Chapitre 3 Conditionnement des Signaux de Capteurs

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1 Chapitre 3 Conitionnement e Signaux e Capteur Par Pr. M. Attari, USTHB Attari.mo@gmail.com CAPTEU Conitionnement u Signal Filtrage Anti-epliement LINEAIZATION ANALOGIQUE LINEAIZATION NUMEIQUE Circuit e linéarization Convertieur A/D Convertieur A/D µproceeur µproceor Algorithme e linéarization

2 Hitorique L ampliicateur iérentiel e année 50 était réalié avec e tube à vie aurant aini la onction ampliicateur opérationnel. Ampliicateur Opérationnel à tube Ampliicateur à trioe L ampliicateur opérationnel L ampliicateur opérationnel (Amp-Op) et un circuit intégré monolithique aurant la onction ampliicateur iérentiel avec un gain trè élevé. En pratique, cet amp-op et ouvent monté en contre réaction. Se perormance ont le uivante: Gain en tenion trè élevé. Impéance entrée trè élevée Impéance e ortie trè aible. Courant entré trè aible. Tenion oet trè aible.

3 Moèle iéal un amp-op Le moèle iéal un amp-op uppoe un gain inini, une impéance inini, e courant e polariation nul, une impéance e ortie nulle, etc. p n Commane Moèle iéal un amp-op La caractéritique un amp-op iéal ( ) ( µ ) A A ( ) p n 3

4 Structure interne un Amp-op (Moel 74) Moèle éel Amp-Op o Ib Z MC Z D _ 0 A. _ Ib- Z MC 4

5 Tenion Caractéritique ritique e ampli-op en moe iérenti el C et la iérence e eux tenion préente aux eux entrée e l amp-op. p n Tenion en moe commun C et la moyenne e eux tenion préente aux eux entrée e l amp-op. p n Gain Caractéritique e ampli-op iérenti el A C et le gain e l ampliicateur opérationnel en boucle ouverte. Tenion A ' oet o 0 C et la tenion à l entrée e l amp-op qui permet annuler la tenion en ortie. A ( ) o 5

6 Courant Caractéritique e ampli-op e polariati on moyen I b C et le courant moyen e eux courant e polariation aux entrée e l amp-op. Ib b Ib Courant ' oet I o I C et la iérence entre le eux courant e polariation aux entrée e l amp-op. I o Ib Ib Caractéritique e ampli-op Taux e réjection e moe commun CM A A (CM) C et le rapport entre le gain en moe iérentiel et celui e moe commun. Fréquence e tranitio n C et la réquence correponante à un gain unité. Elle et aui appelée prouit gain bane paante (gain banwth prouct). A T c 6

7 Exemple réel amp-op Paramètre Gain CM C à-3b T A D. C Z D Z MC I b o o / T I omax o I cc Ampl-op tanar µa74 TL Hz 30Hz MHz 60 MHz MΩ 0 Ω GΩ 0 4 Ω 80 na 30 pa m 5 m 6µ/K 0µ/K ± 0 ma ± 0 ma k Ω 00 Ω.7 ma.4 ma Ampl-op pécial OP77 OPA Hz 0.3 Hz 0.6 MHz MHz 45 M Ω 0 3 Ω 00 G Ω I0 5 Ω na 0.04 pa 5 µ 0.4 m 0.µ/K 5µ/K ± 0 ma ± 0 ma 60 Ω 00 Ω ma ma L ampli-op en contre réactionr Le gain en boucle ouverte e égrae en onction e la réquence A ( p) ( p) ( p) K j c Pour chaque écae en réquence, le ignal e ortie 'atténue par un acteur 0, en uppoant que l'amplitue u ignal 'entrée et contante, cela correpon à une atténuation e 0B/écae. 7

8 L ampli-op en contre réaction epréentation u gain en onction e la réquence pour l Amp-Op populaire (µa 74). Gain en Boucle Ouverte Fréquence (Hz) L ampli-op en contre réaction Un amp-op et ouvent monté en boucle ermée avec e compoant pai (réitance, capacité) permettant la tabilité e la répone et 'avoir un gain contant an une gamme e réquence. e Σ _ G(p) ε G( p) ε e H ( p) H(p) oit e ( p) ( p) ( ) ( ) ( ) G p G p H p 8

9 L ampli-op en contre réaction e _ G(p) H(p) oit : e ( p) ( p) G( p) H( p ) >> ( p) ( p) H( p) e ( ) ( ) ( ) G p G p H p où H( p) e ( p) H ( p) ( p) Brochage u 74 9

10 L ampliicateur iérentiel L AD et capable 'ampliier la iérence e eux ignaux iu 'un capteur et 'atténuer ortement le tenion e moe commun. En uppoant l amp-op iéal on pourra écrire le équation uivante: p 4 4 et n Le eux tenion p et n étant égale, alor: 4 3 A A 3 4 0

11 Dan ce conition, on éuit le gain en moe commun, oit: A A A 4 3 ( ) 4 Ce gain oit être minimier ain e réuire l'eet e tenion e moe commun. En eet, le gain en moe commun et nulle i la conition uivante et atiaite : 0 oit, En pratique, le réitance ne ont jamai connue avec exactitue, e plu elle poèent e érive en temp (vieilliement) et en température (ppm/ C). Ce imperection technologique renent iicile l'obtention 'un gain en moe commun nul, cela épenra ortement e préciion e réitance utiliée. Plu la préciion e réitance augmente et plu le gain en moe commun avoiine le zéro et e même le CM augmente.

12 En eet, vu la tolérance e réitance, le gain en moe commun ne era jamai nul et peut être écrit autrement en onction e erreur ue aux réitance, A max ( )( 4 4) ( )( 3 3) ( ) 4 en poon α, la tolérance e réitance : ( α) 3 ( α) ( ) 4 A max 4 ou encore avec la conition, A max ( ) α on écrit, Le rapport e réitance étant égale au gain e l ampli iérentiel, ce qui onne encore : 4 4 A max 4A ( A ) α

13 L ampliicateur Intrumentation L ampliicateur intrumentation et une verion améliorée e l ampliicateur iérentiel, Gain iérentiel élevé. Impéance entrée élevée Facilité e programmer le gain. Gain en moe commun épenant e l étage iérentiel. Tenion oet trè aible. L ampliicateur Intrumentation 3 F G I F F S 4 Étage aaptation impéance Et urplu e gain 3

14 4 L ampliicateur Intrumentation Le courant e contre réaction et, oit encore : i g n p i i U i i U L ampliicateur Intrumentation ou encore :.. U U g g g g [ ] [ ] U U U U U U MC g D Finalement on éuit le eux tenion uivante à l entrée e l ampli iérentiel :

15 L ampliicateur Intrumentation ou encore : A U D ± A U MC Finalement on éuit la tenion à la ortie e l AI : A g [ ] A L ampliicateur Intrumentation Alor : A D D A MC Avec : AD ( g ) A MC A A MC On remarque que le gain en moe commun e l AI rete le même et épenant principalement e l étage iérentiel. Par contre, le gain en moe iérentiel e l AI et multiplié par le acteur: ( ) g 5

16 Etue e imperection e l AD Le paramètre cité auparavant introuient généralement e erreur à la ortie e ampliicateur iérentiel. Ce erreur ont réuite par un choix juicieux e compoant et aui par e technique e compenation, Tenion oet. Courant e polariation. Gain en boucle ouverte. CM. Imperection ue à o, Ib et Ao I I I I N Th Th b e 3 b 0 ( ) A o e o Thévenin 4 Th // Th 4 4 I I3 3 N N Th I I 3 N 3 I b - Maille e A 0 S Th 6

17 la réolution u ytème 'équation aboutira à l'expreion e la tenion e ortie : Th Th o 3 Ib Ib p Ao 3 // p 3 l'expreion inale e la tenion e ortie e l'ampliicateur iérentiel avec imperection et: ( ) ( ) Th o 3 Ib Ib 4 p 3 Ao ( ) ( ) o 3 I 4 Ao 3 ( ) o 7

18 Exemple: Calcul erreur introuite par le gain en boucle ouverte Ao Calculer l erreur ur la tenion e ortie e l AD introuite par le gain en boucle ouverte pour le eux amp-op cité ci-eou. Concluion? kω à 0.% 00 kω à 0.% 3 4 A ( µa74) 0 0 A ( OP77) m? Imperection ue au CM CM 0 S A et A ont le gain en moe iérentiel et le gain en moe commun e l Amp-Op. ( ) A ( ) A p n p n 8

19 Comme p et n ont exprimée par: p 4 4 et n Alor l expreion e la tenion et : A A 4 3 ( A A ) ( A A 4 ) ( ) 3 3 L expreion e peut e mettre ou la orme canonique, ( ) ( ) G G G et G étant le gain en moe iérentiel et le gain en moe commun e l'ampliicateur iérentiel. 9

20 Alor, le expreion e eux gain G et G ont, ( 4 A ) ( 3 A A A ) G ( A A ) 3 ( 4 A ) ( 3 ) A A A G ( A A ) L expreion u CM evient 4 ( A A ) ( A A ) G CM G ( A A 4 ) ( A A ) CM CM CM

21 Expreion inale u CM CM CM 4 CM0 4 4T ( 4 ) 4 CM0 CM 4α CM0 4 Exemple: Calcul erreur introuite par le taux CMo Calculer l erreur ur la tenion e ortie e l AD introuite par le CMo pour le eux amp-op cité ci-eou. Concluion? kω à 0.% 00 kω à 0.% 3 4 CM 0( µa74) CM ( OP77) m 0?

22 Imperection ue au ééquilibre érie Un ééquilibre érie et u aux réitance e ource e capteur et aux câble acheminement u ignal. * AI S * Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z

23 Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z ( ) ± Z Z La tenion iérentiel à l entrée e l AI et exprimée par, Le ééquilibre érie e ligne e trauit par une réuction notable u taux e rejection e moe commun CM, oit, A Z CM Donc le CM eecti exprime comme uit, CM CM Z e 3

24 Exemple: Calcul u CM eecti Un ampliicateur iérentiel poèe un CM e 0B et une impéance entrée e moe commun égale à GΩ. Calculer le CM eecti i le ééquilibre érie à l entrée et e kω? Imperection ue au ééquilibre parallèle le * AI S * C* C* 4

25 Le capacité C* et C* e eux voie ue au câblage e placent en parallèle ur le capacité e moe commun C oit: et C C C C C C Leur impéance correponante ont, Z et Z jc ω jc ω Le tenion entrée e l ampliicateur écrivent an ce ca, Z Z Z Z Le tenion e moe iérentiel e e moe commun écrivent, Z Z Z Z Z Z Z Z 5

26 On éuit, Z Z [ ] jω C C Si le voie amenée ont équilibrée () alor, [ ] ω j C Pour reméier aux ééquilibre ue aux capacité e voie entrée on porte le blinage u câblage e voie amenée au potentiel e moe commun, 6

27 L ampliicateur Iolation L ampliicateur iolation et une verion améliorée e l ampliicateur intrumentation, Gain iérentiel élevé. Impéance entrée élevée Tenion e moe commun extrêmement élevée. Gain en moe commun trè élevé. Tenion oet trè aible. Protection un patient Problème poé lor u prélèvement e ignaux phyiologique 7

28 L ampliicateur Iolation La tenion à la ortie e l ampliicateur iolation et exprimé par : ± ± io A CM IM 8

29 Electrocariogramme Électroe intégr grée e aux tiu (tricot) Problème poé par la liaion an un ECG ECG ECG 9

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