Conditionnement du signal du capteur : de la mesure brute à la lecture précise
Comment concevoir l'amplificateur, le filtre et l'interface ADC entre un capteur et un microcontrôleur. Couvre les RTD, les thermocouples, les cellules de charge, les shunts de courant et les boucles 4-20 mA.
Qu'est-ce que le conditionnement du signal ?
Les capteurs produisent des signaux faibles, bruyants ou non linéaires incompatibles avec les entrées ADC du microcontrôleur. Le conditionnement du signal est l'interface analogique qui transforme ces signaux en tensions propres et mises à l'échelle, prêtes à être numérisées.
La chaîne du signal : Capteur → Excitation → Amplification → Filtrage → ADC
Chaque étape introduit une erreur. Utilisez le [Calculateur du budget de précision du capteur] (/calculators/sensor/sensor-accuracy-budget) pour suivre la précision totale du système tout au long de la chaîne.
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Conditionnement du signal RTD (PT100/PT1000)
Un détecteur de température à résistance (RTD) modifie la résistance en fonction de la température. Le PT100 suit l'équation de Callendar-Van Dusen :
« MATHBLOCK_0 »
où « MATHINLINE_10 » /°C, « MATHINLINE_11 » /°C².
Utilisez le [Calculateur de résistance PT100] (/calculators/sensor/pt100-resistance) pour trouver R à n'importe quelle température.
Circuit de mesure
L'approche classique consiste à utiliser une source de courant constant via le RTD, mesurant la tension :
« MATHBLOCK_1 »
La connexion à 3 fils élimine les erreurs de résistance du fil en mesurant la chute de tension aux bornes du RTD séparément de la résistance du câble porteur de courant. La connexion à 4 fils (Kelvin) élimine toute résistance du fil, atteignant une précision de 0,01 °C avec une source de courant de précision.Principales considérations
- Auto-échauffement : trop de courant d'excitation chauffe le RTD. Gardez « MATHINLINE_12 » mW.
- Utilisez un amplificateur d'instrumentation à faible bruit (INA128, AD8221)
- Le PT1000 est préféré pour les modèles alimentés par batterie (résistance plus élevée = courant d'excitation plus faible)
Conditionnement du signal par thermocouple
Les thermocouples génèrent une très faible CEM (microvolts en millivolts) proportionnelle à la différence de température entre la jonction chaude et la jonction froide :
« MATHBLOCK_2 »
où « MATHINLINE_13 » est le coefficient de Seebeck (Type K : ~41 μV/°C).
Utilisez le [Calculateur de tension du thermocouple] (/calculators/sensor/thermocouple-voltage) pour déterminer la force électromagnétique attendue.
Compensation de jonction froide
La jonction froide est l'endroit où le fil du thermocouple se connecte à votre PCB. Sa température doit être mesurée (généralement à l'aide d'un NTC ou d'un RTD sur le PCB) et ajoutée à la lecture.
Les circuits intégrés tels que le MAX31855 (Type K) ou le LTC2986 gèrent l'amplification, la compensation de jonction froide et la linéarisation en interne. Utilisez-les sauf si vous avez une raison de ne pas le faire. Design discret nécessite : 1. Gain d'environ 10 mV/°C grâce à un amplificateur d'instrumentation de précision 2. Un capteur de température séparé pour la compensation de la soudure froide 3. Une table de recherche de linéarisation ou un polynôme dans le microprogramme---
Conditionnement du signal des cellules de charge et des jauges de contrainte
Un capteur de charge est un pont de jauges de contrainte de Wheatstone. La sortie à pleine échelle est généralement de 1 à 3 mV/V d'excitation :
« MATHBLOCK_3 »
Avec une excitation de 5 V et une sensibilité de 2 mV/V, pleine échelle = 10 mV : minuscule et plongée dans le bruit.
Utilisez le [Calculateur d'amplificateur de cellule de charge] (/calculators/sensor/load-cell-amplifier) pour trouver le gain requis.
Sélection de l'amplificateur
INA125P/INA128 sont des choix classiques. L'INA125 inclut une référence de tension de précision pour l'excitation :- Réglez le gain avec une résistance externe : « MATHINLINE_14 »
- Bruit RTI : ~8 nV/√ Hz typique, suffisant pour un ADC 24 bits
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Détection de courant avec résistances shunt
Le courant est mesuré par la chute de tension aux bornes d'une résistance shunt de faible valeur :
« MATHBLOCK_4 »
Un shunt de 10 mΩ à 10 A donne 100 mV, un signal raisonnable pour un amplificateur de différence.
Utilisez le [Calculateur de shunt de courant] (/calculators/sensor/current-shunt) pour vérifier la tension de shunt, la dissipation de puissance et la résolution de l'ADC.
Détection du côté haut par rapport au côté bas
Côté bas (shunt entre la charge et le GND) : Le plus simple. L'amplificateur asymétrique fonctionne. Problème : la charge n'est pas au sol réel. Côté haut (shunt entre l'alimentation et la charge) : La charge reste au sol réel, pas de décalage de la charge vers le sol. Nécessite un amplificateur de différence ou un circuit intégré de détection de courant bidirectionnel (INA219, INA240).Sélection de la résistance au shunt
« MATHBLOCK_5 »
Cible « MATHINLINE_15 » = 50 à 100 mV à pleine échelle. Trop petit → faible SNR. Trop grande → dissipation de puissance excessive (« MATHINLINE_16 »).
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Conditionnement du signal par photodiodes et capteurs optiques
Les photodiodes produisent un courant proportionnel à la lumière incidente. Un amplificateur de transimpédance (TIA) le convertit en tension :
« MATHBLOCK_6 »
Un photocourant de 10 μA avec « MATHINLINE_17 » = 100 kΩ donne une sortie de 1 V.
Utilisez le [Calculateur TIA pour photodiodes] (/calculators/sensor/photodiode-transimpedance) pour trouver la bande passante et le bruit.
Stabilité
Le TIA peut osciller sans condensateur de rétroaction. Ajoutez « MATHINLINE_18 » dans « MATHINLINE_19 » pour stabiliser :
« MATHBLOCK_7 »
Généralement, « MATHINLINE_20 » = 1 à 10 pF assure la stabilité tout en maintenant une bande passante adéquate.
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Boucle de courant 4—20 mA
Les capteurs industriels utilisent une boucle de courant de 4 à 20 mA sur de longs câbles (jusqu'à 1 km). L'encodage actuel est insensible à la résistance des câbles :
- 4 mA = 0 % de la plage (fournit également de l'énergie à l'émetteur)
- 20 mA = 100 % de la plage
Réception du signal
Au niveau du récepteur, une résistance de précision de 250 Ω convertit 4 à 20 mA en 1 à 5 V (pour un ADC de 0 à 5 V) :
« MATHBLOCK_8 »
Cette plage de 1 à 5 V indique facilement les ruptures de câble (0 V) et les défauts du capteur (<1 V).
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Élaboration d'un budget de précision
Chaque composant de la chaîne de signal est à l'origine de l'erreur :
| Source | Erreur typique |
|---|---|
| Non-linéarité du capteur | 0,1 à 0,5 % FS |
| Décalage de l'amplificateur | 0,02 à 0,2 % FS |
| Quantification ADC | LSB/2 |
| Dérive de température | 50—500 ppm/°C |
| Tension de référence | 0,05 à 0,5 % |
« MATHBLOCK_9 »
Utilisez le [Calculateur du budget de précision du capteur] (/calculators/sensor/sensor-accuracy-budget) pour modéliser la précision de votre système en fonction de la température.
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Résumé
| Type de capteur | Sortie typique | Circuit intégré recommandé |
|---|---|---|
| PT100 RTD | 100—400 Ω | INA128 + source de courant constant |
| Thermocouple | 1 à 50 mV | MAX31855 |
| Cellule de pesée | 1 à 10 mV | HX711 ou INA125 |
| Photodiode | 1 nA—100 μA | TIA avec OPA2134 |
| Shunt de courant | 10—100 mV | INA219 ou INA240 |
| Boucle de 4 à 20 mA | 1 à 5 V (via 250 Ω) | ADC direct |