conditionnement capteur us aide fpaa

Rpublique Algrienne Dmocratique et PopulaireMinistre de l'Enseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique

Universit Hadj Lakhdar BatnaFacult de TechnologieDpartement dElectroniqueMmoirePrsent pour l'obtention du Diplme

De Magister en ELECTRONIQUEOPTION: IC Design

Par :KANOUNI Lahcne

Thme :

CONDITIONNEMENT DUN CAPTEURA ULTRASONS A LAIDE DUN FPAA

Devant le jury constitu de:Pr. MAHAMDI Ramdane Prof. U. Batna PrsidentPr. BOUGUECHAL Nour-Eddine Prof. U. Batna RapporteurDr. BOURIDAH Hachemi MCA U. Jijel ExaminateurPr. OUNISSI Abdelhamid Prof. U. Batna ExaminateurPr. BENHAYA Abdelhamid Prof. U. Batna Examinateur

Dcembre 2013




Par :KANOUNI Lahcne

Thme :



Dcembre 2013




Par :KANOUNI Lahcne

Thme :



Dcembre 2013

2

DEDICACE

Je ddie ce travail :Ma mre,Mon pre,

Ma femme et mes enfants,Tous mes amis sans exception.

3

Albert Einstein

In the world of embedded microprocessors and digital design, its certainly true;change has been fast, furious, and deliberate. But not so with analog, they say.Change is hard. Change is time consuming. Change is next to impossible. Until now

4

Remerciements

ALLAH, je ne Te remercierai jamais assez de m'avoir guid vers la Lumire toutau long de ma vie, ALLHAMDOULI ALLAH de mavoir donn la force et le soutienpour accomplir ce mmoire.Le Messager dAllah (que la paix et le salut d'Allah soient sur lui) a dit : Celui qui ne remercie pas les gens ne remercie pas Allah. Je tiens donc en premier lieu remercier mon encadreur, le ProfesseurBOUGUECHAL Nour-Eddine, ce travail naurait pas t possible sans son soutienet ses conseils, quil trouve ici toute ma gratitude.Mes remerciements vont galement BOURIDAH Hachemi, Matre deconfrences luniversit de Jijel, MAHAMDI Ramdane, Professeur luniversitde Batna, OUNISSI Abdelhamid, Professeur luniversit de Batna, et BENHAYA Abdelhamid, Professeur luniversit de Batna, pour avoir acceptdtre les examinateurs de ce mmoire.Enfin, je ne terminerai pas sans remercier ma femme, celle qui a t mamotivation permanente, et mes parents, sans leur soutien et leurs prires, je neserais pas capable de surmonter les difficults de cette vie. Finalement, un mercipour tous ceux qui ont anim ma vie et le bon droulement de mes tudes en post-graduation.

KANOUNI Lahcne

5

Table des matires

Ddicace................................................................................................................ 02Remerciements...................................................................................................... 04Table des matires................................................................................................. 05Rsum.................................................................................................................. 08Abstract ................................................................................................................. 09Rsum en arabe ................................................................................................... 10Liste des figures .................................................................................................... 11

Introduction Gnrale ...................................................................... 14

Chapitre I : Conditionnement Des Signaux Ultrasonores ............ 16

I.1 Introduction ................................................................................................... 16

I.2 Principe des ultrasons .................................................................................... 16I.2.1 Historique .......................................................................................... 16I.2.2 Principe.............................................................................................. 17

I.2.2.1 Propagation des ondes ultrasonores ....................................... 17I.2.2.2 Rflexion et rfraction des ondes ultrasonores ...................... 18I.2.2.3 Attnuation des ondes de pression......................................... 21

I.2.3 Gnration et dtection des ultrasons ................................................ 23I.2.3.1 Le transducteur pizolectrique ............................................. 23I.2.3.2 Circuit quivalent dun transducteur pizolectrique ............ 24

I.3 Applications des ultrasons............................................................................. 25

I.4 Conditionnement des signaux ultrasonores ................................................... 27I.4.1 Taches principales de conditionnement............................................. 27

I.4.1.1 Adaptation dimpdance ........................................................ 27I.4.1.2 Amplification du signal ......................................................... 29I.4.1.3 Dtection de l'information ..................................................... 32I.4.1.4 Linarisation .......................................................................... 35I.4.1.5 Filtrage ................................................................................... 37

I.4.2 Traitement des signaux ultrasonores ................................................. 38I.4.2.1 Optimisation de lmission .................................................... 39I.4.2.2 Traitement la rception ....................................................... 39

I.5 Conditionnement des signaux dun capteur ultrason universel .................. 40I.5.1. Principe de fonctionnement ............................................................... 40I.5.2 Analyse de la partie analogique......................................................... 41

I.6 Conclusion..................................................................................................... 44

6

Chapitre II : Les Circuits Analogiques Programmables .............. 45II.1 Introduction ................................................................................................... 45

II.2 Gnralit sur les FPAAs .............................................................................. 46II.2.1 Intrts des circuits programmables .................................................. 46II.2.2 Consommation dnergie des circuits programmables...................... 47II.2.3 Conception physique FPGA vs FPAA .............................................. 48II.2.4 Flot de conception analogique ........................................................... 49

II.3 Architecture des FPAAs ................................................................................ 51II.3.1 Cellules analogiques configurables ................................................... 53

II.3.1.1 Granularit ............................................................................. 54II.3.1.2 Architecture lectronique....................................................... 55

II.3.2 Technologie des FPAA...................................................................... 56II.3.2.1 Technique discontinu............................................................. 56II.3.2.2 Technique continue................................................................ 57

II.4 Composants commercialiss ......................................................................... 59II.4.1 Les composants ZETEX.................................................................... 60II.4.2 Les composants LATTICE................................................................ 62II.4.3 Les composants ANADIGM ............................................................. 65II.4.4 Les composants Cypress Microsystems ............................................ 68

II.5 Conclusion..................................................................................................... 70

Chapitre III: Les outils de travail et lvaluation du circuitAn221E04 dAnadigm .......................................................................... 71

III.1 Technique des capacits commutes ............................................................. 71III.1.1 Technique dmulation de rsistance ................................................ 71III.1.2 Contrle des circuits capacits commutes .................................... 73III.1.3 Circuit actif capacits commutes .................................................. 74

III.2 Les outils de travail ....................................................................................... 76III.2.1 Architecture de lAn221E04.............................................................. 76III.2.2 Kit de dveloppement ........................................................................ 79III.2.3 Procdure de configuration................................................................ 80

III.3 Evaluation du circuit An221E04 ................................................................... 83III.3.1 Performance du module amplificateur de lAn221E04 ..................... 85III.3.2 Performance du module passe-bande de lAn221E04....................... 86

III.4 Conclusion..................................................................................................... 88

7

Chapitre IV : Ralisation dun conditionneur laide dun FPAA 89IV.1 Introduction ................................................................................................... 89

IV.2 Tlmtre ultrason ...................................................................................... 90IV.2.1 Principe.............................................................................................. 90IV.2.2 Synoptique du circuit ......................................................................... 91

IV.3 Mise en uvre ............................................................................................... 92IV.3.1 Partie Numrique ............................................................................... 92

IV.3.1.1 Hardware................................................................................ 92IV.3.1.2 Software ................................................................................. 95

IV.4.2 Partie Analogique .............................................................................. 97IV.4.2.1 Description du circuit de conditionnement ............................ 97IV.4.2.2 Implmentation sur FPAA ..................................................... 98

IV.5 Reconfiguration dynamique et optimisation ................................................. 100IV.5.1 Reconfiguration dynamique .............................................................. 101IV.5.2 Implmentation du contrle automatique du gain ............................. 104

IV.6 Conclusion..................................................................................................... 106

Conclusion gnrale.......................................................................... 107

Bibliographie ..................................................................................... 109

8

RsumLe conditionnement dun signal peut tre dfini comme les manipulations opres sur le

signal entre le capteur et la partie numrique. Les techniques conventionnelles deconditionnement utilisant des circuits discrets, ont des inconvnients majeurs tels que lemanque de prcision en raison de tolrances des composants et les dfauts dedimensionnement, en outre, les techniques dveloppes ne supportent pas les fonctionscomplexes. Aussi, le conditionneur de signal dvelopp demande habituellement unrajustement frquent suite aux variations de lenvironnement ainsi quau vieillissement descomposants.

Pour remdier ces insuffisances du conditionnement classique, une alternative soffre quiest lutilisation dun circuit analogique programmable communment appel FPAA (FieldProgrammable Analog Arrays). Ainsi, lintroduction dun circuit analogique programmabledans le circuit de conditionnement se prsente comme un choix attrayant pour rduire lescots de fabrication, le temps de dveloppement et en sus, propose des performances etfonctionnalit indites.

Le contexte de ce travail sera donc la mise en uvre des atouts du circuit analogiqueprogrammable pour conditionner les signaux ultrasonores. Nous nous somme intresssglobalement la conception dun conditionneur de signal ultrasonore pour usage dans untlmtre mais particulirement nous avons travaill sur la reconfiguration dynamique, unefonction disponible sur les circuits de la deuxime gnration dAnadigm, ceci a permis deconcevoir un systme intelligent et adaptable bas surtout sur un circuit analogique.

Un tat de l'art sur des sujets lis notre travail a t lobjet des deux premiers chapitreso nous avons prsent les ultrasons, le conditionnement des signaux et les FPAA. Laseconde partie concerne la prsentation des outils de travail ainsi que lvaluation du circuitAN221E04 qui a permis de vrifier ses performances et sa compatibilit avec notreapplication en particulier et ses avantages en gnral.

Enfin, le contexte de ce mmoire a t dvelopp dans le dernier chapitre, par ladescription du tlmtre ultrason, sa partie analogique notamment afin dtablir le cahierdes charges ncessaires en vue dune implmentation sur FPAA. Les ressources disponiblessur le circuit AN221E04 et le kit de dveloppement permettent la mise en uvre et lasimulation de notre conception, la reconfiguration dynamique du circuit AN221E04 est uneparticularit indite dans lanalogique, laquelle nous avons fait appel pour optimiserlefficacit de notre design.

Mots cls : Conditionnement de signal, ultrason, capteur, FPAA, AN221E04, reconfigurationdynamique.

9

AbstractThe signal conditioning can be defined as the manipulations of the signal between the

sensor and the digital part. Conventional methods of conditioning using discrete circuits havemajor disadvantages such as lack of precision due to component tolerances and sizing errors.In addition, the developed techniques do not support complex functions and the developedsignal conditioner usually requires frequent adjustment caused by the changes in theenvironment and aging of the components.

To remedy these shortcomings of conventional conditioning, an alternative is offeredwhich is the use of a programmable analog circuit commonly called FPAA (FieldProgrammable Analog Arrays). Thus, the introduction of a programmable analog circuit inthe conditioning bloc looks like an attractive option to reduce manufacturing costs,development time and furthermore, offers unprecedented performance and functionality.

The aim of this work will be the placement of the advantages of the programmable analogcircuit to condition the ultrasonic signals. Generally, we are interested in the design of anultrasonic signal conditioner for the use in a rangefinder but particularly, we have worked onthe dynamic reconfiguration, a function available on the circuits of the Anadigms secondgeneration, this function was used to design an intelligent and adaptable system basedprimarily on an analog circuit.

A state of the art on topics related to our work has been carried out through the first twochapters, where we presented the ultrasonic signal conditioning and FPAA. The second partconcerns the presentation of working tools and assessment of AN221E04 circuit that allowsus to check the performance and compatibility with our application in particular and theiradvantage in general.

Finally, the context of this memoir has been developed in the last chapter, the descriptionof the ultrasonic rangefinder, its analog section in particular to establish the specificationsnecessary for implementation on FPAA. The resources available on the AN221E04 circuitand its development kit allow the implementation and simulation of our design, the dynamicreconfiguartion in AN221E04 is a unique feature in the analogue, which we used to optimizeefficiency our design.

Keywords: Signal conditioning, ultrasonic, sensor, FPAA, AN221E04, dynamicreconfiguartion.

10

.

..

. (FPAA)

..

.

Anadigm .

.

AN221E04 .

. FPAA AN221E04 AN221E04 .

.

AN221E04 : .

11

Liste des figures

Figure 1 : Chaine de mesure ............................................................................................... 14

Figure 1.1 : Spectre frquentiel des ultrasons ..................................................................... 18

Figure 1.2 : Rflexions dune onde ultrasonore.................................................................. 19

Figure 1.3 : Effet de lattnuation selon le milieu .............................................................. 22

Figure 1.4 : Effet de lattnuation selon la frquence ......................................................... 23

Figure 1.5 : Composition dun capteur .............................................................................. 23

Figure 1.6 : Capteur ultrason standard pour une frquence suprieure 40 Khz ............ 24

Figure 1.7:Circuit equivalent dun transducteur piezolectrique........................................ 25

Figure 1.8 : les applications des ultrasons .......................................................................... 26

Figure 1.9 : Methode temps de vol de mesure de distance par ultrason ...................... 26

Figure 1.10 : schma equivalent, le capteur est un gnrateur de tension .......................... 27

Figure 1.11 : Exemples dadaptation dimpdance avec un amplificateur oprationnel .... 28

Figure 1.12 : Amplificateur dinstrumentation ................................................................... 28

Figure 1.13 : schma equivalent Le capteur est une source de courant .............................. 28

Figure 1.14: convertisseur courant/tension ......................................................................... 28

Figure 1.15 : adaptation dun capteur gnrateur de charge............................................... 29

Figure 1.16 : tension de mode commun.............................................................................. 29

Figure 1.17 : structure de lampli diffrentiel ..................................................................... 30

Figure 1.18: exemple damplificateur diffrentiel AOP .................................................. 31

Figure 1.19 : schma de principe d'un ampli d'isolement ................................................... 32

Figure 1.20 : montage dun dtecteur de crte.................................................................... 33

Figure 1.21 : Principe de la dmodulation dun signal modul en amplitude avec suppression

de la porteuse ...................................................................................................................... 33

Figure 1.22: detection dun signal modul en amplitude sans porteuse ............................. 34

Figure 1.15 : correction de la non-linearit dun capteur passif ......................................... 36

Figure 1.23 : Circuit dmetteur ultrason ......................................................................... 39

Figure 1.24 : Amplificateur de charge dun capteur pizolectrique.................................. 40

Figure 1.25 : Variation du bruit pour =[0.1, 1, 10] .......................................................... 40

Figure 1.26 : circuit base d ultrason usage universel ................................................... 41

Figure 1.27 : signal impulsionnel gnr par le micro-controleur...................................... 42

Figure 1.28 : Signal dentre au transducteur TX............................................................... 42

Figure 1.29 : Signal reu aprs amplification ..................................................................... 43

12

Figure 1.30 : Sortie du comparateur ................................................................................... 43

Figure 1.30 : Spectre du signal issu du comparateur .......................................................... 44

Figure 2.1 : Traitement de signal dans systme rel ........................................................... 46

Figure 2.2 : Variation de la consommation dnergie avec le temps ................................. 47

Figure 2.3 : Multiplicateur diffrentiel laide de transistor grille flottante ................... 48

Figure 2.4 : Etapes du flot de conception physique pour FPGA et FPAA. ........................ 48

Figure 2.5 : les cycles de la conception analogique ........................................................... 50

Figure 2.6 : a-Architecture interne FPAA/b-Vue de die du circuit FPAA ......................... 51

Figure 2.7: Exemple dun commutateur et lment de mmoire dun FPAA .................... 52

Figure 2.8 : a)Organisation des CAB du circuit FPAA de Motorola/b) Exemple de CAB

capacit commut................................................................................................................ 53

Figure 2.9 : La granularit dune cellule configurable ....................................................... 54

Figure 2.10 : Exemple de CAB capacit commut (IEEE ISCAS 1996) ........................ 55

Figure 2.11 : une cellule reconfigurable base de capacit commute.............................. 56

Figure 2.12 : Cellules analogiques configurables de type gm-C ........................................ 58

Figure 2.13 : Interconnexion du TRAC de Zetex .............................................................. 61

Figure 2.14 : Architecture interne du TRAC020 ................................................................ 61

Figure 2.15 : Architecture interne de la srie ispPAC ........................................................ 62

Figure 2.16 : Macrocellule analogique PACblock.............................................................. 63

Figure 2.17: Fonction de transfert de la transconductance ................................................. 63

Figure 2.18: Modle de la macrocellule ............................................................................. 64

Figure 2.19: Structure de CAB du circuit An10E04........................................................... 65

Figure 2.20 : Architecture interne du circuit An10E40 ...................................................... 66

Figure 2.21 : Architecture interne du block PSoc............................................................... 69

Figure 3.1 : circuit capacit commute ............................................................................ 71

Figure 3.2 : Signal chantillonn pour : a)les deux phases b) phase 1 c) phase 2........ 73

Figure 3.3 : Amplificateur inverseur capacits commutes ............................................. 74

Figure 3.4 : Configuration de lamplificateur durant la phase 1....................................... 74

Figure 3.5: Configuration de lamplificateur durant la phase 2........................................ 75

Figure 3.6 : Circuit FPAA An221E04 ................................................................................ 76

Figure 3.7 : CAB du circuit AN221E04 ............................................................................. 77

Figure 3.8 : Structure interne des cellules entres/sorties................................................... 78

Figure 3.9: Kit de dveloppement Anadigm....................................................................... 79

13

Figure 3.10 : interface dAnadigmDesigner2 ..................................................................... 80

Figure 3.11 : procdure de configuration FPAA ................................................................ 81

Figure 3.12 : interface FPAA/microcontrleur ................................................................... 82

Figure 3.13: Amplificateur base de capacit commute .................................................. 84

Figure 3.14 : Variation du gain en fonction de la frquence du module amplificateur du

circuit AN221E04 ............................................................................................................... 85

Figure 3.15 : Variation de la phase en fonction de la frquence du module amplificateur du

circuit AN221E04 ............................................................................................................... 85

Figure 3.16 : Structure dun filtre passe-bande .................................................................. 86

Figure 3.17 : Comparaison de la rponse en frquence du filtre passe-bande entre, simule et

exprimental........................................................................................................................ 87

Figure 4.1 Schma synoptique dun tlmtre.................................................................... 91

Figure 4.2 Echos des ultrasons la rception ..................................................................... 92

Figure 4.3 Le microcontrleur 16F630............................................................................... 93

Figure 4.4 Le tlmtre ultrason base de FPAA ........................................................... 94

Figure 4.5 : Organigramme du programme du microcontrleur......................................... 96

Figure 4.6 : Le schma-bloc de la partie analogique de conditionnement.......................... 97

Figure 4.7 : Le circuit de conditionnement laide AN221E04........................................ 98

Figure 4.8 Simulation du circuit de conditionnement......................................................... 100

Figure 4.9 diagramme de programmation et de reconfiguration du circuit AN221E04 ..... 101

Figure 4.10 Fentre de lexplorateur des fonctions CAM C-code...................................... 102

Figure 4.11 Gnration du C-code par AnadigmDesigner2 ............................................... 102

Figure 4.12 Effet du contrle automatique du gain sur le signal ........................................ 104

Figure 4.13 : Le circuit de conditionnement avec sortie CAG ........................................... 105

Introduction gnrale

14

Introduction gnrale

Les signaux ultrasonores sont des ondes de pression mcanique de frquences suprieures celles qui sont audibles par loreille humaine. Dune manire gnrale, cette bande defrquences se situe entre 20 kHz et 1 GHz et couvre une grande varit dapplications. En effet,la plage de frquences situe entre 20 kHz et 300 kHz est principalement utilise par les sonarset par les animaux pour lcholocalisation ; la plage entre 800 kHz et 15 MHz, par lesapplications dimagerie mdicale et industrielle non destructive; finalement, la plage entre 12MHz et 1 GHz, par la microscopie acoustique [1].

Les signaux ultrasonores sont habituellement gnrs par un transducteur compos dunlment pizolectrique qui permet de transformer les ondes mcaniques en signaux lectriqueset vice-versa. Lorsquune variation de tension est applique aux bornes dun cristalpizolectrique, ce dernier se met vibrer et produit une onde de pression. Inversement,lorsquun cristal pizolectrique est expos une onde de pression, il se dforme et produit unsignal lectrique [2]. Ce signal est souvent bruyant et de trs faible amplitude, son format estincompatible avec les processeurs de traitement, cest pourquoi, il devrait donc treconditionn, amplifi ou attnu, filtr et mis dans un format primitif.

Figure 1 : Chaine de mesure

La principale tche dun conditionneur de signal est de manipuler le signal de manire cequil satisfasse aux exigences de la prochaine tape de traitement. La figure I.1 montrelimportance que joue un conditionneur dans un systme dacquisition et de mesure car tout letravail en aval repose sur la justesse avec laquelle cet intermdiaire va dlivrer la grandeurlectrique acqurir. Les techniques prcdentes de conditionnement utilisant des circuitsdiscrets ont des inconvnients majeurs tels que le manque de prcision en raison des tolrancesdes composants et des dfauts de dimensionnement. En outre, les techniques dveloppes nesupportent pas les fonctions complexes et le conditionneur de signal dvelopp demandehabituellement un rajustement suite aux variations de lenvironnement ainsi quauvieillissement des composants.

CapteurCircuit de

conditionnement Conversion ADC

Introduction gnrale

15

Pour remdier ces insuffisances du conditionnement conventionnel, une alternative soffrequi est lutilisation dun circuit analogique programmable communment appel FPAA (FieldProgrammable Analog Array). Ainsi, lintroduction dun circuit analogique programmable dansle circuit de conditionnement se prsente comme un choix attrayant pour rduire les cots defabrication, le temps de dveloppement et en sus, propose des performances et desfonctionnalits indites. Le circuit FPAA introduit galement un nouveau paradigme pour lesingnieurs de conception analogique. Avec cette technique, les caractristiques de sortie ducapteur peuvent tre rapidement adaptes pour obtenir la fonction de transfert dsire, sansmodifier les composants. [3, 4, 5, 6]

Le contexte de ce travail sera donc la mise en uvre des atouts du circuit analogiqueprogrammable pour conditionner les signaux ultrasonores. Le domaine dapplication desultrasons prend de lampleur de jour en jour mais le sujet qui a suscit notre intrt ici est lamesure de distance ou ce que lon appelle la tlmtrie . La raison de ce choix reposeprincipalement sur l'opportunit de concevoir un circuit avec des mthodes assez simples et defaire une ralisation relativement bon march, caractrise par une prcision satisfaisante,temps de mesure rduit, et surtout, le niveau lev de scurit intrinsque.

Ce mmoire est organis comme suit :

Le premier chapitre introduit le principe des ultrasons, leur propagation, leur dtection,leur gnration et leurs applications. Aussi, nous nous focaliserons ici plus particulirement surle conditionnement des signaux en gnral et particulirement les signaux ultrasonores danslapplication de mesure de distance par le biais des technologies classiques. Pour terminer nouscitons aussi un module de mesure de distance dusage universel.

Les circuits analogiques programmables feront lobjet du deuxime chapitre qui va faireapparaitre clairement leur avantage. Nous allons dcrire ici les diffrentes technologies descircuits analogiques programmables et les offres commerciales des FPAA afin de se dcider surquel circuit portera notre choix du circuit avec lequel nous allons travailler.

Le troisime chapitre sera consacr aux circuits FPAA dAnadigm. Nous voquerons latechnique des capacits commutes ainsi que les dtails sur le composant dAnadigm et lesoutils de dveloppement. Nous voquerons lvaluation du circuit AN221E04 qui va nouspermettre de vrifier ses performances et sa compatibilit avec notre application en particulieret ses avantages en gnral.

Enfin, Le quatrime chapitre a pour but de prsenter la conception dun tlmtre basedun circuit analogique programmable qui est lAN221E04.

Chapitre I Conditionnement des signaux ultrasonores

CHAPITRE I

CONDITIONNEMENTDES SIGNAUX ULTRASONORES


16

I-1 Introduction

La dtection ultrasons est devenue mature et elle est largement utilise dans diversdomaines. En fait, de nombreux types dinstruments ultrasons conventionnels, des appareils etdes logiciels sophistiqus sont commercialiss et utiliss pour des applications de rechercheacadmiques, industrielles et mdicales. Il y a dinnombrables avantages la dtection parultrasons, tels que la capacit exceptionnelle de sonder l'intrieur des objets de faon nondestructive, car ses ondes peuvent se propager travers toutes sortes de milieux, y compris lessolides, les liquides et les gaz, sauf le vide. Dans une technique typique de dtection parultrasons que nous allons voquer plus loin dans ce mmoire, des ondes ultrasonores sedplacent dans un milieu et leurs chos vhiculent une information utile sous forme de signallectrique. Dans la pratique, nanmoins, il est assez difficile dinterprter ces chos cause deleur faible niveau et de la prsence de pics suspects dans le signal et de bruits, induits parlenvironnement. Pour remdier cela nous faisons appel gnralement un circuit analogique.

Le conditionnement des signaux est la principale tche qui incombe lanalogique et lepremier pas vers un systme de dtection et de mesure, a essentiellement pour but laprparation du signal issu du capteur pour la conversion analogique/numrique. Comme lessignaux de sortie du capteur ont souvent un faible niveau, la rduction du bruit est un facteurimportant et limiter la bande passante strictement la bande utile par un filtrage lectroniquepermettra doptimiser largement le rapport signal sur bruit. En plus de la fonction prcdente deconditionnement, il y a lamplification et lajustement du dcalage du niveau de sorte avoirune compatibilit avec la gamme d'entre pleine chelle du CAN, pour obtenir aussi lemaximum de dynamique et un bruit minimum dans le signal numris. Frquemment,l'amplification est ralise par un amplificateur d'instrumentation ou un amplificateur gainprogrammable.

Ce chapitre va nous permettre dintroduire le principe de la gnration, de la propagation etde la dtection des ultrasons ainsi que leurs applications qui sont trs nombreuses et varies, ennous attardant notamment sur la mesure de distance. Aussi, nous nous focaliserons ici sur leconditionnement des signaux en gnral et plus particulirement les signaux ultrasonores par lebiais des techniques classiques. Pour terminer, et comme illustration de ces principes, onmontrera un exemple de tche de conditionnement dans un module de mesure de distancedusage universel.

I.2.Principe des ultrasons

I.2.1. Historique

Les ultrasons originellement appel supersoniques sont rests pendant longtemps seulementun sujet de recherche. En 1883, Galton produist par un sifflet des vibrations justes au-dessusdes frquences audibles perues par loreille humaine afin de connaitre la limite du spectreaudible [7]. Pendant trente ans les ultrasons resteront une curiosit assez mal connue dont on


17

n'imaginait pas d'autres applications que le sifflet chien. L'intrt pour ces vibrations a tveill par la catastrophe du Titanic en avril 1912. cette occasion, L. F. Richardson entrevoitla possibilit d'utiliser une mthode d'cho ultrasonore pour la dtection d'obstacles immergscomme les icebergs, les paves, rcifs et autres cueils ocaniques. Cette ide prend corpsdurant la Premire Guerre mondiale pour le reprage des sous-marins ennemis et un systme dedtection rudimentaire, mais oprationnel, est mis au point par Langevin en 1918 [8], utilisantle phnomne de la pizolectricit. C'est l'anctre du sonar (SOund Navigation And Ranging),quivalent au radar (RAdio Detection And Ranging) pour les dplacements en mer. Lesultrasons se dvelopprent par la suite en bnficiant des progrs parallles de l'lectronique.Aprs la premire guerre mondiale, llectronique a connu des dveloppements considrableset cest en 1925 que Pierce utilisa des transducteurs en quartz et en nickel pour gnrer desultrasons atteignant des frquences de quelques mgahertz.

Puis en 1932, les quipes de Debye et Sears, d'une part, de Lucas et Biquard, d'autre part,travaillant indpendamment l'une de l'autre, ralisent les premires expriences de diffractionde la lumire par les ultrasons et vrifient les prvisions thoriques de L. Brillouin faites en1922. Les expriences de propagation des ultrasons, d'abord limites aux fluides, s'tendentensuite aux solides. L'utilisation des ultrasons pour la dtection des dfauts dans les matriauxdenses remonte aux travaux de Sokolov en 1934, qui peuvent tre considrs comme lespremiers pas en contrle non destructif (NDT Non Destructive Testing). Ces techniques sedvelopperont beaucoup aprs la deuxime guerre mondiale dans les domaines de l'industrie,des services et de la mdecine. Des ultrasons de trs hautes frquences, on peut en produirejusqu' 100 GHz, peuvent tre gnrs l'heure actuelle. Leur utilisation concerne la recherchephysique de base et trouve galement son application dans les tlcommunications et lestechniques modernes des calculateurs [9]. Aujourdhui nous connaissons un progrs sansprcdent dans des domaines pluridisciplinaires qui font appel aux ultrasons. En 2005, le siteweb ISI Web of Science a enregistr plus de 10 000 nouveaux articles dans ce domaine,cette littrature senrichissant de faon spectaculaire [8].

I.2.2. Principe

Les ondes ultrasonores sont des vibrations mcaniques reprsentatives dun dplacementparticulaire. Ces ondes se propagent dans un milieu fluide ou solide mais ne peuvent tretransmises dans le vide comme les ondes lectromagntiques. On peut observer plusieursmodes de propagation suivant la nature du milieu. Les ondes ultrasonores, concentres sousforme de faisceaux vont interagir avec la matire qu'elles traversent. Lamplitude de ces ondesdcrot au cours de la propagation car les liaisons entre atomes ou entre molcules ne sont paspurement lastiques. Plusieurs phnomnes se produisent qui aboutissent leur attnuation :

Une absorption dans les milieux homognes, lorsque londe ultrasonore se propage ellecde une partie de son nergie au milieu.

Des rflexions, rfractions et diffusions aux changements de milieux (interfaceacoustique).

Le spectre des ultrasons a t largi suivant le progrs technologique, aujourdhui on utilisedsormais le terme hyperson (figure1.1). Les signaux ultrasoniques sont habituellement gnrs


18

par un transducteur compos dun lment pizolectrique qui permet de transformer les ondesmcaniques en signaux lectriques et vice-versa. Lorsquune variation de tension est appliqueaux bornes dun cristal pizolectrique, ce dernier se met vibrer et produit une onde depression. Inversement, lorsquun cristal pizolectrique est expos une onde de pression, il sedforme et produit un signal lectrique [9].

Figure 1.1 : Spectre frquentiel des ultrasons [1].

I.2.2.1. Propagation des ondes ultrasonores

Les ultrasons se propagent une vitesse qui sera fonction de la nature du milieu (lasticit,densit), indpendamment de la frquence de l'onde. La relation pour la vitesse dune ondesonore dans un milieu donn est dfinie par := (1.1)o reprsente la frquence et la longueur d'onde,

A titre dexemple, quelques vitesses de propagation du son dans diffrents milieux sontrpertories dans le Tableau 1.

Milieu Vitesse de propagation (m/s)

Air 334

Eau 1480

Os 4080

Tableau 1 : Vitesse de propagation du son dans diffrents milieux.


19

Lquation donde qui rgit le fonctionnement des ultrasons est dcrite par [10] :

= 1 (1.2)o reprsente la pression et c la vitesse du son. La solution de cette quation est donne par :( , ) = 1 ( ) (1.3)

Elle est fonction de la distance r parcourue par lultrason, de la pulsation, du nombre dondek et du temps t. En supposant une propagation de londe ultrasonore simple, uniquement dansune direction et en se plaant dans le cas ou la distance r est importante (par rapport auxdimensions de la membrane et de la longueur donde) la pression acoustique produite par uneplaque de surface S prend alors la forme :( ) = 2 ( ) (1.4)o reprsente la densit de lair, la frquence, la pulsation et le dplacement moyende la plaque [10].

I.2.2.2. Rflexion et rfraction des ondes ultrasonores

Lorsqu'une onde ultrasonore atteint une interface plane sparant deux milieux suppossdiffrents, une partie de son nergie est rflchie c'est--dire renvoye vers la source (formationd'un cho ultrasonore), lautre partie est transmise (voir Figure 1.2). L'importance relative del'intensit de cet cho par rapport l'onde incidente dpend de l'interface. Linterfaceacoustique est dfinie par son coefficient de rflexion qui dpend lui aussi de limpdanceacoustique de chaque milieu.

(a) (b)

Figure 1.2 : Rflexions dune onde ultrasonorea) Rflexion spculaire; b) Rflexion diffuse


20

Cette impdance, note Z, caractrise la capacit d'un matriau vibrer sous une forceapplique et peut tre considre comme la rsistance du matriau au passage des ondesultrasonores. Il y a une analogie entre l'impdance des circuits lectriques et l'impdanceacoustique. L'impdance acoustique est utile pour traiter la transmission d'ondes ultrasonoresentre deux supports, tout comme celle de l'impdance lectrique est efficace pour caractriser larsistance dun circuit lectrique courant alternatif. Un autre paramtre important qui estlimpdance caractristique spcifique, Zsp [11] :

Z = et Z = (1.5)o reprsente la densit de lair, la pression acoustique, et et la vlocit.

En utilisant le principe de continuit la frontire pour la vlocit et la pression entre lemilieu 1 caractris par limpdance acoustique Z1, et le milieu 2 caractris par Z2, il estpossible de trouver le coefficient de rflectivit (R) qui dcrit la proportion de londe depression qui est rflchie par rapport lintensit de londe incidente [12]:

= II = Z cos Z cos Z cos + Z cos (1.6)Et le coefficient de transmission T :

= II = 4Z Z cos Z cos + Z cos (1.7)o Ir, Ii et It reprsentent respectivement lintensit de lnergie rflchie, incidente ettransmise. Si nous considrons que londe ultrasonore atteint lobstacle perpendiculairement,les angles , sont donc nuls. Les coefficients de rflexion et transmission peuvent doncscrire uniquement en fonction de limpdance acoustique de chaque milieu :

= Z ZZ + Z ; = 4Z Z(Z + Z ) (1.8)Si on reprend lquation de la propagation des ondes ultrasonores, en lui associant le

coefficient de rflexion on peut dterminer lquation rgissant lamplitude de la pression crepar lcho sur la membrane (approximation des ondes planes):

( ) = . ( ) = 2 ( ) (1.9)


21

Dans le Tableau 2, nous prsentons quelques valeurs des coefficients de rflexion et detransmission pour quelques interfaces acoustiques typiques. Ces coefficients sont calculs sousincidence normale (angles , , nuls) [12]:

Milieu 1 Milieu 2 Impdance 1(kg.s-1.m-2)

Impdance 2(kg.s-1.m-2)

Coefficientde rflexion

Coefficientde transmission

Air Eau 442 1,5.106 99.9 % 0.1 %

Air Plexiglas 442 4.106 100 % 0 %

Air Aluminium 442 1,7.107 100 % 0 %

Air Muscle 442 1,64.106 99.9 % 0.1 %

Eau Plexiglas 1,5.106 4.106 20.7 % 79.3 %

Eau Aluminium 1,5.106 1,7.107 70.2 % 29.8 %

Tableau 2: Valeurs de l'interface acoustique entre quelques milieux.

I.2.2.3 Attnuation des ondes de pression

Les ondes ultrasonores vont interagir avec la matire qu'elles traversent au cours de leurpropagation. Plusieurs phnomnes se produisent qui aboutissent leur attnuation: absorptionde lnergie de londe par le milieu, rflexions et rfractions. Il est noter que labsorption estcause par la conversion de lnergie de londe en chaleur et est donc responsable delaugmentation de temprature du milieu. Dun autre ct, les rflexions et rfractionsdispersent lnergie du faisceau sur une plus grande surface. Pour les milieux homognes, seulelabsorption occasionne lattnuation. Dautre part, pour les milieux htrognes, les rflexionset rfractions contribuent galement lattnuation de londe lors de sa propagation [13].

Le coefficient dattnuation reprsente la proportion de changement de lintensit par unitde distance parcourue par le faisceau et est donn par := (m ) (1.10)Similairement, le coefficient dattnuation reprsente la proportion de changement duneamplitude (Q) telle que la pression (P) ou la vlocit (U) par unit de distance parcourue par lefaisceau et est donn par : = (m ) (1.11)Lexpression qui dcrit lattnuation de lintensit au cours de sa propagation est := e (1.12)o Io est lintensit initiale et Ix, lintensit au point x.Pareillement, pour un paramtre damplitude (pression, vlocit), lamplitude au point x est:= e (1.13)o Qo est lamplitude initiale et Qx, lamplitude au point x.


22

De plus, puisque = = (1.14)Alors, = 2 (1.15) noter que les coefficients dattnuation de lintensit et des amplitudes sont habituellement

reprsents en dcibel (dB) par unit de distance; ce qui permet de reprsenter le niveau

dattnuation linairement en dB par rapport la distance parcourue par londe. Puisque londe

parcoure une distance de quelques centimtres avant dtre compltement attnue, la notation

de lunit de distance est en centimtre plutt quen mtre. De plus, il est intressant de

souligner quavec cette reprsentation, les deux coefficients sont gaux. En effet, les quations

(1.9) et (1.10) deviennent [13] :

= 1 10 = 1 10= 10 ( ) = 4.343 (1.16)Et = 1 20 = 1 20 ( )= 20 ( ) = 8.686 (1.17)Finalement, la Figure 1.3 illustre des exemples de leffet de lattnuation sur le signalultrasonique pour diffrents milieux et la Figure 1.4, des exemples de leffet de lattnuationpour diffrentes frquences [10].

a) b)

Figure 1.3 : Effet de lattnuation selon le milieua) Milieu peu absorbant, b) Milieu absorbant


23

(a) (b)

Figure 1.4 : Effet de lattnuation selon la frquencea) Frquence leve (onde courte), b)Frquence basse (onde longue)

I.2.3 Gnration et dtection des ultrasons

Les signaux ultrasonores sont habituellement gnrs par un transducteur, leurs applicationstant trs diverses, il nest pas possible de dcrire tous les procds de gnration et dedtection pour chacune delle. On dcrira donc essentiellement les transducteurs les plusrpandus, ceux utilisant leffet pizolectrique.

I.2.3.1 Le transducteur pizolectrique

Dun point de vue terminologie, le terme transducteur devrait tre distingu du terme capteur(sensor en anglais), par dfinition le premier est un convertisseur dnergie dune forme uneautre, par contre, le second convertit un stimulus vers un signal lectrique (figure 1.5).

Figure 1.5 : Composition dun capteur (E1 ,E2, et E3 : forme quelconque denergie)

Le transducteur de ce type est constitu principalement dun cristal pizolectrique qui semet vibrer lorsquune variation de tension est applique ces bornes, une onde de pressionalors est produite. Inversement, lorsquun cristal pizolectrique est expos une onde depression, il se dforme et produit un signal lectrique. La composition standard dune capsule ultrason est dtaille dans la figure (1.6).

Aujourdhui on fait appel de plus en plus aux cramiques synthtiques en raison de leursproprits largement suprieures aux cristaux naturels. Dans lindustrie, les Titano-Zirconate dePlomb (Pb (Zrx, Ti1-x)O3 (PZT)) sont devenus les matriaux pizolectriques les plus utiliss.Les caractristiques physiques du matriel, lalignement du cristal ainsi que la gomtrie dellment ont un impact important [11].

Signal lectrique

E2transducteur 1 transducteur 2 Capteur direct

stimulus

E1 E3

capteur


24

Figure 1.6 : Capteur ultrason standard pour une frquence suprieure 40 Khz

Par exemple, ce sont ces paramtres qui dterminent la frquence de rsonance, la largeur debande, la sensibilit, limpdance acoustique du pizolectrique ainsi que lintensit et latemprature maximale permise. Les matriaux pizolectriques possdent une frquencenaturelle de rsonance et la mthode la plus efficace pour produire des ultrasons est dappliqueraux lectrodes un signal lectrique de mme frquence. Pour toutes les autres frquences, laproduction dultrasons sera trs faible. Autrement dit, chaque pizolectrique est conu pourune frquence spcifique. Tel que prsent par lquation (1.18), les paramtres qui dterminentcette frquence naturelle sont lpaisseur du pizolectrique (a) et la vitesse de propagation (c)de londe lintrieur du pizolectrique [13].= 2 (Hz) (1.18)

I.2.3.2 Circuit quivalent dun transducteur pizolectrique

Un transducteur pizo-lectrique simple, consistant en une plaque vibrante qui peut rayonnerpar les deux faces (charge symtrique) ou une seule face. Un transducteur face arrire aucontact de l'air, a une seule moiti de la surface de la membrane d'un transducteur symtriquecharg. Ainsi, si un facteur de transformation est utilis pour convertir limpdancesmcaniques des impdances lectriques dans un transducteur symtrique charg, un facteur de2 doit tre utilis pour le capteur face arrire au contact de l'air.

Pour dvelopper le circuit quivalent, il est ncessaire de dterminer les lmentssusceptibles dinfluencer sur l'impdance totale d'entre au transducteur. Dans un matriaupizo-lectrique, la pression impose est en phase avec la tension applique. L'lment pizo-lectrique est un condensateur lectrique de capacit C0, en vertu de la nature de dilectrique dumatriau et les surfaces des lectrodes. La rsistance du condensateur est ngligeable, lacapacit C0 apparat en parallle avec une branche srie qui inclut les impdances mcaniquesconvertis. Ces impdances mcaniques sont constitus de (1) une rsistance R correspond auxpertes dans le transducteur (ngligeable dans un transducteur pizo-lectrique de facteur Qlev), (2) une rsistance de charge ou d'un rayonnement d'impdance Zr = 0C0S, o 0C0 estl'impdance acoustique caractristique de la charge et S est la surface de la membrane, (3) uneinductance M due la masse du transducteur, et (4) une capacit de 1/K en raison de laconformit du transducteur. Les composants lectriques quivalents, en supposant Rngligeable, sont [14]:


25

Pour un transducteur symtrique charg:= = = (1.19)Pour un transducteur face arrire au contact de l'air:= 4 = 4 = 4 (1.20)Et puisque le transducteur est une plaque simple, le circuit equivalent peut tre shematiscomme le montre la figure (1.7) pour le cas dun un transducteur face arrire au contact del'air [14]:

Figure 1.7:

Circuit equivalent dun transducteurpiezolectrique

La plupart des transducteurs pizo-lectriques, utiliss surtout dans la caractrisation nondestructive et limagerie mdicale, sont conus pour gnrer une pression acoustique qui estproportionnelle au carr de la tension reue par le transducteur. Inversement, le transducteurgnre une tension proportionnelle lintensit acoustique reue sur la surface de llment [1].En effet, la relation rciproque qui lie le signal lectrique et londe acoustique demeureobscure. Pour mettre en ouvre une telle relation, il faut impliquer plusieurs variables qui sont :le signal dexcitation, la forme gomtrique du transducteur et son orientation, la compositionde lenvironnement ainsi que les surfaces de rflexion.

I.3 Applications des ultrasonsLes applications des ultrasons sont gnralement classes en deux grandes catgories qui se

distinguent par l'utilisation de vibrations ultrasonores de faible ou de forte puissance. Dans lesecond cas, les ultrasons sont dits de puissance et sont considrs comme tels car ils modifientle milieu dans lequel ils se propagent. La majorit des applications des ultrasons de puissancesont menes bien dans le domaine de frquence entre 20 et 100 KHz et avec des intensitsacoustiques qui varient approximativement de 0.1 W/cm2 jusqu' plusieurs KW/cm2.

La figure 1.8 reflte limplication pluridisciplinaire des ultrasons et rsume succinctementces applications :

La tlmtrie, que prsente la figure (1.9), un exemple dapplication qui est largement utilis la fois dans la recherche et dans la pratique [15, 16], parfois cette appellation est confondueavec le SONAR (SOund Navigation And Ranging) qui a emprunt sa thorie du radar basedonde lectromagntique. Le principe de la tlmtrie ou la mesure de distance consiste mesurer le temps entre lmission dun signal ultrasonique et lcho reu par la rverbration delonde sur un objet. Dans lair, la vitesse du son tant connu il est simple de dterminer ladistance entre lmetteur/rcepteur et lobjet selon la formule suivante [17] := . 2 o c est la vitesse du son (1.21)


26

Figure 1.8 : les applications des ultrasons [1]

Figure 1.9 : Methode temps de vol de mesure de distance par ultrason

Science des matriauxPhysique des solides, des fluides, test non-

destructif, cavitation, atomisation, mulsifiassions,application en mtallurgie, traitement chimique,

soudage

Applications desultrasons

ChimieAnalyse, prparation des

chantillons, dissolution, filtration,cristallisation, dmoussage,

sonochimie

Technologie appliqueSonar, croissance des matriaux,

communication, filtres, ligne retard, surveillance, fraisage,

soudure

Biologie/MdicineEchographie, thrapie, chirurgie,dtection des bulls, traitement

dentaire

MtrologieDtection des dfauts,

thermomtres, gauge de niveau,viscosit, densit, holographie

acoustique, imagerie microscopique


27

I.4.Conditionnement des signaux ultrasonores

I.4.1.Taches principales de conditionnement

Le conditionnement de signal se rfre lopration qui consiste la transformation de lagrandeur mesurer en une forme convenable dun signal lectrique dont la chane de mesuredoit assurer le traitement de la faon la plus approprie au but poursuivi. Les fonctionsprincipales dun bloc de conditionnement sont en rapport direct avec la nature du signal et avecles conditions de mesure. On peut citer entres autres les oprations les plus communes et quisont : Lamplification, le filtrage, ladaptation dimpdance, la dtection et la linarisation.Dans ce qui suit, des explications de chaque opration vont tre donnes.

I.4.1.1 Adaptation d'impdance

Le capteur, associ son conditionneur, quivaut un gnrateur constitu d'une source etd'une impdance interne dlivrant le signal au circuit qui le charge. Afin que le signal soitobtenu dans les meilleures conditions de sensibilit et de stabilit vis vis des variationsventuelles de l'impdance interne, le gnrateur quivalent doit tre charg par une impdanceapproprie.

La figure (1.10) est le cas lorsque linformation correspondant au mesurande m est dlivresous la forme dune f.e.m ec(m) en srie avec une impdance Zc, qui peut tre importante etvariable, le dispositif de mesure aux bornes duquel est recueilli Vm doit tre dimpdancedentre Zi trs grande devant Zc de manire minimiser linfluence de cette dernire.

Figure 1.10 : schma equivalent, le capteur est un gnrateur de tension

= ( ). + si alors = ( ) (1.22)Pour raliser ladaptation dimpdance, on utilisera des dispositifs forte impdance dentrede manire obtenir une tension en sortie du conditionneur aussi proche que la tension ensortie du capteur. On pourra utiliser un montage suiveur simple ou suiveur amplificateur, ou unamplificateur diffrentiel plus classiquement appel amplificateur dinstrumentation, comme lemontre les figures ci-dessous :


28

Figure 1.11 : Exemples dadaptation dimpdance avec un amplificateur oprationnel (AOP)

Figure 1.12 : Amplificateurdinstrumentation

Quand le capteur est lectriquement quivalent une source de courant ic(m) en parallleavec une impdance interne Zc, il faut que l'impdance d'entre du dispositif de mesure Zisoit ngligeable devant celle du capteur Zc (figure 1.23).

Figure 1.13 : schma equivalent

Le capteur est une source de courant

= ( ). + si alors = ( ) (1.23)On fait appel dans ce cas un convertisseur courant-tension de manire obtenir une

tension proportionnelle au courant de sortie du capteur pour eviter que la tension vm aux bornesde Zi soit trs faible, un exemple est prsent sur la figure (1.14).

Figure 1.14:

convertisseur courant/tension


29

Le capteur en tant que gnrateur de charge qc(m) prsente une impdance internecapacitive Cc, il est en gnral impossible de brancher une impdance equivalente rsisitive ses bornes. En effet, d'une part la dcharge de la capacit risquerait d'tre trop rapide pourpermettre l'exploitation du signal et d'autre part la tension recueillie qui dpend de l'ensembledes capacits parasites du montage serait sensible leurs variations erratiques.

Dans ce cas, il est prfrable dutiliser un amplificateur de charge dont le principe estprsent ci-dessous.

Figure 1.15 : adaptation dun capteur gnrateur de charge

I.4.1.2 Amplification du signal

Dans un circuit o la tension de mesure Vm est la tension diffrentielle entre deux conducteursVA et VB , la tension de mode commun VMC reprsente la valeur de tension commune VA et

VB et qui n'est pas un support d'aucune information; en posant V = .On peut crireque : V = V + et V = V (1.24)

Figure 1.16 : tension de mode commun

La tension de mode commun VMC peut tre trs suprieure au signal Vm et dans certains casl'exprimentateur ne la connat pas avec prcision. Un des problmes les plus importants eninstrumentation est l'limination ou la rjection du mode commun afin d'obtenir et de traiter unsignal proportionnel Vm et donc indpendant de VMC.

Tension de mode commun due l'alimentation : le cas se prsente lorsque VA et VBdpendent de la tension d'alimentation.

Vm

VA

VB


30

Tension de mode commun de masse : Entre deux points loigns de mise la masseexistent en gnral :- une impdance de masse ZM de l'ordre de l'Ohm,- une f.e.m. de masse em, qui a pour origines principales les inductionsElectromagntiques (5O Hz) et la circulation de courants de retour des diversesinstallations. Les distances entre points de mise la masse pouvant atteindre descentaines de mtres la f.e.m. de masse em peut tre suprieure plusieurs dizaines devolts.

Lorsque le signal apparat comme tension diffrentielle aux extrmits d'une liaison, sontraitement par un ampli diffrentiel s'impose! Un ampli diffrentiel peut tre considr commeconstitu de deux voies de gain -A1 et A2, et d'un sommateur dont la sortie est celle de l'amplidiffrentiel.

Figure 1.17 : structure de lampli diffrentiel

La tension de sortie VO de l'amplificateur diffrentiel a pour expression VO = A2V + -A1V- .

Soit V = et V = V VV = V + (A A ) V (1.25)Le gain diffrentiel est A = et le gain en mode commun scrit A = A A .La tension de sortie de l'amplificateur diffrentiel dpend d'autant moins de la tension de modecommun que les gains A1 et A2 des deux voies sont, au signe prs, plus voisins.

La tension de sortie peut tre crite sous la forme : V = A V + V .Ou en posant = , le taux de rjection du mode commun, V = A V +

V

La rduction de l'influence de la tension de mode commun sur la sortie est d'autant mieuxassure que le taux de rjection de mode commun est grand.

LAmplificateur d'instrumentation (figure 1.17) est un module amplificateur diffrentiel adaptau traitement de signaux en prsence de tensions de mode commun relativement importantes.

Il en rsulte que la tension de mode commun applicable ses entres se trouve limite desvaleurs qui doivent tre lgrement infrieures aux tensions d'alimentation de l'amplificateur.Les caractristiques gnrales et intressantes des amplificateurs d'instrumentation sont :


31

Un gain diffrentiel rglable de 1 104 grce la rsistance Rg jusqu' quelques centainesde Hz, il dcrot ensuite avec la frquence,

Des impdances d'entre trs leves (1010 ) en parallle avec quelques pF- permettantde rduire l'influence de la rsistance de source et d'un dsquilibre des rsistances vuesdes entres inverseurs et non inverseurs.

Une impdance de sortie trs faible de lordre de 0.1 rduisant l'influence de la chargesur le gain,

Des courants de polarisation des entres trs faibles - de quelques pA nA selon le typed'ampli - afin de minimiser les variations des tensions d'entre causes par des variationsde rsistances de source et de liaison.

Une grande stabilit thermique des performances (0.0015 %C) pour le gain diffrentielpar exemple - afin d'viter des drives de la sortie indiscernables du signal.

Un taux de rjection de mode commun trs lev - par exemple > 105 soit > 100 dB encontinu ou 5O Hz - qui dcrot aux hautes frquences.

V = (V V ) (1.26)pour R = R et R = R

Figure 1.18: exemple damplificateur diffrentiel AOP

La tension en sortie est donc la mme que pour un ampli diffrentiel V = A V +V

Dans les ensembles d'acquisition de donnes utilisant plusieurs capteurs, on peut associer chacun un amplificateur d'instrumentation dont le gain est fix en fonction du niveau moyen dusignal dlivr et qui est localis proximit du capteur. Ceci permet la transmission d'un signalde haut niveau et rduit ainsi l'influence des parasites qui se superposent au signal au cours dela transmission et vitent d'effectuer le multiplexage bas niveau.

Une autre solution consiste utiliser un ampli d'instrumentation gain programmable. Cedernier plac aprs le multiplexeur a un gain rglable par commutation de rsistances afin d'treadapt au niveau du signal fourni par chaque capteur.

Lorsque les tensions de mode commun dpassent ou risquent de dpasser 70% des tensionsd'alimentation, l'amplificateur d'instrumentation n'est plus utilisable : c'est l'amplificateurd'isolement qui dans ce cas est susceptible d'apporter une solution.


31







V = (V V ) (1.26)pour R = R et R = R







31







V = (V V ) (1.26)pour R = R et R = R







32

Figure 1.19 : schma de principe d'un ampli d'isolement

L'amplificateur d'isolement est constitu de:

un tage A1 dont l'entre est un ampli oprationnel ou d'instrumentation, aliment parune source flottante et dont le point commun G1 ("garde") est reli la masse de la sourcedu signal,

un tage A2 dont le point commun G2 est reli la masse commune de l'ensemble detraitement en aval et de gain unit,

une barrire d'isolement qui rompt toute liaison ohmique entre les tages A1 et A2 tout enpermettant le transfert du signal entre ces tages par couplage lectromagntique ouoptolectronique.

La tension de mode commun VMC1 par rapport au point commun G1 du circuit d'entre est,comme pour tout amplificateur, limite une dizaine de Volts et elle se trouve d'autantplus rduite en sortie que le taux de rjection est plus lev. La tension de mode communVMC2 par rapport au point commun G2 encore appele tension d'isolement; elle peut atteindreplusieurs milliers de Volts et est d'autant plus attnue en sortie que est lev.La tension V0 est de la forme :V = V A 1 +

+

V (1.27)

Avec pour ordre de grandeur 100db et 160dB.I.4.1.3.Dtection de l'information

Les conditionneurs de capteurs passifs dlivrent dans un certain nombre de cas - notammentavec une alimentation sinusodale- une tension de mesure vm qui est module par les variationsm du mesurande.

Dans le cas dune tension de mesure module en amplitude avec conservation de la porteuse,l'volution dans le temps de la valeur de crte de la tension de mesure reproduit exactement lesvariations de m du mesurande. Ainsi par exemple lorsque la tension de la sourced'alimentation est sinusodale de pulsation s, on a une tension de mesure vm(t) qui a pourexpression : ( ) = (1 + k. m(t)). cos ( t).


33

Figure 1.20 : montage dun dtecteur de crte

Un dtecteur de crte, dont les lments de base sont une diode et un ensemble RC (figure1.20), dlivre une tension v0(t) qui a pour expression :( ) = (1 + k. m(t)) o est le rendement de dtection (0 1)Une valeur de proche de l'unit est obtenue lorsque la frquence de coupure fc de l'ensembleRC est telle que la frquence de la porteuse fs soit dans la bande attnue alors que le spectredu signal fm est compris dans la bande passante f m


34

Variation dans le temps du mesurande m(t) porteuse sinusodale es(t)

+

tension de mesure Vm(t)

v0(t) en fonction de

Figure 1.22: detection dun signal modul en amplitude sans porteuse

La dtection de l'information contenue dans les bandes latrales s'opre en deux temps :

La translation de frquence ramenant l'information des bandes latrales dans son domainede frquence propre : c'est l'opration inverse de la modulation et elle est ralise parmultiplication de la tension de mesure et de la tension de rfrence.

La sparation par filtrage passe-bas du signal support de l'information et des autrestensions apparues la sortie du multiplieur.

Les dispositifs destins extraire l'information contenue dans la modulation en frquenced'une tension font appel l'une des trois mthodes suivantes :

la conversion de la modulation de frquence en modulation d'amplitude au moyen demontages discriminateurs employant des circuits anti-rsonnants et une dtection de cettemodulation d'amplitude,

la conversion de la tension module en impulsions synchrones c'est dire de mmefrquence instantane dont on mesure soit la tension moyenne soit la frquence,

un asservissement de phase d'un oscillateur command par une tension, la tension decommande de l'oscillateur varie comme l'information modulante.


34


+












34


+












35

I.4.1.4 Linarisation

Il existe un certain nombre de procds de linarisation qui permettent de corriger lesdfauts de linarit d'un capteur ou de son conditionneur, lorsque dans leur domaine d'emploides carts la linarit interdisent de considrer la sensibilit comme constante et nuisent laprcision des mesures. Ces procds peuvent tre classs en deux groupes :

D'une part ceux qui interviennent sur la source mme du signal lectrique de faon linariser ce dernier ds son origine,

D'autre part, ceux qui interviennent en aval de la source afin de corriger la non-linarit du signal qu'elle fournit par un traitement analogique ou numrique.

Linarisation analogique la source du signal

Correction de la non-linarit du capteur

Pr-polarisation du capteur

Lorsque la courbe d'talonnage du capteur prsente une plage o le fonctionnement est quasilinaire, il peut tre possible dans certains cas de dcaler le point de fonctionnement dans lazone linaire en appliquant au capteur un mesurande constant de valeur approprie. Cettemthode n'est applicable que dans les cas o l'information recherche est lie aux seulesvariations du mesurande et est indpendante de la valeur constante laquelle elles sontsuperposes.

Modification de l'impdance mesure par adjonction de composants fixes

La mthode consiste placer en parallle sur le capteur de rsistance Rc(m), une rsistanceR indpendante de m, afin que la rsistance Rd du diple ainsi constitu ait une variation quasilinaire dans une plage limite autour d'une valeur donne du mesurande. Cette mthode esttrs utilise avec les thermistances.

Association de capteurs dont les non linarits sont de sens contraire

A titre d'illustration, on considre le cas de deux capteurs rsistifs sensibles un mmemesurande m mais raliss dans des matriaux diffrents et tels que leurs rsistances aientrespectivement pour expression :( ) = (1 + + ) ( ) = (1 + ) (1.28)L'association en srie de ces deux capteurs prsentera une rsistance variant linairementen fonction de m :

( ) = ( + ) 1 + ++ . = (1.29)Cette mthode est trs utilise avec les sondes mtalliques de temprature.

Fonctionnement en push-pull de capteurs identiques

Deux capteurs identiques, dont la non linarit est due un terme quadratique, sont placsdans les branches contigus d'un pont et soumis des variations gales et opposes dumesurande. Le terme quadratique est limin de la tension de mesure qui est alorsproportionnelle aux variations du mesurande.


36

Correction de la non-linarit du conditionneur de capteur passif

Il y a non linarit du conditionneur lorsque la tension de mesure n'est pas proportionnelleaux variations d'impdance du capteur. Ceci risque de se produire dans les montagespotentiomtriques et les ponts ds lors que la condition Zc/Zc0


37

La tension de sortie du multiplieur est 0 ==

Les gains sur les deux voies dentre du sommateur tant a et b, on a en sortie une tension :

= . + . = . + .

= . .

(1.32)

Donc = a.e .e

(1.33)

Par un choix appropri pour = e

, on limine le terme responsable de la non-

linarit,

Alors seulement = a.e (1.34)I.4.1.5 Filtrage :

Cest un rseau lectronique qui modifie lamplitude et la phase dun signal dentre oudexcitation x(t) pour produire un signal de sortie y(t) a cette modification du signal temporelx(t) correspond une modification du spectre X (s) pour produire Y(s), pour :

modifier son spectre de frquence et donc sa forme modifier sa phase et donc sa forme extraire une partie de linformation lie ce signal liminer ou affaiblir des frquences parasites indsirables isoler dans un signal complexe la ou les bandes de frquence utiles

x(t) y(t)

X(s) X(s)

La forme gnrale de la fonction de transfert oprationnelle dun filtre est :( ) = ( )( ) = (1.35)Lordre du filtre est n, qui doit bien entendu satisfaire n>=m. Les zros de N(s) sont les zrosdu filtre; les zros de D(s) sont les ples du filtre. Les ples du filtre doivent tre situs gauche de laxe imaginaire pour que le filtre soit stable. D(s) doit pour ce faire tre unpolynme dit de Hurwitz.

Filtre

h(t) H(p)


38

Il existe plusieurs moyens dassurer le filtrage, numrique, analogique qui comporte lesfiltres actifs et passifs dans lesquels on trouve diffrents type galement, mais le choix dpendde lapplication ainsi que le cot et la prcision. Nous allons nous intresser aux filtresanalogiques actifs dont les caractristiques sont rsumes dans le tableau ci-dessous :

Tableau3 : Structure des filtres lementaires [18]

I.4.2. Traitement des signaux ultrasonores

Le capteur ultrason fournit un signal temporel provenant dune onde mcanique sepropageant dans un milieu et vice-versa. La structure de ltage de conditionnement dpenddune part de lapplication et son environnement , et dautre part de la technologie du capteurlui-mme qui induit souvent des limitations au signal reu. Le bruit est un autre facteur qui vadegrader la prcision des mesures effectues, dorigine :

Le bruit thermique des rcepteurs qui peut gnralement tre considr comme gaussien etblanc dans la bande de frquences utilise. Les parasites divers (brouilleurs, rflexions parasites, ...) qui peuvent souvent treconsidrs comme des bruits additifs, gnralement dcorrls du signal mis. Les distorsions dues la propagation (courbures des rayons de propagation,...), dont lecaractre non additif rend la modlisation difficile.

Pour amliorer la probabilit de dtection et les prcisions destimation, il faut optimiser :

Type de la normalisecaractristique Fonction de transfert Forme normalise Structure

Passe-Bas ( ) = 1s + 2ms + 1 ( ) = 1s + 2ms + 1Passe-Haut ( ) = ss + 2ms + 1 ( ) = ss + 2ms + 1

Passe-Bande ( ) = 2mss + 2ms + 1 ( ) = 2mss + 2ms + 1

Coupe-Bande ( ) = s + ( )s + 2ms + 1 ( ) = s + ( )s + 2ms + 1


38












38












39

les signaux mis (type et forme donde, bande de frquences utilise), la structure du rcepteur (disposition des transducteurs, amlioration du rapport signal surbruit).

Nous allons se placer dans lapplication de mesure de distance par ultrason pour illustrer letraitement analogique lmission et la rception.

I.4.2.1 Optimisation de lmission :En gnral, la frquence du signal mis est le rsultat dun compromis entre la distance

maximale de mesure, les dimensions du transducteur, la directivit tant fonction de lafrquence et lattnuation. Plus la frquence de travail du transducteur est faible, plus lalongueur d'onde de l'impulsion d'mission est grande et plus le transducteur est grand. Lesbasses frquences tant moins absorbes dans l'air ambiant que les hautes frquences, on utilisepour les grandes plages de mesure des basses frquences de travail.

Quant la forme du siganl, le plus souvent un signal impulsional est utilis, cepandant lasolution dmttre un signal modul donne plus de perfomance sauf que letage de receptionsera plus complexe [7]. Ainsi, il faut mttre un signal dune amplitude maximale que supportle transducteur, amplifier donc le train dimpulsions gnr et avec lequel il faut ajouter aussiun tage dadaption dimpdance, la figure (1.23) prsente un exemple :

Figure 1.23 : Circuit dmetteur ultrason

I.4.2.2 Traitement la rception :

Les ultrasons qui ont t mis vont revenir affaiblis vers le rcepteur, contenant toujours uneinforamtion la frquence de lmission. Nous avons vu prcdemment que les chos reusseront sujets aux bruits, il importe donc d'amplifier slectivement ce signal de faon pouvoirraliser une remise en forme du signal en s'tant affranchi des parasites extrieurs.

Dans les application utilisant un capteur pizolectrique ou tout autre type ayant uneimpdance lve, une amplification de charge est nssecaire afin de collecter les minusculescharge lctrique gnrs par le crystal. Le principe dun amplificateur de charge est illustrdans la figure 1.24 :


40

le gain de lamplis scrit: = VV = CCea,ia : tension et courant du bruit de lampli

eR : bruit thermique

Figure 1.24 : Amplificateur de charge dun capteur pizolectrique

On utlise gnralement des amplificateurs ayant de faible impdance dentre comme lesMOSFET. La fonction du bruit de lamplificateur de la figure 1.24 scrit :() = 4 1/ (1.36)(Le courant du bruit pour un ampli FET est ignor, tant trs faible)

Figure 1.25 : Variation du bruit pour =[0.1, 1, 10]

I.5.Conditionnement des signaux dun capteur ultrason universel

I.5.1. Principe de fonctionnement

Le circuit de la figure (1.26) est un appareil ultrason de plusieurs fonctions, il pourra nousservir de capteur installer sur le pare-choc arrire de la voiture pour aider au stationnement;ou bien pour fabriquer un mtre ultrasons autonome ou reli un circuit de mesure convertisseur A/N ; ou encore comme dtecteur de proximit. Le circuit est un radar ultrasons


41

assist par un microcontrleur : il dispose dentres et de sorties permettant la ralisation desfonctions que nous venons de dcrire.

La mthode utilise dans ce montage consiste propager dans lair une onde ultrasonore 40 KHz au moyen dune capsule cramique accorde sur cette frquence, puis de capter lesondes rflchies par lobjet proche, aux bornes du transducteur RX, on rcupre une tensionlectrique variable dont lamplitude et la frquence dpendent de la quantit, de lintensit et dutemps dacheminement des diverses composantes rflchies. Cette faible tension va treamplifie et filtrer afin den obtenir la composante continue aprs redressement; il est facile dediscriminer la condition de repos de celle dintrusion dun objet dans le champ : en effet, auxbornes du redresseur on note une variation de la tension continue obtenue.

Figure 1.26 : circuit base d ultrason usage universel[19]

I.5.2 Analyse de la partie analogique

A lemission, le microcontrleur produit une composante 40 kHz (Figure 1.27) quil envoie parla broche 5 (ligne RC initialise comme sortie) au transistor T3, un NPN qui lamplifie encourant pour piloter la capsule pizo-mettrice (Figure 1.28).


42

Figure 1.27 : signal impulsionnel gnr par le micro-controleur

Figure 1.28 : Signal dentre au transducteur TX

Le signal reu passe travers un rseau de traitement dont la fonction est damplifier latension analogique obtenue partir des ondes rflchies, de la filtrer et de la redresser pour entirer une composante continue

conditionnement capteur us aide fpaa

Documents