Diagnostic et réduction du bruit de mesure

Lorsque vous essayez de déterminer la source du bruit dans votre signal, commencez par deux étapes de diagnostic rapides : 

1. Créez un graphe FFT : cette étape vous aide à visualiser le contenu fréquentiel de votre signal et à identifier les pics de fréquence susceptibles de se démarquer.  
2. Inspectez votre configuration et votre environnement : les équipements à proximité, les sources de signaux ou même le type de câble que vous utilisez peuvent introduire du bruit.  

En combinant l’analyse FFT avec une inspection physique de votre configuration, vous obtiendrez la compréhension la plus complète du comportement de votre signal et des sources de bruit potentielles. Vous trouverez ci-dessous des conseils pour interpréter les pics de fréquence et traiter les sources courantes d’interférence, ainsi que des informations supplémentaires sur les facteurs environnementaux.  

Les signaux électriques CA et les champs magnétiques qu’ils génèrent peuvent se coupler sur vos fils de signaux via des câbles, des instruments ou même l’infrastructure de votre bâtiment.  

Le bruit de mode commun est un type d’interférence CA qui apparaît de manière égale sur les deux conducteurs d’une paire de signaux différentiels. Il provient généralement de champs électromagnétiques externes ou de différences de potentiel de masse, et est souvent introduit par des lignes électriques, des équipements à proximité ou une mise à la masse incorrecte. Bien qu’il affecte les deux lignes de manière identique, il peut toujours affecter l’exactitude de la mesure s’il n’est pas correctement rejeté par le système. 

Le bruit de mode normal fait référence aux signaux CA indésirables qui apparaissent comme une différence de tension entre les deux conducteurs d’une paire de signaux, affectant essentiellement le signal lui-même plutôt que les deux lignes. Ce type de bruit est généralement introduit par des interférences électromagnétiques externes ou un couplage provenant de sources d’alimentation et d’équipements à proximité. Contrairement au bruit de mode commun, le bruit de mode normal déforme directement le signal mesuré et est visible dans la tension différentielle. 

Divisons ces signaux en trois catégories en fonction de leur fréquence. 

Basse fréquence (50 ou 60 Hz)

Une FFT de votre signal montrant un pic à 50 ou 60 Hz (voire 100 ou 120 Hz) indique que des champs électriques ou magnétiques provenant de lignes électriques sont couplés à votre signal. Ce couplage peut provenir des lignes électriques elles-mêmes, des équipements rotatifs synchrones ou même d’un éclairage fluorescent. 

Les boucles de masse peuvent aussi provoquer des pics basse fréquence. Les boucles de masse se produisent lorsqu’il existe plusieurs chemins de masse entre la source du signal et le périphérique d’acquisition de données (DAQ). Les boucles de masse sont un problème courant dans les systèmes où la source du signal et le DAQ sont alimentés par différentes prises ou schémas de mise à la masse. 

Selon la source, ces techniques de câblage et de configuration peuvent être efficaces pour réduire l’impact du bruit basse fréquence et des boucles de masse :

• Les câbles EPM blindés améliorent l’immunité au bruit en séparant les signaux analogiques et numériques et en bloquant les interférences électromagnétiques externes. Lorsqu’il est mis à la masse, le blindage empêche le courant indésirable de circuler à travers le chemin du signal, aidant à maintenir des mesures propres et exactes. 

• Les câbles à paire torsadée réduisent les interférences électromagnétiques en assurant que les deux conducteurs sont affectés par le bruit externe de manière égale. Associé à des entrées différentielles, ce bruit de mode commun est annulé, améliorant l’intégrité du signal et minimisant la captation du champ magnétique.
• Utilisez du matériel DAQ isolé ou des entrées différentielles pour éliminer la connexion électrique entre les masses. Cette déconnexion risque de briser la boucle. Dans la mesure du possible, assurez-vous que tous les équipements partagent une masse unique et évitez de connecter les masses à plusieurs points du système.

Fréquence moyenne à haute (1 kHz à des centaines de kHz)

Le bruit de fréquence moyenne à haute, généralement compris entre 1 kHz et plusieurs centaines de kHz, peut être difficile à diagnostiquer car il apparaît souvent comme un repli. Dans ces cas-là, la fréquence que vous observez peut ne pas refléter la source réelle du bruit, ce qui rend la mise au point plus difficile. Si vous remarquez un décalage du bruit lorsque vous changez votre fréquence d’échantillonnage, c’est une forte indication de repliement. Pour mieux comprendre le contenu réel de la fréquence, essayez de capturer le signal avec autant de bande passante que possible.

Ce type de bruit est couramment émis par l’électronique haute vitesse telle que les alimentations à découpage (SMPS). Même si ces périphériques ne sont pas connectés directement à votre système, ils peuvent toujours interférer avec vos signaux en irradiant de l’énergie dans l’air. Leur présence à proximité de votre configuration peut suffire à introduire du bruit indésirable.

Pour réduire l’impact de ce type d’interférence, envisagez de prendre les mesures suivantes, en gardant à l’esprit que même les périphériques non connectés à proximité peuvent affecter votre signal :

• Blindage du périphérique émettant le bruit pour contenir sa sortie électromagnétique.
• Utilisez des câbles blindés pour empêcher le bruit extérieur de se coupler sur vos fils de signaux.
• Inspection de votre système pour détecter les trajets de courant indésirables, car du bruit peut être induit sur la ligne de masse.
• Ajuster votre fréquence d’échantillonnage ou appliquer des filtres peut également aider à isoler et à identifier la source réelle du bruit.

Très haute fréquence (MHz à GHz)

Le bruit à très haute fréquence, généralement compris entre MHz et GHZ, peut être particulièrement difficile à gérer, en particulier si votre laboratoire est situé à proximité d’une antenne de radiodiffusion ou de télévision. Ce type d’interférence de bruit RF pourrait apparaître comme un bruit à large spectre, augmentant le bruit de fond global de vos mesures.

Le blindage peut aider, mais il a tendance à être moins efficace à ces fréquences plus élevées qu’avec les sources de bruit à basse fréquence. Envisagez plutôt les techniques suivantes pour réduire les interférences RF : 

• Utilisez des câbles blindés à paires torsadées et mettez-les correctement à la masse pour bloquer la captation RF.
• Gardez les câbles courts et bien acheminés, loin des lignes électriques et de l'électronique bruyante.
• Essayez le filtrage analogique pour limiter la bande passante à ce dont votre signal a besoin.

Si vous observez toujours des niveaux de bruit élevés, en particulier par rapport à la fiche technique de votre périphérique, essayez de déconnecter les composants un par un ou de court-circuiter l’entrée DAQ à la masse du périphérique pour établir une référence. Cette technique peut vous aider à isoler la source d’interférence sans recourir immédiatement à des techniques plus avancées.

Le bruit couplé CC apparaîtra comme un offset entre la valeur attendue et la valeur mesurée. Si votre application effectue un moyennage, il se peut que vous masquiez involontairement une source de bruit CA. Il est donc important de confirmer l’offset en prenant des mesures point par point ou en traçant des données waveform brutes sans traitement. Comparez l’offset aux spécifications d’exactitude et de résolution de votre périphérique. Si l’offset est conforme aux spécifications, il peut s’agir d’une limitation inhérente au matériel plutôt que d’interférences externes.

Gardez à l’esprit que le bruit couplé CC peut également être vu sous forme de bruit de mode commun ou de mode normal. 

Pour le bruit couplé CC, bien qu’il puisse y avoir des causes environnementales telles que des problèmes de câblage, il pourrait être utile de rechercher des chemins directs où un signal non intentionnel pourrait se coupler à votre système de mesure :

• Votre source de signal est-elle mise à la masse ou flottante ? Associez-la au mode d’entrée DAQ correct pour réduire le bruit et améliorer l’exactitude.
  • Mode différentiel pour les sources flottantes
  • Asymétrique référencée ou asymétrique non référencée pour les sources mises à la masse

• Si votre capteur est monté sur une surface conductrice (par exemple, un accéléromètre vissé à un châssis métallique), assurez-vous que le périphérique surveillé bénéficie d ' un chemin fiable vers la masse. Une mauvaise mise à la masse peut introduire des offsets CC indésirables. Évitez en outre de créer des boucles de masse en vous assurant que le capteur et le périphérique DAQ partagent une seule référence à la masse.

• Si votre câble a des fils ou des connecteurs exposés, comme la fiche d'un câble BNC, vérifiez qu'aucun conducteur ne le touche. Même un contact accidentel peut introduire une polarisation CC. 

• Vérifiez que le périphérique DAQ ou la mesure est correctement mis à la masse. Les instruments flottants ou mal mis à la masse peuvent provoquer des offsets CC en raison de différences potentielles entre le périphérique et la source du signal.

• Minimisez la dérive thermique en permettant aux équipements de chauffer avant de prendre des mesures, en particulier dans les applications de précision. Les changements de température peuvent entraîner de petits changements dans les niveaux de tension qui apparaissent comme des offsets CC au fil du temps.

• Catégoriser le bruit par fréquence. Identifiez si le bruit est faible (50/60 Hz), moyen/élevé (kHz), très élevé (MHz–GHz) ou couplé CC. Chaque cas de figure présente des sources et des stratégies d’atténuation distinctes.

• Utiliser un câblage et une mise à la masse appropriés. Les câbles blindés à paire torsadée, la mise à la masse point par point et l’évitement des boucles de masse sont essentiels pour réduire le bruit CA et CC. 

• Configurez le périphérique DAQ pour correspondre à la source de signal. — Utilisez des entrées différentielles pour les sources flottantes et des entrées asymétriques pour les sources mises à la masse, afin d’éviter les offsets et les interférences.

• Appliquer le filtrage. — Utilisez des filtres analogiques/numériques pour supprimer les fréquences indésirables. Les périphériques DAQ isolés aident à éliminer les boucles de masse et le bruit de mode commun. Le PXIe-6381 possède un filtre sélectionnable de 40 kHz pour éliminer le bruit du signal que vous mesurez.
  
  
  
• Utiliser des mesures isolées. — Les périphériques DAQ isolés aident à éliminer les boucles de masse et le bruit de mode commun. Plusieurs modules pour NI CompactDAQ, NI CompactRIO sont isolés, y compris le NI-9239 (entrée 24 bits 10 V), NI-9219 (entrée analogique universelle) et NI-9212 (thermocouple).
   

• Inspecter et dépanner systématiquement. Assurez-vous qu’il n’y a pas de conducteurs exposés, de mauvaise mise à la masse, de sources d’EMI ou de dérive thermique. Utilisez les FFT et les données brutes pour isoler et diagnostiquer les problèmes de bruit.