Trouver carte à son pied

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S olutions
T
rouver LA carte d’acquisition de
données qui convienne parfaite-
ment à l’utilisation que l’on veut
en faire n’est pas toujours facile.Si
la méthode des petites annonces - « ch.carte
d’acq.,E/S bien sous tous rapports,pour travail sur banc
d’essai et + si affinités » - peut sourire aux plus for-
tunés, les autres devront se plonger dans la
littérature des “datasheets”. Pour que ce fas-
tidieux travail soit le plus efficace possible,
autant bien saisir de quoi il retourne à la lec-
ture des fiches techniques.Avant de finale-
ment choisir la carte adéquate,en fonction
de ses entrées et de ses sorties.Si les premières
sont souvent au cœur des préoccupations,les
dernières peuvent faire la différence.
Les signaux analogiques devront être
convertis au format numérique en vue de
l’exploitation sur PC. Il y a deux modes de
connexion :commun et différentiel.Dans le
mode commun,“single-ended”en anglais,
les voies seront référencées sur une masse
commune et l’on pourra visionner autant de
signaux qu’il y a de voies.Ce mode s’utilise
surtout pour des signaux de grande ampli-
tude, lorsque les fils sont courts et que les
signaux possèdent la même masse.En mode
différentiel,deux voies sont nécessaires pour
chaque signal. Les capacités de la carte dimi-
nuent alors de moitié,mais cette configura-
tion offre une meilleure immunité au bruit.
Certaines cartes possèdent jusqu’à 80 voies.
La connaissance préalable des signaux per-
met de savoir quel est le type de gamme
d’entrée nécessaire. Si les valeurs peuvent
varier autour de zéro,la configuration bipo-
laire symétrique autour du potentiel zéro
s’impose.Si toutes les tensions sont positives,
une configuration unipolaire avec une bor-
ne au potentiel zéro et l’autre à un potentiel
positif convient. Les cartes multifonctions
présentent des gammes sélectionnables : il
peut y en avoir jusqu’à 8,et même 15 pour
les modules d’acquisition USB,comme par
exemple les gammes ± 10 mV ou ± 10V.
Du choix des bornes de la gamme d’entrée
dépend la précision des mesures.Parmi les
intervalles de mesure proposés,il faut choi-
sir celui qui est immédiatement supérieur
aux valeurs extrêmes que peut prendre le
signal,pondéré du coefficient multiplicateur
correspondant au gain d’amplification.
Dans l’étage amplificateur
Avant d’être convertis au format numérique,
les signaux analogiques traversent un étage
amplificateur.Typiquement,celui-ci propo-
se des gains variant de 0,5 à 100.Un grand
gain permet d’étirer les signaux faibles,afin
qu’ils occupent la plus grande amplitude
possible dans la fenêtre de mesure.Attention
à ne pas appliquer un gain trop élevé, qui
aurait pour conséquence de faire saturer le
dispositif en faisant sortir le signal à mesurer
de la fenêtre de mesure.
Pour éviter que la mesure ne perturbe le
signal, il est nécessaire que l’amplificateur,
et donc la carte d’acquisition, soit le plus
transparent possible vis-à-vis du circuit.Cela
passe par une grande impédance d’entrée de
l’amplificateur, idéalement une impédance
infinie. Celles proposées chez National Ins-
truments sont de l’ordre de 10 GΩ.
Pour ne pas détériorer la carte,il faut s’assu-
rer qu’on ne lui applique pas une tension
supérieure à la valeur de surtension donnée
dans la documentation. Le dépassement de
cette valeur est potentiellement domma-
geable,que la carte soit elle-même sous ten-
sion ou non.
L’acquisition de données vise à exploiter les
informations remontées,il convient que l’on
puisse en tirer les informations désirées.Cela
passe par une précision adéquate des don-
nées,adaptée à chaque application.Cette pré-
cision est appelée résolution.Ce chiffre cor-
respond au nombre de bits sur lesquels le
convertisseur analogique-numérique (CAN)
code le signal. Pour une carte à n bits, le
convertisseur découpera la gamme d’entrée
en 2
n
niveaux. Divisée par le gain, l’ampli-
tude de chacune de ces “tranches” corres-
pond à la plus petite valeur numérisable.
Pour des applications peu exigeantes, on
pourra coder sur 8 bits, tandis que certaines
plus pointues pourront nécessiter jusqu’à
24 bits. Cette grande précision se fait sou-
vent au détriment de la vitesse d’échan-
tillonnage, à part dans certaines cartes très
performantes,plus onéreuses.
Le choix de la fréquence d’acquisition dépend
de celles que l’on s’attend à mesurer. Les
besoins ne sont pas les mêmes pour certaines
applications de mesure de vibration ou de
signaux RF qui peuvent
demander une grande
vitesse d’acquisition, et
des applications de
mesure de température,
moins exigeantes. La
vitesse minimale d’ac-
quisition ne se choisit
pas au hasard : d’après
le théorème de Shan-
non, la fréquence
d’échantillonnage doit
être au moins deux fois
Le choix d’une carte d’ac-
quisition implique une
bonne compréhension
des spécifications des
entrées/sorties.
Nombre de voies, résolu-
tion, vitesse d’acquisition,
transfert des données…
Ces critères sont détermi-
nants et doivent être choi-
sis en fonction de l’appli-
cation.
L’essentiel
ACQUISITION DE DONNÉES
Trouver carte
à son pied
▼
Lorsque l’on cherche une carte d’acquisition de données pour étudier
et décortiquer un signal, il vaut mieux avoir une idée préalable des
caractéristiques dudit signal pour choisir au mieux son matériel. Avec
ces informations en tête, l’ingénieur doit ensuite s’atteler à la lecture
des spécifications techniques des cartes disponibles. Nombre de voies
et vitesse d’acquisitions, résolution des entrées, sans oublier les sorties
et les options de déclenchement…
PCI Express s’invite désormais dans les cartes d’acquisition,en leur faisant profiter de sa grande bande passante.
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supérieure à la plus grande des fréquences à
mesurer. Sinon la mesure est faussée. Donc
pour une application dont l’une des fréquences
à mesurer est de 100 kHz,il faudra tabler sur
une carte échantillonnant à au moins 200 kHz.
Pour des applications nécessitant de grandes
vitesses (balistique, radar…), des vitesses
d’échantillonnage de 10 Géch/s sont dispo-
nibles. D’autres cartes offrent des vitesses de
l’ordre de la centaine de milliers d’échantillons
par seconde.
Multiplexage. Mais si ces performances sont
toujours disponibles dans le cas d’un mon-
tage monocanal,cela n’est pas forcément vrai
en mode multicanal. Encore faut-il savoir
combien de convertisseurs analogique-
numérique possède la carte.Car la technique
du multiplexage permet d’en utiliser un seul
pour plusieurs voies. Celui-ci sélectionne
alors une voie d’acquisition,travaille dessus
pendant que les autres canaux sont inactifs.
Une fois la numérisation finie, le multi-
plexeur sélectionne une autre voie et répète
son opération. La vitesse d’échantillonnage
est alors à diviser par le nombre de voies.
Ainsi, une carte dont la fréquence d’échan-
tillonnage est de 1 Méch/s sur 10 voies n’au-
ra qu’une fréquence réelle de 100 Kéch/s
par voie en mode multicanal.Le multiplexage
a également un impact sur l’amplificateur,
en y faisant passer tour à tour des signaux
différents et auxquels le gain à appliquer est
variable.Cette technique entraîne de grandes
variations du signal de sortie :la différence de
potentiel entre deux canaux lors de la com-
mutation du
multiplexeur
est encore à
multiplier par
le gain de l’amplificateur.Dès lors, pour que
la sortie de l’amplificateur soit stable,il faut
patienter quelques instants après la commu-
tation. D’abord, le signal tend vers la valeur
qu’il doit prendre, la dépasse et “rebondit”
pour revenir osciller autour de la valeur fina-
le.Le temps que met le signal à atteindre une
certaine précision est le “settling time”.Ce
temps d’établissement se mesure, il est de
l’ordre de quelques microsecondes à quelques
dizaines de microsecondes.
Données en salle d’attente
Buffer. La carte d’acquisition n’étant pas une
fin en soi,les données doivent être transférées
vers l’ordinateur qui fera le traitement logi-
ciel.Parce que ce transfert ne peut se faire en
flux tendu, la carte possède une salle d’at-
tente pour les données. La mémoire FIFO
(First In First Out) dans laquelle sont tem-
porairement stockées les données se vide vers
l’ordinateur au fur et à mesure qu’elle se
remplit de données acquises. En pratique,
cette mémoire est toujours dimensionnée de
façon à ce qu’elle ne sature pas,en fonction
des capacités du bus qui transfère les don-
nées vers le PC : PCI, ISA, FireWire, USB…
Ou encore le standard PCI Express qui est
récemment venu apporter ses capacités de
transfert à grande vitesse :sa bande passan-
te est au moins deux fois supérieure à celle du
bus PCI, et ce rapport peut monter jusqu’à
trente.La vitesse du transfert est une donnée
primordiale, c’est dans la plupart des cas le
facteur limitant l’acquisition des données.
Transfert des données. Le transfert peut se
faire de manière différente :utilisé par défaut,
le mode d’accès direct à la mémoire (DMA) se
fait en arrière-plan des tâches réalisées par le
PC,sans que le système d’exploitation n’in-
tervienne. C’est le mode le plus rapide. Plus
lent, le transfert en mode interruption
implique que la carte d’acquisitions inter-
rompe le processeur du PC pour lui deman-
der de lancer l’échange des données. En bas
de l’échelle des vitesses, le mode Program-
med I/O laisse l’initiative au processeur du
PC qui interroge la carte à intervalles réguliers.
Hormis la FIFO,une autre zone de mémoi-
re, non-volatile celle-là, autorise la sauve-
garde de données de configuration de la car-
te : tel gain pour telle voie, l’ordre de
scrutation… De quoi gagner lors d’acquisi-
tions répétées et espacées dans le temps, en
personnalisant sa carte d’acquisitions.
Les critères INL et DNL concernent la linéa-
rité de la carte. La précision relative (INL)
garantit la précision des données.Elle com-
pare la tension injectée à la tension renvoyée
en code numérique par la carte d’acquisi-
tion.La valeur de l’INL est la plus grande dif-
férence détectée entre les deux,et ce sur tou-
te la gamme d’entrée. Cet indicateur
s’exprime en fonction du bit dont la variation
a la plus faible incidence (Least Significant
Bit,LSB), situé le plus à droite dans la trame
binaire.La valeur du LSB correspond à l’am-
plitude de la gamme de mesure divisée par
le nombre de valeurs que peut prendre la
sortie,soit 2
n
,n étant la résolution.Pour une
carte 14 bits, avec une gamme d’entrée de
0/10 V,le LSB vaut 0,61 mV.Si la plus gran-
de différence mesurée entre les tensions four-
nie et renvoyée est de 1,2 mV, l’INL vaudra
2 LSB.Des valeurs d’INL de 0,5 ou 1 LSB sont
largement acceptables.
L’autre indicateur mesuré en fonction du LSB
est le DNL,la non-linéarité différentielle.En
Signaux analogiques
Signaux faible courant
Transfert (PCI, Firewire)
Démul-
tiplexeur
Multiplexeur
Ampli
Ampli
CNA
CAN FIFO
Blocs fonctionnels à l’intérieur d’une carte d’acquisition
Une fois amplifiés,les signaux analogiques sont numérisés par le convertisseur analogique/numérique (CAN).
Pour utiliser un seul amplificateur et un seul CAN,on a recours au multiplexage (en haut),plus économique que
d’utiliser un CAN par voie (à droite).
CAN
CAN
Ampli
Ampli
FIFO
FIFO
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théorie, pour une configuration donnée,la
carte d’acquisition renverra une sortie
constante pour une plage de tension de la
largeur d’un LSB (ici 0,61 mV).Parce qu’il
existe des problèmes de linéarité,on utilise
le DNL pour quantifier la dérive des plages
d’entrée générant le même code binaire.Avec
notre exemple d’un LSB à 0,61 mV,l’inter-
valle de tension d’entrée qui sera codé 1
devrait être [0,31; 0,92]. Si une tension de
1,1 mV est appliquée en entrée et qu’en sor-
tie on obtient le code binaire 1,l’écart vaut
alors 0,2 mV,soit 0,3 LSB.Le DNL est l’écart
maximal observé sur la gamme d’entrée. Il
peut prendre une valeur négative.
Autre facteur de non-linéarité :l’amplificateur
dont la pente n’est pas parfaite.Cette distor-
sion est définie par l’erreur de gain.
Les sorties analogiques. Si elles ne sont pas
au cœur des problèmes d’acquisition,les sor-
ties analogiques peuvent faire la différence
lors du choix d’une carte.La gamme de ten-
sion de sortie est évidemment primordiale :
typiquement,elle est de 0 à 10 V.Si les inten-
sités délivrées sont faibles,à savoir quelques
milliampères,cela ne permet pas de fournir
une puissance à un actionneur, mais suffit à
envoyer un signal de commande vers un dri-
ver qui pilotera l’actionneur.
Résolution. De même que pour les entrées,
la résolution et la vitesse des sorties sont à
considérer. Si le convertisseur numérique-
analogique transforme un signal 16 bits en
une valeur analogique,la précision en tension
de la sortie sera bien sûr supérieure que si
l’on avait un codage 8 bits.Des applications
ayant une large gamme dynamique avec des
faibles variations de tension nécessitent des
sorties haute résolution.
Vitesse des sorties.Pour la vitesse,deux gran-
deurs entrent en jeu :le temps d’établissement
(settling time) et le slew rate.Le temps d’éta-
blissement est la durée mise par le convertis-
seur numérique-analogique (CNA) à donner
une tension de sortie stable. L’autre valeur
importante,le slew-rate,est la différence d’am-
plitude de tension maximale que peut fournir
le CNA en un temps donné.Pour générer des
signaux radio par exemple, il faut un slew-
rate élevé et un temps d’établissement court.
Ce qui est superflu pour piloter par exemple
un appareil thermique,peu sensible aux varia-
tions rapides.
Lorsque la carte est mise en marche,la valeur
de la tension automatiquement retournée en
sortie est appelée Power-on-state.Si elle n’est
pas prise en considération, elle peut éven-
tuellement endommager les appareils
connectés en sortie.
Les entrées/sorties numériques. Les choses
sont plus normalisées en ce qui concerne ces
signaux,qui rentrent dans des calibres figés.Les
capteurs fonctionnent souvent avec des niveaux
TTL,CMOS,5 ou 24 V.Pour les actionneurs et
capteurs branchés sur les sorties, les gammes
classiques sont de 5,30, 60 et 240Vcc.La mul-
tiplicité des possibilités d’entrées/sorties risque
de faire cohabiter des niveaux de tension dif-
férents. Il faut donc prendre en compte les
modes d’isolation des voies.
Décompte et déclenchement
En sortie, les actionneurs vont consommer
du courant. Les cartes délivrent seulement
un courant de type commande,de quelques
milliampères.En intercalant entre la carte et
l’actionneur un amplificateur,on peut obte-
nir des courants plus grands pour connec-
ter et piloter des actionneurs.
Pour des questions de sécurité,des fonctions
de surveillance existent.Appelées watchdog
en anglais,elles détectent les défaillances de
l’application et mettent automatiquement les
sorties à un niveau sécurisé défini par l’uti-
lisateur et qui ne risque pas d’endommager
les actionneurs ni de leur donner une
consigne dangereuse pour l’environnement.
De même,il est possible de choisir, par pro-
grammation, le niveau des sorties lors du
démarrage de l’ordinateur : c’est la défini-
tion du power-on-state, comme pour les
signaux analogiques.
Les triggers. La gestion du déclenchement
de l’acquisition des données est particuliè-
rement importante dans une application.Elle
se fait en programmant des triggers,c’est-à-
dire en déterminant sur certaines voies des
seuils au-dessus ou au-dessous desquels l’ac-
quisition doit débuter. Le trigger peut être
analogique ou numérique.Dans le premier
cas,il faut voir quelle broche est concernée
par le déclenchement.
Le niveau de déclen-
chement est codé sur
8 bits. Il y a donc
256 niveaux possibles,
répartis à l’intérieur de
la gamme de déclen-
chement, définie com-
me le “level” du trig-
ger.
Il est également pos-
sible de ne faire l’ac-
quisition de données
que lorsque le signal de
déclenchement est
compris entre deux
valeurs choisies par
l’utilisateur. Cela néces-
site l’utilisation du
mode hystérésis.
Dans le cas d’un trigger numérique,le trig-
ger doit être compatible TTL ou CMOS ou
les deux.Le déclenchement peut se faire sur
le front montant, ou bien sur le front des-
cendant de ce signal.
Les compteurs. Les compteurs qui sont pré-
sents sur les cartes d’acquisition peuvent ser-
vir de diviseurs de fréquence auxquels est
associé une résolution n. Le compteur peut
diviser la fréquence par 2
n
,par exemple par
16 lorsque n vaut 4.Ils peuvent aussi servir
à faire de l’horodatage, à compter des évé-
nements.En sortie,ils sont utilisés pour géné-
rer un train de données Pulse Width Modu-
lation (PWM) par exemple.
Synchroniser les cartes.Lorsqu’une carte d’ac-
quisition ne suffit plus,lorsqu’il y a de nom-
breux signaux à analyser,il est possible de jux-
taposer plusieurs cartes.La difficulté consiste à
ce que ces différentes cartes réagissent comme
une seule entité.Il faut alors les synchroniser :
cela peut se faire grâce au bus Real Time Sys-
tem Integration (RTIS) pour les cartes PCI ou
avec le bus integré pour les modules PXI.
Une fois que l’on a trouvé la ou les cartes
qui semblent correspondre aux besoins de
son application,il faut s’assurer de la com-
patibilité logicielle avec le système d’exploi-
tation,et ce selon le type d’interface utilisée.
PCI et USB s’accommodent sans problèmes
de Windows,Mac OS ou Linux.Mais Mac OS
n’accepte pas les formats PXI ou CompactP-
CI, tandis que le dernier venu,PCI Express,
ne fonctionne qu’avec Windows.
En ce qui concerne les conditions d’utilisa-
tion, les cartes NI sont équipées de circuits
régulateurs qui compensent les effets de la
température,les rendant aptes à fonctionner
de 0 à 55 °C.
National Instruments
Temps d’établissement en sortie
de l’amplificateur
Puisque la sortie de l’amplificateur n’est pas immédiatement stable quand le signal en entrée varie,
il faut attendre un certain temps avant qu’elle ne se stabilise à l’intérieur d’une fenêtre de précision :
c’est le temps d’établissement (ts ).
Fenêtre de précision
ts
V
Tension
Temps
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