Fluctuations fréquentielles (source de Howland + trigger)

[inviteb793c342]

Bonjour à tout le monde

Je souhaite mesurer une capacité corrélée avec de petites distances . L'ordre de la précision de la mesure doit être de 0.4pF sur une gamme de mesure allant de 100pF à 3nF. L'erreur maximale tolérée est donc de 0.4pF sur toute la plage. Après avoir passé en revue plusieurs solutions je me suis arrêté sur un oscillateur dont la fréquence dépend de la capacité. Plutôt que de créer simplement un multivibrateur astable à base de trigger de Schmitt par exemple, je l'ai combiné avec une source de Howland pour bénéficier un courant constant quelque soit le cycle de charge ou la capacité testée. Ainsi, la tension aux bornes de la capacité en test est une droite, ce qui permet de rendre les erreurs de seuils plus négligeables.

La sortie "out" est modifiée pour pouvoir être envoyée sur un microcontrôleur qui se charge de mesurer la période du signal.
Même si le montage fonctionne plutôt bien, ma période subit quelques variations. Avec l'exemple ci-dessus, la période est de 756 µs (à l'oscilloscope) mais varie légèrement, de l'ordre de 1 à 2 µs visible seulement lorsque l’oscilloscope est configuré en mode détection de glitch. Cette variation me laisse perplexe.
Je ne comprends pas quel défaut pourrait engendrer une variation lorsque la capacité ne varie pas. J'ai toutefois pu constater que la droite de charge Uc n'est pas toute a faite droite justement ! Je pense que cela est dû aux petites différences des résistances R1,2,3,4. Les AOPs utilisés sont un AD845 pour la source de Howland et un AMP03 pour le trigger (les 25k sont internes au CI). J'ai aussi rajouté les condensateurs sur les alimentations des AOP (2.2µF // 0.1µF).
L'utilisation d'une PLL améliorerai-t-elle les chose ?

Je n'exige pas une réponse aboslue mais simplement que vous puissiez m'orienter sur les investigations que je dois mener !

Merci d'avance
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[Antoane]

Bonjour,

une photo du prototype ?
d'où vient l'alimentation (alim de labo...) ?

datasheet du amp03 : http://www.analog.com/media/en/techn...eets/AMP03.pdf
datasheet du AD845 : http://www.analog.com/media/en/techn...eets/AD845.pdf

[DAUDET78]

Perso, je ne vois pas l'intérêt d'une source de Howland dans ce montage .....
Un générateur de courant positif, un comparateur et un commutateur. L'ensemble fait avec un générateur de courant et un LTC555 et c'est torché !

[jiherve]

Bonsoir
Coté générateur de courant rien à dire si ce n'est qu'il faut obligatoirement un réseau de résistances appairées, par contre l'AOP utilisé en comparateur est complétement dépassé par la fonction.
En conservant un AOP (non Daudet tu ne fais pas un infarctus,merci) il faudrait un modèle beaucoup plus rapide.
Ceci dit avec un système en simple rampe, donc utilisant un switch pour décharger la capa (un petit MOS dit TTL ou un DGxx),une référence de tension et un vrai comparateur on obtient un montage très fiable, si l'on veut chipoter dans le cas ou le switch ne possède pas un rDSon riquiqui il faut rajouter une résistance en série avec la capa, la valeur de cette résistance sera alors celle du rDSon (je vous laisse chercher pourquoi et donc faire les calculs).

JR

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteb793c342]

Merci pour toutes ces réponses constructives.

Je vais répondre aux questions dans l'ordre.

L'alimentation est une alimentation de labo. Je constante entre 40 et 50 mV càc de bruit sur le +15V et le -15V par rapport à la masse avec une sonde d'oscilloscope.

L'idée de la source de Howland vient du fait que je souhaitais avoir une rampe en tension sur la capacité pour que les temps de commutation de portes logiques et/ou de comparateurs soit contrés naturellement (entre charge et décahrge). Je me suis alors dis qu'il fallait que je charge à courant constant et j'ai donc cherché une source de courant relativement facile à mettre en oeuvre.
En ce qui concerne le LTC555, j'ai également pensé à utiliser un NE555 qui est je crois plus ou moins similaire. Un compteur monté en trigger est-il plus stable qu'un aop ?

En ce qui concerne le réseau de résistances j'y ai pensé mais j'en avais pas en stock. Avant de commander je voulais avoir votre avis.
Pour le AD845 : tu dis qu'il est dépassé par rapport au slew rate ? pourtant il ne doit mettre qu'environ 2µs pour monter. Je peux utiliser un tl082bcp qui est 2 fois plus rapide. Arrive-t-il que le slew rate d'un aop varie entre 2 cycles ?

En ce qui concerne la simple rampe, j'avais déjà fait un montage un peu similaire à ce que tu propose par contre j'avais utilisé des npn pour la commutation. Pour l'histoire de la résistance en série, je ne sais pas si je vois bien le montage auquel tu penses mais si oui c'est juste pour conserver un rapport cyclique de 0.5 ? Pour limiter le courant de la même manière quelque soit l'état du MOS ?
Ci-dessous l'ancien montage :


Ps : Je n'avais pas mis les datasheets, faut-il que je le fasse à l'avenir ?

[DAUDET78]

En ce qui concerne le LTC555, j'ai également pensé à utiliser un NE555 qui est je crois plus ou moins similaire. Un compteur monté en trigger est-il plus stable qu'un aop ?

Le LTC555 (version CMOS du NE555) n'est pas un compteur ......mais un double comparateur avec latch .

C'est plus simple de monter à courant constant et de décharger rapidement

[inviteb793c342]

D'accord. Au temps pour moi.
Merci pour la réponse.

C'est plus simple de monter à courant constant et de décharger rapidement

Pourquoi cela ?

[DAUDET78]

Pourquoi cela ?

Parce que tu fais ça avec un TL431 , 2 transistors et quelques résistances et tu as un générateur de courant avec une fréquence de coupure bien plus grande qu'avec une usine à gaz avec ampliOP

[inviteb793c342]

D'accord. En fait moi je parlais plus du 555 à la place d'un trigger de Schmitt. Pourquoi le 555 est plus précis ?

[DAUDET78]

Pourquoi le 555 est plus précis ?

Parce qu'il est fait pour ça .....

Après réflexion digestive, utilise le schéma classique de l'oscillateur avec un 555 mais avec un LTC555 ( plus rapide, courant d'entrée plus faible). L'histoire du générateur de courant est inutile (et nuisible) . En effet, la stabilité de la constante de temps dépend beaucoup du générateur et une simple résistance, c'est le meilleur choix . Sachant que , en théorie, la fréquence d'oscillation est quasiment indépendant de sa tension d'alimentation.

En résumé :
- Découplage du Vcc par 47µF//0,1µF
- Découplage de CONT par 0,1µF
- Liaison capteur / 555 par un câble coaxial

[inviteb793c342]

Je vais tester l'idée.

Donc le tremblement fréquentiel serait dû aux tremblements de la tension d'alimentation qui fait fluctuer la sortie du trigger et donc le courant de la source de Howland ? Ce que j'ai du mal à voir, c'est pourquoi il n'y a pas de découplage de Vcc dans le schéma actuel. Même si le pilotage de la source de courant fluctue, ces fluctuations se retrouvent sur les seuils. Donc pour moi, même si j'ai chargé plus vite que prévu la capacité, mon seuil est aussi plus haut, ce qui revient à avoir le même temps. Quel est l'élément que je ne prends pas en considération ?

Autre petite question : l'aop qui est monté en trigger n'est pas un bon choix comme on me l'a fait remarquer. Sur quelle caractéristique vous basez-vous ? Seulement le slew rate ? J'aimerai comprendre pour éviter de refaire cette erreur.

Merci à tous

[jiherve]

Bonjour
L'AOP choisi est beaucoup trop lent pour cette application, le temps de montée est non négligeable devant la période souhaitée et par ailleurs c'est la tension de sortie en saturation qui defini la periode or ces tensions recopient les variation d'alim.

Donc pour moi, même si j'ai chargé plus vite que prévu la capacité, mon seuil est aussi plus haut

çà c'est un raisonnement qui ne sera vrai que si les fluctuations d'alim ont une période très supérieure à celle du signal, cela vaut aussi pour le 555.
Pour faire un montage de ce type précis il faut que tous les paramètres qui en contrôlent le fonctionnement soient indépendant des tensions d'alim d’où la nécessité d'une référence de tension.
JR

[DAUDET78]

d’où la nécessité d'une référence de tension.

I d'ont agree .....

Si toutes les tensions fluctuent ensemble ( donc le courant de charge du condensateur, les seuils etc), on a une auto correction . Par contre, il ne faut pas de "bruit" sur ces tensions. Sinon, les seuils changent aléatoirement et indépendamment du courant qui, lui, fait une intégration du bruit .
Donc :
- Tension d'alimentation stabilisée
- Filtrage énergique de la tension d'alimentation

[inviteb793c342]

Merci c'est un peu plus clair.
La carte entière à le droit de bouger dans une bande de fréquence inférieure à l'oscillation créée sinon la dynamique des seuils changent durant un cycle. Un autre problème est le bruit blanc qui fait varier les seuils et le courant de charge via la source de Howland.

J'ai testé rapidement la stabilité avec une NE555 (par ce que je n'ai pas encore reçu le LTC555). Je l'ai monté en astable selon tes indications DAUDET. Pour les résistances j'ai mis une 10k et une 560k. Par rapport à l'autre montage et dans la même gamme frequentielle, je constate des variations du même ordre de grandeur voir légèrement supérieures. Penses-tu que les résultats soit meilleurs avec le LTC ?

[Antoane]

Bonjour,

As-tu calculé à quelle variation de capacité ces fluctuations de fréquences correspondent (supposant l'ensemble du circuit idéal) ?
Tu travailles sur bread-board ?

[DAUDET78]

Attention au câblage, c'est de l'analogique . L'ensemble doit être dans une boite métal reliée au 0V.
Le capteur/condensateur doit être blindé ainsi que sa liaison au 555

D'autre part, tu as un µC ensuite, donc c'est le bruit sur X périodes de mesure qui est important, pas sur une période .

PS : ta capa, c'est un capteur d'humidité ?

[inviteb793c342]

Oui je travaille sur bread Board.

J'ai parlé un peu trop vite effectivement. C'est vrai que l'erreur en capacité varie plus avec l'ancien montage qu'avec le NE555. Environ 2 fois plus. Donc c'est encourageant !

C'est sur que pour l'instant rien n'est blindé ... Il est peut être illusoire de chercher une telle précision avec une bread-board.
Le capteur est un capteur de distance mais pour l'instant j'ai testé le montage avec de vrais condensateurs.

[jiherve]

Re

I d'ont agree .....

Si toutes les tensions fluctuent ensemble ( donc le courant de charge du condensateur, les seuils etc), on a une auto correction . Par contre, il ne faut pas de "bruit" sur ces tensions. Sinon, les seuils changent aléatoirement et indépendamment du courant qui, lui, fait une intégration du bruit .
Donc :
- Tension d'alimentation stabilisée
- Filtrage énergique de la tension d'alimentation

C'est amusant car tu écris la même chose , il est évident que si la(les) tension(s) d'alimentation est(sont) idéale(s)on peut s'affranchir d'une ref de tension, sauf qu'avec une ref de tension c'est plus sur ,plus simple au final et définitif.
JR

[DAUDET78]

C'est amusant car tu écris la même chose ,

pas du tout ! Moi j'utilise une tension quelconque , mais la même source pour fournir le courant et les seuils de commutation .
Je ne demande pas qu'elle soit précise mais qu'elle ne fluctue pas durant une période de mesure

[jiherve]

Re

qu'elle ne fluctue pas durant une période de mesure

là est la question!
JR

[inviteb793c342]

C'est aussi pour ça que j'avais pensé à ce montage.