Comment choisir le bon équipement DAQ pour votre système de mesure

5 questions pour vous guider dans le choix du bon équipement DAQ

1. Quels types de signaux dois-je mesurer ou générer ?
2. Ai-je besoin d'un prétraitement des signaux ?
3. À quelle vitesse dois-je acquérir ou générer des échantillons du signal ?
4. Quel changement minimum de signal dois-je pouvoir détecter ?
5. Quelle est l’erreur de mesure tolérée par mon application ?

1. Quels types de signaux dois-je mesurer ou générer ?

En fonction du type de signal à mesurer ou à générer, les besoins en termes d'acquisition sont différents. Un capteur (ou transducteur) est un appareil qui convertit un phénomène physique en un signal électrique mesurable, comme une tension ou un courant. Vous pouvez aussi envoyer un signal électrique mesurable à votre capteur afin de créer un phénomène physique. Pour cette raison, il est important de comprendre les différents types de signaux et leurs attributs correspondants. En fonction des signaux de votre application, vous pouvez déterminer quel équipement DAQ est le plus approprié.

Fonctions des périphériques DAQ

• Les entrées analogiques mesurent des signaux analogiques
• Les sorties analogiques génèrent des signaux analogiques
• Les entrées/sorties numériques mesurent et génèrent des signaux numériques
• Les compteurs/timers comptent les événements numériques ou génèrent des impulsions/signaux numériques

Certains périphériques sont dédiés à une seule des fonctions listées précédemment, tandis que les périphériques multifonctions prennent en charge toutes ces fonctions. Vous pouvez trouver des périphériques DAQ avec un certain nombre de voies dédiées à une seule et unique fonction, dont des entrées analogiques, des sorties analogiques, des entrées/sorties numériques ou des compteurs ; toutefois, vous devriez envisager l'achat d'un périphérique doté de plus de voies que vous n'en n'avez besoin actuellement pour vous permettre d'accroître le nombre de voies si besoin. Si vous achetez un périphérique qui ne possède que les capacités nécessaires à votre application actuelle, ce sera difficile de le faire évoluer pour faire face à de nouvelles applications.

Certes, les périphériques DAQ multifonctions ont un nombre fixe de voies mais ils rassemblent des entrées analogiques, des sorties analogiques, des entrées/sorties numériques et des compteurs. Les périphériques multifonctions prennent en charge différents types d'E/S, ce qui vous donne la capacité de couvrir un grand nombre d'applications différentes, contrairement à un périphérique DAQ à fonction unique.

Une autre option est une plate-forme modulaire que vous pouvez personnaliser en fonction de vos besoins spécifiques. Un système modulaire se compose d'un châssis pour contrôler le cadencement et la synchronisation, ainsi que toute une variété de modules d'E/S. L'un des avantages offerts par un système modulaire est de vous laisser choisir différents modules, chacun dédié à un type de mesure, permettant ainsi plusieurs configurations. Avec cette option, vous pouvez trouver des modules qui remplissent une fonction de façon plus précise qu'un périphérique multifonction. L'autre avantage d'un système modulaire est la possibilité de choisir le nombre d'emplacements pour votre châssis. Un châssis présente un nombre prédéterminé d'emplacements, mais vous pouvez toujours acheter un châssis qui contient plus d'emplacements que nécessaire pour vous donner la possibilité d'une évolution ultérieure.

2. Ai-je besoin d'un prétraitement des signaux ?

Un périphérique DAQ généraliste peut mesurer ou générer une tension de +/-5 V ou +/-10 V. Certains capteurs génèrent des signaux trop difficiles ou dangereux à mesurer directement avec ce type de périphérique DAQ. La plupart des capteurs nécessitent un prétraitement des signaux, comme une amplification ou un filtrage, afin qu'un périphérique DAQ puisse mesurer le signal avec précision et efficacité.

Par exemple, les thermocouples génèrent des signaux sur la plage des mV qui nécessitent d'être amplifiés pour optimiser les limites des convertisseurs analogiques/numériques (C A/N). En outre, les mesures par thermocouple bénéficient d’un filtrage passe-bas qui élimine le bruit haute fréquence. Il est préférable d'ajouter un système de prétraitement des signaux à l’équipement DAQ car celui-ci améliore à la fois les performances et la précision de mesure des systèmes DAQ.

Le Tableau n°1 propose une synthèse du prétraitement courant des signaux pour différents types de capteurs et de mesures.

Tableau 1. Prétraitement des signaux pour différents types de capteurs et de mesures

Si votre capteur figure dans le Tableau n°1, vous devriez envisager un prétraitement des signaux. Vous pouvez ajouter un prétraitement des signaux externe ou choisir d'utiliser un périphérique DAQ avec prétraitement des signaux intégré. Bon nombre de périphériques prévoient aussi une connectivité pour des capteurs spécifiques afin de faciliter leur intégration.

3. À quelle vitesse dois-je acquérir ou générer des échantillons du signal ?

L'une des spécifications les plus importantes d'un périphérique DAQ est la fréquence d'échantillonnage, qui correspond à la vitesse à laquelle le C A/N du périphérique DAQ prélève des échantillons d'un signal. Les vitesses d'échantillonnage typiques sont cadencées par l’équipement ou par le logiciel et peuvent atteindre 2 Méch/s. La fréquence d'échantillonnage de votre application dépend de l’élément de fréquence maximale du signal que vous essayez de mesurer ou de générer.

Le théorème de Nyquist stipule qu’il est possible de reconstruire un signal avec précision avec une fréquence d'échantillonnage égale au double de la fréquence maximale d’intérêt du signal. Cependant, en pratique, vous devez échantillonner à une fréquence au moins égale à 10 fois la fréquence maximale pour pouvoir représenter la forme de votre signal. Choisir un périphérique DAQ doté d'une fréquence d'échantillonnage au moins 10 fois supérieure à la fréquence de votre signal vous permet de mesurer ou de générer une représentation plus précise de votre signal.

Supposons, par exemple, que dans votre application, vous vouliez mesurer une onde sinusoïdale présentant une fréquence d'1 kHz. Selon le théorème de Nyquist, vous devez échantillonner à 2 kHz minimum mais il est fortement conseillé d'échantillonner à 10 kHz afin de mesurer ou de générer une représentation plus précise de votre signal. La Figure n°1 compare une onde sinusoïdale d'1 kHz mesurée à 2 kHz et à 10 kHz.

Figure n°1. Représentation à 10 kHz et à 2 kHz d'une onde sinusoïdale d'1 kHz

Une fois que vous connaissez la fréquence maximale du signal que vous souhaitez mesurer ou générer, vous pouvez choisir un périphérique DAQ présentant la fréquence d'échantillonnage appropriée pour l'application.

4. Quel changement minimum de signal dois-je pouvoir détecter ?

Le changement minimum détectable dans le signal détermine la résolution requise pour votre périphérique DAQ. La résolution fait référence au nombre de niveaux binaires qu'un C A/N peut utiliser pour représenter un signal. Pour illustrer cette notion, imaginez comment une onde sinusoïdale serait représentée si elle traversait un C A/N avec différentes résolutions. La Figure n°2 compare un C A/N 3 bits et un C A/N 16 bits. Un C A/N 3 bits peut représenter huit (2³) niveaux discrets de tension. Un C A/N 16 bits peut représenter 65 536 (2¹⁶) niveaux discrets de tension. La représentation de l’onde sinusoïdale avec une résolution de 3 bits ressemble plus à une fonction en escalier qu'à une onde sinusoïdale, alors que le C A/N 16 bits fournit une onde sinusoïdale très nette.

Figure n°2. Tableau de comparaison d'une onde sinusoïdale avec une résolution de 16 bits et de 3 bits

Les périphériques DAQ traditionnels présentent des plages de tension de +/-5 V ou de +/-10 V. Les niveaux de tension qui peuvent être représentés sont répartis de façon régulière sur une plage sélectionnée afin de tirer profit de la résolution toute entière. Par exemple, un périphérique DAQ avec une plage de +/- 10 V et une résolution de 12 bits (2¹²ou 4 096 niveaux répartis uniformément) peut détecter un changement de 5 mV, alors qu'un périphérique avec une résolution de 16 bits (2¹⁶ou 65 536 niveaux répartis uniformément) peut détecter un changement de 300 μV. Les périphériques avec des résolutions de 12, 16 ou 18 bits répondent aux besoins de la plupart des applications. Toutefois, si vous êtes en train de mesurer des capteurs avec des plages de tension réduites ou au contraire très larges, il peut être intéressant d'utiliser des périphériques 24 bits. La plage de tension et la résolution nécessaires à votre application sont des facteurs essentiels dans le choix du périphérique approprié.

5. Quelle est l’erreur de mesure tolérée par mon application ?

La précision est définie comme une mesure de la capacité d'un instrument à indiquer fidèlement la valeur d'un signal mesuré. Ce terme n'est pas corrélé à la résolution ; cependant, la précision ne pourra jamais être meilleure que la résolution de l'instrument. La façon dont vous spécifiez la précision de votre mesure dépend du type d’équipement de mesure. Un instrument idéal mesure toujours la vraie valeur avec 100 % de certitude, mais en réalité, les instruments génèrent une valeur avec une incertitude spécifiée par le fabricant. L'incertitude peut dépendre de nombreux facteurs comme le bruit du système, l'erreur de gain, l'erreur d'offset et la non-linéarité. Une spécification courante pour l'incertitude d'un fabricant est la précision absolue. Cette spécification fournit l'erreur la plus importante d'un périphérique DAQ sur une plage spécifique. Un exemple de calcul de la précision absolue d'un périphérique multifonction National Instruments est donné ci-dessous :

Précision absolue = ([Lecture*Erreur de gain] + [Plage de tension*Erreur d'offset] + Incertitude de bruit)
Précision absolue = 2,2 mV

Il est important de savoir que la précision d'un instrument ne dépend pas seulement de l'instrument lui-même, mais aussi du type de signal mesuré. Si le signal mesuré est bruité, la précision de la mesure en pâtit. Il existe une large gamme de périphériques DAQ avec différents niveaux de précision et de tarif. Certains périphériques proposent un auto-étalonnage, une isolation ou des circuits complémentaires pour améliorer la précision. Là où un périphérique DAQ élémentaire peut offrir une précision absolue supérieure à 100 mV, un périphérique plus performant doté de telles fonctionnalités peut présenter une précision absolue avoisinant 1 mV. Une fois que vous avez identifié vos besoins en matière de précision, vous pouvez choisir un périphérique DAQ dont la précision absolue correspond aux besoins de votre application.

Étapes suivantes :

• Télécharger le guide complet pour composer un système de mesure
• Comment choisir le bus approprié pour votre système de mesure
• Comment choisir l’ordinateur qui convient à votre système de mesure
• Comment choisir le driver approprié pour votre système de mesure
• Comment choisir le logiciel d’application adapté à votre système de mesure
• Comment choisir les techniques de visualisation adaptées à votre système de mesure