Comprendre l'architecture du FlexDMM NI PXI-4071

Contenu

Présentation

National Instruments propose le FlexDMM 6 chiffres ½ NI PXI-4070, qui remporte un succès sans précédent depuis 2002. Ce produit offre aux ingénieurs une solution aux défis de mesure inhérents aux instruments de précision traditionnels : allier cadence de mesure limitée et flexibilité. Le FlexDMM permet d'atteindre cet objectif grâce aux cadences de mesure qui rivalisent avec les multimètres numériques (DMM) haute résolution bien plus coûteux. NI continue à innover en matière d'architecture FlexDMM depuis sa sortie en :

  • doublant la cadence du mode de mesure le plus rapide
  • ajoutant un mode de numérisation haute tension isolé 1,8 Méch./s
  • proposant une version PCI du PXI-4070
  • proposant le FlexDMM et pont de mesure RLC 6 chiffres ½ NI PXI-4072.


La toute dernière innovation est le FlexDMM 7 chiffres ½ NI PXI-4071. Le nouveau FlexDMM PXI-4071 offre une précision et une résolution 26 bits, soit une résolution 10 fois supérieure et une précision jusqu'à 60 % plus élevée que celles des précédents FlexDMM. Le PXI-4071 offre également des gammes de mesure particulièrement étendues ; comme indiqué dans le Tableau n°1, pour permettre de mesurer des tensions DC de ± 10 nV à 1000 V, des courants de ± 1 pA à 3 A et des résistances de 10 µΩ à 5 GΩ, ainsi que de relever des mesures de fréquence/période et de diode. Le FlexDMM offre un mode de numérisation isolée, dans lequel des signaux couplés-DC peuvent être acquis à une fréquence d'échantillonnage allant jusqu'à 1,8 Méch./s, dans tous les modes de tension et de courant. Ce document offre une comparaison détaillée des FlexDMM et des convertisseurs DMM analogiques/numériques (C A/N) traditionnels, ainsi que de leurs architectures.

NI PXI-4071
NI 4070/NI 4072
Résolution maximum
7 chiffres ½ (26 bits)
7 chiffres (23 bits)
Gammes de tension
Tension DC maximum
1000 V
300 V
Sensibilité DC
10 nV
100 nV
Tension AC efficace maximum (pic)
700 Veff (1000 V)
300 Veff (425 V)
Tension de mode commun
500 V
300 V
Gammes de courant
Courant DC maximum
3 A
1 A
Sensibilité DC
1 pA
10 nA
Courant AC efficace maximum (pic)
3 A (4,2 A)
1 A (2 A)
Sensibilité AC efficace
100 pA
10 nA
Gammes de résistance
Maximum
5 GΩ
100 MΩ
Sensibilité
10 µΩ
100 µΩ
Gammes RLC1
Capacité
N/A
0,05 pF à 10 000 µF
Inductance
N/A
1 nH à 5 H
Coût
2 649 €
1 849 €/2 499 €

Tableau n°1. Comparaison des entrées du FlexDMM

1 PXI-4072 uniquement

Limitations traditionnelles des DMM


Les DMM traditionnels se focalisent en général sur la résolution ainsi que sur la précision, et n'offrent pas de capacité d'acquisition haute vitesse. Bien entendu, il existe certaines limitations inhérentes des performances de bruit par rapport à la vitesse, en fonction de la physique de base. Le bruit Johnson d'une résistance est un exemple de limite théorique, et la technologie des semi-conducteurs détermine quelques limitations pratiques. Mais de nombreuses autres options permettent d'atteindre des performances de mesure les plus élevées possibles.

Certains DMM haute résolution spécialisés jouent avec la résolution et atteignent des vitesses légèrement plus élevées, mais ils sont très onéreux - plus de 6 000 Euros – et sont disponibles uniquement dans des configurations pleine baie qui consomment un espace système ou un espace sur table significatif.

Une autre limitation de la vitesse des DMM est constituée par la plate-forme matérielle traditionnelle, le bus d'interface GPIB (IEEE 488). Cette interface, utilisée depuis les années 1970, est souvent considérée comme un standard en dépit de ses inconvénients en matière de vitesse, de flexibilité et de coût. La plupart des DMM autonomes traditionnels utilisent cette interface, bien que des standards d'interface alternatifs, comme l'USB et l'Ethernet, soient désormais disponibles sous forme d'options des DMM traditionnels. Ces interfaces communiquent avec le DMM en envoyant des messages à l'instrument et en attendant une réponse, ce qui est plus lent de manière intrinsèque que l'accès au registre utilisé par les instruments PXI modulaires.

Même avec les premières tentatives de s'écarter de l'interface GPIB, la limitation de base des DMM en matière de vitesse et de précision reste les convertisseurs analogiques/numériques (C A/N) utilisés dans ces produits. Pour mieux comprendre les technologies utilisées, examinons de plus près ce qu'ils offrent en termes de performances.

Technologie du C A/N à double pente
D'un point de vue historique, l'une des formes les plus anciennes mais les plus répandues de conversion analogique/numérique de précision est le C A/N à double pente. Cette technique a été largement utilisée depuis les années 1950. Il s'agit d'un procédé en deux étapes. D'abord, une tension d'entrée (représentant le signal à mesurer) est convertie en courant et appliquée à l'entrée d'un intégrateur par le commutateur S1. Lorsque l'intégrateur est connecté à l'entrée (au début du cycle d'intégration ou de l'ouverture), il suit une rampe ascendante jusqu'à la fin du cycle d'intégration ou de l'ouverture, moment où l'entrée est déconnectée de l'intégrateur. Alors, un courant de précision, dénommé courant de référence, est connecté à l'intégrateur par le commutateur S2 et l'intégrateur suit une rampe descendante jusqu'à zéro. Pendant ce temps, un compteur haute résolution mesure le temps nécessaire à l'intégrateur pour revenir à zéro, à partir du moment où il a démarré. Ce temps mesuré, relatif au temps d'intégration et à la référence, est proportionnel à l'amplitude du signal d'entrée. Voir la Figure n°1.







Figure n°1. Diagramme d'un convertisseur à double pente


Cette technique est utilisée encore aujourd'hui dans de nombreux DMM haute résolution. Elle a l'avantage de la simplicité et de la précision. Avec de longues durées d'intégration, la résolution peut être accrue jusqu'aux limites théoriques. Cependant, les limitations de conception suivantes affectent les performances du produit au final :

  • l'absorption diélectrique du condensateur de l'intégrateur doit être compensée, même pour des condensateurs haute qualité, ce qui peut nécessiter des procédures d'étalonnage compliquées.
  • le signal doit être appliqué et désappliqué à travers une porte, tout comme la référence. Ce procédé peut introduire une injection de charge dans le signal d'entrée. L'injection de charge peut provoquer des erreurs dépendantes de l'entrée (non-linéarité), qui sont difficiles à compenser aux résolutions très élevées (6 chiffres ½ ou plus).
  • le temps de descente dégrade fortement la vitesse de mesure. Plus ce temps est court, moins il y a d'erreurs introduites par le retard du comparateur, par l'injection de charge, etc.


Certaines topologies utilisent une étape de transconductance avant la conversion de la tension en courant par l'intégrateur, puis des réseaux de direction de courant pour minimiser l'injection de charge. Malheureusement, cette étape introduit de la complexité et des possibilités d'erreur.

Malgré ces limitations de conception, les convertisseurs à double pente ont été utilisés dans des milliers de DMM, depuis les outils de terrain ou sur table les plus répandus jusqu'aux DMM haute résolution et haute précision de qualité métrologie. Comme avec la plupart des techniques d'intégration analogique/numérique, ils ont l'avantage d'offrir une réjection du bruit relativement bonne. Le réglage de la période d'intégration sur un multiple de 1/PLC (fréquence de la ligne électrique) fait que le C A/N rejette le bruit de fréquence de la ligne, ce qui est souhaité.

Technologie de C A/N à équilibre de charge avec rampe descendante
De nombreux fabricants résolvent les problèmes d'absorption diélectrique et de vitesse inhérents aux convertisseurs à double pente en utilisant la technique du C A/N à équilibre de charge avec rampe descendante. Elle est fondamentalement similaire à celle de la double pente mais elle applique le signal de référence par incréments quantifiés pendant le cycle d'intégration. Elle est parfois appelée "modulation". Chaque incrément représente un nombre déterminé de comptes finaux. Voir la Figure n°2.






Figure n°2. Diagramme d'un convertisseur à équilibre de charge


Pendant cette phase d'intégration, représentée sur la Figure n°2 par touverture, S1 est ouvert et Vx est appliqué par R1, qui démarre la rampe de l'intégrateur. Un courant opposé est appliqué à intervalles réguliers par les commutateurs, S2 et S3. Ceci "équilibre" la charge sur C1. On génère des comptes de mesure à chaque fois que S5 est connecté à VR. En réalité, pour des mesures à plus haute résolution (avec des temps d'intégration plus longs), la plupart de ces comptes sont générés pendant cette phase touverture. À la fin de la phase d'équilibre de charge, un courant de référence de précision est appliqué à l'intégrateur, comme dans le cas du convertisseur à double pente. L'intégrateur suit ensuite une rampe descendante jusqu'à zéro. La mesure est calculée à partir des comptes accumulés pendant l'intégration et ajoutée aux comptes pondérés accumulés pendant la rampe descendante. Les fabricants utilisent deux références de rampe descendante, ou plus, ce qui résulte en descentes de rampe rapides, pour optimiser la vitesse, puis en "pentes finales" plus lentes, pour la précision.

Bien qu'il soit possible d'améliorer considérablement les problèmes d'absorption diélectrique du condensateur de l'intégrateur grâce au convertisseur A/N à équilibre de charge avec rampe descendante, cette technique offre des avantages de performances similaires à celles du convertisseur à double pente (en réalité, certains convertisseurs à double pente utilisent plusieurs pentes descendantes). La vitesse est considérablement améliorée en raison du nombre de comptes générés pendant la phase d'équilibre de charge qui réduit la signification d'une erreur de rampe descendante. Ainsi la descente peut être bien plus rapide. Cependant, il existe encore un temps mort significatif en cas de relevé de plusieurs mesures ou de numérisation d'un signal, en raison du désarmement et du réarmement de l'intégrateur.

Ce type de C A/N, utilisé depuis les années 1970, a considérablement évolué. Les premières versions ont utilisé un modulateur similaire à celui d'un convertisseur tension/fréquence. Elles souffrent de problèmes de linéarité provoqués par des parasites dépendants de la fréquence et elles ont été limitées en vitesse de conversion. Au milieu des années 1980, la technique a été affinée pour intégrer un modulateur à "fréquence constante", qui est toujours largement utilisé. Ceci a particulièrement amélioré les performances uniques et la facilité de fabrication de ces convertisseurs.

Technologie du convertisseur Sigma-Delta
Les convertisseurs Sigma-Delta, ou C A/N à mise en forme du bruit, ont des racines historiques dans le domaine des télécommunications. Désormais, la technique est largement utilisée comme base de l'offre de blocs de construction de C A/N "sur étagère", produite par de nombreux fabricants. Cette dernière décennie, une évolution significative a eu lieu dans ce domaine (conduite par une demande croissante de conversion de dynamique élevée dans l'audio et les télécommunications), et les recherches sont toujours en cours. Certains DMM modulaires (PXI, PCI et VXI) utilisent des C A/N Sigma-Delta au cœur du moteur d'acquisition actuel. Ils sont aussi couramment utilisés pour numériser des signaux dans les domaines suivants :

  • acquisition de signaux dynamiques (DSA)
  • audio et voix, commercial et grand public
  • paramètres physiques comme les vibrations, les contraintes et la température, où une numérisation avec une bande passante modérée est suffisante.


Le diagramme de base d'un convertisseur Sigma-Delta est présenté à la Figure n°3.



Figure n°3. Diagramme d'un convertisseur Sigma-Delta


Les blocs de construction de base d'un convertisseur Sigma-Delta sont le ou les intégrateurs, le C A/N 1 bit et le C N/A (convertisseur numérique/analogique) et un filtre numérique. La mise en forme du bruit est réalisée en associant les étapes d'intégration et la conception de filtres numériques. On dispose de nombreuses techniques pour l'implémentation de ces blocs. Différentes philosophies existent concernant le nombre optimum d'étapes d'intégration, le nombre d'étapes de filtres numériques, le nombre de bits des convertisseurs A/N et N/A, etc. Cependant, les blocs de construction opérationnels de base restent fondamentalement les mêmes. Un modulateur consistant en une boucle de feedback à équilibre de charge 1 bit est similaire à celui décrit ci-dessus. Le C A/N 1 bit, en raison de sa précision et de sa monotonicité inhérentes, permet une très bonne linéarité.

L'utilisation des convertisseurs Sigma-Delta disponibles dans le commerce apporte de nombreux avantages, parmi lesquels :

  • leur quasi-linéarité et leur bonne non-linéarité différentielle (NLD)
  • leur contrôle du bruit pouvant être très efficace
  • leurs capacités intrinsèques d'auto-échantillonnage et de suivi (aucun circuit échantillonneur-bloqueur nécessaire)
  • leur coût généralement peu élevé.


Cependant, l'utilisation de convertisseurs A/N Sigma-Delta dans les DMM haute résolution connaît quelques limitations :

  • de vitesse, surtout dans les applications de balayage, dues aux retards de pipeline engendrés par le filtre numérique
  • bien que généralement linéaires et faible bruit, les spécifications des fabricants limitent la précision à 5 chiffres ½ (19 bits)
  • les "tons" de modulation peuvent se replier dans la bande passante, en créant des problèmes aux résolutions élevées
  • un contrôle limité des inconvénients vitesse-bruit, du temps d'acquisition, etc.

Technologie FlexDMM de National Instruments

Le FlexADC constitue l'ossature de la famille NI FlexDMM (PXI-4072, PXI-4071, PXI-4070 et PCI-4070). Le FlexADC offre le bruit, la linéarité, la vitesse et la flexibilité nécessaires pour obtenir des mesures haute vitesse et haute précision. Le FlexADC, présenté à la Figure n°4, est basé sur une association de la technologie des C A/N haute vitesse "sur étagère" et d'un convertisseur Sigma-Delta de conception personnalisée. Cette association optimise la linéarité et le bruit pour une précision jusqu'à 7 chiffres ½. De plus, la stabilité permet au numériseur d'atteindre une fréquence d'échantillonnage jusqu'à 1,8 Méch./s.


Figure n°4. Convertisseur FlexADC


Le diagramme de la Figure n°4 présente un modèle simplifié du fonctionnement d'un convertisseur FlexADC. Aux basses vitesses, le circuit exploite les avantages du convertisseur Sigma-Delta. Le C A/N de feedback est conçu pour obtenir un bruit très faible et une linéarité exceptionnelle. Le filtre passe-bas offre la mise en forme du bruit nécessaire pour atteindre des performances d'efficacité à toutes les résolutions. Aucune rampe descendante n'est nécessaire parce que le modulateur ultra-haute précision 1,8 Méch./s offre une conversion avec une résolution particulièrement élevée sans rampe. À ces vitesses, le modulateur 1,8 Méch./s s'associe au C A/N à échantillonnage rapide pour permettre une numérisation à échantillonnage continu. Le processeur de signaux numériques (DSP) offre un séquençage, un étalonnage, une linéarisation, un traitement AC efficace réel et une décimation temps réel, ainsi que le filtrage pondéré du bruit utilisé pour les fonctions DC.

Le convertisseur FlexADC présente plusieurs avantages :

  • l'architecture unique du FlexDMM offre une vitesse de lecture des variables en continu de 7 éch./s à 7 chiffres ½ à 10 kéch./s à 4 chiffres ½, comme indiqué sur la Figure n°5
  • le FlexADC peut fonctionner en tant que numériseur à une fréquence d'échantillonnage jusqu'à 1,8 Méch./s
  • grâce au modulateur Sigma-Delta personnalisé, la mise en forme du bruit et le filtrage numérique ont été optimisés pour une utilisation dans les applications de DMM et de numériseurs
  • au contraire d'autres techniques de conversion analogique/numérique, il n'est pas nécessaire d'appliquer et de désappliquer le signal d'entrée. Ainsi, il est possible d'obtenir une acquisition de signaux continus et contigus
  • une conversion A/N directe et un étalonnage de la réponse en fréquence peuvent être obtenus sans utiliser de convertisseur Teff analogique conventionnel ni de "potentiomètre d'ajustement", pour la correction de l'uniformité
  • le bruit du signal d'entrée peut être considérablement réduit pour toutes les fonctions qui intègrent des algorithmes de mise en forme du bruit appropriés (voir Réjection du bruit DC)
  • des fonctions avancées basées sur l'hôte peuvent être implémentées grâce à NI LabVIEW, une fois les signaux numérisés, ce qui conduit à une liste quasiment sans fin d'options de caractérisation du signal (transformée de Fourier rapide, calcul d'impédances, facteur de crête AC, pic, moyenne AC, etc.).

Figure n°5. Vitesses de lecture DC d'un convertisseur FlexDMM


Le Tableau n°2 compare quatre de ces architectures de convertisseur A/N.


Tableau n°2. Comparaison d'architectures de convertisseurs A/N

Architecture frontale haute stabilité, faible bruit

L'ensemble des FlexDMM offre certaines des références embarquées les plus stables. En tant que référence de tension, le FlexDMM utilise une référence thermiquement stable bien connue qui offre des performances inégalées. Cette référence de tension est blindée thermiquement, pour des performances optimums. Le résultat est un coefficient de température de référence maximum inférieur à 0,3 ppm/ºC. La stabilité dans le temps de ce matériel est de l'ordre de 8 ppm/an. Dans cette gamme de prix, aucun autre DMM n'offre cette source de référence et sa stabilité associée. C'est pourquoi le FlexDMM offre une garantie de 2 ans sur la précision.

Les fonctions de résistance sont référencées par rapport à une unique résistance haute stabilité à feuilles métalliques de 10 kΩ, destinée à l'origine aux applications aérospatiales exigeantes. Ce composant a un coefficient de température garanti inférieur à 0,8 ppm/ºC et une stabilité dans le temps inférieure à 25 ppm/an.

Conditionnement statique de signaux d'entrée
Une source importante d'erreurs de mesure dans la plupart des DMM traditionnels est la commutation par relais électromécanique. Des offsets thermiques de tension induits par contact peuvent provoquer une instabilité et une dérive. Les convertisseurs FlexDMM éliminent tous les relais, à une exception, dans les voies de mesure de tension DC, de tension AC et de résistance. Une configuration particulière de relais-contact annule les erreurs thermiques dans cet unique relais. Ce relais n'est commuté que lors de l'auto-étalonnage. Pour le changement de fonction et de gamme, toutes les commutations relatives aux mesures sont réalisées avec une commutation statique haute fiabilité et basse thermique. Ainsi, les défaillances d'usure des relais électromécaniques sont quasiment éliminées. La Figure n°6 montre des performances de dérive sur une nuit dans la gamme la plus sensible, la gamme 100 mV. Chaque division représente 500 nV. Pour la comparaison, la même mesure réalisée dans des conditions identiques avec un DMM 6 chiffres ½ traditionnel et un DMM pleine baie 8 chiffres ½ est illustrée à la Figure n°6.



Figure n°6. Courbe montrant la stabilité d'un FlexDMM (en bas) dans la gamme 100 mV avec une entrée écourtée, comparée à celle d'un DMM traditionnel (en haut) – 500 nV/division


Linéarité
La linéarité est une mesure de la "qualité" de la fonction de transfert d'un DMM. Elle est importante dans les applications de caractérisation de composants pour offrir des performances de DNL (non-linéarité directe) et INL (non-linéarité intégrale) sensiblement meilleures comparées à celles des convertisseurs A/N "sur étagère". Le convertisseur FlexADC est conçu pour une excellente linéarité, à la fois directe et intégrale. La linéarité est également importante parce qu'elle détermine la répétabilité de la fonction d'auto-étalonnage. Le tracé de la Figure n°7 est une courbe de linéarité classique d'un FlexDMM, mesurée dans la gamme 10 V de - 10 à + 10 V.


Figure n°7. Linéarité dans la gamme 10 Vcc

Auto-étalonnage

Les DMM traditionnels 6 ½ et 7 chiffres ½ sont étalonnés à une température particulière. De plus, cet étalonnage est caractérisé et spécifié sur une plage limitée de températures, habituellement de ± 5 ºC (ou même de ± 1 ºC dans certains cas). Ainsi, quelle que soit la température d'utilisation du DMM en dehors de cette plage, ses spécifications de précision doivent être affectées d'un coefficient de température, habituellement de l'ordre de 10 % de la spécification de température par ºC. Ainsi, au-delà de 10 ºC hors de la plage spécifiée, l'erreur de mesure spécifiée peut doubler, ce qui peut constituer un problème grave lorsque la précision absolue est importante.

Si les dépassements de température excèdent ces limites et si des spécifications étroites sont nécessaires, un ré-étalonnage à la nouvelle température est également nécessaire. Prenez par exemple la gamme 10 Vcc des DMM traditionnels 7 chiffres ½. Un DMM peut avoir une précision calculée de la manière suivante :

Précision sur 1 an : (24 ppm de la lecture + 4 ppm de la gamme) pour T = 23 ± 5 ºC

Avec cette spécification, si vous appliquez 5 V à l'entrée, l'erreur est de :

24 ppm de 5 V + 4 ppm de 10 V = 160 µV, pour la gamme de températures de 18 à 28 ºC

Ceci est la méthode traditionnelle de spécification de la précision. Lorsque la température ambiante est en dehors de cette gamme de 18 à 28 ºC, il faut "déclasser" la précision à l'aide du coefficient de température (tempco). Grâce à la méthode traditionnelle, la seule manière d'obtenir une précision spécifiée en dehors de la gamme de 18 à 28 ºC est de ré-étalonner entièrement le système à la température souhaitée. Bien entendu, un ré-étalonnage est souvent onéreux et peu pratique. Dans l'exemple, ci-dessus, si la température ambiante du DMM est de 50 ºC, en raison peut-être du nombre d'instruments dans la baie accompagnée d'une circulation d'air limitée, et si tempco est spécifié sous la forme suivante :

tempco = (2 ppm de la lecture + 1 ppm de la gamme) par ºC, alors, l'erreur supplémentaire est de :

22 ºC x tempco = (44 ppm de la lecture + 22 ppm de la gamme) soit une incertitude totale de 600 µV. À la température ambiante de 50 ºC, cette erreur est presque quatre fois plus importante que la précision indiquée sur un an.

Assurer une précision de l'ordre du ppm
Afin d'éliminer ce type d'erreurs, tous les FlexDMM intègrent une fonction d'auto-étalonnage des modes de tension Vcc, résistance, diode et numériseur. Cette fonction est appréciable pour les raisons suivantes :

1. La fonction d'auto-étalonnage corrige les erreurs de gain et d'offset signal-voie dans le DMM par rapport à la référence de tension interne haute stabilité de précision décrite précédemment.

2. L'auto-étalonnage tient compte de toutes les erreurs de source de courant de résistance, gain et offset. En résistance, toutes les erreurs sont corrigées par rapport à l'unique résistance de précision interne de 10 kW.

3. L'auto-étalonnage dure une minute et ré-étalonne entièrement toutes les gammes de tension et de résistance, ainsi que les fonctions de numérisation. Dans les DMM traditionnels, plus de 10 minutes sont nécessaires pour exécuter cette fonction.

Le résultat est un DMM haute précision, extrêmement stable à n'importe quelle température de fonctionnement, bien au-delà de la gamme traditionnelle de 18 à 28 ºC, grâce à l'auto-étalonnage. Pour l'exemple précédent, l'erreur supplémentaire introduite par le coefficient de température avec auto-étalonnage serait entièrement couverte par les spécifications sur 90 jours et sur deux ans et serait de :

tempco avec auto-étalonnage : < (0,3 ppm de la lecture + 0,01 ppm de la gamme) par ºC

Ceci représente une énorme amélioration de précision sur la gamme complète de températures du FlexDMM. Le Tableau n°3 résume ces résultats.

Condition
DMM traditionnel 7 chiffres ½ (sur un an)
FlexDMM 7 chiffres ½
(sur 2 ans)
Mesure dans la gamme de 18 à 28 ºC
160 µV
65 µV
Mesure à 50 ºC sans auto-étalonnage
600 µV
111 µV
Mesure à
50 ºC
avec auto-étalonnage
600 µV (pas d'auto-étalonnage disponible)
80 µV

Tableau n°3. Résumé de l'exemple : analyse de l'incertitude, mesure dans la gamme de 5 V à 10 V



Remarquez que l'utilisation du FlexDMM avec auto-étalonnage offre une précision à 50 ºC plus de sept fois meilleure que celle des méthodes traditionnelles. Le Tableau n°4 compare l'auto-étalonnage à l'étalonnage "usine" traditionnel.



Option d'étalonnage
Application
Quand
Avantages de performances
Étalonnage "usine"
Temps de ré-étalonnage dérivant des
références intégrées
Correction de la dérive d'uniformité AC
pour toutes les fonctions
Tous les 2 ans
Jusqu'aux spécifications complètes
Auto-étalonnage
Précision 7 chiffres ½ :
ré-étalonnage de la voie de mesure et du C A/N pour les modes tension DC, résistance, diode et numériseur
90 jours ou pour un changement de température > 1 ºC
Pour les spécifications des fonctions Vcc, résistance, diode et numériseur sur la gamme complète de températures de fonctionnement

Tableau n°4. Comparaison d'étalonnage

 

Architecture de mesure de tension


Aucun compromis n'a été effectué en offrant une fonction de tension DC et AC haute stabilité de qualité métrologie. Différents facteurs contribuent à ce que le FlexDMM atteigne ces performances :

  • la disponibilité et la qualité des composants hautes performances de précision à montage miniature en surface ont considérablement augmenté ces dix dernières années.
  • le conditionnement électronique plus compact et les composants étroitement disposés améliorent réellement les performances, particulièrement la poursuite thermique entre composants de précision
  • l'utilisation du FlexADC et du DSP pour un calcul de tension AC et l'étalonnage de la réponse en fréquence simplifie le conditionnement des signaux d'entrée dans une voie commune et réduit le nombre de composants, la complexité et la commutation
  • l'absence de commutateur "avant-arrière" (courant dans les DMM autonomes) simplifie la disposition d'entrée, réduit la résistance du chemin critique du signal dans le circuit et accroît l'intégrité du signal
  • l'alimentation, une composante courante d'un châssis PXI, ne consomme pas d'espace sur le module de mesure.


Architecture haute tension
Avec le NI PXI-4071, il est possible de mesurer 1000 Vcc et une Teff de 700 Vca à des niveaux de CAT I. Pour mesurer précisément 1000 V dans un module PXI très compact, il faut prendre en compte le claquage du composant, l'écart de tension, les conceptions d'atténuateurs et les limitations de dissipation de puissance dans la circuiterie frontale.

Atténuateur d'entrée 10 MΩ unique
Traditionnellement, les DMM utilisent à la fois des atténuateurs 1 MΩ et 10 MΩ dans leurs circuits de conditionnement de signaux frontaux. Un atténuateur 1 MΩ, lorsqu'il est utilisé pour offrir le conditionnement à un signal de 700 Vca, dissipe plus de 0,5 W. C'est une exigence difficile à respecter pour un composant miniature de précision. Les erreurs de contrôle induites par le coefficient de température constituent un défi même pour un composant de grande taille. Ainsi, il faut se passer des atténuateurs 1 MΩ. Les atténuateurs 1 MΩ sont utilisés dans les DMM traditionnels pour une autre raison importante : la large bande AC. Les conceptions traditionnelles d'atténuateurs 10 MΩ peuvent atteindre le même niveau de bande passante que celle des conceptions d'atténuateurs 1 MΩ.

Le FlexDMM PXI-4071 intègre une conception d'amorce proportionnée innovante pour annuler la capacité de l'atténuateur qui gêne traditionnellement les performances de bande passante. Cette amorce, présentée à la Figure n°8, est conçue et mise en place avec précaution pour minimiser la capacité parasite chargée par la branche 100 kΩ de l'atténuateur de l'entrée du réseau RN. Avec l'ajout de l'amorce proportionnée formée par R1-R4, C1 et U1, une réponse unitaire et uniforme est assurée. Plus important, la réponse caractéristique obtenue est très proche de celle d'un pont de mesure RC simple pôle, ce qui est important pour les numériseurs et pour la réponse unitaire DC.



Figure n°8. Amorce proportionnée du PXI-4071

 

Ensuite, le PXI-4071 utilise la correction d'uniformité DSP AC numérique pour compenser l'uniformité résiduelle de l'atténuateur sans utiliser les capacités de compensation. Ces deux techniques de compensation offrent une augmentation d'amplitude d'un ordre de grandeur par rapport à ce qui aurait été possible en fonction de l'exigence suivante : l'atténuateur unique doit pouvoir transmettre ACeff, DC de précision et des signaux de numériseur.

Claquage de composant et écartement de tension
L'un des ennemis les plus décourageants de la mesure haute tension est le claquage du commutateur (relais) de sélection de gamme. Traditionnellement, les DMM utilisent des relais haute tension. Des commutateurs à relais haute tension et à fiabilité élevée ne sont pas faciles à réunir dans un boîtier, sans parler d'un boîtier miniaturisé.

Pour satisfaire l'ensemble de ces exigences, le PXI-4071 implémente un nouveau matériel statique pour la sélection de gamme capable de soutenir bien plus que 1000 V à l'état désactivé. Ce matériel n'a aucun des problèmes traditionnels de fiabilité des relais électromécaniques, parce qu'il ne possède aucun contact à endommager par la commutation haute tension, et aucune limitation de durée de vie de contact. L'avantage secondaire du conditionnement de signaux d'entrée statique est les excellentes performances thermiques DC bas niveau, une association inégalée présente dans tout DMM 1000 V actuellement disponible pour moins de 4 000 Euros.

En choisissant la commutation haute tension statique, en éliminant la nécessité d'un diviseur 1 MW et en utilisant un DSP pour éliminer les composants d'étalonnage, les exigences d'écartement de tension peuvent être satisfaites, avec une disponibilité accrue de surface de carte et de zone de substrat. Il est ainsi possible d'ajuster l'implantation pour satisfaire les exigences CAT I pour l'instrumentation PXI 1000 V.

Réjection du bruit DC
La réjection du bruit DC est une fonctionnalité exclusive NI disponible pour les mesures DC sur tous les FlexDMM. Chaque lecture DC retournée par le FlexDMM représente en réalité le résultat mathématique de plusieurs échantillons haute vitesse. En ajustant le poids relatif de ces échantillons, la sensibilité peut être ajustée à différentes fréquences d'interférence. Trois pondérations sont disponibles : normale, de second ordre et d'ordre élevé.

Normale
En choisissant une réjection normale du bruit DC, tous les échantillons ont une pondération équivalente. Ce procédé émule le comportement de la plupart des DMM traditionnels, en offrant une bonne réjection des fréquences multiples de f0, où f0 = 1/touverture, le temps d'ouverture sélectionné pour la mesure. La Figure n°9 illustre la pondération normale et la réjection du bruit qui en résulte, en fonction de la fréquence. Remarquez qu'une bonne réjection n'est obtenue que pour des fréquences très proches des multiples de f0.



Figure n°9. Réjection normale du bruit DC


Second ordre
La réjection du bruit DC de second ordre applique une pondération triangulaire aux échantillons mesurés, comme indiqué sur la Figure n°10. Remarquez qu'une très bonne réjection est obtenue même à proximité des multiples de f0, et qu'elle augmente plus rapidement avec la fréquence que celle de la pondération normale. Remarquez également que les créneaux de réponse sont plus larges qu'avec la pondération normale, ce qui a pour résultat une sensibilité inférieure aux légères variations de fréquence du bruit. La réjection du bruit DC de second ordre peut être utilisée en cas de besoin d'une meilleure réjection du bruit de la ligne électrique que celle qui est obtenue par la réjection normale du bruit DC, et en cas d'impossibilité d'échantillonner suffisamment lentement pour tirer parti de la réjection du bruit d'ordre élevé. Par exemple, on peut fixer l'ouverture à 33,333 ms pour une fréquence de ligne électrique de 60 Hz.


Figure n°10. Réjection de second ordre du bruit DC


Ordre élevé
La Figure n°11 illustre la pondération d'échantillons d'ordre élevé et la réjection du bruit qui en résulte en fonction de la fréquence. Remarquez que la réjection du bruit est bonne à partir d'environ 4f0 et excellente au-delà de 4,5f0. En utilisant une réjection du bruit DC d'ordre élevé, on obtient quasiment aucune sensibilité au bruit à toutes les fréquences supérieures à 4,6f0. Un FlexDMM qui utilise la réjection du bruit DC d'ordre élevé avec une ouverture de 100 ms (10 lectures/s) offre une précision 6 chiffres ½ complète avec plus de 1 V de bruit d'interférence avec la ligne électrique dans la gamme 10 V, à n'importe quelle fréquence supérieure à 46 Hz. C'est équivalent à une réjection en mode normal >110 dB, insensible aux variations de fréquence de la ligne électrique.


Figure n°11. Réjection d'ordre élevé du bruit DC


Le Tableau n°5 résume les différences entre les trois paramètres de réjection du bruit DC.



Paramètre de réjection du bruit DC Fréquence la plus basse pour la réjection du bruit Réjection du bruit haute fréquence
Normale 1/touverture Bonne
Second ordre 2/touverture Meilleure
Ordre élevé 4/touverture La meilleure, réjection >110 dB

Tableau n°5. Réglages de réjection du bruit DC

 

Mesures de tension AC
Les signaux AC sont classiquement caractérisés par l'amplitude efficace (RMS), qui est une mesure de leur énergie totale. RMS signifie racine carrée de la moyenne des carrés ; pour calculer la valeur efficace d'un signal, il faut déterminer la racine carrée de la valeur moyenne des carrés des niveaux des signaux. Bien que la plupart des DMM effectuent ce calcul non linéaire dans le domaine analogique, les FlexDMM utilisent un DSP embarqué pour calculer la valeur efficace à partir d'échantillons numérisés du signal AC. Les lectures AC qui en résultent sont régulières, précises et à établissement rapide. L'algorithme numérique rejette automatiquement la composante DC du signal, en lui permettant de court-circuiter la capacité d'entrée à établissement lent. Pour mesurer les faibles tensions AC en présence d'importants offsets DC, tels que les ondulations d'une alimentation DC, le FlexDMM offre le mode standard de tensions AC, dans lesquels la capacité de couplage élimine l'offset et le FlexDMM utilise la gamme la plus sensible.

L'algorithme RMS utilisé par le FlexDMM ne nécessite que quatre périodes (cycles) du signal pour obtenir une lecture régulière. Par exemple, il nécessite une ouverture de mesure de 4 ms pour mesurer précisément une sinusoïde de 1 kHz. L'avantage apporté par cette technique étend les performances du système. Avec les DMM traditionnels, il est nécessaire d'attendre qu'un convertisseur de Teff analogique se stabilise avant de relever une mesure. Avec le FlexDMM, il n'y a pas de convertisseur de Teff à stabiliser. Les fréquences de lecture AC sont plus élevées. Dans les systèmes, cet avantage est réalisé grâce à la commutation.

L'approche numérique du calcul RMS offre également des avantages de précision. L'algorithme est complètement insensible au facteur de crête et permet de fournir des lectures exceptionnellement régulières et stables. Le FlexDMM garantit une précision AC inférieure à 1 % de la pleine échelle, à comparer aux 10 % de la pleine échelle offerts par les DMM traditionnels. De plus, des lectures utilisables peuvent être obtenues même à moins de 0,1 % de la pleine échelle.

Architecture de mesure de courant


L'extension de la gamme dynamique de mesure de courant des DMM est une demande croissante des utilisateurs. À une extrémité de l'échelle, on peut avoir besoin de surveiller la batterie, le circuit ou les performances de charge du matériel électromécanique. Les matériels électroniques intégrés actuels nécessitent davantage de courant d'alimentation. Ainsi, le besoin de test ou de caractérisation de ces matériels à des niveaux supérieurs à 1 A est en augmentation. À l'autre extrémité, de nombreuses applications actuelles, telles que les caractéristiques des semi-conducteurs passifs, peuvent demander des mesures de l'ordre du micro-ampère ou du nano-ampère.

Le PXI-4071 cible ces deux besoins en implémentant une nouvelle configuration de mesure de courant statique qui offre huit gammes de courant DC de 1 µA à 3 A et six gammes de courant ACeff de 100 µA à 3 A. La gamme 1 µA offre une sensibilité jusqu'à 1 pA, soit 10-12 A. La condition est que ces deux extrêmes nécessitent une approche unique de conception du circuit. Les défis de la protection contre les hautes tensions ou contre la surcharge de courant et de la mesure à faible fuite ont été de tout temps mutuellement exclusifs. Le FlexDMM implémente une approche unique de conception du circuit, dont le diagramme est représenté à la Figure n°12. Cette illustration très simplifiée montre trois des cinq gammes de courant utilisées dans le PXI-4071.

 



Figure n°12. Conditionnement simplifié des signaux de courant du PXI-4071


En utilisant des matériels statiques tout au long de la sélection de la gamme de courant, on obtient une sensibilité plus élevée et une protection accrue dans un plus petit espace physique. De plus, deux des matériels de sélection de la gamme de courant – Q3 et Q4 – entrent réellement en fonctionnement pendant les surcharges, protégeant ainsi les résistances de mesure du courant haute stabilité et offrant une robustesse aux applications les plus exigeantes.

Architecture du numériseur isolé 1,8 Méch./s


Le FlexDMM PXI-4071 possède également la capacité d'acquérir des signaux couplés DC jusqu'à 1000 Vcc et 700 Vca (1000 Vp) en entrée, à la fréquence d'échantillonnage maximum de 1,8 Méch./s. La résolution du numériseur peut varier de 10 à 23 bits en modifiant simplement la fréquence d'échantillonnage, comme reproduit à la Figure n°13. Grâce aux capacités du numériseur isolé, le FlexDMM permet de minimiser le coût global du système de test en éliminant la nécessité d'acheter un numériseur séparé et en réduisant la taille de l'installation de test et les coûts de maintenance.



Figure n°13. Mode numériseur du FlexDMM 1,8 Méch./s


En associant le logiciel de développement graphique LabVIEW au mode numériseur isolé du FlexDMM, les transitoires et d'autres signaux AC haute tension non répétitifs peuvent être analysés, dans les domaines temporel et fréquentiel. Aucun autre DMM haute résolution n'offre cette capacité.

Par exemple, une application courante dans l'industrie automobile est la mesure de la tension de retour d'une bobine d'allumage. La bobine d'allumage, qui crée les hautes tensions utilisées pour alimenter les bougies d'allumage du moteur, est constituée d'une bobine primaire et d'une bobine secondaire. La bobine secondaire a généralement plus de spires de fil que la bobine primaire, parce que le rapport du nombre de spires de la tension appliquée par rapport à la bobine primaire détermine la tension de sortie. Lorsque le courant est soudainement coupé, la chute du champ magnétique induit une tension élevée (+20 000 V) sur la bobine secondaire. Cette tension est ensuite dirigée vers les bougies d'allumage.

Parce que les tensions sont si élevées dans la bobine secondaire, les tests sont en réalité réalisés sur la bobine primaire. Le signal de retour est habituellement de l'ordre de 10 µs avec une tension de pic de 40 à 400 V, selon la bobine d'allumage. Les mesures courantes réalisées sur ce signal sont la tension d'amorçage, le temps de passage et le temps de combustion. Grâce aux capacités du numériseur FlexDMM et aux fonctions d'analyse LabVIEW, un système de mesure de la tension de retour peut être construit.

Avantages d'un numériseur isolé
Avec l'isolation, une faible tension peut être mesurée en toute sécurité en présence d'un important signal de mode commun. Les trois avantages de l'isolation sont :

  • une réjection accrue : l'isolation accroît la capacité du système de mesure à rejeter les tensions de mode commun. La tension de mode commun est le signal présent, ou "commun", sur les entrées positives et négatives d'un matériel de mesure, mais qui ne fait pas partie du signal à mesurer. Par exemple, les tensions de mode commun sont souvent de plusieurs centaines de volts dans une pile à combustible.
  • une sécurité accrue : l'isolation crée un écran isolant qui permet de relever des mesures en virgule flottante, tout en étant protégé des pics importants de tensions transitoires. Un circuit de mesure correctement isolé est généralement capable de soutenir des pics supérieurs à 2 kV.
  • une précision accrue : l'isolation améliore la précision de mesure en éliminant physiquement les boucles de terre. Les boucles de terre, une source courante d'erreur et de bruit, sont le résultat de systèmes de mesure ayant de multiples terres à différents potentiels.

Architecture de mesure de résistance

Le FlexDMM possède une suite complète de fonctionnalités de mesure de résistance. Il offre des capacités de mesure de résistance 2 et 4 fils. La technique 4 fils est utilisée lorsque des câbles de test longs et la commutation génèrent des offsets de résistance de la "connexion d'essai", qui rendent difficiles les mesures basse résistance. Cependant, il existe des cas où les tensions d'offset introduisent des erreurs significatives.

Résistances à compensation d'offset
Pour ces cas, le FlexDMM offre des mesures de résistance à compensation d'offset, qui sont insensibles aux tensions d'offset retrouvées dans de nombreuses applications de mesure de résistance :

  1. les systèmes de mesure qui utilisent des relais à lame vibrante (Reed) non compensés (ils peuvent avoir un offset de tension supérieur à 10 µV, provoqué par le matériau de raccordement Kovar utilisé pour le scellement verre/composant)
  2. les mesures de résistance sur circuit (par exemple, les conducteurs d'alimentation dont la résistance est mesurée lorsque le circuit sous test est alimenté)
  3. la mesure de la résistance source de batteries, la résistance dynamique de diodes polarisées en sens direct, etc.


Dans le premier cas, un système de test est souvent construit avec une commutation optimisée pour des tâches autres que la mesure de résistance. Par exemple, les relais à lame vibrante sont courants dans les systèmes de test RF en raison de leurs caractéristiques hautement prédictives et de leur fiabilité élevée. Dans un tel système, on peut aussi souhaiter mesurer les résistances d'unités sous test et les relais à lame vibrante peuvent déjà exister dans le système.

Dans le deuxième cas, un exemple serait de mesurer la résistance d'un câble de bus alimenté (remarque : il convient de prendre toutes les précautions nécessaires en effectuant ces tests). Partez du principe que la résistance est située dans la gamme de 10 mΩ. S'il existe un courant de 100 mA circulant à travers cette résistance, la chute de tension est de :

V = 100 mA x 10 m = 1 mV


Un DMM sans compensation d'offset dans la gamme 100 interprète cette chute comme valant 1 Ω parce qu'il "voit" cette tension comme étant générée par sa source de courant interne de 1 mA traversant le fil mesuré. Il n'est pas capable de faire la différence. Avec le FlexDMM et les résistances à compensation d'offset activée, l'offset de 1 mV est distingué et rejeté, puis la valeur correcte de résistance est renvoyée.

 


Figure n°14. Premier cycle avec courant passant  Figure n°15. Second cycle sans courant passant


Cette mesure implique deux cycles. L'un est mesuré avec la source de courant active, comme indiqué sur la Figure n°14. Le second est mesuré avec la source de courant inactive, comme présenté sur la Figure n°15. Le résultat net est la différence entre les deux mesures. Parce que la tension d'offset est présente dans les deux cycles, elle est soustraite et ne rentre pas dans le calcul de la résistance, comme démontré ci-dessous.

VOCO = VM1 - VM2 = (ISRX + VTHERMIQUE) - VTHERMIQUE = ISRX

où :

RX = VOCO/IS

Conclusion


National Instruments a développé un nouveau FlexDMM 3U hautes performances, le PXI-4071, basé sur sa technologie FlexADC. Un grand nombre des fonctions analogiques sujettes à l'erreur des DMM conventionnels a été remplacé en utilisant un numériseur haute vitesse du commerce, la technologie DSP et la puissance de l'ordinateur hôte. L'auto-étalonnage offre une précision optimale sur la gamme complète des températures de fonctionnement de 0 à 55 ºC avec un cycle d'étalonnage de deux ans. Allié aux éléments de référence intégrés haute stabilité, le résultat est le DMM PXI le plus rapide et le plus précis qui existe, avec des fonctionnalités non altérées et des performances surpassant celles de la plupart des DMM traditionnels.