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2009/2010. Electronique d’instrumentation. Répartition horaire : . cours : . 4 h. TD : . 8 h. TP : . 14 h. Auteurs du document :      Myriam Chesneau. Responsable du document :      idem. Intervenants      André Betemps Myriam Chesneau Laurent Goujon.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

2009/2010

Electronique

d’instrumentation

Répartition horaire :

cours :

4 h

TD :

8 h

TP :

14 h

  • Auteurs du document :
  •      Myriam Chesneau
  • Responsable du document :
  •      idem
  • Intervenants
  •      André Betemps
  • Myriam Chesneau
  • Laurent Goujon

Dernière mise à jour : 28/08/2009

Instrumentation 1

electronique d instrumentation

MPh1 :

Électronique : ampli op « parfait »

Instrumentation : utilisation des CAN et CNA sur une carte d’acquisition.

MPh2 :

Ampli Op réel, en boucle ouverte

Principe électronique des CAN et CNA

Amplificateurs spécifiques à l’instrumentation

ELECTRONIQUE D’INSTRUMENTATION

Instrumentation 1

ch 1 amplificateur operationnel reel

L’amplificateur opérationnel réel diffère sensiblement du modèle étudié en premier année.

Nous proposons ici des modèles plus élaborés tenant compte de ces écarts.

Une connaissance des caractéristiques et des limites de l’amplificateur opérationnel réel permet de l’utiliser à bon escient dans le domaine de la mesure.

CH 1 : AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL REEL

Instrumentation 1

aop id al rappels mph1

i+

i-

+

-

vs

Rs

+

-

Ad

vs

Rd

AOP « idéal » rappels MPh1

1.1. Modèle

Le modèle étudié en première année suppose

  • L’amplification différentielle infinie pour toute la gamme de fréquenceAd = Vs / eAd  fréquence
  • La tension de sortie limitée vs max = Vsat 0,9 Vccvsmin = - Vsat - 0,9 Vcc.
  • Les courants d’entrée nulsi+ = i- = 0 Rd =.
  • La résistance de sortie nulleRs = 0

Instrumentation 1

slide5
1.2. Deux modes de fonctionnement
  • Si le montage fonctionne en régime linéaire, il possède une contre-réaction, alors
    • e+ = e- = 0
    • on réalise ainsi des amplificateurs, des sommateurs, des filtres….
  • Si le montage fonctionne en boucle ouverte, il est en régime non-linéaire :
    • la sortie est saturée : si  > 0 vs = Vsat, si  <0 vs = - Vsat
    • montages étudiés au chapitre 3

Instrumentation 1

2 caract ristiques r elles statiques

+

-

+

-

VIO

0 V

-

+

VS

2. Caractéristiques réelles statiques

2.1 Tension de décalage : VIO

  • définition
  • si e+ = e- = 0,  = 0, vs0.
  • VIO est la tension continue à appliquer en entrée pour annuler la tension de sortie
  • mesure :
  • Pour un A.O. monté en amplificateur (A), on mesure la tension de sortie pour e+ = e- = 0 V soit Vs cette tension, alors Vio = Vs / A

Instrumentation 1

slide7
2.2 Courant de polarisation IB et de décalage IIO
  • Le courant de polarisation est la moyenne des courants d'entrée lorsque la tension de sortie est nulle IB = ( IB+ + IB-)/2
  • Le courant de décalage est la différence entre les courants d’entrée : IIO = IB+ - IB-

IB+

IB-

+

-

Instrumentation 1

slide8

IS

RS

A Ve

VS

2.3 Caractéristique de sortie

  • La sortie d’un ampli-op est équivalente à une source de tension imparfaite, de résistance Rs, limitée en courant.
  • Le courant maximum en sortie est de l’ordre de 20 mA

VS

Pour Vs positif

IS

20 mA

Instrumentation 1

slide9
Exemple
  • Ampli Op : Rs = 100 , ISmax = 16 mA.
  • Montage amplificateur non-inverseur, A = 10.
  • Ve = 1 V
  • À vide : Vs = 10 V

+

-

Ve

Vs

Instrumentation 1

slide10

+

-

Ve

Vs

RL

  • Pour RL = 10 k,
    • IS = 1 mA < 16 mA : pas de limitation
    • VS = 10 000 / (100 + 10 000) . 10  10 V : la résistance de sortie ne modifie pas la tension à vide.

RS = 100 Ω

IS

A Ve=10 V

RL

VS

Instrumentation 1

slide11
Pour RL= 600 
    • IS = 10 / (100 + 600) = 14,2 mA < 16 mA : pas de limitation
    • VS = 600 / (100 + 600) . 10 = 8,57 V
  • Pour RL= 400 
    • IS = 10 / (100 + 400) = 25 mA IMPOSSIBLE donc Is = Ismax = 16 mA
    • VS = 16 m х 400 = 6,4 V

Instrumentation 1

slide12
Conclusion :
  • Pour une résistance de charge RL donnée, la tension de sortie ne peut dépasser (en valeur absolue)
    • VSAT
    • Imax RL

Instrumentation 1

slide13
2.4 Taux de rejet de la tension de mode commun (TRMC)
  • (common mode rejection ratio : CMRR)
  • Idéalement, seule la différence des tensions  = (e+ - e-) est amplifiée.
  • Dans la réalité, vs = Ad (e+ - e-) + Ac (e+ + e-)/2

Instrumentation 1

3 caract ristiques dynamiques
3. Caractéristiques dynamiques

3.1 Bande passante

  • L'amplification différentielle Ad n'est pas infinie, et varie en fonction de la fréquence du signal d'entrée :
  • La largeur de bande passante (appeléebande passante, band width, BW ) est extrêmement faible :
  • f0  10 Hz.

|Ad|dB

Ad0

f0

Instrumentation 1

slide15
En utilisant l'amplificateur opérationnel contre-réactionné, on étend la bande passante :
  • le produit gain-bande passante (gain-bandwidth product ) est généralement constant :
  • Ad0  f0 = Av1  f1 = 1  fT

Boucleouverte

Ad0(dB)

Av1 (dB)

f0

f1

fT

Instrumentation 1

slide16

Attention, on dit "produit gain-bande", mais il s'agit en fait du produit de l'amplification par la bande passante

Instrumentation 1

slide17
3.2 Vitesse de variation maximale : slew-rate
  • Conséquence directe de la réponse en fréquence de l’ampli – op : l’ampli – op  « ne passe pas bien » les hautes fréquences.
  • La pente maximale du signal de sortie est appelée slew–rate : SR

Av Ve

vs(t)

Pente max

Ve

ve(t)

Instrumentation 1

slide18
Cas d’un amplificateur inverseur A = -10,
  • ve(t) = VEMAX sin ( 2  f t)
  • Pour ne pas déformer le signal, il faut vérifier :
  • |A| . VEMAX . f < SR / 2 (cf. TD)

Instrumentation 1

ch 2 amplificateur d instrumentation d isolation

L’amplificateur d’instrumentation permet, principalement, d’amplifier une tension utile de faible amplitude, variable, superposée à une tension continue plus élevée, « inutile ». C’est le cas par exemple de la tension de sortie d’un pont de Wheatstone alimenté entre 0 V et une tension positive.

L’amplificateur d’isolation permet en plus une isolation galvanique entre les signaux d’entrée et de sortie.

CH 2 :AMPLIFICATEUR D’INSTRUMENTATION& D’ISOLATION

Instrumentation 1

slide22

VA ≈ V0/2

  • VB≈ V0/2
  • Vutile = VA – VB
  • Vmode commun = (VA + VB)/2

V0

VA

VB

Instrumentation 1

amplificateur soustracteur
Amplificateur soustracteur

1.1 Amplifications (démo en TD)

  • Si R1 = R’1 et R2 = R’2 le montage soustracteur amplifie la différence des tensions présentes sur ses entrées :
  • Vs = R2/R1 . (v1-v2)
  • On parle alors d’amplification différentielle.

R2

R1

-

+

v2

R’1

vs

R’2

v1

  • Si les résistances ne sont pas strictement égales(R1 R’1 ou R2 R’2 ), l’amplification ne concerne pas uniquement (v1-v2), et on peut écrire :
  • Vs = Ad (v1-v2) + Ac (v1+ v2)/2 :
  • Ac est l’amplification de mode commun
  • -> Si Ac est non nul, la tension de mode commun est mal « rejetée » : mauvais TRMC

Instrumentation 1

slide24

R2

1.2 Impédances d’entrée

  • Le montage soustracteur présente sur chacune de ses entrées une résistance finie :
  • Rin 1 = V1/I1 = R1 + R2 (pour v2 = 0)
  • Rin 2 = V2/I2 =R1 (pour v1 = 0)

R1

-

+

I1

R1

v1

R2

R2

R1

I2

-

+

v2

R1

R2

Instrumentation 1

slide25
1.3 Limites
  • Si on souhaite obtenir une amplification élevée, il faut R2 grande et R1 petite, l’impédance d’entrée sur l’entrée inverseuse est « faible ».
  • Si les résistance ne sont pas bien ajustées (R1 = R’1 et R2 = R’2 ) , l’amplification de mode commun est non nulle, on n’amplifie pas uniquement la différence des tensions.

Instrumentation 1

slide26

R2

+

-

v2

R1

-

+

R’

R

vs

R’1

R’2

+

-

v1

R’

R

1.4 Solutions

  • On utilise l’impédance d’entrée « infinie » du montage non-inverseur: Rin = Rin AOP  
  • Les résistances du soustracteur sont ajustées par le constructeur.

Instrumentation 1

2 amplificateur d instrumentation

+

-

v2

-

+

2R’

R

vs

-

+

A = 1

v1

2. Amplificateur d’instrumentation

2.1 Structure

Instrumentation 1

slide28
La structure est très proche de celle proposée précédemment :
    • Deux étages d’entrée non-inverseurs permettent d’avoir une forte impédance d’entrée.
    • Les deux résistances « R’ » sont reliées pour éviter des connexions masse et réduire ainsi les sources possible de bruit.
    • Le premier étage possède une forte amplification
    • L’amplificateur de différence possède souvent des résistances égales (R1 = R2 = R’1 = R’2 ) très ajustées, pour réduire le mode commun.

Instrumentation 1

slide29
2.2 Amplification (démo en TD)
  • Ad = R2/R1 . ( 1 + 2R/ « 2R’ ») =
  • Exemple INA 114

Instrumentation 1

slide30
2.3 Caractéristiques
  • L’amplificateur d’instrumentation est donc une structure différentielle qui comme le soustracteur possède
    • une amplification différentielle
    • une très faible résistance de sortie
  • De plus,
    • l’impédance sur chaque entrée est élevée
    • l’offset est souvent très faible
    • Le taux de rejet de mode commun est élevé et permet en sortie un faible résidu de la tension parasite de mode commun
    • L’amplification est fixée par une seule résistance externe.

Instrumentation 1

slide31

v1

v2

RG

Instrumentation 1

slide32
2.4 Limites
  • Si la tension de mode commun du signal est supérieure à la tension d’alimentation de l’amplificateur d’instrumentation, ce dernier ne peut être utilisé.
  • Si des signaux de puissance partagent les même lignes de masse que le signal utile, celui-ci risque d’être perturbé. Il faut alors séparer les signaux utiles et les signaux de puissance, ainsi que les masses de ces signaux.
  • L’amplificateur d’isolement permet de résoudre ces problèmes.

Instrumentation 1

3 amplificateur d isolation
3. Amplificateur d’isolation

3.1 Fonctions

  • Un amplificateur d’isolement est un amplificateur d’instrumentation pour lequel les signaux d’entrée et de sortie sont isolés galvaniquement.
  • Il n’y a a pas de chemin direct pour le passage d’un courant entre l’entrée et la sortie. Les circuits d’entrée et de sortie sont isolés électriquement : les références de tensions (masses) en entrée et en sortie peuvent être à des potentiels différents.
  • Conséquences : les surtensions accidentelles provenant des équipements ou des défauts d’isolation, de masse au niveau de l’entrée ne sont pas transmis au système à mesurer… ce qui est primordial dans le cas de mesures sur un animal ou un homme ( ex : électrocardiogramme)

Instrumentation 1

slide34

Isolation électrique

Ve

Appareil de mesure

Alim étage sortie

Alimétage entrée

Instrumentation 1

slide35
3.3 Réalisation
  • Le signal utile est transmis par couplage
    • capacitif
    • optique
    • magnétique (transformateur) ou galvanique

Dans ce dernier cas, l’alimentation du circuit d’entrée peut également être transmise au circuit de sortie par transformateur.

Le procédé d’isolation est « transparent » à l’utilisateur.

Instrumentation 1

iso 100 isolation optique
ISO 100 isolation optique

Instrumentation 1

ch 3 amplificateur operationnel en boucle ouverte

L'amplificateur n'est pas contre-réactionné, il fonctionne en régime non-linéaire de saturation (ou commutation) :

si  > 0 Vs = Vsat,

si  <0 Vs = - Vsat

CH 3 : AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL EN BOUCLE OUVERTE

Instrumentation 1

comparateur

+

-

Ve

Ve

Vs

Comparateur

1.1 Comparateur à zéro

  • si  > 0 Vs = Vsat, si  <0 Vs = - Vsat
  •  = e+ - e- = ve– 0 = ve

Instrumentation 1

slide41
Cas d’un signal bruité
  • Des commutations multiples du signal de sortie sont possibles quand la tension d’entrée est proche de 0 V (cf TD):

Instrumentation 1

slide42

Ve

Vs

1.2 Comparateur à une référence

  • = e+ - e- = ve– Vref
  • si ve > Vref vs = Vsat,
  • si ve < Vref vs = - Vsat

+

-

Ve

Vs

Vref

Instrumentation 1

2 trigger de schmitt

-

+

ve

R1

R2

vs

2. Trigger de Schmitt

2.1 Trigger de Schmitt inverseurappelé aussi comparateur à hystérésis, ou bascule à seuil

  • Principe
    • La sortie peut prendre deux états : + Vsat et – Vsat.
    • L’entrée inverseuse peut donc prendre deux valeurs : Vsat R1/(R1 + R2) ou - Vsat R1/(R1 + R2)
    • Ce sont ces deux valeurs de la tension d’entrée qui peuvent annuler , donc provoquer le basculement de la sortie.
  • Mise en équation
  •  = e+ - e- = Vs . R1/(R1 + R2) – Ve
    • Si Vs = + Vsat,  > 0 tant que Ve < Vsat R1/(R1 + R2) (Seuil positif)
    • Si Vs = - Vsat,  < 0 tant que Ve > - Vsat R1/(R1 + R2) (Seuil négatif)

Instrumentation 1

slide44

Vs

+Vsat

Seuil positif

Seuil négatif

Ve

-Vsat

Instrumentation 1

slide45

R1

R2

+

-

ve

vs

Vs

Vsat

ve

- R1/R2. Vsat

R1/R2. Vsat

- Vsat

2.2 Trigger de Schmitt non-inverseur

  •  = (VsR1 + VeR2)/(R1 + R2)
  • Vs =  Vsat
  • Seuils de basculement : (  = 0) =  Vsat. R1/R2

Instrumentation 1

slide46
2.3 Intérêt (cf TD)
  • Ces montages permettent d’éviter les commutations multiples autour de 0 en créant deux seuils de commutation -> meilleure insensibilité aux bruits.

Instrumentation 1

3 limitations de l ampli op rationnel
3. Limitations de l’ampli opérationnel

3.1 Le slew-rate…

  • En régime de commutation, Vs = + Vsat ou Vs = - Vsat :
  • la sortie commute de –Vsat à + Vsat :
  • La pente du signal de sortie est limitée par le slew-rate de l’ampli-op.

+Vsat

Pente max

-Vsat

Instrumentation 1

slide48
Pour travailler en commutation, on utilise des circuits spéciaux qui possèdent une bande passante plus large, donc un meilleur slew-rate que les ampli-op traditionnels.
  • Ils sont par contre moins stables et ne doivent pas être utilisés en boucle fermée.

3.2 Circuits utilisés

  • En boucle fermée : ampli-op type TL 081
  • En commutation : comparateur type LM 311

Instrumentation 1

4 comparateur type lm 311
4. Comparateur type LM 311

4.1 Avantages du comparateur

  • Gamme d’alimentation variée, symétrique ou non : exemples
    • - 12 V ; + 12 V comme les AOP
    • 0 ; 5 V comme les circuits logiques TTL
  • Sortie de type « collecteur ouvert », permet de choisir les 2 niveaux de la sortie : exemples
    • 0 V et 5 V
    • Alimentation positive et 0 V

Instrumentation 1

slide50

12 V

R = 1 k

Vs

- 12 V

0 V

4.2 Collecteur ouvert…

  • Utilisation de la sortie collecteur ouvert en symétrique
  • États de sortie :
  • Transistor bloqué :
  • Vs = + 12 V
  • Transistor saturé :
  • Vs = - 12 V

Instrumentation 1

slide51
Utilisation de la sortie collecteur ouvert en « TTL »
  • États de sortie :
  • Transistor bloqué :
  • Vs = + 5 V
  • Transistor saturé :
  • Vs = 0 V

5 V

R = 1 k

Vs

0 V

Instrumentation 1

slide52
Tensions de sortie et courant maximum de sortie sont fixés par l’alimentation extérieure : fortes valeurs possibles.
    • Exemple : 50 V – 50 mA pour piloter lampes ou relais.

4.3 Utilisations

  • Ce type de circuit permet de réaliser les fonctions de comparaison à une référence et de comparaison avec hystérésis.
  • On peut également réaliser des oscillateur (multivibrateur astable) à l’aide de tels comparateurs.

Instrumentation 1

5 circuits logiques trigger de schmitt
5. Circuits logiques à trigger de Schmitt

5.1 Rappel :

  • En logique, les niveaux haut (1) et bas (0) sont définis par une gamme de tension, par exemple, en entrée TTL :
  • 0 : [ 0 V ; 0,8 V ]
  • 1 : [ 2 V ; 5 V ]
  • Exemple : inverseur

E = 0,5 V -> S : niveau haut

E = 1 V -> S : niveau ???

Instrumentation 1

slide54
5.2 Circuit logiques à hystérésis
  • Permet de lever l’indétermination : la sortie est définie pour tout niveau d’entrée, par une caractéristique à hystérésis.
  • Exemple de l’inverseur :

E = 0,5 V -> S : niveau haut

E = 1 V

croissant : S = niveau haut

décroissant : S = niveau bas

VT- = 0,9 V VT+ = 1,5 V

Instrumentation 1

slide55
5.3 Autres circuits logiques à hystérésis
  • Ces circuits sont appelés « circuits à trigger de Schmitt »

Instrumentation 1

slide56
Un convertisseur analogique numérique est utilisé sur une carte multifonctions pour générer une sortie analogique.

CH 4 : CONVERTISSEUR NUMERIQUE ANALOGIQUE (CNA = DAC)

µP

CNA

Sortie CNA

Après filtrage

Instrumentation 1

principes g n raux
Principes généraux

1.1 Rappel de MPh1

Circuit permettant de convertir un nombre codé Ne en tension analogique Vs.

Pour un convertisseur de résolution « n », de pleine échelle PE,

Vs = q. Ne,

avec q = PE/2n.

Circuit présent sur de nombreuses cartes d’acquisition multifonctions

Instrumentation 1

slide58

Carte d’acquisition multifonctions

I/O connecteur

CAN

Tension analogique

Tension lue 0 ou 5 V

Tension délivrée 0 ou 5 V

ComptageSignaux d’horloge

Tension analogique

Bus du PC

PORT I/O

TIMER

CNA

Vs

Ne

Instrumentation 1

slide59
1.2 Aspect électronique
  • MPh1 : utilisation d’un CNA pour générer une tension analogique (Analog Output…)
  • MPh2 : compréhension du principe de fonctionnement
  • La plus part des CNA sont de type « parallèle » :
    • Tous les bits du nombre Ne sont traités simultanément par le circuit pour produire – au bout d’un certain temps – la tension analogique de sortie.
    • Ce temps est appelé le temps d’établissement du CNA.

Instrumentation 1

2 cna parall le
2. CNA parallèle

2.1 CNA à résistances pondérées

  • Exemple d’un CNA de résolution n = 4 : Ne = b3b2b1b0

b3

2R

R

b2

I

4R

-

+

b1

8R

b0

Vs

16R

- Eref

Instrumentation 1

slide61
b3 = 1 -> I3 = -Eref/2R b3 = 0, I3 = 0
  • Chaque bit de Ne positionné à 1 commute un courant proportionnel à son poids :
  • Si Ne est codé en binaire naturel, on obtient bien
  • Vs = q. Ne, avec q = Eref/16 = PE/24.

Instrumentation 1

slide62

1

  • Exemple
  • I = ( -16/2R) + ( -16/4R) + ( -16/16R) = - (8/R + 4/R +1/R)
  • Vs = -RI = 8 + 4 + 1 = 13 V

2R

R

1

I

4R

-

+

0

8R

1

Vs

16R

- 16 V

Instrumentation 1

slide63
Nécessite une large gamme de résistances, précises et stables
  • -> réalisation difficile dans un circuit intégré
  • -> intérêt pédagogique (cf TP)

Instrumentation 1

slide64
2.2 CNA à réseau R – 2R
  • Exemple d’un CNA de résolution n = 4 : Ne = b3b2b1b0
  • Chaque bit de Ne commute une courant vers la masse ou l’entrée inverseuse de l’AOP :

I3

I2

I0

I1

R

2R

R

R

2R

2R

2R

2R

- Eref

R

I3

I2

I1

I0

b0

b3

b2

b1

I

-

+

Vs

Instrumentation 1

slide65
On montre que
  • Si Ne est codé en binaire naturel, on obtient bien
  • Vs = q. Ne, avec q = Eref/16 = PE/24.

Instrumentation 1

slide66
Seules deux valeurs de résistances sont utilisées : R et 2R.
  • Structure très fréquente sur les CNA 12 ou 16 bits des cartes d’acquisition multifonctions.

Instrumentation 1

3 utilisations
3. UTILISATIONS
  • Dans la pratique, les CNA sont souvent bipolaires : mêmes principes.
  • Utilisation
    • En synthèse de signaux : un filtre est souvent nécessaire pour supprimer les « marches d’escalier » inhérentes à la conversion.Dans le domaine audio : le filtre conditionne la qualité du son.En automatisme, l’élaboration d’une commande permet le contrôle de processus.
    • En amplificateur programmable : Eref devient ve(t)
    • Pour concevoir les CAN

Instrumentation 1

ch 5 convertisseur analogique numerique can adc

Un convertisseur numérique analogique est utilisé sur une carte multifonctions pour acquérir un signal analogique.Il est souvent précédé d’un multiplexeur permettant alors l’acquisition de plusieurs signaux analogiques.

CAN

µP

Stockage, traitement…

CH 5 : CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMERIQUE (CAN = ADC)

Instrumentation 1

principes g n raux1
Principes généraux

1.1 Rappels de MPh1

  • Circuit permettant de convertir une tension analogique Ve en un nombre codé Ns.
  • Nécessité
    • d’échantillonner le signal (discrétisation en temps)
    • de quantifier le signal (discrétisation en valeur)

Instrumentation 1

slide70

échantillonnage

V(t)

V(nTe)

blocage

instants d’échantillonnages : 0, Te, 2Te, 3Te…

011

V(nTe)

101

quantification : 100

110

101

100

011

010

001

000

101

101

101

100

001

000

Instrumentation 1

slide71
Pour un convertisseur de pleine échelle PE de résolution n, le pas de quantification ou quantum ou LSB vaut : PE/2n.
  • La caractéristique est centrée sur la droite d’équation
  • Ns = Ve / q,
  • avec un écart maximal de q/2 par rapport à cette caractéristique :
  • -q/2 <  < q/2

Instrumentation 1

slide72

Ns

7 : 111

6 : 110

5 : 101

4 : 100

3 : 011

2 : 010

1 : 001

0 : 000

Ve

PE

q = LSB

Instrumentation 1

slide73
1.2 Aspects électroniques
  • MPh1 : utilisation d’un CAN
  • MPh2 : compréhension du principe de fonctionnement
  • 3 principes présentés :
    • Convertisseur parallèle (flash) : rapide, résolution limitée (8), utilisé dans les oscilloscopes numériques.
    • Convertisseur à approximations successives : bon compromis précision – rapidité : très fréquent en acquisition de données
    • Convertisseur à comptage d’impulsions ou rampe : lent mais avec une très bonne immunité aux bruits, utilisé pour les mesures sur signaux stabilisés, dans les multimètres…

Instrumentation 1

2 can parall le ou flash

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

Eref

3R/2

R

R

R

b2

b1

b0

logique

R

R

R

R/2

Ve

2 . CAN parallèle ou flash

2.1 Principe

  • La tension Ve à mesurer est comparée simultanément à 2n-1 tensions de référence.
  • Le résultat des comparaisons est traduit par un décodeur logique en nombre codé
  • Ns = b2b1b0
  • Un CAN flash 2 bits sera étudié en TD.

Instrumentation 1

slide75
2.2 avantages – inconvénients
  • Très rapide : limité uniquement par les temps de réponse des comparateurs et de la logique.
  • Limité en résolution, il faut 2n-1 comparateurs : 255 pour un CAN 8 bits.
  • Dans la pratique, 6 ou 8 bits : insuffisant pour l’instrumentation.

Instrumentation 1

3 can pes es successives

100

O

N

Ve > PE/2

?

110

010

3. CAN à pesées successives

3.1 Principe

  • Même principe que la pesée sur un balance à deux plateaux :
    • Ve est comparée à PE/2 (b2b1b0=100) Si Ve > PE/2, on conserve b2=1 Si Ve < PE/2, b2=0
    • Ve est comparée à

Vn = ¾ PE (b2b1b0=110) ou

Vn = ¼ PE (b2b1b0=010)

Instrumentation 1

slide77

100

O

N

Ve > Vn

?

Ve > Vn

?

Ve > Vn

?

Ve > Vn

?

Ve > Vn

?

Ve > Vn

?

Ve > Vn

?

110

010

O

O

N

N

011

111

001

101

O

O

N

N

O

O

N

N

111

011

010

110

000

100

101

001

Selon le résultat, on positionne b1….etc…

Instrumentation 1

slide78

Ve

+

-

Logique de commande

Eref

CNA

Vn

Registre à approximations successives

Ns

3.2 Circuit

  • Le registre à approximations successives génère le nombre 100 au départ.
  • Le CNA élabore la tension de comparaison Vn à partir de ce nombre.
  • Le résultat de la comparaison permet de sélectionner le nombre suivant 110 ou 010 lors du premier passage…

Instrumentation 1

slide79

Ve < PE/2 + PE/4

Ve > PE/2

Ve > PE/2 + PE/8

Ve<PE/2+PE/8+PE/16

Instrumentation 1

slide80
3.3 Avantages – inconvénients
  • Précis, lié à la résolution du CNA.
  • Chaque conversion prend le même temps, d’autant plus long que la résolution est importante, conséquences :
    • Il faut maintenir la tension d’entrée pendant le temps de conversion : un échantillonneur bloqueur est souvent inclus dans ce type de CAN
    • Ns est disponible uniquement à la fin de la conversion.
  • Rapide : limité par le temps d’établissement du CNA (+ logique et comparateur), mais moins que le flash.
  • Il existe une version « série », où les bits sont délivrés successivement sur une ligne de sortie unique, au fur et à mesure de leur calcul.

Instrumentation 1

4 convertisseur rampe
4. Convertisseur à rampe

4.1 Principe

  • La tension analogique Ve est convertie en un temps Te. Ce temps est mesuré par un compteur, en comptant le nombre de périodes d’horloge du compteur contenu dans cet intervalle de temps.
  • Charge d’un condensateur à courant constant Io et lancement du compteur.
  • Arrêt du compteur quand Vc(t) = Ve.

Instrumentation 1

slide82
Vc(t) = Ve pour t = Te = Ve.C/Io.
  • Pendant Te, le compteur a compté Ns impulsions d’horloge, telles que Te = Ns.TH.
  • Ns = Te/TH = (Ve.C/Io) / TH = k. Ve.

Io

-

+

Ve

Instrumentation 1

slide83

Pente

Io/C

Ve

Te = NS TH

Instrumentation 1

slide84
4.2 Convertisseurs à plusieurs rampes
  • Le CAN simple rampe est trop sensible aux valeurs de C, Io, TH.
  • Sur le même principe, on réalise des convertisseurs à 2 rampes :

Ve

Vr

Intégrateur

+

-

-Vr

Logique de commande

Horloge

Compteur

Instrumentation 1

slide85
Un compteur est déclenché et Ve est intégrée pendant un cycle de comptage. L’intégrateur produit une rampe Vr = k.Ve.t qui atteint sa valeur max en fin de comptage : k Ve 2n. TH
  • Puis le compteur est relancé et une tension de référence –Vref est connectée à l’intégrateur.Il produit une tension en – k Vref t.
  • Dès que cette tension s’annule, le comptage est stoppé : le compteur a compté pendant NTH

Instrumentation 1

slide86

Pente kVe

Pente - kVref

2nTH

NTH

Instrumentation 1

slide88
4.3 Avantages – inconvénients
  • La tension Ve est intégrée grâce à un condensateur, pendant une durée 2nTH.
  • Toute tension parasite superposée à Ve sera également intégrée.
  • Si le temps 2nTH est un multiple de 20 ms (l’inverse de 50 Hz), les tensions parasites de fréquence 50 Hz seront éliminées, puisque d’intégrale nulle sur une période.
  • C’est le principal avantage de ce type de CAN, utilisé dans les multimètres de poche.

Instrumentation 1

slide89
Faire un dessin…

Instrumentation 1

5 convertisseur sigma delta quelques notions

f()

-q/2

q/2

5. Convertisseur sigma-delta (quelques notions…)

5.1 Le bruit dans les convertisseurs

  • La quantification introduit une erreur :
    • pour Ve tension en entrée du convertisseur, on obtient
    • Ns nombre codé de sortie, ce qui permet de calculer
    • Vcalc = Ns * q, qui approche Ve à  q/2 près.
  • L’erreur de quantification 
    • est comprise entre –q/2 et +q/2, avec une répartition uniforme
    • correspond à un bruit de valeur efficace de q/√12
  • Ce bruit est réparti sur la bande de fréquence [0 ; Fe/2]

Instrumentation 1

slide91

Spectres

Spectres

signal

signal

bruit

bruit

f

Fe/2

Fe/2

k.Fe/2

  • L’idée est de répartir le bruit de quantification sur une bande plus grande, pour diminuer son importance quand on revient par filtrage à la bande utile : ceci est obtenu par sur-échantillonnage à k.Fe
  • Le filtre anti-repliement (FAR) analogique est alors plus facile à réaliser.
  • Le filtrage à Fe/2 est numérique.

f

Spectres

Spectres

FAR

FAR

f

Fe/2

Fe/2

k.Fe/2

Instrumentation 1

slide92
5.2 Principe des CAN - ( d’après Tillier / Gargèse / mars 2005)

Ce sont les variations du signal Ve qui sont échantillonnées à k.Fe (Fe étant la fréquence « normale » d’échantillonnage de Ve), et converties sur 1 bit par le comparateur.

Un filtre numérique et un décimateur permettent de revenir à un débit d’information à la fréquence Fe, sur k bits, tout en supprimant le bruit haute-fréquence.

Principe d’une réalisation :

D

S

comparateur

kFe

intégrateur

A

+

B

C

+

Ns

Ve

Filtre numérique

et Décimateur

-

-

CAN 1 bit

CNA

1 bit

D

Fe

+Vref si c=1

–Vref si c=0

Instrumentation 1

slide93
Exemples de fonctionnement

Ve=0

A

D

S

comparateur

kFe

intégrateur

B

A

+

B

C

+

Ns

Ve

Filtre numérique

et Décimateur

-

C

-

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

CAN 1 bit

CNA

1 bit

D

Fe

+Vref si c=1

–Vref si c=0

Instrumentation 1

slide94
Signal PDM Modulation de densité d’impulsion

D

S

comparateur

kFe

intégrateur

A

+

B

C

+

Ns

Ve

Filtre numérique

et Décimateur

-

-

CAN 1 bit

CNA

1 bit

Ve=Vref/2

D

A

Fe

+Vref si c=1

–Vref si c=0

B

C

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

Instrumentation 1

slide95
5.3 Utilisation
  • Bon rapport signal / bruit ->précis
  • Faible coût
  • Le sur-échantillonnage l’empêche de travailler avec de signaux de fréquence élevée.
  • Bien adapté aux signaux audio.

Extrait du guide : «Amplifier and Data Converter Selection Guide ». Texas Instruments

Instrumentation 1

comparatif r solution f ch
Comparatif : Résolution / Féch

-

Instrumentation 1