Présentation du problème
Cette année, avec nos étudiants de BTS SN2 sur un projet, nous avons voulu lire directement une jauge de contrainte avec un circuit PSoC sans utiliser d’amplificateur d’instrumentation extérieur. Tout dans le PSoC. Oui, on a peur de rien. Et qui on est, hein ?
Notre cahier des charges
On veut mesurer une masse d’environ 500 g avec une précision de 1 g. On utilise le capteur de force suivant :
Le capteur est alimenté en 5V et donc délivre (5×800µV) = 4 mV pour 780 g soit environ 4 mV pour 800 g donc 2,5 mV pour 500 g. Cette tension différentielle est centrée autour de 2.5 V (c’est un pont de Wheatstone). 1 gramme correspond à 2,5mV/500 = 5 µV.
Structure retenue
La structure retenue et dessinée sous PSoC Creator est la suivante :
Le capteur de force est alimenté en 5V. Les deux sorties du capteur sont reliées à Vplus et Vmoins. On entre sur un multiplexeur analogique AMux. On utilise ensuite 4 PGA (Amplificateur à gain programmable) connectés en amplificateur différentiel à 2 étages. Enfin, un convertisseur analogique-numérique mesure cette tension amplifiée (présente entre OutPlus et OutMoins).
Principe de la mesure
La mesure se fait en deux temps avec le multiplexeur analogique . Posons G = gain total de l’amplificateur différentiel.
1° temps : AMux sur voie 0, on amplifie et mesure Vplus – V moins. On obtient V1 = G(Vp – Vm + offset)
2° temps : AMux sur voie 1, on amplifie et mesure Vmoins – Vplus. On obtient V2 =G (Vm-Vp + offset)
V1 et V2 sont stockés après numérisation. On effectue le calcul suivant dans la foulée :
V1 – V2 = G(Vp – Vm + offset) – G(Vm-Vp + offset) = 2.G.Vp – 2 .G.Vm + G.offset – G.offset
= 2 G.(Vp – Vm)
L’offset des amplificateurs s’annule par magie cette astuce !
Le gain de la structure totale est 2.G = 2 (Gain_PGA1 * Gain_PGA3)
Bien entendu, pour que cela fonctionne correctement il faut PGA1 = PGA2 et PGA3=PGA4
Tester la structure
Comment tester facilement la structure sans jauge de contrainte sous la main ?
En utilisant l’accessoire suivant :
Cette petite bidouille permet d’obtenir une tension (Vplus – Vmoins) comprise entre 0 et 6,5 mV environ centrée autour de 2,5 V. Ça simule très bien électriquement la jauge de contrainte. La tension est négative si l’on permute Vplus et Vmoins.
J’ai testé dans les conditions suivantes :
PGA1 = PGA2 = 24 et PGA3=PGA4 = 32
Tension d’entrée : environ -2,5 mV. CAN : Convertisseur Sigma-delta 20 bits. Mesure sur 16 échantillons. Kit PSoc050
1 : Tension mesurée par le CAN, multiplexeur en position 1 = -2060 mV
2 : Tension mesurée par le CAN, multiplexeur en position 2 = 1756 mV
A = (V1-V2) = -3816 mV ce qui correspond à 496 grammes (avec signe <0)
2.G(Vp-Vm) = -3816 mV donc G.(Vp-Vm) = -1908 mV et l’offset ramené à la sortie est de -152 mV !
A l’entrée, le signal est de 2,484 mV et l’offset de 0,198 mV.
Attention, le système ne fonctionne correctement que si les tensions 1 et 2 sont inférieures à la tension d’alimentation !
Testé avec les étudiants et la jauge. Ça marche aussi. On a baissé un peu les gains car on saturait une des sorties.
Conclusion
Faire un amplificateur d’instrumentation avec tous les étages analogiques dans le PSoC ? Ça marche, on sait faire !
Et qui on est, hein ?
