CH 4 : ACQUISITION DE DONNEES

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1 CH 4 : ACQUISITION DE DONNEES Les entrées analogiques des cartes multifonctions permettent de convertir une tension analogique en une valeur numérique grâce au convertisseur analogique numérique : CAN. On relève alors un point, sur une voie d entrée (Chapitre précédent) On peut avec le même matériel, réaliser l acquisition de plusieurs points, donc de signaux, et sur plusieurs voies : on parle d acquisition de données. Les exemples sont donnés pour les cartes PCI 6024 E ou PCI 6221 utilisées en TP. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 1

2 Grandeur Electrique : Tension Courant, Résistance Capacité Phénomène physique : Connexion Grandeur Numérique Température Pression, Débit, Intensité lumineuse, Déplacement Capteur Conditionnement du signal Carte d acquisition Programmation Grandeur Physique Tension mise en forme IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 2

3 1. Connecter le signal à la carte 1.1 Signal Tension mise en forme V AB Carte d acquisition Grandeur numérique N S Le signal est délivré par le module de conditionnement, ou en l absence de celui-ci, par le capteur. Il s agit d une tension, donc d une différence de potentiel : V AB = V A -V B Si V B est connecté à la terre du système d acquisition, le signal est dit issu d une source référencée à la terre (GND). Si V B n est pas à un potentiel fixe, le signal est dit issu d une source flottante; + + V AB V AB IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 3

4 1.2 Modes de connexion Sur une carte d acquisition, on trouve en général deux modes d entrée Mode différentiel (DIFF) Mode simple référencé à la terre, (RSE = Referenced Single-ended) La carte mesure dans tous les cas une tension Ve = Vin+ - Vin-, V IN+ V AB = V e V IN- Carte d acquisition il convient donc de définir les deux potentiels concernés pour chaque mode de mesure : IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 4

5 En mode différentiel, la carte mesure la différence de potentiel entre deux entrées. Les couples d entrées sont déterminées par le constructeur. AI0+ = V IN+ V AB = V e AI0- = V IN- Carte d acquisition En mode simple référencé à la terre, la carte mesure le potentiel d une entrée par rapport à la terre, c'est-à-dire la différence de potentiel entre une entrée et la terre. AI0 = V IN+ V AB = V e Terre = V IN- Carte d acquisition Rq Les cartes National Instrument possèdent un troisième mode NRSE qui sera évoqué en seconde année. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 5

6 1.3 Choix et schémas Mode différentiel La mesure avec système différentiel présente une meilleure immunité au bruit, donc dans tous les cas où le signal à mesurer risque d être dégradé par le bruit, le mode différentiel est à privilégier Un signal est sensible aux bruit si Il est de faible amplitude les câbles de liaison capteur carte sont longs les câbles de liaison capteur carte traversent un environnement bruité Le mode différentiel peut être utilisé avec une source flottante ou avec une source référencée à la terre. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 6

7 Signal flottante : la source (capteur, sortie du conditionneur) n a pas de borne connectée à la terre du bâtiment : Source + V IN+ V IN- GND Carte d acquisition Dans ce cas, il est conseillé d ajouter deux résistances égales entre les entrées différentielles du système et la terre, de 10 kω à100 kω. (ou encore environ 100 fois l impédance de la source pour éviter un effet «diviseur de tension» trop important) Des détails et les contraintes sur ce mode seront détaillées en seconde année (électronique 2) IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 7

8 Signal référencé à la terre : la source délivre une tension référencée à la terre du bâtiment. Source + V IN+ V IN- GND Carte d acquisition IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 8

9 Mode référencé à la terre L utilisation du mode référencé à la terre est déconseillé dans le cas d une source référencée à la terre. (Voir TD seconde année) Il peut être utilisé pour une source flottante : Source + V IN GND Carte d acquisition Il permet de n utiliser qu une entrée de la carte par signal à mesurer. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 9

10 1.4 Multiplexeur Le signal à mesurer est connecté en entrée de la carte à un multiplexeur analogique. Le multiplexeur permet d aiguiller une tension d entrée, flottante ou référencée, vers les circuits d acquisition. Ainsi N voies peuvent être connectée à la carte et n utiliser qu une seule chaîne d acquisition. Sur la carte PCI 6024 E, on dispose de 16 entrées analogiques, qui permettent donc l acquisition de 16 tensions en mode référencé 8 tensions en mode différentiel. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 10

11 Branchement en mode référencé à la terre AI0 AI1 AI2 V IN+ AI15 Chaîne d acquisition GND carte IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 11

12 Branchement en mode différentiel AI0+ AI1+ AI2+ V IN+ AI7+ Chaîne d acquisition GND V IN- AI0- AI1- AI2- AI7- carte IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 12

13 A fixer par programmation : Le mode d entrée : RSE ou Différentiel Les voies à acquérir IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 13

14 2. Adapter le signal au convertisseur 2.1 Le convertisseur analogique numérique Le CAN convertit une tension Ve référencée à la terre en un nombre Ns codé sur n bits. Il est caractérisé par Sa pleine échelle : PE Sa résolution : n Sa polarité : unipolaire ou bipolaire. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 14

15 Ex 1 Pleine échelle PE Résolution n = 3 Unipolaire 2 n = 2 3 = 8 valeurs possibles pour Ns : Par exemple : 0 PE V e En réalité : 0 PE V e IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 15

16 Ns 7 : : : : : : : : 000 Ve q = LSB PE Rq : Ce décalage permet que l écart de quantification soit aussi souvent positif que négatif. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 16

17 Ex 2 Pleine échelle PE Résolution n = 3 Bipolaire 2 n = 2 3 = 8 valeurs possibles pour Ns : Par exemple : -PE/2 PE/2 V e En réalité : -PE/2 PE/2 V e IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 17

18 Ns(code complément à 2) 3 : : : : : : : : 100 -PE/2 PE/2 Ve IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 18

19 On définit alors Sa dynamique = intervalle de tension que le CAN peut convertir [0 ; PE[ pour un CAN unipolaire [- PE/2 ; + PE/2 [ pour un CAN bipolaire. Son quantum = plus petite variation de Vm qui provoque une variation de Ns. q = PE / 2 n. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 19

20 Le décalage présenté sur les exemples «en réalité» permet alors d écrire : Ns = entier le plus proche de Ve/q, ce que nous écrirons : Ns = Ve/q Tout logiciel «récupérant» Ns et au courant des caractéristiques du CAN (polarité + résolution + pleine échelle + code) peut Calculer q Calculer une approximation de Ve : V calc = q. Ns V calc est une approximation de Ve à ± q/2 près IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 20

21 Exemple 1 : PE = 10 V Unipolaire Dynamique = [ 0 V ; 10 V[ n = 3 2 n = 8 q = PE / 2 n = 1,250 V q/2 = 0,625 V Ve = 2,375 V Ve / q = 1,900 Ns = 2 Vcal = 2,500 Ve = 2,707 V Ve / q = 2,166 Ns = 2 Vcal = 2,500 Ve = 2,500 V Ve / q = 2,000 Ns = 2 Vcal = 2,500 Pour 1,875 < Ve < 3,125 Ns = 2 Vcal = 2,500 Ou encore, si Vcalc = 2,500, on en déduit que 1,875 < Ve < 3,125 IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 21

22 Exemple 2 : PE = 10 V Bipolaire Dynamique = [- 5 V ; + 5 V[ n = 3 2 n = 8 q = PE / 2 n = 1,250 V q/2 = 0,625 V Ve = - 1,170 V Ve / q = - 0,936 Ns = - 1 Vcal = -1,250 Ve = - 1,250 V Ve / q = - 1,000 Ns = - 1 Vcal = -1,250 Ve = -1,798 V Ve / q = - 1,438 Ns = - 1 Vcal = -1,250 Pour - 1,875 < Ve < -0,625 Ns = -1 Vcal = -1,250 Ou encore, si Vcalc = -1,250, on en déduit que - 1,875 < Ve < 0,625 IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 22

23 2.2 L amplificateur Pour effectuer une bonne conversion, il faut utiliser au mieux la dynamique du convertisseur (cf TD). Un amplificateur permet d adapter la gamme du signal d entrée à celle du convertisseur. Exemple : CAN de gamme [-5 V ; +5 V [ Gamme de la tension à convertir : [ -0,5 V ; + 0,5 V[ Amplification adaptée : +10. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 23

24 Cas de la carte PCI 6024 E CAN : [-5 V ; +5 V [ Les amplifications (ou gains ) disponibles sont : 0, On fixe en fait la gamme des signaux d entrées : Min/Max Gain choisi Min/Max CAN ± 50 mv 100 ± 5 V ± 0,5 V 10 ± 5 V ± 5 V 1 ± 5 V ± 10 V 0,5 ± 5 V IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 24

25 Exemple avec cette carte : Grandeur physique : température [ 0 C ; 35 C[ Capteur de température : 10 mv / C Gamme de tension en entrée de la carte : [ 0 mv ; 350 mv [ Gain adapté : 10 Dynamique : [ mv ; 500 mv [ Gamme de tension en entrée du CAN : [0 ; 3,5 V[ [ -5 V ; + 5 V [ IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 25

26 Cas de la carte PCI 6221 CAN : [-5 V ; +5 V [ Les amplifications (ou gains ) disponibles sont : 0, On fixe en fait la gamme des signaux d entrées : Min/Max Gain choisi Min/Max CAN ± 200 mv 25 ± 5 V ± 1 V 5 ± 5 V ± 5 V 1 ± 5 V ± 10 V 0,5 ± 5 V IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 26

27 Rq : Le CAN contient un échantillonneur-bloqueur qui maintient la tension à mesurer constante pendant la durée de la conversion (t conv ) A fixer par programmation : Le gain La polarité Rq : Sur les cartes NI, on entre la dynamique d entrée, parmi celles proposées par le constructeur Exemple : Min = - 0,05 V Max = 0,05 V Les cartes 6024 et 6221 sont bipolaires uniquement. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 27

28 3. Choisir les paramètres d éd échantillonnage 3.1 Paramètres Ve Téch t Tobs IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 28

29 Des circuits de type «timer» génèrent des signaux d horloge qui permettent de déclencher des conversions analogiques-numériques à intervalles réguliers ( les instants d échantillonnage). L intervalle de temps est appelé période d échantillonnage : T éch Le nombre de conversions effectué par seconde est la fréquence d échantillonnage : F éch = 1/T éch. Si on prélève N éch échantillons, le signal est observé sur une durée T obs = N éch T éch IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 29

30 3.2 Choix Le choix du couple (T éch, N éch ) ou (F éch, N éch ) ou encore (T obs, N éch ) dépend de l information que l on veut retenir dans le signal : il est subjectif. Si on souhaite acquérir «tout le signal» en perdant le moins possible d information, on est tenté de prendre N éch très grand mais le fichier de mesure est alors très lourd T éch très petit mais un convertisseur présente un Téch limite (t conv ) En observant l allure du signal à acquérir, on est souvent capable de déterminer «au feeling» ces deux paramètres. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 30

31 Exemples Choix possibles Tobs = 1,2 s Téch = 0,01 s Tobs = 0,3 s Téch = 0,01 s Tobs = 0,3 s Téch = 0,001 s IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 31

32 Dans certains cas, l observation temporelle ne permet pas de déterminer les paramètres d échantillonnage. 0 0,5 1 1,5 2 t (s) Si on dispose de la répartition spectrale (voir MPh2) du signal, on choisit Féch > 2 Fmax du signal (Théorème de Shannon) Fmax 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 f (Hz) IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 32

33 3.3 Acquisition sur plusieurs voies Exemple : Un CAN possédant un temps de conversion de 5 µs peut effectuer conversions par seconde, soit 200 ks/s (S = Sample). Si une seule voie est acquise, elle peut donc être échantillonnée à Féch = 200 khz. Si deux voies sont acquises, elles utilisent tour à tour le CAN, grâce au multiplexeur. Chacune des voies est donc échantillonnée à 100 khz, en négligeant le temps d établissement du multiplexeur. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 33

34 Généralisation On trouvera dans les documentations des cartes La fréquence maximum d échantillonnage (Sampling rate) sur une voie La fréquence maximum d échantillonnage en utilisant toutes les voies. On peut souvent dépasser ces limites, en perdant de la précision sur les mesures. A fixer par programmation : 2 des trois paramètres F éch N éch T obs IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 34

35 4. Quelques schémas mas. 4.1 Chaîne complète en mode RSE AI0 AI1 AI2 V IN+ V entrée AMPLI E-B + CAN N sortie AI15 V IN- GND IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 35

36 4.2 Chaîne complète en mode diff AI0+ AI1+ AI2+ AI7+ V IN+ AMPLI E-B + CAN N sortie GND V IN- AI0- AI1- AI2- AI7- IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 36

37 4.3 Schéma bloc de la carte PCI 6024 E IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 37

38 4.4 Echantillonnage et quantification V(t) V(nTe) échantillonnage blocage instants d échantillonnages : 0, T e, 2T e, 3T e 011 V(nT e ) quantification : IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 38

39 5. Programmation 5.1 Paramètres Tâche : Tension analogique en entrée (AI Tension) Voie physique choisir le n de la voie et de la carte / on peut échantillonner plusieurs voies Dynamique (permet le choix du gain) Mode d entrée (simple ou différentiel) Paramètres temporels Mode d échantillonnage : fini ou continu Si fini : nombre d échantillons demandés Fréquence d échantillonnage (vitesse = rate) IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 39

40 Opération de lecture un ou plusieurs échantillons sur une ou plusieurs voie(s) résultat délivré sous forme de nombre (N s ) ou de tension (V calc ), dans une variable de type «une valeur», un tableau ou une waveform Remarque Lors d une acquisition de plusieurs points, les valeurs des échantillons sont stockés dans une mémoire (buffer) de points (PCI 6024 E ) jusqu à la lecture. Il faut donc lire régulièrement les résultats pour ne pas saturer le buffer. Voir TP. IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 40

41 5.2 Exemples Mode d entrée Dynamique d entrée -> Gain : 10 Polarité : bi Acquisition de 250 échantillons, une seule fois Choix de la grandeur de sortie : Les 250 échantillons issus d une voie sous forme de Waveform ou de tableau Choix de la voie à acquérir Acquisition de tension sur une voie d entrée Fréquence d échantillonnage IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 41

42 Mode d entrée Acquisition en continu : valeurs stockées dans le buffer Lecture de 50 échantillons à la fois, à chaque fois que 50 nouveaux sont disponibles (toutes les 0,25 s ici) Choix des voies à acquérir : 2 voies Fréquence d échantillonnage : 200 échantillons par seconde Tableau de 2 Waveforms contenant chacune 50 points de mesure IUT ANNECY MPh-MC/2007 Instrumentation 1 42