse-personne.

    chelle de mesure 0-> 100 Kg, rsolution 0,1 Kg. On prendra une rsolution 20 fois

    meilleure que la prcision que lon veut afficher soit 100/20 = 5 grammes !

    Nombre dchantillons: 100 Kg / 0,005 = 20000 chantillons -> 15 bits minimum, on est

    loin de lArduino de base

  • Quelques technologies utilises:

    A. Le convertisseur double rampe en 3 tapes

    Ce fut la premire technologie vraiment efficace. Aujourdhui, cette technologie est

    remplace par le delta sigma.

    1) On charge une capacit avec un courant proportionnel au signal convertir pendant un

    temps fixe (le temps du comptage complet du compteur) ;

    2) On dcharge ensuite la capacit, avec un courant constant issu de la tension de

    rfrence, jusqu' annulation de la tension ses bornes. Lorsque la tension devient

    nulle, la valeur du compteur est le rsultat de la conversion ;

    3) On annule enfin la tension aux bornes de la capacit par une srie convergente de

    charges et de dcharges (l'objectif tant de dcharger totalement la capacit pour ne

    pas fausser la mesure suivante). On parle en gnral de phase de relaxation.

    http://fr.wikipedia.org/wiki/Condensateur_(%C3%A9lectricit%C3%A9)http://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_%C3%A9lectriquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Compteur

  • B. Le convertisseur flash

    Cette technologie est utilise dans le cas o lon a besoin de rapidit, par exemple vido,

    oscilloscope numrique, etc.. Cest diablement rapide, mais onreux.

  • C. Le convertisseur delta sigma

    Cest aujourdhui une des technologies les plus utilises pour des conversions prcises dans le

    cas o le besoin en bande passante est faible. On trouve couramment des convertisseurs avec

    une rsolution de 24 bits pour quelques dollars. Attention, un convertisseur de 24 bits de

    rsolution ne signifie pas 24 bits de prcision. Rappel: pour un convertisseur de 24 bits avec

    une chelle de 5 V, le LSB vaut: 0.0000003 V soit 0,3 micro volt !

    En effet, il y a plusieurs facteurs qui entachent la prcision, notamment:

    Le bruit du signal analogique

    Le bruit de quantification

    Le convertisseur nest pas forcment monotone.

    La rfrence de tension nest pas parfaite (bruit, etc)

    La ronflette

    .

    D. Le convertisseur utilis dans lArduino.

    Le microcontrleur de lArduino contient dj un convertisseur analogique digital.

    Ce convertisseur est bien pratique pour des petits montages. Dans dautres cas, il devra tre

    remplac par un composant plus performant.

    Cest un convertisseur bas sur l'approximation successive. La notice technique nous apprend

    que le temps de conversion est de 13 260 us pour une prcision de 10 bits.

    Comme dans la majorit des convertisseurs analogiques digitaux, la fin de la conversion peut

    gnrer une interruption sur le microcontrleur.

    Remarque: lutilisation de nombres flottants impose le chargement dune librairie

    supplmentaire, consomme beaucoup de mmoire et de CPU !

  • 2) Les recommandations de cblage

    La plus belle femme au monde ne peut donner que ce quelle a..

    Ici, cest pareil. On a beau avoir de supers beaux capteurs et de bons composants, le cblage

    a souvent une importance capitale.

    Par principe, le monde analogique naime pas trop la proximit du monde digital, car il y a des

    inductions parasites et des pointes de courant dalimentation qui se retrouvent dans la mesure

    analogique, etc.

    Il convient donc de sparer le plus possible les circuits, notamment la masse

    analogique de la masse digitale. On essayera galement de blinder le circuit

    analogique.

    Pour des raisons de rapport signal / bruit, on travaillera avec des tensions les plus

    leves possibles. On prfrera donc travailler si possible avec une rfrence de 10 V

    plutt que 3,3 V, etc.

    Pour lutter encore contre le bruit, on travaillera avec la bande passante la plus faible

    possible. On peut galement mettre en place un filtre qui attnue le 50 Hz.

  • 3) Les diffrents amplificateurs isols galvaniquement

    Aujourdhui, plusieurs technologies existent pour mesurer un signal dont le point de rfrence

    ne correspond pas au point de rfrence du convertisseur analogique digital.

    Tout dabord, il faudra choisir si on effectue lisolation du ct analogique:

    Ou du ct digital:

    Bien sr, cest plus facile deffectuer lisolation du ct digital, mais on ne peut pas toujours le

    faire.

  • Cela suppose de pouvoir alimenter de llectronique du ct isol, ce qui nest pas toujours

    vident. Comme nous allons le voir, les mthodes de transmissions ne manquent pas, chacune

    a ses avantages et ses inconvnients.

    A. Utilisation dun ampli diffrentiel.

    Bien que cela ne constitue pas proprement parl un isolement, mais, avec la trs

    grande amlioration des amplificateurs oprationnels, il est possible de mesurer un

    signal dont le potentiel de rfrence est trs loin de la masse du circuit analogique.

    Attention ! le comportement en dynamique, par exemple, sur un hacheur de puissance

    nest pas forcment trs bon.

  • B. Transmission capacitif.

    Le principe est davoir un tage dentre comportant un amplificateur oprationnel, celui-ci est

    suivi dun convertisseur analogique digital avec une sortie srie.

    On passe linformation de manire capacitive de lautre ct de la barrire disolement et on

    reconstitue le signal analogique.

    Cette technique fonctionne bien pour des frquences leves (typiquement 20 kHz) et 2,5KV

    disolement). Il faut alimenter les 2 cts de lamplificateur disolement, quelques fois il y a un

    petit convertisseur dans le composant De plus, il ne faut pas oublier qu 10 MHz, une

    impdance de couplage de 10 pF reprsente une impdance de seulement 1,6 K Ohm.

    Lorsquil y a des fronts trs raides entre les 2 sources comme par exemple dans les hacheurs

    dalimentation dcoupages, cela provoque des transmissions parasites qui produisent des

    erreurs en sortie. Cette technologie est, par contre, indpendante des champs magntiques.

  • C. Transmission magntique

    Ici, on module le signal analogique pour obtenir un signal alternatif que lon peut appliquer un

    transformateur. Un autre transformateur est en gnral utilis pour fournir lalimentation du ct

    isoler. Les performances de bandes passantes sont meilleures que lisolement capacitif. La

    consommation est relativement faible, mais il y a une sensibilit aux champs magntiques

    externes.

    Cette technologie prsente une immunit face aux champs lectriques.

  • D. Transmission optique

    On utilise dans cette technologie un optocoupleur constitu dune led et de 2 photos diodes.

    On suppose que les 2 photos diodes sont identiques.

    On utilise une photo diode pour la contre-raction de ltage dentre.

    Cette technologie, un peu ancienne, est toujours dlicate mettre en uvre, car il est difficile

    de compenser loffset. De plus cet offset bouge un peu dans le temps. La bande passante est

    faible, la consommation est leve, mais il y a une immunit face aux champs lectriques et

    magntiques.

    En rsum, il est trs difficile de raliser un amplificateur disolement de qualit.

    Jai eu en dvelopper un pour un analyseur de spectre du rseau 220 V. Eh bien ! Ctait trs

    chaud pour obtenir les performances dsires.

    Si je me souviens bien la bande passante allait du continu 200 KHz avec -0,1 dB

    d'attnuation..

  • 4) Les mesures de courant

    Depuis que llectronique existe, il faut mesurer des tensions et des courants. Ces derniers

    temps, principalement d aux besoins de miniaturisation, les techniques