Les Systèmes d’Acquisition de Données: Introduction

03/06/2018
Une Introduction | Frédéric Druillole
CENBG
LES SYSTEMES D’ACQUISITION DE DONNEES
V5.0

DAQ: du détecteur à la mesure
1
Système d’acquisition de données
Une introduction
lundi, septembre 24, 2018
Version 2018

DAQ: du détecteur à la mesure
2

DAQ: du détecteur à la mesure
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TABLES DES MATIERES
I. CONSIDERATIONS GENERALES ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
I.1. Introduction -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
I.2. La mesure ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
I.2.1 Définitions --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
I.3. Les architectures d’acquisition -------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
I.3.1 Définitions --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
I.3.2 Architecture pour capteurs. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
I.3.3 Architecture pour détecteurs -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8
I.4. Exemples de systèmes d’acquisition ----------------------------------------------------------------------------------------- 10
II. CARACTERISTIQUES ET ARCHITECTURES DES ADC (CAN) --------------------------------------------------------------------------------- 12
II.1. Le pourquoi du comment ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12
II.1.1 Le codage -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13
II.1.2 La quantification ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18
II.1.3 Le critère de Nyquist (théorème de Shannon) --------------------------------------------------------------------------------------- 19
II.1.4 Les imperfections et leurs conséquences -------------------------------------------------------------------------------------------- 20
II.2. Traitement du signal ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24
II.2.1 Numérisation --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24
II.2.2 Analyse des données ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29
II.3. Les différents ADC ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 30
II.3.1 Les convertisseurs à intégration ou à rampe ----------------------------------------------------------------------------------------- 30
II.3.2 Les convertisseurs à approximations successives ----------------------------------------------------------------------------------- 30
II.3.3 Les convertisseurs “flash” ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31
II.3.4 Les convertisseurs “pipeline” ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31
II.3.5 Les convertisseurs “sub branching” ou semi-flash ---------------------------------------------------------------------------------- 31
II.3.6 Les convertisseurs sigma-delta ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31
II.3.7 Résumé ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32
III. DIMENSIONNEMENT D’UNE CHAINE DAQ ------------------------------------------------------------------------------------------------- 32
III.1. Dimensionnement et résolution ---------------------------------------------------------------------------------------------- 33
III.2. Débit de données ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 34
III.3. Temps mort ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 35
III.4. Conclusion -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35
IV. TRANSMISSION DES DONNEES --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35
IV.1. Composants à composants ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 36
IV.2. Cartes à Cartes -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36
V. LES LOGICIELS D’ACQUISITION --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37
V.1. Les architectures logicielles ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 37
V.2. Le système d’information complexe ----------------------------------------------------------------------------------------- 38
V.2.1 Le stockage des données ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 38
V.2.2 Simulation de la chaîne de détection --------------------------------------------------------------------------------------------------- 39
VI. ANNEXE 1: LA COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE ------------------------------------------------------------------------------------- 40
VI.1. Couplage 1: circulation dans un conducteur d’un courant. ------------------------------------------------------------ 40
VI.2. Couplage 2: ddp entre conducteur et masse ------------------------------------------------------------------------------- 40
VI.3. Couplage 3: courant variable dans un conducteur ----------------------------------------------------------------------- 41
VI.4. Couplage 4: ddp variable entre conducteur -------------------------------------------------------------------------------- 41
VI.5. Couplage 5: effet du champ électrique sur un conducteur ------------------------------------------------------------- 41
VI.6. Couplage 6: effet du champ magnétique dans une boucle ------------------------------------------------------------- 42
VI.7. Mode de couplage --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42
VII. ANNEXE 2: PROBABILITES ET STATISTIQUES -------------------------------------------------------------------------------------------- 42
VII.1. Etude des données --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43

DAQ: du détecteur à la mesure
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VII.1.1 Les 3 cas du dénombrement : -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43
VII.1.2 Analyse des données ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 44
VII.1.3 Les tableaux de traitements ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 45
VII.1.4 Les Modèles statistiques de distributions ----------------------------------------------------------------------------------------- 46
La loi binomial ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 46
VIII. ANNEXE 3: ETUDE EN BRUIT ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 56
VIII.1. Problématique ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 56
VIII.1.1 Le phénomène d’empilement -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 58
VIII.1.2 Le phénomène de déficit balistique------------------------------------------------------------------------------------------------- 58
VIII.1.3 Le phénomène de crosstalk ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 59
VIII.1.4 Le bruit du détecteur ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 60
VIII.1.5 Le bruit de la chaîne d’acquisition --------------------------------------------------------------------------------------------------- 60
VIII.2. Les outils statistiques -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 61
VIII.2.1 Domaine temporel ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 63
VIII.2.2 Domaine fréquentiel -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 65
VIII.3. Modèle électronique du bruit ---------------------------------------------------------------------------------------------- 66
VIII.3.1 Bruit thermique (cas d’une resistance) -------------------------------------------------------------------------------------------- 66
VIII.3.2 Bruit basse fréquence ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 68
VIII.3.3 Bruit dans une capacité et une inductance --------------------------------------------------------------------------------------- 70
VIII.3.4 Bruit dans une diode -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 70
VIII.3.5 Schéma équivalent pour l’ensemble des composants électroniques ------------------------------------------------------- 71
VIII.4. Analyse en bruit de montages classiques ------------------------------------------------------------------------------- 72
VIII.4.1 Amplificateur en courant -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 72
IX. DISSIPATION THERMIQUE DANS LES SYSTEMES D’ACQUISITIONS --------------------------------------------------------------------------- 78
IX.1. Problématique -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 78
IX.2. Les phénomènes thermiques -------------------------------------------------------------------------------------------------- 79
IX.2.1 Modèle de base ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 79
IX.2.2 Définition de la conduction --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 80
IX.2.3 Convection ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 81
IX.2.4 Rayonnement -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 85
IX.3. Le niveau d’analyse -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 93
IX.3.1 Algorithme d’analyse ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 93
IX.3.2 Composants ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 95
IX.4. Les moyens de dissipation ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 97
IX.4.1 Passifs ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 97
IX.4.2 Actifs ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 100
IX.5. Exemples ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 101
IX.5.1 Standards ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 101
IX.5.2 Dans le vide ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 101