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Les convertisseurs analogique-numérique jouent un rôle vital dans la mesure de la température, de la tension, du courant et d'autres signaux réels dans les conceptions portables et à contraintes d'espace. L’un des principaux problèmes des convertisseurs ADC intégrés aux microcontrôleurs est que les principales spécifications du courant continu, telles que la linéarité, les erreurs de décalage et le bruit, ne sont souvent pas garanties, ni testées, ni répertoriées. Bien que les microcontrôleurs puissent avoir une option pour un CAN interne à registre d'approximation successif (SAR) interne de 12 bits ou un CAN, 16 bits, les concepteurs sont en train de deviner à quel point les performances sont vraiment bonnes.

Les microcontrôleurs intègrent une gamme de fonctionnalités dans leurs cœurs, y compris les horloges numériques, les minuteries, la mémoire et des centaines de registres. Pour les microcontrôleurs qui incluent des convertisseurs ADC, la navigation dans la longue feuille de données permettant de déterminer les performances de l’ADC est une tâche ardue.

Une fois dans le laboratoire, obtenir de bonnes performances ADC peut être tout aussi difficile. Un «ADC 16 bits» peut se comporter beaucoup plus comme un ADC 10 bits ou 12 bits. Les sources de référence de masse et négatives pour l’ADC proviennent généralement du même substrat bruyant que le reste du microcontrôleur.

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Ces microcontrôleurs ne sont pas optimisés pour les mesures analogiques en raison de leurs processus optimisés numériquement. Dans le microcontrôleur, il se peut que le routage ne soit pas optimal pour de bonnes performances du CAN. Malheureusement, l’ADC et le reste des circuits partagent un substrat de silicium commun.

Remplacez le convertisseur analogique-numérique de résolution inférieure et l'amplificateur de gain
Outre l'utilisation du CAN embarqué dans un microcontrôleur, les concepteurs aux contraintes d'espace tentent également d'économiser de l'argent et d'isoler le capteur du CAN en utilisant un petit CAN à faible résolution. Ils contournent les limites du CAN en amplifiant l'entrée d'un capteur (figure 3a), ce qui diminue la résolution requise par le CAN et augmente l'impédance de charge vue par le capteur.

De nombreux capteurs ne fournissent qu'une faible tension d'excitation, souvent comprise entre 10 et 100 mV. Ces applications nécessitent de pouvoir mesurer la différence de quelques microvolts ou de quelques centaines de microvolts dans cette plage de 100 mV.

Les petites tensions d'excitation peuvent être très proches de la terre ou à une tension de mode commun entre la terre et l'alimentation positive. Tirer le meilleur parti de cette petite plage du capteur est un défi. Chaque facteur de gain de deux augmente la sortie de l'amplificateur x2. Cela permet à l’ADC d’avoir une résolution moitié de celle dont il aurait besoin s’il était connecté directement au capteur (ce qui signifie que vous avez besoin d’une résolution en moins dans l’ADC).

La figure 3a détaille une approche pour mesurer un capteur basse tension. L'amplificateur A1 gagne le signal de 16 avant d'interfacer le CAN 12 bits. L’amplificateur diminue la sensibilité requise par l’ADC de 16x ou 4 bits (24). Ainsi, la résolution du système de la figure 3a est la même que la résolution du système pour un CAN 16 bits connecté directement au capteur. En supposant une tension de sortie maximale de 0, 25 V du capteur, l’amplificateur A1 fournira une sortie jusqu’à 4V. Basé sur une alimentation de 5 V et une plage d'entrée unipolaire de 0 à 5 V, le CAN 12 bits peut désormais utiliser 80% de sa plage d'entrée, au lieu de 5%.

Cependant, l’utilisation d’un amplificateur et d’un convertisseur analogique-numérique à basse résolution présente de nombreux inconvénients. Tout d'abord, la tension de décalage de l'amplificateur (Vos) ajoute un terme d'erreur directement à la mesure du capteur. Deuxièmement, la tolérance des résistances de réglage du gain ajoute une autre source d'erreur au circuit. Ces sources d'erreur peuvent s'additionner rapidement.

Troisièmement, les résistances d'amplificateur et de gain augmentent la taille totale de la conception. Quatrièmement, les concepteurs doivent être conscients des limites imposées au mode commun d'entrée et à l'oscillation de sortie de l'amplificateur. En d’autres termes, même si l’amplificateur peut être étiqueté «sortie rail à rail», la tension de sortie ne pourra jamais atteindre entre 1 mV et 100 mV dans la masse et dans l’alimentation positive, en fonction de la charge.

Le LTC2450 de Linear Technology, par exemple, a été développé pour permettre aux concepteurs de connecter un CAN haute résolution directement au capteur (figure 3b à la page 22) sans sacrifier les coûts ou l'isolation. En l'absence de performance en code 16 bits, l'ADC peut mesurer la plage de 0, 25 V du capteur avec la même résolution effective que l'ADC 12 bits plus l'amplificateur A1 de la figure 3a.

En plus de pouvoir mesurer un petit capteur 0, 25V, la plage d'entrée 0V à Vcc du LTC2450 permet également de mesurer des signaux asymétriques jusqu'à 5V. Cela permet au convertisseur de données de produire une représentation numérique précise sur une large plage dynamique de signaux d'entrée. En retirant l'amplificateur et son étage de gain, vous n'avez plus à vous soucier de Vos, du bruit de la résistance ou de la tolérance. L'espace de la carte pour l'amplificateur et les résistances n'est plus nécessaire, et la nécessité de faire correspondre les résistances et les composants de dérive a également disparu.

Impédance du capteur
Un autre problème pour les concepteurs qui mesurent les signaux des capteurs peut être l’impédance du capteur, qui peut aller de quelques ohms à quelques kilohms en mégaohms. L'architecture d'entrée de la plupart des CAN n'est pas configurée pour mesurer avec précision les sorties des capteurs à haute impédance, ce qui oblige les concepteurs à insérer un tampon entre le capteur et le CAN. Encore une fois, vous devez vous soucier de l'erreur de décalage, de l'espace de la carte et du coût du tampon.

La structure d'entrée du LTC2450 offre la possibilité d'interfacer le CAN directement aux capteurs jusqu'à plusieurs killiohms, sans affecter les performances. En supposant une alimentation de 5 V sur le CAN, chaque bit significatif (LSB) du CAN 16 bits sera de 5 V / 65 536 (76 µV). Le courant d'échantillonnage d'entrée du LTC2450 est extrêmement faible et ne dépasse généralement que 50 nA. Ainsi, l'impédance de source peut atteindre 1, 5 k avant que la précision ne soit dégradée de plus de 1LSB (76µV / 50nA = 1, 5kohm).
Pour les capteurs avec des impédances supérieures à 1, 5 kohm, le circuit de la figure 3b (page 22) peut facilement être modifié en ajoutant un amplificateur à faible courant de polarisation, tel que le LTC6078, qui présente un courant de polarisation d'entrée maximal à la température ambiante. Un tel exemple est un capteur de pH, dont l'impédance est supérieure à quelques mégaohms. En supposant une impédance de 5 Mohms sur le capteur et le courant de polarisation d'entrée d'un amplificateur de 1pA, l'erreur résultante est de 5µV (5MO x 1pA). Ce terme d'erreur est toujours bien inférieur à 1LSB au niveau de résolution 16 bits (76µV), garantissant aux concepteurs une mesure précise et stable à partir du capteur de pH.

Conclusion
Alors que les concepteurs tentent constamment de faire plus dans un espace restreint tout en réduisant leurs budgets, les défis augmentent. Les microcontrôleurs avec convertisseur analogique-numérique intégré et autres convertisseurs analogique-numérique à faible résolution bon marché peuvent être facilement adaptés à la surveillance de signaux analogiques tels que la tension, le courant ou la température. Mais au fur et à mesure que vous étudiez plus en profondeur, les sources d'erreur et les tailles de conception peuvent s'additionner et rendre difficile une lecture précise.