Comprendre les circuits de ponts

Les circuits de pont sont des outils fondamentaux de l'ingénierie électrique pour mesurer les impédances inconnues avec une grande précision. Le pont classique de Wheatstone, composé de quatre bras résistifs disposés en forme de diamant, reste la topologie la plus courante. Lorsque le pont est équilibré, la tension entre les deux points médians est nulle, ce qui signifie que le rapport des deux résistances d'un côté est égal au rapport de l'autre. Cette condition permet de déduire la résistance inconnue des valeurs connues.

Parmi les autres types de ponts, on peut citer les ponts Maxwell, Hay et Schering pour mesurer l'inductance et la capacité, ainsi que le pont double Kelvin pour les mesures à faible résistance. Quelle que soit la topologie spécifique, tous les circuits de ponts ont un défi commun : la tension différentielle de sortie est souvent très petite, de l'ordre de millivolts ou de microvolts, et est généralement superposée à une grande tension de mode commun.

Le rôle des amplificateurs différentiels actifs

Les amplificateurs différentiels actifs, construits autour des amplificateurs opérationnels (op-amps), sont spécifiquement conçus pour amplifier la différence entre deux signaux d'entrée tout en rejetant toute tension commune aux deux entrées. Cette propriété, connue sous le nom de rejet en mode commun, est essentielle pour les mesures de pont parce que la tension d'excitation de pont (par exemple, 5 V ou 10 V) apparaît comme un signal en mode commun aux entrées de l'amplificateur.

Principes fondamentaux de l'amplification opérationnelle

Un amplificateur différentiel utilise généralement un seul amplificateur op configuré comme un sous-tractionur avec quatre résistances de précision. La sortie idéale est donnée par:

Vout = (R[f / Ri) × [V+ – V[-]]]

Dans la pratique, les op-amps réels ont un rapport de rejet en mode commun fini (CMRR), une tension de décalage d'entrée et des courants de biais qui doivent être pris en compte. Les op-amps modernes de précision, tels que les Analog Devices ADA4528 ou Texas Instruments OPA2188, offrent des dérives de décalage de plus de 120 dB et ultra-faibles, ce qui les rend idéales pour les amplificateurs de ponts.

Paramètres de performance clés

  • Rapport de rejet de mode commun (CMRR): Mesure dans quelle mesure l'amplificateur rejette les signaux identiques sur les deux entrées. Un CMRR élevé (>100 dB) est nécessaire pour empêcher l'excitation du pont de corrompre la mesure.
  • Voltage hors tension d'entrée:[ Une petite erreur de courant continu qui ajoute au signal différentiel. Les ampères op de précision ont des tensions hors tension inférieures à 10 μV.
  • Gain Bandwidth Product (GBWP):[ Détermine la gamme de fréquences sur laquelle l'amplificateur maintient un gain stable. Pour les mesures de pont en courant continu, GBWP peut être modeste; pour les signaux dynamiques (p. ex., vibration), une bande passante plus élevée est nécessaire.
  • Densité sonore: Le bruit de basse tension d'entrée (nV/ √Hz) est essentiel pour résoudre les signaux de niveau microvolt. Les étapes de sortie rail-rail sont également bénéfiques pour maximiser la portée dynamique lors de l'utilisation de systèmes à alimentation unique.

Mise en œuvre de l'amplificateur dans un circuit de pont

Sélection topologique

La mise en œuvre la plus simple utilise un seul amplificateur différentiel op-amp. Cependant, cette topologie a une faible impédance d'entrée et nécessite une résistance précise pour obtenir un CMRR. Pour des performances supérieures, un amplificateur d'instrumentation (INA) est préféré. Les INA utilisent une architecture à trois op-amp : deux amplificateurs tampons d'entrée fournissent une impédance élevée, et un amplificateur de différence fournit le gain final et le rejet en mode commun.

Sélection des composants

  • Op-amp ou INA:[ Choisissez un appareil avec un décalage bas, un CMRR élevé et une bande passante appropriée.
  • Résistants: Utiliser des résistances à film métallique de précision avec une tolérance ≤ 0,1% et un coefficient de basse température (=50 ppm/°C) pour le réseau de réglage du gain.
  • Alimentation électrique: Des alimentations propres et réglementées sont essentielles.Pour les instruments fonctionnant avec batterie, utilisez des régulateurs à faible écoulement et des condensateurs de découplage (0,1 μF et 10 μF) à proximité des goupilles d'alimentation de l'amplificateur.
  • Protection des entrées:[ Résistances de série (1 k-10 k-) et diodes Schottky pour limiter les courants de failles et protéger contre la surtension.

Considérations relatives à la disposition des BPC

Le bruit et la stabilité sont fortement influencés par la mise en page.

  • Placez l'amplificateur le plus près possible du pont pour minimiser les traces et réduire les interférences électromagnétiques.
  • Utilisez un plan sol sous l'amplificateur et le pont. Séparez les bases analogiques et numériques si un système mixte est utilisé et connectez-les en un seul point.
  • Gardez les chemins de rétroaction courts et évitez de capter les signaux numériques à grande vitesse à proximité des entrées de l'amplificateur.
  • Ajouter des anneaux de protection autour des nœuds d'entrée haute impédance pour réduire les courants de fuite.

Exemple de conception pratique : Pont Wheatstone avec une jauge de souche

Un seul manomètre actif avec une résistance nominale de 350 γ est placé dans un bras, tandis que trois résistances de précision de 350 Φ complètent le pont. La tension d'excitation est de 5 V. Sous la contrainte maximale, la résistance change de 1%, produisant une tension différentielle d'environ 12,5 mV. Pour amplifier cette tension à 2,5 V (à pleine échelle pour un CDA de 12 bits), un gain de 200 est nécessaire.

Configuration du circuit

En utilisant un INA comme le AD8221, régler le gain avec une seule résistance externe (RG. La formule de gain est G = 49,4 kш / RG[ + 1. La polarité des entrées doit correspondre à la direction de la souche (tension/compression).

Étapes d'étalonnage

  1. Sans déformation appliquée (balance de pont), ajustez le déport (si disponible) à zéro la sortie. Beaucoup de INA modernes comprennent une broche de référence; mise à la terre de la référence ou l'application d'une tension précise fixe la sortie zéro.
  2. Appliquer un calibrage mécanique connu (p. ex. une résistance à la chasse à travers la jauge) pour simuler un changement de résistance connu et vérifier le gain.
  3. Mesurer la sortie avec un voltmètre numérique ou un ADC. Calculer le gain réel et ajuster RG si nécessaire.
  4. Enregistrer la dérive de sortie sur la température et le temps pour compenser numériquement si nécessaire.

Améliorer les performances avec le filtrage actif

Un filtre passe-bas de deuxième ordre avec une fréquence de coupure juste au-dessus de la fréquence de signal la plus élevée réduit le bruit à large bande et empêche l'aliasation dans l'ADC. Le filtre peut être implémenté avec une topologie Sallen‐Key en utilisant le même op-amp (si des paquets dual/quad sont utilisés) ou avec un filtre dédié IC. Pour des mesures très basses fréquences, un amplificateur stabilisé par hélico suivi d'un filtre RC passif suffit souvent.

Pour les applications nécessitant une isolation (p. ex. dispositifs médicaux ou environnements industriels à haute tension), un amplificateur isolé ou un isolat numérique doit être placé après l'amplificateur différentiel, ce qui brise les boucles au sol et protège l'électronique de mesure.

Pièges et dépannage courants

  • Pouvoir CMRR en raison d'un mauvais ajustement de résistance: Utiliser des réseaux de résistance avec des rapports assortis, ou mettre en œuvre un amplificateur d'instrumentation avec parage laser interne.
  • Oscillation:[ Cause d'une charge capacitive excessive sur la sortie ou d'un découplage insuffisant. Ajouter une petite résistance de série (10 – 50 ↓) à la sortie ou réduire la bande passante de gain en ajoutant un condensateur de rétroaction.
  • Dérision hors-bord: Si la sortie change avec la température, assurez-vous que l'amplificateur op est spécifié pour la faible dérive et que le pont est thermiquement équilibré (p. ex., jauges factices pour la compensation de la température).
  • Pompe de bruit:[ Fil d'entrée de la paire de boucliers tordus et connecter le bouclier au sol analogique à un seul point. Évitez de diriger les fils d'entrée près des alimentations ou des moteurs de commutation.

Applications des amplificateurs différentiels actifs dans les ponts

Au-delà des jauges de contrainte, des amplificateurs différentiels actifs sont utilisés dans:

  • Transducteurs de pression: Capteurs de ponts piézorésistifs pour applications automobiles et médicales.
  • Sondes thermiques: Détecteurs de température de résistance au platine (RTD) dans un pont de Wheatstone.
  • Capteurs de champ magnétique: Ponts de magnétorésistance géante (GMR) pour la détection du courant et la détection de position.
  • Échelles de pesage:[ Les cellules de charge produisent des sorties au niveau millivolt qui nécessitent une amplification et une numérisation de précision.
  • Sondes de position angulaires: Ponts à effet de hall utilisés dans la commutation moteur DC sans brosse.

Conclusion

Les amplificateurs différentiels actifs sont indispensables pour extraire des signaux propres et amplifiés des circuits de pont. En sélectionnant soigneusement les composants – en particulier l'amplificateur à amplificateurs ou à instrumentation, les résistances et l'alimentation électrique – et en suivant des méthodes rigoureuses de mise en page et d'étalonnage, les ingénieurs peuvent obtenir des résolutions de mesure jusqu'aux microvolts. Les principes discutés ici s'appliquent à une large gamme de capteurs à base de pont, faisant de l'amplificateur différentiel actif une pierre angulaire de l'instrumentation de précision.