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03/06/2018

Une Introduction | Frédéric Druillole

CENBG LES SYSTEMES D'ACQUISITION DE DONNEES

V5.0

DAQ: du détecteur à la mesure

1 lundi, septembre 24, 2018

Version 2018

DAQ: du détecteur à la mesure

2

DAQ: du détecteur à la mesure

3

TABLES DES MATIERES

I. CONSIDERATIONS GENERALES ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2

I.1. Introduction -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2

I.2. La mesure ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2

I.2.1 Définitions --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2

I.3.1 Définitions --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

I.3.2 Architecture pour capteurs. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6

I.3.3 Architecture pour détecteurs -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8

II. CARACTERISTIQUES ET ARCHITECTURES DES ADC (CAN) --------------------------------------------------------------------------------- 12

II.1. Le pourquoi du comment ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12

II.1.1 Le codage -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13

II.1.2 La quantification ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18

II.1.3 Le critère de Nyquist (théorème de Shannon) --------------------------------------------------------------------------------------- 19

II.1.4 Les imperfections et leurs conséquences -------------------------------------------------------------------------------------------- 20

II.2. Traitement du signal ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24

II.2.1 Numérisation --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24

II.2.2 Analyse des données ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29

II.3. Les différents ADC ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 30

II.3.1 Les convertisseurs à intégration ou à rampe ----------------------------------------------------------------------------------------- 30

II.3.2 Les convertisseurs à approximations successives ----------------------------------------------------------------------------------- 30

II.3.3 Les conǀertisseurs ͞flash" ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31

II.3.4 Les conǀertisseurs ͞pipeline" ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31

II.3.5 Les conǀertisseurs ͞sub branching" ou semi-flash ---------------------------------------------------------------------------------- 31

II.3.6 Les convertisseurs sigma-delta ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31

II.3.7 Résumé ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32

III. DIMENSIONNEMENT D'UNE CHAINE DAQ ------------------------------------------------------------------------------------------------- 32

III.1. Dimensionnement et résolution ---------------------------------------------------------------------------------------------- 33

III.2. Débit de données ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 34

III.3. Temps mort ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 35

III.4. Conclusion -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35

IV. TRANSMISSION DES DONNEES --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35

IV.1. Composants à composants ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 36

IV.2. Cartes à Cartes -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36

V. LES LOGICIELS D'ACQUISITION --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37

V.1. Les architectures logicielles ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 37

V.2. Le systğme d'information compledže ----------------------------------------------------------------------------------------- 38

V.2.1 Le stockage des données ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 38

V.2.2 Simulation de la chaîne de détection --------------------------------------------------------------------------------------------------- 39

VI. ANNEXE 1: LA COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE ------------------------------------------------------------------------------------- 40

VI.1. Couplage 1͗ circulation dans un conducteur d'un courant. ------------------------------------------------------------ 40

VI.2. Couplage 2: ddp entre conducteur et masse ------------------------------------------------------------------------------- 40

VI.3. Couplage 3: courant variable dans un conducteur ----------------------------------------------------------------------- 41

VI.4. Couplage 4: ddp variable entre conducteur -------------------------------------------------------------------------------- 41

VI.5. Couplage 5: effet du champ électrique sur un conducteur ------------------------------------------------------------- 41

VI.6. Couplage 6: effet du champ magnétique dans une boucle ------------------------------------------------------------- 42

VI.7. Mode de couplage --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42

VII. ANNEXE 2: PROBABILITES ET STATISTIQUES -------------------------------------------------------------------------------------------- 42

VII.1. Etude des données --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43

DAQ: du détecteur à la mesure

4

VII.1.1 Les 3 cas du dénombrement : -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43

VII.1.2 Analyse des données ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 44

VII.1.3 Les tableaux de traitements ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 45

VII.1.4 Les Modèles statistiques de distributions ----------------------------------------------------------------------------------------- 46

La loi binomial ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 46

VIII. ANNEXE 3: ETUDE EN BRUIT ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 56

VIII.1. Problématique ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 56

VIII.1.1 Le phĠnomğne d'empilement -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 58

VIII.1.2 Le phénomène de déficit balistique------------------------------------------------------------------------------------------------- 58

VIII.1.3 Le phénomène de crosstalk ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 59

VIII.1.4 Le bruit du détecteur ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 60

VIII.2. Les outils statistiques -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 61

VIII.2.1 Domaine temporel ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 63

VIII.2.2 Domaine fréquentiel -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 65

VIII.3. Modèle électronique du bruit ---------------------------------------------------------------------------------------------- 66

VIII.3.2 Bruit basse fréquence ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 68

VIII.3.3 Bruit dans une capacité et une inductance --------------------------------------------------------------------------------------- 70

VIII.3.4 Bruit dans une diode -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 70

VIII.4. Analyse en bruit de montages classiques ------------------------------------------------------------------------------- 72

VIII.4.1 Amplificateur en courant -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 72

IX. DISSIPATION THERMIQUE DANS LES SYSTEMES D'ACQUISITIONS --------------------------------------------------------------------------- 78

IX.1. Problématique -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 78

IX.2. Les phénomènes thermiques -------------------------------------------------------------------------------------------------- 79

IX.2.1 Modèle de base ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 79

IX.2.2 Définition de la conduction --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 80

IX.2.3 Convection ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 81

IX.2.4 Rayonnement -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 85

IX.3. Le niǀeau d'analyse -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 93

IX.3.1 Algorithme d'analyse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 93

IX.3.2 Composants ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 95

IX.4. Les moyens de dissipation ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 97

IX.4.1 Passifs ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 97

IX.4.2 Actifs ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 100

IX.5. Exemples ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 101

IX.5.1 Standards ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 101

IX.5.2 Dans le vide ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 101

DAQ: du détecteur à la mesure

1

RESUME

partie est consacrée à la numérisation des signaux et aux conséquences sur les signaux. La dernière partie est consa-

crée aux aspects logiciels et transmission de données. bruit.

DAQ: du détecteur à la mesure

2

I. Considérations générales

I.1. Introduction

poussée du traitement des signaux aléatoires (bruit), des connaissances sur les composants électroniques, les langages

de synthèses hardware (VHDL, Verilog), du fonctionnement des µprocesseurs, des langages informatiques (Java, C,

l'optimisation des performances, il faut une culture en refroidissement des systèmes électroniques, en compatibilité

électromagnétique et une dose de physique pour comprendre le fonctionnement des capteurs et des détecteurs.

I.2. La mesure

et/ou de réparation pour des systèmes de façon générale. Il est intéressant de proposer des fonctions globales à

toires pour prĠsenter le pĠrimğtre d'actions de ces fonctions. Cela nous permettra de lister dans une seconde partie

sures à utiliser selon le besoin du client.

I.2.1 Définitions

Mesure

G·MSUqV © les capteurs en instrumentation industriel, Dunod 7e Edition,G. Asch et col l ») concourent à la connaissance de la valeur numérique du mesurande constitue son mesurage.

Dans le cas des bancs d'instrumentation, nous utilisons des apapreils dont l'objectif est de donner une reprĠsentation

aussi précise que possible du mesurande. L'ensemble des mesurande permet de caractĠriser l'unitĠ sous test, la fonc-

tion physique à acquérir.

Contrôle

Le contrôle est la gĠnĠration de l'ensemble des ǀariables de l'espace des phases d'une unitĠ sous test. Le contrôle doit

être stable. Un système contrôlé consiste à un ensemble de groupe de fonctions permettant de reporter sur le fonc-

litĠ, la ǀitesse d'edžĠcution des actions de l'unitĠ sous test.

Testabilité

grand possible. La testabilité peut s'edžprimer comme une proportion de cas testĠs par rapport ă un test idĠalement

complet du système qui mettrait en évidence tous les cas possibles de défaillance.

La défaillance est définie comme une perte de la fonctionnalité ou des caractéristiques du circuit par rapport aux spé-

cifications demandées. En pratique, elle fait intervenir deux notions importantes : la contrôlabilité et l'obserǀabilitĠ.

DAQ: du détecteur à la mesure

3

Contrôlabilité

indirectement. Une contrôlabilité de 100 % correspondrait à la faculté idéale de contrôler le courant de tous les élé-

veaux logiques seulement. On parle alors de vecteurs de test. La contrôlabilité n'est pas associatiǀe, il n'est en gĠnĠral

l'ensemble car les courants et tensions ne sont pas indĠpendants les uns des autres.

Observabilité

L'obserǀabilitĠ est la capacité que possède un système à pouvoir être observé ou mesuré en tout point directement ou

indirectement. Une observabilité de 100 й correspondrait ă la facultĠ idĠale d'obserǀer le courant de tous les compo-

taines tensions voir à seulement des niveaux logiques. L'obserǀabilitĠ n'est Ġgalement pas associatiǀe, il n'est en gĠnĠ-

ral pas nĠcessaire d'aǀoir une mesure de tous les ĠlĠments d'un systğme pour tendre ǀers une bonne obserǀabilitĠ de

l'ensemble car les courants et tensions ne sont pas indĠpendants les uns des autres.

Un système ou une partie de système est dit testable quand toutes les défaillances peuvent être mises en évidence par

et l'observation de l'unitĠ sous test (cf D.U.T ou U.U.T)

D.U.T ou U.U.T

entrées et sorties hydrauliques.

Bibliothèque de mesures

La bibliothèque de mesures est dĠfinie comme l'assemblage cohĠrent sous une forme utilisable par programmation

de l'ensemble des actions ă rĠaliser pour crĠer des donnĠes proǀenant des ressources matĠrielles fonctionnelles d'un

D.U.T

ENTREES DYNA-

MIQUES

ENTREES STATIQUES

(ALIMENTATIONS)

SORTIES DYNA-

MIQUES

SORTIES STA-

TIQUES (MASSES)

Analogique

Numérique

Haute Fréquence

Analogique

Numérique

Haute Fréquence

DAQ: du détecteur à la mesure

4

I.3. ‡• ƒ"...Š‹-‡...-—"‡• †ǯƒ...“—‹•‹-‹‘

I.3.1 Définitions

La démarche est donc de décrire les objectifs, de choisir un système qui remplit les objectifs, de définir un critère de

performances et d'optimiser le tout pour rĠpondre au besoin.

Théorie du

signal Etude des signaux sous leur forme mathématique et modèlisant un phénomène physique x(t) = a.sin(w.t) + e(t)

Théorie de la

décision Elaboration de modèles statistiques à partir de connaissances A PRIORI en vue de faire un choix optimal à partir des observations (prise de decision à partir de critères)

Objectifs

Modèles +

Critères

Connaissances

à priori

Décider

Capter

Détecter

Numériser

(dé)Moduler (dé)coder (dé)Crypter (dé)Compresser

Analyser

Filtrer

Reconstruire

Discriminer

Classifier

Estimer

Acquérir

Transmettre

Mettre

en forme

DAQ: du détecteur à la mesure

5

Il faut donc avoir les connaissances sur les " principes » (mettant en adéquation les observations avec le modèle), les

la solution répondant au mieux aux objectifs.

Le cours abordera la partie numérisation, de façon succincte la partie analyse, le dimensionnement de la chaîne

poussée la théorie de la décision et du signal.

peut être continu comme la tempĠrature, la pression, l'humiditĠ ou bien alĠatoire ou discontinue comme la radioacti-

vité, le signal radiofréquence. Dans le premier cas, la détection se fait à base de capteurs, dans le second cas, on utilise

des détecteurs. Dans le cas du capteur, le système définit la fréquence à laquelle il acquière les données. Le capteur est

nence le signal issu du détecteur pour ne pas perdre l'information dĠsirĠe. La conséquence est deux architectures

système différentes selon la nature du signal physique à traiter.

sur bruit et pour s'adapter ă l'entrĠe du bloc numĠrisation. Le signal, maintenant comprĠhensible par un ordinateur,

est transmis à une unité de traitement. Cette unité va gérer la mesure, la sauvegarder, la transférer sur réseau et ou

déclencher une action sur le système. Pour cette dernière étape, une donnée numérique sera transmise à un conver-

tisseur numérique/ analogique, puis mise en forme analogiquement pour piloter un organe d'action (rhĠostat, moteur

tement le convertisseur numérique analogique uniquement.

Figure 1 : Représentation -

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