TS3 : conditionnement du signal du capteur. Cours sur l électronique de conditionnement du capteur. Novembre 2006 Patrick POULICHET

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1 Cour ur l électronique e conitionnement u capteur Noembre 006 Patrick POULICHET

2 Généralité ur le chaîne acquiition Introuction Structure une chaîne acquiition....3 Paramètre e imenionnement une chaîne acquiition Etenue e meure Senibilité Préciion Hytéréi apiité... 6 Conitionnement actif Le capteur et une ource e courant Le capteur et une ource e charge Conitionnement e capteur paif Polariation e capteur par une tenion Montage potentiométrique Montage en pont e Wheatone aec un élément enible Montage en pont à eux élément enible Montage en pont complet Polariation e capteur par un courant Circuit quart e pont Circuit emi pont Circuit pont complet Linéariation et amplification Correction e érie thermique Compenation aec e ioe Compenation aec un tranitor...3 Amplificateur intrumentation.... Importance e la réjection e moe commun.... Amplificateur ifférentiel Importance u ééquilibre e impéance e ource Amplificateur iéal Prie en compte u Trmc e l AOP Prie en compte e la préciion e réitance...9. Amplificateur intrumentation..... Amplificateur intrumentation à eux AOP..... Amplificateur intrumentation à troi AOP Exemple e circuit intégré e conitionnement Source erreur e capteur Solution mie en œure an le MAX57...7

3 Généralité ur le chaîne acquiition. Introuction Coniéron à titre exemple la chaîne acquiition repréentée à la Figure.. Il agit u ynoptique une injection électronique que l on troue ur le automobile à eence. Dan ce ytème, il agit e commaner le injecteur qui élirent l eence an le cylinre et e commaner l allumage e bougie qui génèrent l étincelle inflammation u mélange air eence. Le commane e injecteur et e l étincelle oient être faite pour que la combution e l eence oit optimale. De nombreux capteur permettent e conommer le moin eence, e générer le minimum e pollution en aurant un bon confort e conuite. Le capteur ont e pluieur type : capteur e poition e piton an le cylinre, capteur e température, capteur oxygène an l échappement pour connaître la pollution u moteur, capteur e courant. Figure. : régulation e l injection une automobile L information élirée par le capteur et principalement analogique. La meure e graneur et renue ifficile car le milieu et fortement paraité par le fonctionnement e l allumage qui génère une trè forte tenion (> 0 kv). La partie électronique analogique qui traite le ignal e ortie e capteur et qui et ouent placé à proximité e capteur porte le nom étage e conitionnement u ignal. L étage e conitionnement u ignal e capteur à un rôle trè important. Il conerti en tenion la graneur e ortie u capteur, aapte l impéance pour le capteur et limite l amplification en moe commun. Il oit être optimié pour éliminer le bruit électromagnétique. Le ignal analogique et conerti en ignal numérique à l intérieur u moule électronique e commane. Cette numériation a pour but e conerer en mémoire certaine aleur mai aui e renre plu facile le multiple opération à réalier ur le ignal (amplification, ériation, intégration). Ce opération ont réaliée par e micro proceeur ou e DSP. 3

4 . Structure une chaîne acquiition La uite e phae e traitement e ignaux an une chaîne acquiition uit le ynoptique e la Figure.. La chaîne acquiition e onnée conertie le ignal analogique e ortie u capteur en ignal numérique et aprè traitement u ignal numérique élire un ignal analogique. Figure. : phae e traitement e l information Le filtre analogique limite la bane paante u capteur et éite aini la étérioration u rapport ignal à bruit. L étage échantillonnage et e maintien prélèe un échantillon u ignal et le maintien contant penant la phae e conerion. La conerion analogique numérique (CAN) trauit le ignal analogique maintenu contant en graneur numérique quantifiée ur n bit. Aprè traitement numérique, le ignal et conerti en analogique par un conertieur numérique analogique (CNA). Cette opération n et pa obligatoire puiqu il exite e actionneur qui peuent amettre un ignal numérique. Le filtrage e ortie réuit le effet e moification u ignal uite à la numériation..3 Paramètre e imenionnement une chaîne acquiition Nou rappelon le ifférente caractéritique néceaire à prenre en compte lor e la conception e ipoitif intrumentation..3. Etenue e meure

5 C et la ifférence algébrique entre le aleur extrême pouant être prie par la graneur à meurer, pour laquelle le inication un capteur ne oient pa être entachée une erreur upérieure à la aleur maximale tolérée. La Figure.3 préente la caractéritique typique un capteur linéaire. Figure.3 : étenue e meure un capteur La limitation e la caractéritique er le ba et ue au bruit e la meure. La réolution u capteur éfinit la plu petite ariation que le capteur era en meure ientifier. La limitation er le haut e la caractéritique et liée à la etruction poible u capteur. Cette caractéritique et onnée pour une meure mai elle oit être table an le temp et non affectée e érie. La érie exprime la lente ariation u ignal e ortie en fonction u temp..3. Senibilité La enibilité exprime par le quotient e la ariation e la graneur e ortie à la ariation correponante e la graneur meurée..3.3 Préciion C et la qualité qui caractérie l aptitue un capteur à onner e inication proche e la aleur raie e la graneur meurée.la graneur meurée M ne pourra être onnée qu aec une certaine incertitue δm. La précion era autant meilleure que l incertitue era faible. M δ M M M δm L erreur e préciion et onnée par : ε M δm maxm min La préciion e la chaîne e meure et autant meilleure que ε et faible. La préciion épen e la ariation offet et e gain en fonction e la température e capteur et e amplificateur. On éigne par réolution la plu petite ariation e l entrée e trauiant par un changement en ortie : réolution M max δm M min.3. Hytéréi 5

6 La réeribilité caractérie l aptitue un capteur à fournir la même inication lorqu on atteint une même aleur e la graneur meurée par ariation croiante et continue ou par ariation écroiante et continue e la graneur. En ca e ifférence, on parle erreur hytéréi, qu on exprime aui en pourcentage e l étenue e meure..3.5 apiité La chaine acuiition et rapie quan elle et à même e uire le éolution e la graneur entrée. On oit connaître la plage e ariation e fréquence u meurane. Par exemple, la ariation e température era un phénomène aez lent à comparer par l acquiition une tenion. Pour repecter la conition e Nyquit, l échantillonnage oit repecter la conition uiante : fe. fmax. Conitionnement actif. Le capteur et une ource e courant L étage e conitionnement et contitué par un conertieur courant tenion. Le courant e ortie u capteur et conertie en courant par l AOP e la Figure.. La tenion en ortie u capteur étant faible (AOP parfait), il en réulte qu aucun courant ne circule an le élément en paralèle u générateur e courant. Figure. : conitionnement un capteur élirant un courant. Le capteur et une ource e charge Comme an le ca e l étage e conitionnement à capteur équialent à une ource e courant, l influence e l impéance en parallèle u générateur e courant et renue négligeable par un AOP impoant une tenion quai nulle ur on entrée. La réitance u montage e la Figure. et remplacé par une capacité. Le charge élirée par le capteur apparaaiant ou forme e courant i ont tranférée an la capacité C e la contre réaction e l AOP. Le montage et it conertieur charge tenion et on chéma e principe et repréenté ur la Figure. 5. 6

7 Figure. 5 : conertieur charge tenion Le charge q élirée par le capteur ont trauite en tenion. i C V V t C i q t C 3 Conitionnement e capteur paif On aocie la ariation impéance u capteur à une ource e tenion ou une ource e courant et la graneur exploitée et la tenion e ortie. Le jauge e éformation, ite «jauge e contrainte», ont e réitance métallique ou emi-conuctrice qui trauient en ariation e réitance une contrainte mécanique. Le ariation relatie e réitance et e longueur L une jauge ont liée par la relation : α L K L K et le facteur e jauge proche e pour le jauge métallique et e 0 à 00 pour le jauge à emi-conucteur au ilicium. Le pont e meure ont utilié an le application uiante : capteur e couple ou e preion. La graneur phyique meurée engenre une ariation e la réitance un ou e pluieur élément u pont e Wheatone. Une meure e la tenion ifférentielle aux borne u pont élire une tenion proportionnelle à la graneur phyique à meurer. la quantité e carburant injectée an un moteur thermique épen e la mae e l air et u ébit e l air (ébit maique). Le ébit maique et éterminé par un montage en pont e Wheatone. Un élément e ce pont et chauffé et on refroiiement par l air apiré et proportionnel au ébit maique. Une meure e la tenion ifférentielle aux borne u pont élire une information ur le ébit maique. capteur magnétique. Aec e magnétoréitance, la réitance et épenante u champ magnétique appliqué. 7

8 3. Polariation e capteur par une tenion Le montage le plu imple et le montage potentiométrique. 3.. Montage potentiométrique Le montage et onné par la Figure. 6. Figure. 6 : montage potentiométrique La relation onnant la tenion e ortie Vm en fonction e la réitance u capteur n et pa une relation linéaire. Pour e faible ariation e c par rapport à c, le calcul uiant montre que cette relation et linéaire. c Vm E Si V m V m c c E c c c c c E c << c, l expreion précéente e implifie en : V m c c c V m Vm E c E La enibilité et maximale lorque Ce montage onne une éolution linéaire e c c c ( c ) c c c. c E ( ) ( ) c c ce qui onne : c Vm E Vm en fonction e inconénient uiant : faible ariation e la tenion e ortie pour une ariation c onnée, exitence une tenion e repo non nulle, enibilité e Vm par rapport à l alimentation E. c c c mai il préente le Ce ernier point et critique. Il faut bien oir que an beaucoup e ytème intrumentation la liaion entre le capteur et l amplificateur intrumentation et ujette 8

9 aux bruit électromagnétique. Nou reerron ce point à propo e l amplificateur intrumentation. Aec le montage en pont écrit an le paragraphe uiant, cette enibilité par rapport aux bruit électromagnétique et fortement réuite puique l amplificateur placé en ortie u pont, calcule la ifférence entre le eux tenion e ortie. 3.. Montage en pont e Wheatone aec un élément enible Le montage et préenté ur la Figure. 7. L élément enible (qui remplace c e la Figure. 6) élire une ariation e réitance en fonction e la graneur à meurer. Figure. 7 : montage en pont A l équilibre u pont la tenion Vab et nulle. ( α ) E E ( α ) E E α V m Va Vb E ( α ) α α Cette expreion montre que l éolution e en fonction e α n et pa linéaire. Dan le ca ou Vm α et faible, l expreion e implifie en : α V m E 3..3 Montage en pont à eux élément enible Quan on aocie eux élément enible elon la Figure. 8, l éolution e Vab en fonction e α et linéaire. On obtient : α V m E Figure. 8 : montage en pont aec eux élément enible 9

10 Une ariante e ce montage conite à utilier eux élément enible onnant ( α) ur une iagonale. 3.. Montage en pont complet Le montage e la Figure. 9 élire la tenion : V m Eα. Ce montage, comparé aux précéent, et préférable puiqu il élire une tenion plu importante. Figure. 9 : montage en pont complet 3. Polariation e capteur par un courant Une polariation par un courant et préférable à une polariation par une tenion quan on cherche à affranchir e la réitance e contact ou e la réitance e la liaion (connexion e la partie électronique au capteur à jauge e contrainte). Figure. 0 : polariation par un courant 3.. Circuit quart e pont α La tenion élirée par la ource e courant I et : V I. En reprenant la relation α onnée plu haut pour un circuit quart e pont polarié en courant, on obtient :. I α V m Va Vb α L erreur e linéarité et eux foi plu faible que pour le même montage en polariation en tenion. 0

11 3.. Circuit emi pont La réitance équialent au pont e wheatone et. La tenion e ortie u pont et onc : α V m. I 3..3 Circuit pont complet La réitance équialent au pont e wheatone et. La tenion e ortie et onnée par : V m. Iα 3.3 Linéariation et amplification Aec un eul élément enible, il et poible en utiliant le montage e Figure. e renre la tenion e ortie V linéaire en fonction e α. Figure. : linéariation par l utiliation un AOP E La tenion e ortie et onnée par la relation V α. 3. Correction e érie thermique Dan bien e ca, le capteur piézo réitif érient en température. Cela e trauit par une ariation e la tenion e repo et par une ariation e la enibilité en fonction e la température. Nou étuieron ici quelque poibilité permettant e corriger ce influence ur la enibilité e la température. Le correction que nou étuieron conitent à faire arier la tenion alimentation u pont e Wheatone en raion inere e l influence ur le pont e la température. Coniéron le capteur e preion réalié aec e jauge piézo réitie e la Figure.. Figure. : capteur e preion La tenion e ortie et onnée par la relation uiante : Vout S. PVb. Voff

12 Quan S et la enibilité nominale, P la preion meurée et Voff la tenion continue e ortie en l abence e preion meurée. Quan la température arie, la réitance e chaque branche u pont change et la enibilité arie. La ariation e la tenion e ortie et onc Vout S onnée par la relation uiante : PVb.. θ θ La ariation e la enibilité en fonction e la température et non linéaire et elle peut être S S αθ βθ aec S 0 la enibilité nominale et exprimée par la relation uiante : ( ) 0 θ la ifférence e température entre la température ambiante et la température e traail. Dan une plage e température e 0 C à 70 C, la ariation e la enibilité en fonction e la température peut être coniérée comme linéaire. Aini, une compenation en température obtient lorque la tenion alimentation u pont e Wheatone croit aec la température comme le montre la relation uiante : Vb0 Vb Vb0 ( αθ ( γθ )...) αθ ( ) Le terme non linéaire e l expreion précéente peut être négligé pour e application ne néceitant pa une préciion meilleure que %. Dan l exemple que nou allon traiter cieou, nou chercheron à aoir une érie thermique e Vb égale à 050 ppm. C -. Pluieur circuit que nou allon étuier an le paragraphe uiant peuent être utilié pour faire arier la tenion alimentation u pont e Wheatone. 3.. Compenation aec e ioe La ariation e la tenion e ioe e.5 mv. C - peut être employée pour faire arier la tenion alimentation u pont e Wheatone. De ioe N8 peuent être utiliée à cette fin. Figure. 3 : compenation e la érie thermique par e ioe La tenion alimentation u pont et : Vb Va. φ. Nou écriron le ariation e Vb et φ Vb φ en fonction e la température aec la notation uiante : V b& et & φ. θ θ

13 La ariation e la tenion alimentation u pont en fonction e la température et onnée par : V b &. & φ. Aini, la ariation relatie e Vb et onnée par : & φ Vb&. & φ φ. Vb Va. φ Va φ Pour une ioe, & φ V b 500 ppm. C. Aec Va 6 V et φ 0.7 V, & 88 ppm. C φ Vb ariation e enibilité u pont e -050 ppm. C - et quaiment compenée.. La 3.. Compenation aec un tranitor La ariation e la tenion u pont et corrigée en utiliant un tranitor monté uiant le chéma e la Figure.. La ariation e la tenion alimentation u pont et fonction e la tenion aux borne une ioe. Figure. : polariation à l aie un tranitor La tenion alimentation u pont exprime par : Vb Va α. φ. Le terme α choii pour apporter la correction néceaire à la érie thermique u pont. Aini pour une ariation e enibilité u pont e -050 ppm. C -, le aleur e et en fonction e la tenion alimentation ont onnée an le Tableau. Va (Ω) (Ω) 5 V 3.3 k.3 k 9 V.0 k 806 V. k 60 Tableau Nou étuieron an le paragraphe 5 une compenation numérique e la érie thermique. et 3

14 Amplificateur intrumentation. Importance e la réjection e moe commun En milieu inutriel c et à ire an un milieu paraité par e bruit électromagnétique, une tenion ifférente e celle élirée par le capteur ient e uperpoer à celle élirée par le capteur. La tenion qui e uperpoe peut aoir pluieur origine : quan le câble e liaion entre le capteur et l amplificateur ont placé à proximité un fil ecteur un couplage capacitif génère cette tenion upplémentaire Figure. 5.a, quan le câble e liaion et ujet à e paraite origine magnétique Figure. 5.b. Figure. 5 : origine e la tenion e moe commun Sur le eux borne e ortie u capteur à l extrémité roite u câble e liaion, on retroue la tenion élirée par le capteur qui et uperpoée à une tenion commune aux eux ortie. Cette tenion commune et appelée la tenion e moe commun. Son amplitue peut être plu importante que celle élirée par le capteur. La Figure. 6 repréente le eux tenion en ortie u câble e liaion an un ca ou la tenion élirée par le capteur et trè perturbée. L eneloppe à bae fréquence repréente le ignal u ecteur qui apparaît par couplage capacitif. Cette tenion et commune aux eux ortie et et on la qualifie e tenion e moe commun. La tenion amplitue (plu faible an notre ca) et e fréquence plu éleée et la tenion e moe ifférentielle. Le eux one et ne ont pa ientique : le eux tenion e moe ifférentielle apparaient en oppoition e phae l une par rapport à l autre.

15 Figure. 6 : tenion en ortie u câble e liaion D aprè ce que l on ient e ire, la tenion e moe commun exprime par : La tenion e moe ifférentielle e calcule par :. mc. Le générateur équialent permettant e reprouire ce même tenion ont repréenté à la Figure. 7. Figure. 7 : tenion e moe ifférentielle et tenion e moe commun Un amplificateur et caractérié par le taux e réjection u moe commun Trmc qui qualifie l amplification u moe ifférentiel par rapport au moe commun. L amplification u moe ifférentiel oit être la plu éleée poible tani que l amplification e moe commun la plu faible poible. Nou reienron ur ce point lor e l étue e l amplificateur ifférentiel. Une application qui exige aoir e fort taux e réjection u moe commun et le releé e l électrocariogramme (ECG). L ECG et obtenu par le calcul e ifférence e pluieur ignaux iu e électroe e meure (en général électroe) placée ur le corp u patient. Lorque le mucle cariaque e éplace, il onne naiance à une tenion et un courant qui correpon à la épolariation u mucle cariaque. L amplitue u ignal et eniron mv comme il et repréenté ur la Figure. 8 à roite. Ce ignal e uperpoe à un ignal qui et éliré par la tenion ecteur par couplage capacitif. L amplitue e la tenion ecteur qui apparaît aux borne u corp et e quelque olt (ientique à l application un oigt ur une one ocillocope en l air). 5

16 Figure. 8 : ignal ECG La tache un amplificateur etiné à releer l ECG et amplifier le ignal qui et le reflet u éplacement u mucle cariaque ( mv) tout en réjectant le ignal u ecteur.. Amplificateur ifférentiel Un amplificateur ifférentiel peut être remplacé par le chéma bloc e la Figure. 9. Le gain e la oie Ve et A et il peut être ifférent u gain e la oie Ve qui et A. Figure. 9 : chéma équialent à l amplificateur ifférentiel La tenion e ortie et onnée par : A. Ve A. Ve. Le tenion e moe ifférentielle et e moe commun ont onnée repectiement par : Ve Ve Ve Ve et mc Le tenion Ve et Ve expriment onc par le relation uiante :. mc Ve et. mc Ve En remplaçant ce expreion an celle e, on obtient : 6

17 A A ( A A) mc. Le gain e moe ifférentiel et onc : e moe commun la ifférence e gain A A. A A et le gain.3 Importance u ééquilibre e impéance e ource Le impéance entrée e amplificateur en moe commun et en moe ifférentielle peuent être ifférente. Le réitance e câble non ientique ou le impéance e ortie e entrée engenrent aui un ééquilibre e impéance e ource. Nou allon montrer que an le ca un ééquilibre érie lié aux réitance u câble e liaion u capteur à l amplificateur, il réulte qu une tenion e moe comun eient une tenion e moe ifférentielle. L impéance entre le entrée et et appelée impéance entrée ifférentielle Z et l impéance entre le eux entrée et la mae et l impéance e moe commun Zmc. Le impéance érie prie en compte ont z et z comme on peut le oir ur la Figure. 0. Figure. 0 : impéance entrée un amplificateur et prie en compte e réitance érie e câble Le tenion en entrée e l amplificateur ifférentiel ont : et zmc //( z z // zmc) e. z zmc //( z z // zmc) zmc //( z z// zmc) e. z zmc //( z z// zmc) On a généralement Zmc >> Z et Zmc >> z et z. z z z z e. e. z z z z Quan la tenion ifférentielle et nulle, c et à ire erait en être e même pour. On obtient à la place : e e 0 e e mc, il 7

18 mc. ( z z) ( z z) ( z z )( z z ) Il y a onc conerion une tenion e moe commun en tenion e moe ifférentielle. Ce efaut era olutionné en ayant une impéance entrée infinie..3. Amplificateur iéal Dan le ca e l amplificateur ifférentiel e la Figure. réalié aec un AOP iéal, le calcul e V onne : V ( ) Figure. : amplificateur ifférentiel La ifférence e eux tenion e ortie tracée ur la Figure. 6 onne bien la tenion élirée par le capteur amplifié u gain. Malheureuement, l AOP n et pa parfait; le Trmc qualifie on taux e réjection u moe commun. Le taux e réjection u moe commun et éfinie par : A T rmc Amc Dan le ocumentation, le Trmc (CM Common Moe atio) et ouent exprimé en A T rmc 0 log B. Amc écibel par la relation ( ) Voyon onc comment et altérée l amplification u montage e la Figure. par la prie en compte u Trmc e l AOP..3. Prie en compte u Trmc e l AOP Le gain e l amplificateur et onné par la relation : A. Amc. mc A. ( ) Amc. 8

19 Le tenion et - ont alor calculée à partir u montage e la Figure. et e tenion et. Ce relation ont : et En remplaçant ce eux ernière expreion an l expreion e et en faiant l approximation que A>>Amc et A >>, et onnée par l expreion : mc Trmc mc. L application numérique uiante permet e e renre Le terme erreur et : Trmc compte e l importance e ce terme. mc A.N.: mc V, mv et Trmc , 33 oit 33 %. Ce calcul et fait Trmc aec un AOP qui poèe un Trmc e 70 B. Aec un amplificateur intrumentation (A 60) ont le Trmc 93 B pour un gain e 0, mc nou obtenon : 0, 03 oit une erreur e.3 %. T rmc La réuction u Trmc u montage épen irectement u Trmc e l amplificateur. Le calcul u paragraphe uiant montre qu il et illuoire e ouloir réalier un amplificateur à fort Trmc aec e réitance e préciion quelconque..3.3 Prie en compte e la préciion e réitance Nou prenon onc en compte la préciion e réitance. Pour nou placer an le pire ca, le aleur e réitance u montage e la Figure. ont onnée par le relation uiante : ( ) ( - ) 3 ( - ) ( ) 9

20 0 Figure. : amplificateur ifférentiel La tenion e ortie et onnée par l expreion uiante : 3 V On calcule éparément le eux rapport ' ' et 3 ' ' en remplaçant,, 3 et par le expreion en fonction e,, 3, et. On implifie ce expreion en coniérant << et en limitant le éeloppement limité au er orre. On remplace ce eux rapport an l expreion e. On obtient aprè mie en forme : ( ) ( ) On remplace le tenion et par le expreion uiante : et mc mc Aprè implification en négligeant le terme en, l expreion e et : mc Donc et A A mc

21 Et T rmc Application numérique : 00 et 0, %. A 99,8 et Amc 0, %. Trmc 88 B. 00 et %. A 98 et Amc %. Trmc 68 B. La ifférence e réuction u taux e réjection e moe commun et énorme. Il et trè important utilier e réitance e préciion quan on cherche à obtenir e taux e réjection u moe commun important.. Amplificateur intrumentation La particularité un amplificateur intrumentation et qu il amplifie la tenion e moe ifférentielle an (ou peu) amplifier la tenion e moe commun. Il conitent à utilier un montage amplificateur aec pluieur AOP qui optimie le rapport e l amplification u moe ifférentiel par rapport à l amplification e moe commun. Pour augmenter Trmc, il faut : préenter e entrée à impéance infinie pour éiter e élirer e tenion ifférente ur le eux entrée, ymétrier le eux oie pour traiter ientiquement l amplification e eux entrée... Amplificateur intrumentation à eux AOP Le montage et onné ur la Figure. 3. Figure. 3 : amplificateur intrumentation à AOP

22 V et calculée en coniérant le AOP parfait. V et V ont remplacé par le relation. et mc mc mc Le gain en moe commun et en moe ifférentiel ont onc : 3 3 A et 3 A mc L annulation e Amc exige aoir 3 ce qui peut être obtenue par et 3. Cette conition et rarement érifiée car le réitance ont toujour onnée aec une certaine préciion.... Prie en compte e la préciion e réitance Dan le montage e la Figure. 3, le réitance ont remplacée par le aleur uiante pour tenir compte e la préciion e réitance : ( ) ( - ) 3 ( ) ( - ) Le gain A et Amc eiennent : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) A En implifiant cette expreion (aec << et 0), on montre que : A De même, A mc 3. Aini, Log A A Log T mc rmc

23 Le montage e la Figure. 3 et ifficile à utilier car pour chaque aleur e gain, toute le réitance oient être ajutée. On lui préfère le montage e la Figure..... Ajutage u gain Figure. : amplificateur intrumentation à eux étage Par uperpoition e état équilibre en coniérant éparément le er étage, on obtient pour V : V V V. // De même pour le ème étage, V et : V V V V. // Aprè regroupement e ce eux expreion et implification, on obtient : V ( V ) V Le gain et maintenant ajutable à partir une eule réitance. Il ubite néanmoin e inconénient : Le traitement e l amplification e la oie et la oie n et pa ymétrique. L amplification e la oie épen u gain e A et e A alor que l amplification e la oie épen e A. Ceci entraîne pour e tenion e moe commun importante, un rique e aturation e AOP. La tructure que nou allon étuier et complètement ymétrique... Amplificateur intrumentation à troi AOP L amplificateur intrumentation e la Figure. 5 et contitué par un amplificateur ifférentiel A3. A et A n amplifient pa la tenion e moe commun mai amplifient le moe ifférentiel. En effet, pour une tenion e moe commun préente ur le eux entrée V V V et V (onc V V Vmc), i 0. i. La chute e tenion an le réitance 3

24 et onc nulle. On a onc V V et V V et un gain en moe commun égal à pour l étage contitué par A et A. Figure. 5 : amplificateur intrumentation à troi AOP En moe ifférentiel, le gain e A et A et : La tenion V et onc onnée par : V ' V ' ( V V ) ' ' V V ( V ) Le taux e réjection e moe commun un étage e ce type et augmenté par rapport à un amplificateur ifférentiel à un eul étage puique l étage A, A poèe un gain e en moe commun et un gain upérieur à en moe ifférentiel. Le performance en matière e gain e moe commun épenent e l étage A3. Dan le ca ou l on a, le gain en moe commun e l étage A3 et : A mc. On a onc : T rmc A 0. Log A mc ' 0. Log Pour que e fort Trmc oient obtenu, le réitance et oient être trè précie ( faible). La préciion e et importe moin. Il n exite aucun intérêt aujour hui à réalier en icret un montage aec 3 AOP. On troue ur le marché e AOP intrumentation bon marché et e toute façon plu performant que ce que l on peut obtenir en icret. La Figure. 6 onne le taux e réjection u moe commun pour un amplificateur intrumentation baique e chez Analog Deice le AD 60. Le gain e moe ifférentiel et choii par une unique réitance extérieure placée entre le

25 borne et 8. Le gain et fixé par la réitance u montage e la Figure. 5. Pour 0, le gain et e. Cela ignifie qu il et choii en interne. Figure. 6 : taux e réjection u moe commun (CM) en fonction e la fréquence (ocumentation AD 60 Analog Deice) Le taux e réjection u moe commun et e 30 B pour un gain en moe ifférentiel e 00 ou 000. Celui arie en fonction e la fréquence puique le prouit gain bane limite la aleur u gain en haute fréquence. La Figure. 7 onne un exemple e l utiliation e l AD60 pour la meure e l ECG. Cet exemple et intéreant car il permet e e renre compte e précaution prie lor e la meure e tenion faible. Le électroe e meure e l ECG ont irigée er le entrée 3 et e l amplificateur intrumentation. Le gain en moe ifférentiel et fixé par la réitance c. La tenion e moe commun et obtenue à partir e la tenion prie entre 3 et et elle et réinjecté par l interméiaire e l AD 705. Cette façon e procéer réuit la perturbation e moe commun. Enfin le montage et alimenté par eux batterie pour éiter tou le couplage aec le ecteur. Figure. 7 : exemple e meure e l ECG 5

26 5 Exemple e circuit intégré e conitionnement Nou étuion un circuit etiné au conitionnement un capteur e preion pour réalier un moniteur e repiration en ue e étecter l anxiété par le biai e ariation u rytme e repiration. Ce qui uit et inpiré e la note application 683 u circuit Maxim MAX 57 (pfer.maxim-ic.com/en//max57.pf et pfer.maxim-ic.com/en/an/an683.pf). Le moniteur e repiration utilie un tranucer en ilicium à jauge piézo réitie (PT pour piezo reitie Tranucer) pour étecter le ariation e preion correponant à l inhalation et l expiration air. Le ortie u pont e Wheatone u capteur ilicium ont irigée er le circuit MAX 57 qui a pour but e polarier le pont e meure et e corriger le erreur. La ortie u MAX 57 et irigé er un CAN pour être enoyé ur un PC. Le capteur PT et configuré en pont e Wheatone comme préenté à la Figure. 9 pour une plu grane enibilité (0mV par olt e tenion alimentation). 5. Source erreur e capteur Le ource erreur ont e eux type : forte épenance e l amplitue e la tenion e ortie en fonction e la température et non linéarité e la ariation en fonction e celle-ci, ariation importante e l offet en fonction e la température. Figure. 8 : ource erreur e capteur e type PT Le circuit e la Figure. 9 préente une olution analogique pour corriger la plupart e erreur e capteur. L alimentation et faite à partir un courant fixe et une réitance ont la aleur et fonction e la température fixe la tenion alimentation u pont. L effet e ariation e réitance u pont et réuit par le réitance le réitance tz. Quan la température augmente, le réitance u pont augmentent également. Le réitance en parallèle limite cette augmentation. La tenion continue e ortie et ajuté à une aleur nulle à l aie e eux réitance e pie u pont. 6

27 Figure. 9 : olution analogique e compenation e érie 5. Solution mie en œure an le MAX57 Le ynoptique interne u circuit e conitionnement u pont et placé ur la Figure. 30. On reconnaît en haut ur la gauche la ource e courant programmable e commane u pont e jauge. Le ortie u pont e jauge ont tranmie er un amplificateur à gain programmable (PGA) à capacité commuté. Le gain et commané par 5 regitre qui ont commané par le contenu une eeprom. Pour aurer une erreur inférieure à 0. %, le MAX 57 compene l offet en aleur nominale et en fonction e la température, la tenion maximale e ortie (FSO pourfull Scale Output) et a ariation en fonction e la température et il compene aui le erreur e non linéarité. Figure. 30 : MAX 57 7

28 Pour parenir à la compenation e erreur, le MAX 57 fonctionne en 3 phae : acquiition e la tenion e ortie an correction et contrôle par PC, calibration et compenation e erreur et tockage e aleur compenatrice e erreur an une eeprom, érification en fonctionnement normal. Le programme e contrôle u MAX 57 poèe une bibliothèque e cœur e pont e meure et il permet aapter la commane u pont La Figure. 3 étaille la correction en fonction e la température. La ource e courant commane le pont e Wheatone. La tenion Vbr et fonction e la température. Cette tenion commane le tenion e référence e conertieur numérique analogique et la tenion e ortie e ce ernier et onc fonction e la température. Quan la température augmente, la tenion e ortie e CNA et onc réuite. Un CNA e réolution 6 bit commane la tenion maximale e ortie (FSO) tani que l autre commane l offet qui ient ajouter à la ifférence e eux tenion en ortie u pont. Figure. 3 : iagramme implifié e la commane en fonction e la température 6 Amplificateur iolement Dan le ca e forte tenion e moe commun, il et parfoi préférable ioler galaniquement la tenion meurée en ortie u capteur e la tenion e ortie enoyé er l étage acquiition. L iolation e eux partie permet ourir le circuit et éiter que le courant e moe commun ne circulent e part et autre u ipoitif iolation. Le méthoe pour ioler ont : utiliation un tranformateur, utiliation un opto coupleur ou un ytème optique, utiliation un amplificateur iolement. Nou étuieron ici le ca un amplificateur iolement. Nou aon u l intérêt ioler la meure et il et aui néceaire ioler le alimentation qui eront élirée à partir un tranformateur éparé ou un conertieur DC - DC. 8

29 Le tranformateur ne permet pa e meurer e tenion continue et cette contrainte peut être étourné par tranlation en fréquence u pectre meuré. Le circuit qui illutre notre propo et un amplificateur iolement à ba coût e type AD0. Il utilie troi tranformateur comme le montre la Figure. 3. Figure. 3 : chéma interne e l AD0 A partir e l alimentation externe préente ur le broche 9 et 30, il et élaboré une nouelle alimentation an connection galanique aec la ère an le bloc power. L étage Power Ocillator ient écouper la tenion alimentation externe pour enir par l interméiaire e tranformateur T et T3 alimenter la partie proche u capteur c et à ire le bloc Input et alimenter la partie proche e l acquiition faite an le bloc Output. Il n y a bien ur pa e connexion électrique entre le broche 9, 30 et le broche 3,,, 5. Le circuit accepte une tenion ifférentielle entre le entrée 7, 9 et la ortie égale à ± 3500 V crête. Le capteur ou le pont e meure et connecté entre le broche 7 et 9 ; l étage e moulation commane T qui tranfère le ignal u capteur à l étage e émoulation préent à proximité u ytème acquiition. La Figure. 33 écrit un ytème acquiition à oie entrée iolée. Le AD0 ont alimenté à partir une alimentation commune 0 V et 5 V. Coté capteur, ur le oie &, l offet e amplificateur et corrigé par le potentiomètre placé entre le broche et 5. Sur la oie (channel ), c et une liaion - 0 ma qui permet e tranmettre un nieau 0 et par le eux aleur e courant. Ce eux courant génèrent une tenion entre le broche 9 et 8 e l AD0 u haut. Cette tenion et amplifiée par le gain ( 00/(8.5 G )). L amplificateur uieur e l AD 0 e ortie élire a ortie ur le multiplexeur AD 750. La oie et contituée par l AD 590 qui et un capteur e température et l AD 580 élire une tenion e référence e.5 V ce qui permet e rajouter une tenion continue table en ortie. 9

30 Sur la oie 3, la tenion préente ur E IN et amplifiée aec un gain e 0. Figure. 33 : ytème acquiition oie Sur la oie, l AD 58 élire une tenion e 0 V pour polarier le pont e meure. Le circuit A permet e polarier le milieu u pont à 0 V et le ba u pont à 0 V. En l abence e graneur meuré ur la oie, l autre ortie u pont et à 0 V. Aprè un gain e 000, cette tenion et appliquée ur l entrée 9 e l AD0 u ba. Le ortie e AD 0 ont appliquée ur le entrée u multiplexeur AD 750 et la ortie et appliquée ur l entrée u CAN. Lor e la conception u PCB e l AD 0, il et important e réuire le plu poible la capacité paraite préente entre le eux entrée pour éiter une conerion u ignal moe commun er moe ifférentiel. Dan le ca ou cette conition et repectée, on peut contater ur la Figure. 3 que le taux e réjection u moe commun (CM pour Common Moe ejection atio) e l AD 0 et important en bae fréquence. En plu haute fréquence, le capacité paraite entre le primaire et le econaire e tranformateur T, T et T3 préent an l AD 0 limite le CM. 30

31 Figure. 3 : taux e réjection u moe commun e l AD0 3