Mesure de courant par μC: montage AOP soustracteur ou software?

[Vozek]

Bonjour

Je souhaite mesurer la tension au bord d'une résitance afin de mesurer precisement sa valeur (le courant se situe entre 100uA et 3mA et il est connu).

Cette tension sera mesurée par le CAN 12 bits d'un uC PIC, elle se situera entre 78mV et 2.5V.

D'après vous, quelle est la meilleure solution en terme de précision et de stabilité :

1. Realiser un montage soustracteur sur les 2 bornes de la resistance à l'aide d'un AOP. La tension sera lu par un canal du CAN (montage de gauche).

2. Envoyer directement les tensions aux bornes de la resistance dans 2 canaux du CAN et faire la soustraction avec le software. Les deux tensions seront "bufférisé" chacune par un montage suiveur (montage de droite).

Bien entendu, quelque soit la solution, les AOP seront caractérisés par une tension d'offset et un courant d'entrée très faible.

Je suis plutôt dans le numerique que dans l'analogique, le montage de droite me parle davantage. Cependant, il s'agit d'un hardware qui sera mis sur le marché, par consequent le coût est un critère important. Connaissant le prix des AOP a très faible tension d'offset, le montage de gauche me semple plus adapté.

Merci par avance de votre aide
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[sandrecarpe]

Salut,

A chaque conversion analogique-numérique, il y a une erreur. Tu les cumulerais en utilisant 2 CAN.
Pour moi, le plus performant est donc le montage de gauche

Je suis plutôt dans le numerique que dans l'analogique, le montage de droite me parle davantage

Sauf erreur de ma part, tu devrais retourner ton aop dans le montage de gauche.


C'est pour faire un ampèremètre ?

[DAUDET78]

A priori, ni l'un , ni l'autre .
Quelques questions :
- Comment est constitué le générateur de courant ? Qui a l'air d'être programmable ? comment ?
- A quoi est relié le fil du bas de la résistance ?

Pourquoi ni l'un , ni l'autre ? Car l'idée scolaire du générateur de courant n'est pas bonne (c'est mon avis). En effet l'erreur (calibration, température ou age du capitaine) n'est pas compensable.
Si tu utilises une simple résistance R_L pour alimenter la résistance R5 à mesurer et que la tension d'alimentation du diviseur est la même que la tension de référence du CAN, les erreur s'annule ! Tu obtiens une mesure de ratio de résistances qui ne dépend plus de la tension V_dd, ni de la tension V_REF du CAN

[Vozek]

DAUDET78, en réalité c'est exactement ce que je fait Les électroniciens ne jurent souvent que par les sources de courant de précision pour réaliser une mesure de résistance. Ces sources sont basées sur une tension qui drift en moyenne de 50 ppm/C avec une précision de 0.5% en fonction de la charge.

En réalité il s'agit d'un conductimètre, c-à-d d'un appareil qui mesure la resistance d'une solution afin de determiner sa concentration en ions. Apres plusieurs déboires avec une sonde à deux électrodes, je developpe une sonde à 4 électrodes. Le principe de mesure est simple et connu : https://fr.wikipedia.org/wiki/Mesure_4_pointes

Mon idée : le uC est alimenté avec un simple régulateur 3.3V et est équipé d'un convertisseur numerique analogique de 5 bits (32 niveaux). Il va générer differentes tentions qui vont alimenter la sonde en fonctions de la nature de la solution.
Au lieu de me fier à une source de courant fixe, je vais mesurer le courant qui passe à travers une resistance de précision (R6 SHUNT) en mesurant la tension à ses bornes.
Puis, connaissant le courant, je vais pouvoir deduire la resistance de la solution en mesurant la tension au borne de la sonde (R5 R solution).

Comme le cable de la sonde va mesurer plusieurs metres, je prends en compte les 2 resistances en amont et en aval (R8 parasite cable et R7 parasite cable).

Et nous avons donc une simple relation independante de Vdd (cf. équations).

Je crois avoir tout pris en compte, non ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Vozek]

Sauf erreur de ma part, tu devrais retourner ton aop dans le montage de gauche.

j'ai revérifié, il a l'air bon mon montage soustracteur

[DAUDET78]

En réalité il s'agit d'un conductimètre, c-à-d d'un appareil qui mesure la resistance d'une solution afin de determiner sa concentration en ions.

Tu ne pouvais pas le dire dès le début ?

j'ai revérifié, il a l'air bon mon montage soustracteur

Non ...
Mathématiquement, il te donnes, en sortie, une tension négative !

Je cogiterais demain après midi

[Vozek]

Non ...
Mathématiquement, il te donnes, en sortie, une tension négative !

Exact. Au temps pour moi !

[DAUDET78]

La mesure ne devrait pas se faire en courant alternatif pour éviter les dépôts d'électrolytes ?

[Vozek]

La mesure ne devrait pas se faire en courant alternatif pour éviter les dépôts d'électrolytes ?

En effet. Et la solution la plus simple serait d'alterner le point de raccord de la masse et la sortie du CNA. Plus la fréquence est élevée, plus les dépôts seront petits.

Mais la principale conséquence du dépôt d'électrolyte sur les électrodes est le changement de la résistance de la cellule. Comme on mesure continuellement le courant qui y passe, ce n'est pas vraiment un problème.
De plus, les électrodes seront grandes afin que la densité de courant soit suffisamment faible pour ne pas accumuler trop de dépôt.

Cette théorie sera validée lors des tests en vieillissement accéléré.

[DAUDET78]

Il faut être sûr de ton choix. la complexité du schéma en courant AC n'a rien à voir avec celui en DC (bien que la mesure en AC peut facilement se transformer en mesure DC)

[Vozek]

Une mesure en AC avec signal sinusoïdal est en effet bien plus complexe et surtout couteuse.

Mais en signal carré, cela pourrait simplement se faire en alternant masse et source de tension sur CNA_0 et CNA_1 (cf. montage), non ?

[jiherve]

Bonjour
Si alternat il y a alors certaines tensions changeront de signe .!
Par ailleurs attention au montage soustracteur il faut des résistances appairées(réseau de résistances obligatoire), la valeur important peu tant que les rapports sont conservé et qu'elle est >> R5.
JR

[Vozek]

Par ailleurs attention au montage soustracteur il faut des résistances appairées(réseau de résistances obligatoire), la valeur important peu tant que les rapports sont conservé et qu'elle est >> R5.

C'est vrai ! A quoi bon avoir un aop de precision si les resistances sont depareillées.

Est-ce que tout les reseaux de resistances ont pour caractéristique d'avoir exactement la même valeur, ou bien doivent-elles être produites dans ce but ?

Ce reseau de resistance pourrait-il convenir ? http://www.mouser.fr/Search/m_Produc...i5O%252bWBw%3d

[DAUDET78]

faut surtout pas utiliser un ampliOP en différentiel, mais un ampli d'instrumentation .
http://ressources.unisciel.fr/Traite...aine02_16.html
Alimenté en 3,3V et rail to rail, ça devrait pouvoir se trouver.
Au fait, tu disposes de quoi comme tension d'alimentation ?

[Vozek]

Je dispose uniquement d'un 3.3V regulé par un MCP1825s a partir d'un 5V.

Y a t-il réelement une grande difference entre un montage amplificateur instrumental et un bon AOP ?

Je compte utiliser celui-ci : http://ww1.microchip.com/downloads/e.../20005367B.pdf

Tension d'offset : 8uV et courant absorbé de l'ordre de 1pA...

[DAUDET78]

Je dispose uniquement d'un 3.3V regulé par un MCP1825s a partir d'un 5V.

Donc ça augmente le choix pour l'amplificateur !

Y a t-il réelement une grande difference entre un montage amplificateur instrumental et un bon AOP ?

Oh que oui !
Tu as calculé le courant que consomme ton ampliOP avec les résistances R2 et R3 sur les tensions à mesurer ? Je pense que non ....

Tension d'offset : 8uV et courant absorbé de l'ordre de 1pA...

Avec les erreurs introduites par ton montage, c'est de la roupie de sansonnet !

[DAUDET78]

Voilà un début d'élucubration :



Evidemment la lecture des amplis d'instrumentation, c'est uniquement si V_DAC > V_ref

[Vozek]

En tout cas un grand merci pour s'être donné la peine de faire le schema

Evidemment la lecture des amplis d'instrumentation, c'est uniquement si VDAC > Vref

Oui, la lecture se fera sur une seule alternance, la seconde servira à repousser les ions sur l'autre électrode afin d’éviter les dépôts.

Tu as calculé le courant que consomme ton ampliOP avec les résistances R2 et R3 sur les tensions à mesurer ? Je pense que non ....

Non, et c'est vrai que l'impédance d'entré du montage n'est pas négligeable, même si les résistance R3 et R4 valent 1Mohm, le courant sera de l'ordre du uA…

Cependant, le prix d'un ampli d'instrumentation est rédhibitoire. Je dois rester sous les 3.5 dollars microcontrôleur et PCB inclus, ce qui me donne une faible marge de manœuvre. Sachant que mon uC coute 0.80$ et le PCB 0.40$.
Si je comprends bien, l'avantage de l'ampli d'instrumentation est une impédance d'entré et un taux de rejection en mode commun très grand.
Comme nous ne souhaitons pas amplifier la différence de tension mais juste la mesurer, un montage à grande impédance d’entré suffira.

Finalement le meilleur rapport qualité/prix reste de monter des aop à haute impédance d’entré en suiveur et envoyer le tout au microcontrôleur pour faire la soustraction dans le software, comme sur mon tout premier montage de droite. Quitte à faire une concession sur les erreurs de convertion (cela reste acceptable dans le 1% d'erreur auquel j'ai droit). Le tout est d'avoir un shunt et une cellule bien concu pour avoir la plus grande chute de tension possible à leurs bornes.

Par contre je garde le système de mesure AC

[DAUDET78]

Cependant, le prix d'un ampli d'instrumentation est rédhibitoire.

Tu as une boule de cristal !!!!!!
On n'a même pas fait un choix pour ce composant ..... Et, il y a deux heures, tu ne savais pas que ça existait .

[Vozek]

J'en avais entendu parler. Je voyais plutôt ce genre de composant dans la mesure de courant avec amplification (shunt < 1ohm) et autre conditionnement de très petit signaux pour CAN >= 16 bits, etc.

Une petite recherche chez mon fournisseur m'a donner ça : http://www.mouser.fr/Semiconductors/.../?Ns=Pricing|0

Mais c'est vrai que je vais avoir besoin de deux ampli instru contre trois tres bon AOP. Je ferai les calcul exact demain...

[DAUDET78]

Mais c'est vrai que je vais avoir besoin de deux ampli instru contre trois tres bon AOP

et le réseau de résistances !.

Je ferai les calcul exact demain...

avec la même boule cristal ?
D'après ce que je pige, c'est pour faire un truc commercialisé ? Y a pas que le prix des composants dont il faut tenir compte.

[Vozek]

et le réseau de résistances !.

Non, ce serait 3 aop suiveurs (2 pour la cellule et 1 pour le shunt) qui serviraient à adapter l'impedance pour le convertisseur analogique/numerique. Aucune resistance necessaire. Je laisse tomber le soustracteur à cause de l'impédance d'entré.

avec la même boule cristal ?

Oui, en verifiant les prix et la disponobilité des composants chez un fournisseur. C'est bien comme ça que l'ont fait, non ?

Y a pas que le prix des composants dont il faut tenir compte

Certe, mais malheuresement le marché dicte davantage mes choix technologiques que les règles de l'art. Ce n'est pas synonyme de travail baclé, cela représente même deux fois plus de travail pour trouver un bon compromis.

[DAUDET78]

Oui, en verifiant les prix et la disponobilité des composants chez un fournisseur. C'est bien comme ça que l'ont fait, non ?

Sauf que se renseigner sur le prix d'une voiture sans être fixé sur la marque ni le modèle .......

Non, ce serait 3 aop suiveurs (2 pour la cellule et 1 pour le shunt) qui serviraient à adapter l'impedance pour le convertisseur analogique/numerique

alors tu peux probablement les virer aussi !

[Vozek]

Bon, à première vu les deux solutions sont très similaire en terme de prix :

le moins cher des bon ampli instru à 2 canaux : INA2331AIPWR - $2.10 x 1 - datasheet : http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina2331.pdf
source : http://www.mouser.fr/Semiconductors/...2&Ns=Pricing|0

le moins cher des bon aop : MCP6V61 - $0.799 + $1.22 (une puce à 1 aop + une puce à 2 aop) datasheet : http://www.mouser.com/ds/2/268/20005367B-1099368.pdf
source : http://www.mouser.fr/Semiconductors/...Ns=Pricing%7c0

remarques :
cet ampli instru possède un taux de rejection du mode commun plus faible que l'aop : 94dB contre 120dB.
la tension d'offset : 250uV pour l'ampli instru et 8uV pour l'aop.
l'impédence d'entré est similaire (courant absorbé de l'ordre du pA).
l'ampli instru possède un gain de 5 fixe.

Certe on parle de l'entré de gamme pour l'ampli instru, mais le montage à AOP sera tout simplement plus précis pour le même prix.

Pour obtenir les mêmes perf avec un ampli instru, il me faudrai le MAX4209HAUA+ (http://www.mouser.com/ds/2/256/MAX42...4209-74193.pdf)
qui coûte $1.80 x 2 donc $3.6
source : http://www.mouser.fr/Semiconductors/...Ns=Pricing%7c0

[Vozek]

les deux options pour l'étage de conditionnement du signal :

[Vozek]

alors tu peux probablement les virer aussi !

Non, car lors de la charge du condensateur d'échantillonage le uC consomme quelques uA.

[DAUDET78]

Non, car lors de la charge du condensateur d'échantillonage le uC consomme quelques uA.

Y a une note d'application de MicroChip sur le sujet . Ca augmente le temps de conversion.

[Vozek]

Finalement notre équipe s'est mise d'accord pour augmenter le budget.

Nous allons donc utiliser deux ampli instru comme le suggère DAUDET78, à savoir des MAX4208 (http://www.mouser.com/ds/2/256/MAX42...4209-74193.pdf)

[DAUDET78]

à savoir des MAX4208

Attention, tu doit envoyer sur In+ et In- des tensions comprises entre 0 et 3,4V au max

[Antoane]

Bonsoir,

Quelque remarques :
- pour un ampli diff, il faut un réseau de résistances appairées, ce qui n'est pas le cas de la référence que tu proposes plus haut.
- le courant d'entrée du circuit branché sur le pont de mesure doit être négligeable devant le courant de test. A priori, un ampli à) faible courant d'entrée sera plus bruyant et/ou aura plus d'offset qu'un autre.
- pense aux potentiels électrochimiques : il est de loin préférable d'utiliser 4 électrodes plongeant dans la solution à caractériser que deux, même si chacune est bien connectée par deux fils (séparation SENSE/FORCE).
- si tu as suffisamment de gammes pour que le ratio Rshunt/Rcell soit toujours pas trop éloigné de 1 (c'est très scientifique tout ça ), il peut être possible de directement connecter le CAN au pont de mesure.

Pense que sans calibrage, pour atteindre une incertitude de l'ordre du %, il faut des résistance ~0.1 %. C'est cher.