Makers et ingénieurs : familiarisez-vous avec votre amplificateur de mesure pour une capture précise des données IoT

Par Art Pini

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

La détection est le point de départ de l'Internet des objets (IoT) et des applications domestiques intelligentes. Elle constitue également le premier problème auquel font face les adeptes du DIY, les makers et même les concepteurs professionnels. La conception de nombreux transducteurs économiques comme les accéléromètres, les capteurs de force, les extensomètres et les transducteurs de pression se base sur des ponts de Wheatstone résistifs pour des tensions différentielles en millivolts (mV).

Avant d'entrer dans les détails, il est essentiel de capturer ces signaux de faible niveau de manière précise et de les amplifier jusqu'à des niveaux compatibles avec les convertisseurs analogique-numérique (CAN) sans décalage CC ni bruit. De même, la détection du courant à l'aide de shunts d'ampèremètre haut potentiel nécessite des amplificateurs sans entrées référencées à la masse et pouvant tolérer des tensions de mode commun élevées.

Pour assurer la précision des données capturées, les makers et les adeptes du DIY doivent se familiariser avec l'amplificateur de mesure (INA). Il s'agit d'un amplificateur différentiel équilibré avec un gain facilement contrôlable, une faible dérive de décalage et des propriétés d'annulation du bruit. C'est un complément systématique pour les transducteurs économiques destinés aux applications de surveillance du domicile. En outre, étant doté de deux entrées haute impédance non référencées à la masse, il est également idéal pour tous les types de mesures différentielles flottantes.

Cet article décrit la chaîne de signaux du capteur jusqu'au processeur, ainsi que la nécessité d'une réjection du mode commun, d'une précision et d'une stabilité au niveau de l'étage de l'amplificateur. Il présente également des capteurs et amplificateurs de mesure adaptés, ainsi que leur mode d'utilisation.

Transducteurs piézorésistifs

Parmi les transducteurs, les plus populaires sont ceux qui utilisent des éléments piézorésistifs. Ils servent notamment à mesurer la tension physique, la force, l'accélération et la pression.

De petits éléments piézorésistifs sont fixés aux éléments mécaniques du transducteur. Il peut s'agit de barres, de plaques, de ressorts ou de diaphragmes. Le paramètre faisant l'objet de la détection entraîne la déformation de la structure mécanique. Les éléments piézorésistifs sont soumis à une contrainte proportionnelle au paramètre détecté qui modifie la résistance électrique des éléments.

La résistance de l'élément piézorésistif fait typiquement partie d'une configuration de circuit à pont de Wheatstone (Figure 1). Si la tension d'entrée au niveau du pont est constante et que les quatre résistances ont une valeur identique, le pont est considéré comme équilibré et la tension de sortie VOUT est nulle.

Schéma du pont de Wheatstone

Figure 1 : Dans un pont de Wheatstone, le transducteur constitue typiquement l'un des quatre éléments résistifs. La tension de sortie change proportionnellement à la variation de la résistance provoquée par la pression ou par d'autres forces. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Dans la Figure 1, R4 représente le transducteur. Les variations de pression ou d'un autre paramètre mesuré entraînent l'application d'une contrainte sur la structure mécanique et les résistances, ce qui modifie la résistance électrique des piézorésistances. La résistance du transducteur s'écarte donc de sa valeur nominale, proportionnellement à la pression appliquée. La tension de sortie VOUT du pont, quant à elle, est proportionnelle à la variation de la résistance et donc à la pression du capteur.

Il est important de noter que VOUT s'élève à un potentiel d'une valeur nominale égale à la moitié de VIN. Il s'agit de la tension de signal de mode commun. Pour un transducteur avec une portée de tension pleine échelle de 50 mV, un incrément de tension de 1 % s'élève à 0,5 mV. Dans le cas d'un niveau de mode commun de 2 V, le taux de réjection du mode commun (TRMC) doit être de 72 dB pour résoudre la variation de tension.

Le modèle MPX2050DP de NXP Semiconductors est un transducteur de pression à deux ports de 50 kPa (7,5 psi) qui fournit un niveau de signal de sortie pleine échelle de 40 mV (Figure 2). La configuration à deux ports permet de mesurer la pression différentielle ou manométrique (par rapport à la pression atmosphérique).

Image du transducteur de pression à deux ports piézorésistifs MPX2050DP de 50 kPa de NXP Semiconductors

Figure 2 : Le modèle MPX2050DP de NXP Semiconductors est un transducteur à deux ports piézorésistifs de 50 kPa (7,5 psi) avec un signal de sortie pleine échelle de 40 mV. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Les transducteurs commerciaux intègrent des réseaux de compensation de température pour s'assurer qu'ils réagissent uniquement au paramètre souhaité et non pas aux variations de leur environnement.

Le modèle FX1901-0001-0050-L de TE Connectivity est un capteur de force de compression piézorésistif avec une portée de 22,68 kgf (50 lbf). Ce capteur mesure la force au lieu de la pression, mais il utilise une topologie de mesure à pont de Wheatstone similaire au transducteur de pression. Sa sensibilité est de 20 mV/V. Ainsi, pour une alimentation de 5 V, la sensibilité de charge pleine échelle est de 100 mV.

La fonctionnalité commune de ces transducteurs est que leurs niveaux de sortie différentielle se situent dans une plage en millivolts. Ils doivent donc être amplifiés pour pouvoir être utilisés avec un CAN. C'est là que l'amplificateur de mesure (INA) entre en jeu.

Amplificateur de mesure

Un amplificateur de mesure est un amplificateur différentiel basé sur une technologie d'amplificateur opérationnel. Il est doté d'entrées différentielles et d'une sortie asymétrique. Comme il s'agit d'un amplificateur différentiel, il peut réduire les signaux de mode commun. Cette fonction correspond à la spécification connue sous le nom de TRMC, mentionnée précédemment. Cela fait du dispositif une solution idéale pour l'amplification des faibles signaux en cas de signaux de mode commun ou de décalages élevés. En outre, les amplificateurs de mesure sont caractérisés par un gain précis et stable pouvant être facilement ajusté, une haute impédance d'entrée et une faible impédance de sortie.

Deux topologies de circuit sont utilisées pour les amplificateurs de mesure. La plus courante est la conception à trois amplificateurs opérationnels illustrée à la Figure 3. Dans cette configuration de circuit, les amplificateurs U1 et U2 sont des tampons d'entrée non inverseurs. Ils alimentent U3, qui est un amplificateur différentiel. Le gain de l'amplificateur de mesure est défini principalement avec la résistance RG. L'entrée de référence, qui est généralement mise à la masse lorsqu'elle n'est pas utilisée, contrôle le niveau de tension de décalage de sortie. L'entrée de détection peut être utilisée pour modifier le gain de l'amplificateur différentiel de sortie. Lorsqu'elle n'est pas utilisée, elle est reliée à la sortie de l'étage différentiel.

Schéma de la configuration à trois amplificateurs opérationnels d'un amplificateur de mesure

Figure 3 : La configuration à trois amplificateurs opérationnels d'un amplificateur de mesure présente généralement un TRMC CA supérieur à la version à deux amplificateurs opérationnels. Le gain est déterminé par RG. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Il est également possible de réduire le nombre d'amplificateurs opérationnels nécessaires en utilisant une topologie à deux amplificateurs opérationnels (Figure 4).

Schéma d'une configuration à deux amplificateurs opérationnels d'un amplificateur de mesure

Figure 4 : La configuration à deux amplificateurs opérationnels d'un amplificateur de mesure réduit les coûts et la consommation d'énergie. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La topologie du circuit utilise uniquement deux amplificateurs opérationnels et permet de réduire les coûts et la consommation d'énergie. La configuration asymétrique du circuit à deux amplificateurs opérationnels peut entraîner plusieurs problèmes qui limitent l'efficacité du circuit. Surtout, elle peut réduire le TRMC CA par rapport à la conception à trois amplificateurs opérationnels.

Amplificateurs de mesure intégrés

Le modèle INA333AIDRGT de Texas Instruments est un exemple d'amplificateur de mesure basé sur une configuration à trois amplificateurs opérationnels. Il fournit un circuit à dérive nulle pour des spécifications CC exceptionnelles. Le gain peut être défini entre 1 et 10 000 à l'aide d'une seule résistance externe. Son TRMC est de 100 dB pour des gains supérieurs à 100. Il est conçu pour les applications industrielles de 3,3 V à 5 V. La bande passante est liée au gain, avec une bande passante maximale de 150 kHz au gain unité.

À l'inverse, le modèle INA332AIDGKR de Texas Instruments est un amplificateur de mesure large bande basé sur un modèle modifié à deux amplificateurs opérationnels avec un étage de gain supplémentaire. Le gain peut être ajusté entre 5 et 1 000 en fonction de la valeur d'une seule résistance externe. Le TRMC est typiquement de 73 dB. Il comprend une bande passante considérablement plus large de 2 MHz.

L'intégration d'un amplificateur de mesure dans un circuit intégré monolithique permet une mise en correspondance précise des composants actifs et passifs, ce qui garantit un meilleur contrôle du gain et du TRMC (Figure 5).

Schémas des amplificateurs de mesure INA333 et INA332 de Texas Instruments (cliquez pour agrandir)

Figure 5 : Comparaison des schémas simplifiés des amplificateurs de mesure INA333 et INA332 de Texas Instruments illustrant l'implémentation commerciale des topologies à deux et trois amplificateurs opérationnels. (Source de l'image : Texas Instruments)

La conception de référence de Texas Instruments pour l'INA333 de la Figure 6 illustre la simplicité d'utilisation d'un amplificateur de mesure pour prendre en charge un transducteur à pont de Wheatstone. Cette conception analyse l'utilisation d'un extensomètre de 120 Ω comme transducteur actif. Ce circuit peut être appliqué à tous les types de capteur ou transducteur à pont de Wheatstone, avec une simulation dans un simulateur TINA TI SPICE.

Schéma de la simulation TINA TI d'un amplificateur à extensomètre avec l'INA333 de Texas Instruments

Figure 6 : Une simulation TINA TI d'un amplificateur à extensomètre avec l'INA333 de Texas Instruments montre un extensomètre (Rsg) avec une résistance nominale de 120 Ω et une plage de lectures de 4,47 V pour une excursion de 10 Ω dans Rsg. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

L'extensomètre (Rsg sur la Figure) a une résistance nominale de 120 Ω avec une variation possible de 115 Ω à 125 Ω. L'objectif est d'utiliser ce dispositif avec un CAN doté d'une plage d'entrée de 0 à 5 V.

Pour cela, le gain de l'amplificateur est défini à 1 001 avec une tension de référence de 2,5 V. La caractéristique de transfert CC détermine la tension de sortie de l'amplificateur de mesure en fonction de la variation de la résistance de l'extensomètre. Les lectures du curseur de la simulation indiquent une plage de sorties de 4,47 V pour une excursion de 10 Ω au niveau de la résistance de l'extensomètre.

Détection de courant haut potentiel

L'une des techniques les plus courantes pour mesurer le courant électrique consiste à utiliser une résistance de faible valeur comme shunt d'ampèremètre. Pour les mesures d'alimentation de l'ordre de quelques ampères, une résistance d'environ 10 mΩ produit une baisse de tension de 10 mV/A (Figure 7).

Schéma de l'application d'un amplificateur de mesure pour la détection de courant haut potentiel avec une résistance shunt

Figure 7 : Application d'un amplificateur de mesure pour la détection du courant haut potentiel avec une résistance shunt (RSENSE) entre la source de tension de l'amplificateur de mesure et la charge. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Si la résistance shunt est placée entre la charge et la masse, il s'agit d'une détection de courant bas potentiel. Si la résistance shunt est placée entre la source d'alimentation et la charge, il s'agit d'une détection de courant haut potentiel. La détection haut potentiel présente l'avantage d'éliminer les interférences à la masse. Elle permet également de détecter les défaillances de mise à la masse de la charge.

La détection de courant haut potentiel nécessite un examen minutieux des tensions de mode commun appliquées à l'amplificateur de mesure, comme indiqué ultérieurement.

Si la valeur de RSENSE est de 10 mΩ, une excursion de courant de 5 A entraîne une tension de 50 mV au niveau de la résistance. L'ajustement du gain de l'amplificateur de mesure à 100 entraîne une excursion de sortie de 5 V.

Éviter les problèmes fréquents liés aux amplificateurs de mesure

Comme il a été précédemment mentionné, il est important d'examiner en détail la plage de tensions de mode commun d'un amplificateur de mesure. Prenons par exemple la mesure de l'extensomètre de la Figure 6. L'amplificateur de mesure fonctionne avec une seule alimentation de 5 V pour simplifier la distribution de puissance. Si l'entrée de référence est mise à la masse, comme c'est généralement le cas avec une double alimentation, l'excursion de sortie est centrée sur 0 V. Étant donné que les deux entrées de l'amplificateur de mesure s'élèvent toutes les deux à environ 2,3 V, sa sortie sera proche de 0 V et ne pourra pas passer en dessous de la référence de 0 V. Le fait d'augmenter l'entrée de détection à 2,5 V centre la tension de sortie aux alentours de 2,5 V, ce qui lui permet de passer au-dessus et en dessous de cette valeur.

Il est également important de veiller à ce que les amplificateurs tampons internes n'arrivent pas à saturation lorsqu'ils fonctionnent avec un gain élevé. Prenons le cas d'une entrée d'amplificateur de mesure de 5 mV avec un gain de 1 000. Dans cette situation, il y a un écart de 5 V entre les sorties des tampons d'entrée. Si l'amplificateur de mesure fonctionne avec une alimentation de 5 V, l'un des tampons sera saturé. Heureusement, les fournisseurs d'amplificateurs de mesure comme Texas Instruments proposent des programmes d'application (« VCM par rapport à VOUT pour les amplificateurs de mesure ») afin de vérifier la plage de mode commun de leurs amplificateurs de mesure.

La dernière mesure de précaution concerne le retour à la masse pour les entrées de l'amplificateur de mesure. Si les entrées sont dotées d'une liaison CA ou branchées à un dispositif flottant comme un thermocouple, une résistance à valeur élevée doit être placée entre l'entrée et la masse pour purger le courant de polarisation d'entrée de l'amplificateur.

Conclusion

Comme les ingénieurs professionnels et les adeptes du DIY le découvrent rapidement, la connexion de capteurs à l'IoT nécessite avant tout une bonne compréhension du mode d'acquisition et d'amplification d'un signal de faible niveau à partir d'un pont de Wheatstone avant de le convertir dans le domaine numérique à l'aide de CAN.

Les amplificateurs de mesure sont parfaits pour amplifier les signaux différentiels. Ils offrent un gain élevé, une très bonne réjection du mode commun et une haute impédance d'entrée. Étant donné qu'ils sont disponibles dans plusieurs configurations, il est important de comprendre leur mode de fonctionnement, leurs spécifications clés et les points à surveiller lors de leur utilisation.

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À propos de l'auteur

Art Pini

Arthur (Art) Pini est un auteur-collaborateur chez Digi-Key Electronics. Il est titulaire d'une licence en génie électrique du City College of New York et d'un master en génie électrique de la City University of New York. Il affiche plus de 50 ans d'expérience en électronique et a occupé des postes clés en ingénierie et en marketing chez Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek et Nicolet Scientific. Il s'intéresse aux technologies de mesure et possède une vaste expérience des oscilloscopes, des analyseurs de spectre, des générateurs de formes d'ondes arbitraires, des numériseurs et des wattmètres.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key