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Techniques

Comment réduire les bruits sur vos entrées de mesure ?

Par Emmanuel ROSET Ingénieur Produits pour l’acquisition de données 20 ans d’expérience dans la mesure National Instruments France

Publication: Novembre 2015

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Qui n’a jamais été confronté, en effectuant des mesures, à une amplitude de bruit de quelques mV qui parasite le signal utile ? Connaissez-vous l’origine de ces bruits ? Avez-vous appliqué les bonnes méthodes pour les réduire ? Ces sujets sont régulièrement abordés par les utilisateurs du matériel d’acquisition et des instruments NI. Emmanuel Roset, ingénieur produit pour l’acquisition de données chez National Instruments, détaille les solutions et les astuces qui permettent de diminuer ces bruits et d’améliorer la qualité de vos mesures.

Quelle est l’origine de ce type de bruits ?

Il existe deux origines : la première est interne au matériel de mesure et imputable à ses composants, le plus souvent aux amplificateurs sous l’effet de la température. Ce premier type de bruit ne peut pas être réduit par l’utilisateur mais dépend du choix des composants et du blindage effectué par le constructeur. L’autre source provient d’éléments externes, par un effet de couplage sur le montage et les liaisons vers le matériel de mesure. Nous allons expliquer comment atténuer les bruits d’origine externe car ceux-ci peuvent être contrôlés par l’utilisateur en appliquant des méthodes simples. Les couplages conductif, capacitif, inductif et radiatif sont les quatres principales sources de bruits externes, par ordre décroissant d’influence.

Couplage conductif

L’effet conductif provient du partage de courant bruité entre différents circuits. Dans un système électrique, il faut alimenter les organes de puissance aussi bien que les petits systèmes, comme les alimentations des capteurs. Il est naturel de faire courir un câble d’alimentation principal sur l’ensemble des éléments et de piocher l’alimentation à chaque endroit afin d’économiser du câblage. . L’erreur principale lorsque l’on emploie cette méthode qui partage les courants consiste à penser que les fils ont tous une résistance nulle. En réalisant un schéma simple, on constate rapidement que si une ampoule dont la consommation est de 1 A s’allume puis s’éteint et que la résistance du fil d’alimentation est de 0,1 ?, alors la tension sur le fil entre la source et la charge est de 100 mV sous forme d’un signal carré. Lorsque l’on doit par exemple mesurer la tension d’un capteur de température qui retourne une tension de 10 mV par degré Celcius, une erreur de 10 °C va potentiellement apparaitre à chaque allumage de l’ampoule. Bien qu’il s’agisse d’un cas extrême, l’effet est réel.

Solutions pour minimiser le couplage conductif

Avant tout, il faut éliminer les points en commun entre les charges de puissance et les alimentations des systèmes fournissant des tensions à mesurer, comme les capteurs. On appelle cela « casser les boucles de masse ». Pour rappel, la masse d’un système est la tension présente sur le point de tension le moins élevé du châssis métallique d’un système. Cette masse peut être reliée à la terre par la prise murale. Dans les faits, il suffit donc de tirer et de dupliquer des câbles entre l’alimentation et les charges, et de bien les séparer pour chaque organe à alimenter. Cette technique – plus coûteuse et moins esthétique – est la solution la plus adaptée pour ce type de bruit. Parmi les erreurs fréquemment commises, on compte également la duplication et la distribution des points positifs de l’alimentation uniquement, en conservant la même masse en commun pour la distribution. Sachant que le courant fait une boucle du positif au négatif, l’addition de courant fort et faible dans la résistance des câbles négatifs produit un effet identique. La solution est donc d’utiliser deux conducteurs entre chaque source et charge.

Le couplage capacitif

Il résulte de la variation des champs électriques de surface à proximité du cheminement des fils. Évidemment, la surface d’un fil est plus petite qu’une plaque de cuivre mais l’effet, bien que réduit, est le même qu’un condensateur. Il induit un bruit proportionnel à la surface couverte par le champ électrique, et inversement proportionnel à la distance entre les fils. Il est également dépendant de la fréquence et de l’amplitude du bruit ainsi que de l’impédance d’entrée de votre circuit de mesure.

Solutions pour minimiser le couplage capacitif

Un moyen simple consiste à réduire l’impédance de l’entrée du système de mesure avec une résistance montée en parallèle, ou encore d’ajouter un blindage dit « capacitif  » entre les conducteurs à protéger et la masse de votre montage. Le blindage consiste à envelopper les fils de mesure dans un conducteur au même titre que les câbles coaxiaux. Pour effectuer une mesure, il convient de se procurer un câble blindé avec une armature qui entoure plusieurs fils conducteurs. En effet, les entrées de mesures sont des amplificateurs en montage différentiels et nécessitent deux fils (le plus et le moins) indépendants de la masse qui est le troisième conducteur. Ce montage est efficace car il fournit un chemin direct au courant électrique induit sur le blindage pour l’évacuer et protège les fils transportant les signaux de mesure. Le blindage est alors relié à la masse d’un coté du montage, celui qui possède une meilleure immunité au bruit. Dans tous les cas, il est déconseillé de relier les deux cotés du blindage à la masse, car la tension entre les masses peut s’avérer néfaste pour la mesure et ajouter du bruit conductif ou par induction.

Couplage inductif

Le couplage inductif est le résultat des variations du champ magnétique causées par le passage du courant au travers d’un matériau conducteur. Dans tous les montages se trouve une multitude de boucles réalisées par les alimentations vers des charges. Par exemple, une simple lampe que l’on allume utilise deux fils droits de plusieurs mètres. Posés à plat, cela correspond à une boucle de grande dimension. Une variation de flux magnétique dans une telle boucle sur un montage à proximité génère un courant dans les fils de la boucle de mesure.

Solution pour minimiser le couplage inductif

Considérons que M définit l’inductance mutuelle du couplage des deux circuits. M est proportionnel à la surface de la boucle réceptrice, et inversement proportionnelle à la distance. Puisque réduire la taille des boucles d’induction permet d’en réduire les effets, torsader les fils conducteurs permet donc de réduire la densité du flux. En effet, les boucles obtenues sont non seulement de petites dimensions, mais inversent le flux à chaque torsade. Il est également possible d’utiliser un blindage magnétique par cage de Faraday, comme pour l’effet capacitif. Une autre précaution consiste à fixer les câbles, car des mouvements de vibrations sur les fils (reliés à un moteur, par exemple) peuvent également induire un flux, et donc créer un courant parasite dont la fréquence est liée à la vibration.

Couplage radiatif

Bien que cet effet soit généralement de faible amplitude, si un signal issu d’un long câble de mesure doit être fortement amplifié par un semi-conducteur, il est possible d’y détecter et d’amplifier une modulation audio d’un signal RF provenant par exemple de la radio, de la télévision ou même du moniteur de l’ordinateur. Les systèmes de mesures possèdent parfois ce type d’amplificateurs, qu’ils soient intégrés ou ajoutés par les utilisateurs par le biais d’un montage externe, c’est pourquoi ce couplage n’est pas à négliger.

Solution pour minimiser le couplage radiatif

Si les signaux hautes fréquences ne sont pas les informations utiles à mesurer, il suffit alors de les éliminer par un filtrage externe en entrée du système de mesure. Il faut alors ajouter un filtre passe-bas de type RC dont la fréquence de coupure s’arrête à votre signal utile. Cet effet est en général presque invisible car les bandes passantes des systèmes de mesures sont limitées à des fréquences inférieures aux signaux radio. En résumé, les techniques à retenir sont les suivantes : utiliser un câble multiconducteur blindé, torsader le câble et dupliquer les fils d’alimentation. En appliquant ces techniques élémentaires, vous parviendrez à minimiser efficacement le bruit lorsque vous effectuerez vos prochaines mesures.

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