Choisir les composants appropriés pour obtenir une résolution de mesure de 7,5 chiffres

Les concepteurs d'instruments sont mis au défi d'atteindre une résolution de 7,5 chiffres dans les systèmes d'acquisition de données hautes performances, notamment les multimètres numériques (DMM), les balances et les enregistreurs sismiques. Alors que les convertisseurs analogique-numérique (CAN) à pentes multiples sont utilisés pour les instruments avec des résolutions allant jusqu'à 6,5 chiffres, les conceptions à plus haute résolution deviennent plus complexes en raison de plusieurs limites dans les spécifications des composants et des défis de mise en œuvre.

Cet article étudie comment les contraintes de spécification des composants analogiques de précision influent sur la résolution pouvant être obtenue par les instruments. Il montre ensuite comment obtenir une résolution de 7,5 chiffres en sélectionnant soigneusement des CAN à registre d'approximations successives (SAR), des références de tension de haute précision, des réseaux de résistances appariées et des amplificateurs à faible bruit (LNA) à dérive nulle d'Analog Devices.

Présentation d'un circuit d'entrée de numériseur

Les instruments numériques de précision, tels que les multimètres numériques, utilisent un circuit d'entrée qui convertit les tensions analogiques en valeurs numériques. Au cœur du circuit d'entrée se trouve le convertisseur CAN (Figure 1). La plupart des CAN possèdent une plage de tensions d'entrée fixe, de sorte que les signaux d'entrée doivent être amplifiés ou atténués pour s'y adapter. Cela nécessite des amplificateurs et des atténuateurs résistifs. Si un CAN SAR est utilisé, une source de référence de tension de précision est également nécessaire. Tous ces composants doivent être sélectionnés avec une attention particulière portée au faible bruit, à la faible dérive CC et à la stabilité du gain afin d'optimiser la précision globale du système.

Figure 1 : Schéma fonctionnel d'un circuit d'entrée numérique pour un instrument de haute précision, dont le cœur est un convertisseur analogique-numérique (CAN). (Source de l'image : ADI)

Sélectionner le convertisseur analogique-numérique approprié

La première étape dans le choix d'un CAN consiste à déterminer la résolution de tension requise. Avec un instrument tel qu'un multimètre numérique, celle-ci est généralement spécifiée en chiffres. Un multimètre numérique de table classique présente une résolution de 6,5 chiffres. Cela signifie qu'il affiche six décimales (de 0 à 9) plus une demi-décimale dont les valeurs correspondent à 0 ou 1. La plage de lecture non mise à l'échelle s'étend de +1 999 999 à -1 999 999 points, ce qui correspond à une résolution totale de 4 000 000 de points.

Pour un dispositif binaire, le nombre de points est simplement égal à deux élevé à la puissance du nombre de bits. Le nombre de chiffres et le nombre de bits peuvent être représentés graphiquement l'un par rapport à l'autre (Figure 2), mais ils ne correspondent pas à des multiples entiers l'un de l'autre.

Figure 2 : Représentation graphique du nombre de chiffres en fonction du nombre de bits, calculé à la fois pour des nombres entiers de bits et pour le nombre de chiffres affichés. (Source de l'image : Art Pini)

Le dénominateur commun à ces calculs est le nombre de valeurs discrètes représentées par le dispositif. Le nombre de chiffres pour un nombre donné est simplement log₁₀(nombre). Le nombre équivalent de bits d'un nombre donné est log₁₀(nombre)/log₁₀(2) ou chiffres/log₁₀(2). Ainsi, le nombre de 4 000 000 correspond à 21,932 bits.

Un mot sur la résolution et la précision

Le nombre de chiffres et le nombre de bits font tous deux référence à la résolution de la tension de l'instrument. Un multimètre numérique à 6,5 chiffres dans la plage de 10 volts peut mesurer des tensions comprises entre -10 V et +10 V avec une résolution de 4 000 000 de points. Cela signifie que chaque pas correspond à 5 µV. Il s'agit de la résolution de l'appareil et non de la précision de la lecture. La précision indique la proximité entre la valeur mesurée et la valeur réelle. De nombreux facteurs affectent la précision de la mesure, notamment le bruit, l'erreur de décalage, l'erreur de gain et la non-linéarité. Toutes ces sources d'incertitude proviennent des composants du circuit d'entrée de l'instrument.

Un multimètre numérique classique à 7,5 chiffres sur sa plage de 10 V peut afficher une précision sur 24 heures de 8 parties par million (ppm) de la valeur mesurée plus une incertitude de 2 ppm pour la plage sélectionnée (8+2). La précision nominale à long terme sur 1 an peut être de ±(16+2) ppm. La linéarité du CAN doit être de l'ordre de 1,5 ppm, tandis que l'erreur de température doit être de seulement 5 ±1 ppm par °C (ppm/°C).

Pour atteindre ce niveau de précision, il est nécessaire de comprendre les sources d'erreur à court et à long terme des composants requis.

CAN pour circuits d'entrée numériques de haute précision

La Figure 1 montre un circuit d'entrée numérique typique. Il utilise un CAN SAR 24 bits offrant une haute résolution et une vitesse modérée. Les CAN SAR appliquent le signal d'entrée à un comparateur. L'autre entrée du comparateur reçoit une tension supposée d'un convertisseur numérique-analogique (CNA) piloté par le registre SAR. Le registre comporte autant d'étages que le nombre de bits du CAN. Il commence par générer une tension supposée à mi-chemin de la plage de tensions du CAN. Le comparateur indique que l'entrée est supérieure ou inférieure à la tension supposée par rapport à la référence. Si la valeur supposée est inférieure à l'entrée, un « 1 » est enregistré dans le bit du registre ; dans le cas contraire, c'est un « 0 » qui est stocké.

Le registre passe d'un état à l'autre de manière séquentielle, abaissant la tension supposée par paliers binaires. Lorsque la tension supposée est aussi proche que possible du signal d'entrée, le processus prend fin et le registre contient le code numérique correspondant à la tension d'entrée. Le CAN émet alors un signal de fin de conversion pour lire le code binaire.

Notez que le CAN SAR nécessite une référence de tension précise et stable pour piloter son CNA. Pour un instrument multigamme, la mise en forme des signaux est également nécessaire pour s'assurer que l'entrée du CAN est aussi proche que possible de la gamme pleine échelle du CAN sans la dépasser.

Le dispositif AD4630-24BBCZ-RL d'Analog Devices constitue un bon choix pour un circuit d'entrée numérique à 7,5 chiffres. Ce CAN SAR 24 bits à deux canaux fonctionne à une vitesse de 2 mégaéchantillons par seconde (Méch./s) et prend en charge les opérations asymétriques ou différentielles. Ce CAN utilise une tension de référence de 5 V et fonctionne avec une linéarité typique de 0,1 ppm (0,9 ppm max.). Il comprend un filtre de moyenne par bloc avec un rapport de décimation programmable qui permet de réduire considérablement le bruit et d'étendre la plage dynamique jusqu'à 153 décibels (dB) à de faibles débits de sortie. En utilisant une moyenne par bloc, il atteint un bruit ramené à l'entrée de 98 nV RMS à un débit de données de sortie de 60 hertz (Hz), ce qui donne une résolution effective limitée par le bruit de 7,7 chiffres par rapport à l'entrée pleine échelle.

Référence de tension

Étant donné que le CAN SAR base sa sortie sur des comparaisons entre la tension d'entrée et les niveaux de tension dérivés de la référence de tension, il dépend fortement de la précision, de la stabilité et du niveau de bruit de cette référence. Pour garantir la stabilité, la technologie de référence Zener enterrée permet d'obtenir une tension de claquage très stable en formant le dispositif en profondeur dans le substrat de silicium. Cette approche l'isole de la contamination de surface, réduit les effets thermiques et le rend moins sensible aux contraintes et à l'humidité. Une plus grande stabilité de la tension de référence peut être obtenue en incluant un élément chauffant interne, ce qui minimise encore l'impact des variations de température ambiante.

La référence de tension utilisée dans la Figure 1 est un modèle ADR1001AEZ (Figure 3). Il s'agit d'un dispositif de haute précision thermostaté à Zener enterrée, qui intègre la commande de l'élément chauffant, la source de référence, l'amplificateur séparateur de sortie et toute la mise en forme des signaux associée dans un seul boîtier, ce qui simplifie le processus de conception et réduit l'empreinte de montage.

Figure 3 : Schéma fonctionnel du dispositif ADR1001AEZ qui montre la commande de l'élément chauffant (à gauche), la source de référence (au centre) et l'amplificateur séparateur de sortie (à droite). (Source de l'image : ADI)

La tension de sortie nominale du dispositif ADR1001AEZ est de 6,6 V, ajustée avec précision à 5 V ±0,25 %, avec un courant de sortie nominal de 10 mA. Son élément chauffant intégré maintient un coefficient de température inférieur à 0,2 ppm/°C. Le bruit de sortie de 5 V (0,1 à 10 Hz) est de 0,13 ppm crête à crête (p-p), ce qui correspond à 0,65 mV p-p.

Amplificateurs pour une résolution de 7,5 chiffres

L'amplificateur d'entrée du circuit d'entrée numérique, qui fonctionne avec le réseau de résistances appariées, met à l'échelle le signal d'entrée pour qu'il corresponde à la tension d'entrée spécifiée du CAN. Conçu pour fournir un gain ou une atténuation selon les besoins, cet amplificateur doit présenter une faible dérive de tension et un faible bruit afin d'atteindre la résolution souhaitée de 7,5 chiffres. Pour cette tâche, le dispositif ADA4523-1 stabilisé par découpage constitue un bon choix. Il s'agit d'un amplificateur rail-à-rail à faible bruit et à dérive nulle présentant une tension de décalage de ±4 µV (max.) sur une plage de températures de fonctionnement comprise entre -40°C et +125°C à 5 V. La faible dérive CC est assurée par un circuit d'auto-étalonnage qui maintient la dérive de la tension de décalage en fonction de la température en dessous de 0,01 µV par °C (µV/°C).

Le dispositif ADA4523-1 présente un taux de réjection du mode commun de 160 dB (typique) et un niveau de bruit de 88 nV p-p (typique) de 0,1 à 10 Hz (Figure 4).

Figure 4 : Forme d'onde du bruit de 0,1 Hz à 10 Hz d'un amplificateur ADA4523-1 typique. (Source de l'image : ADI)

Sélection du réseau de résistances appariées

Un réseau de résistances appariées est un boîtier unique contenant plusieurs résistances dont les propriétés électriques sont appariées, telles que la valeur de résistance, la tolérance et le coefficient de température. La résistance absolue n'est pas critique, mais les valeurs sont appariées avec précision et suivent une large plage de températures, de sorte que les rapports de résistance restent constants.

Par exemple, le modèle LT5400BIMS8E-7 (Figure 5) est un réseau de quatre résistances qui comprend deux résistances de 1,25 kΩ et deux résistances de 5 kΩ, ce qui donne un rapport de 4:1 et un gain de quatre. Ces résistances affichent une tolérance de résistance nominale de ±15 %, mais les rapports de résistance sont appariés à ±0,025 %. Grâce au conditionnement commun, le rapport de résistance de 4:1 suit les variations de température, avec un coefficient de température de ±25 ppm/°C. La dérive des rapports de résistance en fonction de la température est de ±0,2 ppm/°C.

Figure 5 : Amplificateur différentiel avec un gain de quatre utilisant le dispositif LT5400-7 (Source de l'image : ADI).

Une faible dérive en température est essentielle car le gain de l'amplificateur est défini par les rapports entre R1/R2 et R4/R3. L'appariement des résistances stabilise le gain de chaque moitié de l'amplificateur et garantit que les gains des deux moitiés correspondent, ce qui permet de maintenir un taux de réjection du mode commun (CMRR) élevé.

Conclusion

Bien que les concepteurs d'instruments aient du mal à atteindre une résolution de 7,5 chiffres dans les systèmes d'acquisition de données hautes performances, il est possible de la mettre en œuvre efficacement grâce à des composants appropriés. Comme indiqué, les composants de haute précision, à faible non-linéarité et à faible dérive de décalage d'Analog Devices, tels que le CAN AD4630-24BBCZ-RL, la référence de tension de précision ADR1001AEZ, l'amplificateur ADA4523-1 et le réseau de résistances appariées LT5400BIMS8E-7, simplifient la conception d'un circuit d'entrée hautes performances.