Capteur echantillonage

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Publié le : jeudi 21 juillet 2011
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CHAPITRE I La chaîne d’acquisition - restitution Micro Enceinte Filtre Passe Bas AmplificateurEchantillonneur Disque Laser Bloqueur Filtre passe bas 1 10 01 10 01 11 11 1 1 Conversion 1 Conversion Analogique Numérique Numérique Analogique RestitutionAcquisition Stockage Olivier FRANÇAIS, 2000 Structure de la chaîne d’acquisition ESIEE SOMMAIRE La chaîne d’acquisition - restitution I PRINCIPE.......................................................................................................................................................................3 I.1 CAPTEUR ....................................................................................................................................................................3 I.2 AMPLIFICATEUR DE SIGNAL.........3 I.3 FILTRE D’ENTRÉE........................3 I.4 L’ÉCHANTILLONNEUR.................3 I.4 LE CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMÉRIQUE (CAN)...............................................................................................4 I.5 LA ZONE DE STOCKAGE................4 I.6 LE CONVERTISSEUR NUMÉRIQUE ANALOGIQUE (CNA)4 I.7 LE FILTRE DE SORTIE ..................................................................................................................................................4 I.8 AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE...4 I.9 PERFORMANCES GLOBALE...........4 II ACQUISITION DE PLUSIEURS GRANDEURS .....................................................................................................5 II.1 ACQUISITION SÉQUENTIELLE DÉCALÉE......................................................................................................................5 II.2 ACQUISITION SÉQUENTIELLE SIMULTANÉE................................................................................................................5 II.3 ACQUISITION PARALLÈLE...........6 Acquisition de données I.2 Structure de la chaîne d’acquisition ESIEE Structure d’une chaîne d’acquisition numérique I Principe Une chaîne d’acquisition numérique peut se représenter selon la figure suivante : Amp lific a te ur Ec ha ntillo nne ur Capteur F iltra ge CAN 001Bloqueur de signal (Fc) (Te; Fe) 100n bits 110 ... Figure 1: Structure de l’acquisition numérique Elle est souvent associée à une chaîne de restitution : 001 Amp lific a te ur CNA F iltra ge 100 Sortie de puissance(Fc) n bits110 ... Figure 2: Structure dela chaîne de restitution On peut définir très simplement le rôle de chacun des éléments. I.1 Capteur Il est l’interface entre le monde physique et le monde électrique. Il va délivrer un signal électrique image du phénomène physique que l’on souhaite numériser. Il est toujours associé à un circuit de mise en forme. I.2 Amplificateur de signal Cette étape permet d’adapter le niveau du signal issu du capteur à la chaîne globale d’acquisition. I.3 Filtre d’entrée Ce filtre est communément appelé filtre anti-repliement. Son rôle est de limiter le contenu spectral du signal aux fréquences qui nous intéressent. Ainsi il élimine les parasites. C’est un filtre passe bas que l’on caractérise par sa fréquence de coupure et son ordre. I.4 L’échantillonneur Son rôle est de prélever à chaque période d’échantillonnage (Te) la valeur du signal. On l’associe de manière quasi-systématique à un bloqueur. Le bloqueur va figer l’échantillon pendant Acquisition de données I.3 Structure de la chaîne d’acquisition ESIEE le temps nécessaire à la conversion. Ainsi durant la phase de numérisation, la valeur de la tension de l’échantillon reste constante assurant une conversion aussi juste que possible. On parle d’échantillonneur bloqueur. I.5 Le convertisseur analogique numérique (CAN) Il transforme la tension de l’échantillon (analogique) en un code binaire (numérique). I.6 La zone de stockage Elle peut être un support de traitement (DSP, ordinateur), un élément de sauvegarde (RAM, Disque dur) ou encore une transmission vers un récepteur situé plus loin. I.7 Le convertisseur numérique analogique (CNA) Il effectue l’opération inverse du CAN, il assure le passage du numérique vers l’analogique en restituant une tension proportionnelle au code numérique. I.8 Le filtre de sortie Son rôle est de « lisser » le signal de sortie pour ne restituer que le signal utile. Il a les mêmes caractéristiques que le filtre d’entrée. I.9 Amplificateur de puissance Il adapte la sortie du filtre à la charge. I.10 Performances globale I.10.1 Fréquence de fonctionnement On peut définir la vitesse limite d’acquisition. Elle va dépendre du temps pris pour effectuer les opérations de : - Echantillonnage Tech - Conversion Tconv - Stockage Tstock Ainsi la somme de ces trois temps définit le temps minimum d’acquisition et donc la fréquence maximum de fonctionnement de la chaîne : 1 T = T + T + T soit F =acq ech conv stock max T T T + +ech conv stock I.10.2 Résolution de la chaîne La numérisation d’un signal génère un code binaire sur N bits. On obtient donc une Nprécision de numérisation de 1 2 % . Il faut donc que tous les éléments de la chaîne de conversion aient au moins cette précision. NOn leur demande en général une résolution absolue de (0.5*1 2 % ). Acquisition de données I.4 Structure de la chaîne d’acquisition ESIEE II Acquisition de plusieurs grandeurs Dans le cadre d’une chaîne d’acquisition traitant plusieurs capteurs (N) vers une même zone de stockage, il existe différentes structures qui différent en terme de performances et de coût. N Capteurs 1 zone de stockage (traitement) numérique ⇒ II.1 Acquisition séquentielle décalée Elle se base sur l’utilisation en amont d’un multiplexeur qui va orienter un capteur vers la chaîne unique d’acquisition : V1 V2 n E/B CAN VN Mux Séquenceur Figure 3: Structure séquentielle décalée L’avantage de cette structure est bien évidemment son côté économique. Par contre il y a un décalage dans le temps des acquisitions. On réservera donc cette structure ne nécessitant pas une synchronisation entre les données numérisées. De plus le temps d’acquisition complet est à priori élevé car proportionnel au nombre de capteur. II.2 Acquisition séquentielle simultanée De manière à avoir des acquisitions « synchrones », on utilise la même structure que précédemment mais en utilisant des Echantillonneurs Bloqueurs (E/B) en amont du multiplexeur. On est dans une situation d’E/B en tête. V1 E/B V2 nE/B CAN VN E/B Mux Séquenceur Figure 4: Structure séquentielle simultannée La prise des échantillons s’effectue au même instant, la conversion est effectuée de manière progressive. Cela signifie que les E/B assurent un maintien de l’échantillon durant les N acquisitions sans introduire de pertes supérieures à la résolution du CAN. Son coût est moyen. Acquisition de données I.5 Structure de la chaîne d’acquisition ESIEE II.3 Acquisition parallèle C’est la structure la plus complète puisqu’elle consiste à disposer N chaînes d’acquisition en parallèle et de les connecter sur un bus de données commun. n V1 E/B CAN n V2 E/B CAN n n VN E/B CAN Figure 5: Structure parallèle Avec cette structure, il est possible d’effectuer en même temps l’acquisition d’une donnée pendant que l’on en stocke une autre. De même, toutes les conversions peuvent être simultanées, le stockage s’effectuant après. Cela permet un gain de temps sur l’acquisition complète. Mais elle est coûteuse. Acquisition de données I.6 CHAPITRE II Capteurs et électronique associée Olivier Français, 2000 Capteurs et électronique associée ESIEE - Olivier Français SOMMAIRE I DÉFINITIONS .................................................................................................................................................... 3 I.1 MESURANDE ................................................................................................................................................... 3 I.2 CAPTEUR.......................... 3 I.3 CHAÎNE DE MESURE......... 4 I.4 TYPES DE GRANDEUR PHYSIQUE ..................................................................................................................... 4 II CLASSIFICATION DES CAPTEURS............................................................................................................ 5 II.1 CAPTEURS PASSIFS.......... 5 II.2 CAPTEURS ACTIFS........... 5 III PERFORMANCES D’UN CAPTEUR : DÉFINITION MÉTROLOGIQUE ............................................ 7 III.1 ETENDUE DE LA MESURE .............................................................................................................................. 7 III.1.1 Zone nominale d’emploi ....................................................................................................................... 7 III.1.2 Zone de non-détérioration.............................................................................................. 7 III.1.3 Zone de non-destruction ....................................................................................................................... 7 III.2 RÉSOLUTION................................................................................................................................................. 7 III.3 CARACTÉRISTIQUE D’ENTRÉE-SORTIE D’UN CAPTEUR.................................................................................. 7 III.4 SENSIBILITÉ................... 8 III.5 FINESSE......................... 8 III.6 LINÉARITÉ..................... 8 III.7 CARACTÉRISTIQUES STATISTIQUES D’UN CAPTEUR ...................................................................................... 9 III.8.1 Fidélité.................................................................................................................................................. 9 III.8.2 Justesse.................................. 9 III.8.3 Précision............................................................................................................................................... 9 III.8 RAPIDITÉ ...................................................................................................................................................... 9 IV CONDITIONNEUR ASSOCIÉ .................................................................................................................... 10 IV.1 CAPTEURS ACTIFS....... 10 IV.1.1 Capteur source de tension :................................................................................................................ 10 IV.1.2 Capteur source de courant :.................. 10 IV.1.3 Capteur source de charge................................................................................................ 11 IV.2 CAPTEURS PASSIFS...... 11 IV.2.1 Montage potentiométrique.................. 11 IV.2.2 Montage en pont ................................................................................................................................. 13 IV.2.3 Montage oscillant 14 Acquisition de données II.2 Capteurs et électronique associée ESIEE - Olivier Français Les capteurs Lorsque l’on souhaite traduire une grandeur physique en une autre grandeur, on fait appel à ce que l’on nomme classiquement « capteur ». Son rôle est de donner une image interprétable d’un phénomène physique de manière à pouvoir l’intégrer dans un processus plus vaste. Ainsi, un capteur de température au sein d’un micro-processeur s’intègre dans le processus de stabilisation en température du composant de manière à assurer son bon fonctionnement. De cette mesure va dépendre la vitesse de rotation du ventilateur ou la commande en courant d’un module à effet Peltier. I Définitions I.1 Mesurande C’est la grandeur physique que l’on souhaite connaître. I.2 Capteur C’est l’élément qui va permettre sous l’effet du mesurande d’en délivrer une image exploitable (signal électrique par exemple). On parle aussi de transducteur, la grandeur physique d’entrée (le mesurande) étant transformée en une autre grandeur physique de sortie ou en un signal électrique. Figure 1 : principe d’un capteur Généralement, on obtient une grandeur de sortie du type électrique. Elle peut être soit : - une charge, - une tension, - un courant, - une impédance ( R, L, C). Acquisition de données II.3 Capteurs et électronique associée ESIEE - Olivier Français I.3 Chaîne de mesure Pour obtenir une image d’une grandeur physique, on fait appel à une chaîne de mesure qui peut faire intervenir plusieurs phénomènes différents. Par exemple, la mesure d’un débit peut se faire en plusieurs étapes : - transformation du débit en une pression différentielle, - transformation de la pression différentielle en la déformation mécanique d’une membrane, - transformation de la déformation mécanique en une grandeur électrique (à l’aide d’un piézo-électrique) via un circuit électronique associé. L’ensemble de ces étapes constitue la chaîne de mesure. mesurande grandeur Signal mesurande secondaire électrique électrique primaire Corps Capteur Conditionneur d'épreuve intermédaire CHAINE DE MESURE Figure 2 : constitution d’une chaîne de mesure classique De manière classique la sortie d’une chaîne de mesure est du type électrique. Si la chaîne de mesure fait intervenir plusieurs transducteurs, on appelle corps d’épreuve celui en contact direct avec le mesurande. Le dernier transducteur est associé à un conditionneur qui fournit la grandeur électrique de sortie de manière exploitable. Le choix de ce conditionneur est une étape importante dans le cadre de la chaîne de mesure car, associé au capteur, il détermine la nature finale du signal électrique et va influencer les performances de la mesure. I.4 Types de grandeur physique On peut classer les grandeurs physiques en 6 familles, chaque capteur s’associant à l’une de ces 6 familles : - Mécanique : déplacement, force, masse, débit etc… - Thermique : température, capacité thermique, flux thermique etc... - Electrique : courant, tension, charge, impédance, diélectrique etc… - Magnétique : champ magnétique, perméabilité, moment magnétique etc… - Radiatif : lumière visible, rayons X, micro-ondes etc... - (Bio)Chimique : humidité, gaz, sucre, hormone etc… Acquisition de données II.4
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