Conditionnement du signal du capteur : brut à précis

Qu'est-ce que le conditionnement du signal ?

Procurez-vous la fiche technique d'un capteur et vous verrez des sorties telles que 0,5 mV par degré, ou 2 mV/V depuis un pont, ou peut-être quelques microampères provenant d'une photodiode. Aucun de ces signaux ne peut communiquer directement avec l'ADC de votre microcontrôleur. Ils sont trop petits, trop bruyants ou placés sur le mauvais rail de tension. C'est là qu'intervient le conditionnement du signal : c'est l'interface analogique qui prend tout signal étrange émis par votre capteur et le transforme en un signal propre et redimensionné que votre ADC peut réellement utiliser.

La chaîne de signal typique ressemble à ceci : Capteur → Excitation → Amplification → Filtrage → ADC

Voici la chose à laquelle la plupart des gens ne pensent pas avant qu'il ne soit trop tard : chaque étape de cette chaîne ajoute une erreur. Votre capteur a peut-être une précision de 0,1 %, mais une fois que vous l'aurez amplifié, filtré et numérisé, vous pourriez facilement vous retrouver avec une erreur système totale de 1 % si vous ne faites pas attention. Le Calculateur de budget de précision du capteur vous aide à suivre l'évolution de toutes ces erreurs afin de savoir ce que vous obtenez réellement à la fin de la journée.

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Conditionnement du signal RTD (PT100/PT1000)

Les détecteurs de température à résistance (RTD) sont essentiellement des résistances de précision dont la valeur change en fonction de la température. Le PT100 est le choix classique : 100 Ω à 0°C, et il suit de très près l'équation de Callendar-Van Dusen :

où $A = 3.9083 \times 10^{-3}$ /°C et $B = -5.775 \times 10^{-7}$ /°C². Si vous avez besoin de savoir à quelle résistance vous attendre à une température donnée, le Calculateur de résistance PT100 vous donnera la réponse instantanément au lieu de faire le calcul à la main.

Circuit de mesure

L'approche standard consiste à faire passer un courant constant connu à travers le RTD et à mesurer la tension à ses bornes :

Cela semble simple, non ? Le problème est que les vrais fils ont également une résistance. Si vous utilisez une connexion à 2 fils, la résistance du fil s'ajoute directement à votre mesure et vous n'avez aucun moyen de la séparer de la résistance RTD réelle. C'est pourquoi personne n'utilise de connexions bifilaires pour tout ce qui nécessite une précision décente.

Une connexion à 3 fils est le minimum pratique pour la plupart des applications. Il utilise une astuce intelligente qui vous permet de mesurer la chute de tension aux bornes du RTD séparément des fils porteurs de courant, ce qui annule la majeure partie de l'erreur de résistance du câble. Vous aurez toujours des erreurs dues à des résistances de plomb non adaptées, mais c'est généralement suffisant pour les travaux industriels. La connexion à 4 fils (Kelvin) est ce que vous utilisez lorsque vous vous souciez réellement de la précision. Le courant circule dans une paire de fils et vous mesurez la tension avec une paire complètement séparée qui consomme pratiquement aucun courant. L'absence de courant signifie qu'il n'y a pas de chute de tension dans les fils de détection, ce qui signifie que vous mesurez directement la résistance RTD. Avec une bonne source de courant constant et un amplificateur d'instrumentation décent, vous pouvez atteindre une précision de 0,01 °C sans transpirer.

Principales considérations

L'auto-échauffement est le tueur silencieux de la précision de la RTD. Faites passer trop de courant dans cette petite résistance et elle s'échauffe d'elle-même, ce qui modifie sa résistance, ce qui annule votre mesure. La règle générale est de maintenir la dissipation de puissance en dessous de 1 mW : $I^2 R < 1$ mW. Pour un PT100, cela signifie rester sous environ 1 mA de courant d'excitation.

Vous aurez besoin d'un amplificateur d'instrumentation à faible bruit pour le frontal. L'INA128 et l'AD8221 sont des choix solides qui existent depuis toujours. Ils ne sont pas intéressants, mais ils fonctionnent.

Une dernière chose : les capteurs PT1000 (1000 Ω à 0°C au lieu de 100 Ω) 2) sont de plus en plus populaires pour les modèles alimentés par batterie. Une résistance plus élevée signifie que vous pouvez utiliser proportionnellement moins de courant d'excitation pour la même variation de tension, ce qui permet d'économiser de l'énergie. Le compromis est un peu plus élevé, mais pour la plupart des applications, cela en vaut la peine.

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Conditionnement du signal par thermocouple

Les thermocouples sont étranges. Ils génèrent une tension infime — nous parlons de microvolts à quelques millivolts — en fonction de la différence de température entre deux jonctions de métaux différents. La relation de base est la suivante :

où $S$ est le coefficient de Seebeck. Pour un thermocouple de type K, cela représente environ 41 μV/°C. Vous mesurez 500 °C ? Vous avez affaire à peut-être 20 mV de signal enfoui dans le bruit et les interférences. Le Calculateur de tension du thermocouple vous indiquera la tension à laquelle vous devez vous attendre pour une température et un type de thermocouple donnés.

Compensation de jonction froide

Voici le problème des thermocouples : ils mesurent la différence de température, pas la température absolue. La « jonction froide » est l'endroit où les fils de votre thermocouple se connectent aux traces de cuivre de votre PCB. Cette jonction a également une température, ce qui affecte votre lecture. Si vous voulez connaître la température réelle à l'extrémité chaude, vous devez mesurer la température de jonction froide séparément et l'ajouter à la lecture de votre thermocouple.

Les circuits intégrés tels que le MAX31855 (pour le type K) ou le LTC2986 (gère plusieurs types de thermocouples) font tout cela pour vous. Ils intègrent l'amplification, la compensation de jonction froide et même les tables de recherche de linéarisation. À moins que vous n'ayez une très bonne raison de le faire vous-même, ce qui n'est probablement pas le cas, utilisez simplement l'une de ces puces et évitez-vous des maux de tête. Un design discret est possible si vous vous sentez masochiste ou si vous avez des exigences inhabituelles. Vous aurez besoin d'un amplificateur d'instrumentation de précision avec un gain d'environ 10 mV/°C, d'un capteur de température distinct (généralement une thermistance NTC ou un petit RTD) situé juste à la jonction froide et d'une table de référence de linéarisation ou d'un polynôme dans votre microprogramme. C'est plus de travail, plus d'espace au sein du conseil d'administration et plus de choses qui peuvent mal tourner. Mais parfois, vous avez besoin de flexibilité.

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Conditionnement du signal des cellules de charge et des jauges de contrainte

Les cellules de charge sont des ponts de Wheatstone fabriqués à partir de jauges de contrainte. Lorsque vous appliquez une force, la résistance des jauges change légèrement et le pont produit une tension différentielle. Le hic ? La sortie à pleine échelle n'est généralement que de 1 à 3 mV par volt d'excitation :

Ainsi, avec une excitation de 5 V et une sensibilité de 2 mV/V, votre signal complet est de 10 mV. C'est minuscule. Et il repose sur une tension de mode commun qui peut aller de 0 V à 5 V selon la charge. C'est pourquoi les amplificateurs à cellules de charge existent. Le Calculateur d'amplificateur de cellule de charge vous aide à déterminer le gain dont vous avez besoin pour amener ce signal à un niveau avec lequel votre ADC peut fonctionner.

Sélection de l'amplificateur

Les INA125P et INA128 sont les meilleurs outils pour ce genre de choses. L'INA125 est particulièrement intéressant car il inclut une référence de tension précise pour l'excitation du pont, vous n'avez donc pas besoin d'en ajouter une en externe. Vous réglez le gain à l'aide d'une seule résistance : $G = 4 + 60\,\text{k}\Omega / R_G$. Le bruit d'entrée est d'environ 8 nV/√Hz, ce qui est suffisant pour alimenter un ADC 24 bits sans que le bruit de fond ne noie vos LSB.

Le HX711 mérite une mention spéciale. Il s'agit d'un ADC 24 bits spécialement conçu pour les capteurs de pesée et les capteurs en pont, et il est utilisé dans pratiquement toutes les balances numériques bon marché que vous ayez jamais vues. Ce n'est pas le niveau de bruit le plus faible ou le plus performant, mais c'est stupide, facile à utiliser et coûte environ un dollar. Pour la plupart des applications de pesage, c'est le choix évident.

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Détection de courant avec résistances shunt

La détection du courant est conceptuellement simple : placez une résistance de faible valeur en série avec votre charge et mesurez la chute de tension à ses bornes :

Une résistance shunt 10 mΩ traversée par 10 A vous donne 100 mV. C'est un signal raisonnable pour qu'un amplificateur de différence fonctionne. Le Calculateur de shunt de courant vous aide à vérifier que la tension de votre shunt est suffisamment élevée pour une bonne résolution, mais pas au point de gaspiller beaucoup d'énergie.

Détection du côté haut par rapport au côté bas

La détection du côté bas place le shunt entre votre charge et le sol. Il s'agit de la configuration la plus simple car la tension de shunt est déjà référencée à la terre. Vous pouvez donc utiliser un simple amplificateur asymétrique. L'inconvénient, c'est que votre charge n'est plus à la vraie terre, elle se trouve à la tension qui tombe sur le shunt. Pour la plupart des charges, cela n'a pas d'importance, mais pour certains circuits (en particulier ceux dotés d'interfaces de communication), cela peut poser des problèmes. La détection du côté haut place le shunt entre votre alimentation et la charge, de sorte que la charge reste à la terre. Pas de changement de terrain, pas de problèmes étranges en mode commun. Le problème, c'est que votre tension de shunt se situe désormais au-dessus de votre rail d'alimentation, ce qui signifie que vous avez besoin d'un amplificateur de différence ou d'un circuit intégré de détection de courant dédié, comme l'INA219 ou l'INA240. Ces puces sont dotées d'une détection de courant intégrée sur le côté supérieur et incluent généralement l'ADC, ce qui les rend ridiculement faciles à utiliser.

Sélection de la résistance au shunt

La résistance de shunt provient de la réorganisation de la loi d'Ohm et de la prise en compte du gain de votre amplificateur :

Vous visez généralement une tension de shunt de 50 à 100 mV à pleine échelle de courant. Si vous descendez beaucoup plus bas, votre rapport signal/bruit en pâtira. Si vous montez beaucoup plus haut, vous dissipez trop d'énergie : $P = I^2 R$. À 10 A, même un shunt de 100 mΩ consomme 10 watts, ce qui représente beaucoup de chaleur à gérer.

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Conditionnement du signal par photodiodes et capteurs optiques

Les photodiodes génèrent un courant proportionnel à la lumière incidente. Ce courant peut aller de picoampères dans l'obscurité à des centaines de microampères en pleine lumière. Un amplificateur de transimpédance (TIA) convertit ce courant en une tension que vous pouvez réellement mesurer :

Si vous avez 10 μA de photocourant et que vous utilisez une résistance de feedback 100 kΩ , vous obtenez une sortie de 1V. C'est assez simple. Le Calculateur TIA pour photodiodes vous aide à déterminer les performances de bande passante et de bruit pour différentes valeurs de résistance de rétroaction.

Stabilité

C'est là que les circuits TIA se compliquent. Sans condensateur de rétroaction, ils adorent osciller. La photodiode a une capacité, l'amplificateur opérationnel a une capacité d'entrée et, ensemble, ils forment un pôle qui peut entraîner l'instabilité de votre circuit. La solution consiste à ajouter un petit condensateur $C_f$ en parallèle à votre résistance de rétroaction $R_f$ :

En général, vous utiliserez un produit compris entre 1 et 10 pF. Cela crée un pôle dominant qui stabilise le circuit tout en maintenant une bande passante raisonnable pour la plupart des applications. Commencez avec 5 pF et ajustez à partir de là en fonction de ce que vous voyez sur l'oscilloscope.

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Boucle de courant 4—20 mA

Les capteurs industriels utilisent des boucles de courant de 4 à 20 mA pour une bonne raison : ils fonctionnent sur de longs trajets de câbles (jusqu'à un kilomètre ou plus) sans se soucier de la résistance des câbles. Les informations sont codées dans le courant et non dans la tension, donc les chutes de tension le long du fil n'ont pas d'importance.

L'encodage est simple :

• 4 mA représente 0 % de la plage de mesure (et alimente également le transmetteur dans les systèmes à 2 fils)
• 20 mA représente 100 % de la plage de mesure

Le calculateur de transmetteur 4 à 20 mA convertit les valeurs du capteur au courant de boucle et vous aide à vérifier que votre budget de tension correspond à la longueur de votre câble et à votre tension d'alimentation.

Réception du signal

À la réception, vous reconvertissez le courant en tension à l'aide d'une résistance de précision. La résistance A 250Ω est le choix standard car elle convertit 4 à 20 mA en 1 à 5 V, ce qui correspond parfaitement à un ADC de 0 à 5 V :

Cette plage de tensions présente une caractéristique intéressante : vous pouvez détecter les ruptures de câble (0 V) et les défauts des capteurs (inférieurs à 1 V) simplement en regardant la tension. Toute valeur comprise entre 1 V et 5 V est une lecture valide.

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Élaboration d'un budget de précision

Chaque composant de votre chaîne de signaux est à l'origine d'erreurs, et elles s'additionnent plus rapidement que vous ne le pensez. Voici ce à quoi vous êtes généralement confronté :

La bonne façon de combiner ces erreurs est la somme des racines (RSS), qui suppose qu'elles sont indépendantes et non corrélées :

Cela vous donne une estimation plus réaliste que de simplement les additionner de manière linéaire. Le Calculateur de budget de précision du capteur vous permet de modéliser la précision de l'ensemble de votre système en fonction de la température et de voir où se situent vos principales sources d'erreur. Vous constaterez souvent qu'un ou deux éléments dominent le budget d'erreur, et c'est là que vous devez concentrer vos efforts (ou votre argent) sur l'amélioration.

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Résumé

Voici une référence rapide pour les types de capteurs courants et les outils à utiliser pour le conditionnement du signal :

Les erreurs que je constate à maintes reprises : ne pas utiliser un gain suffisant sur les capteurs en pont (vous vous retrouvez avec un signal de 10 mV en essayant de piloter un ADC 16 bits en vous demandant pourquoi il fait du bruit), oublier la compensation de jonction froide dans les circuits thermocouples (vos lectures seront erronées quelle que soit la température de votre PCB), et omettre le condensateur de rétroaction dans les amplificateurs de transimpédance (profitez de votre oscillation à 10 MHz). Apprenez des erreurs des autres au lieu de les commettre vous-même.