Nous surveillons l'environnement physique qui nous entoure grâce à un nombre et une variété croissants de capteurs. Ces derniers génèrent des signaux généralement de faible amplitude et bruités. Souvent non linéaires, ces signaux doivent, dans la plupart des cas, être convertis de leur forme analogique réelle en valeurs numériques exploitables par les systèmes informatiques. Chaque chaîne de traitement du signal qui nettoie et transforme ces mesures brutes, en faisant le lien entre le capteur et le système de calcul ou de traitement, joue un rôle crucial face à la demande croissante de données.

Caractéristiques communes de la chaîne de signal

De manière générale, une chaîne de traitement du signal se compose d'une série d'éléments clés : le capteur (ou le matériel qui capture les données), l'amplification et le filtrage du signal, suivis enfin d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) qui échantillonne et numérise le signal conditionné en vue d'un traitement ou d'un stockage ultérieur.

 Un ou plusieurs étages d'amplification peuvent être nécessaires, comme un amplificateur de transinductance (TIA) suivi d'un amplificateur de gain en tension. De plus, plusieurs filtres peuvent s'avérer indispensables pour isoler le signal dans une plage de fréquences donnée, appliquer un système anti-chevauchement aux signaux haute fréquence et éliminer les signaux indésirables à des fréquences spécifiques (par exemple, les interférences du réseau électrique). Selon la sortie du capteur, il peut être avantageux d'amplifier le signal avant le filtrage, car tout bruit sera également amplifié. Il est également possible d'appliquer le filtrage en premier.

Un registre à approximations successives (SAR) ou un convertisseur analogique-numérique sigma-delta peuvent constituer les solutions les plus adaptées à la numérisation du signal filtré et amplifié. Les convertisseurs SAR présentent généralement une latence plus faible que les convertisseurs sigma-delta, bien que leur fréquence d'échantillonnage maximale soit généralement inférieure. Les convertisseurs sigma-delta se distinguent par leur haute résolution et leur efficacité énergétique ; ils intègrent souvent des fonctionnalités supplémentaires (telles que des filtres, des multiplexeurs ou des tampons d'entrée).

Figure 1 : Composants de base de la chaîne de signal.

Boîtier de surveillance de température industrielle

La température est considérée comme l'élément le plus fréquemment surveillé dans le monde physique. Un thermocouple peut détecter des températures extrêmement élevées dans les environnements industriels, mais la tension de sortie est faible (généralement quelques millivolts seulement). Les composants de la chaîne de traitement du signal (comme illustré sur la figure 2) doivent garantir un gain d'amplification élevé, un faible bruit et une faible dérive.

Une température de référence doit également être surveillée pour assurer la compensation de la soudure froide (CUF), permettant ainsi à l'instrument de générer une tension de sortie correspondant à la température mesurée par la sonde thermocouple. La CUF est généralement mise en œuvre à l'aide d'une sonde de température à résistance (RTD) ou d'un capteur de température à base de silicium. Une RTD nécessite une tension d'excitation qui doit être fournie par la chaîne de signal.

Les thermocouples, les RTD et les thermistances présentent tous une linéarité non uniforme qui doit être corrigée au sein de la chaîne de traitement du signal. Pour les thermocouples, la variation de tension de sortie pour une variation de température donnée est déterminée par le coefficient Seebeck. Cependant, ce coefficient n'est pas constant sur toute la plage de températures de fonctionnement du thermocouple ; il est donc préférable de choisir un type offrant la réponse la plus linéaire possible dans la plage de températures de fonctionnement prévue. Les ingénieurs concepteurs peuvent consulter les catégories IPC, qui normalisent les propriétés des différents types de thermocouples. Par exemple, un thermocouple IPC de type S a une plage de températures utiles d'environ 0 °C à 1 500 °C et présente une linéarité satisfaisante d'environ 900 °C à 1 250 °C. Les tables de référence pour les types de thermocouples standard, telles que celles publiées par le National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis, permettent une correction numérique de la linéarité et évitent la complexité d'une correction de linéarité au sein même de la chaîne de traitement du signal.

Figure 2 : Exemple de chaîne de signal de thermocouple.

Chaque connexion électrique physique du thermocouple crée inévitablement une jonction thermique supplémentaire ; il est donc essentiel de s'assurer que toutes les connexions, à l'exception de la sonde de détection de température et de la jonction froide, sont à la même température.

Cas de surveillance médicale ou physique

Le désir croissant d'automesure et de modèles de soins de santé plus rapides et plus économiques stimule la demande de systèmes de détection plus simples pour les bioindicateurs (tels que la température corporelle, l'oxygénation sanguine et la fréquence cardiaque), que ce soit par le biais d'instruments cliniques ou d'appareils grand public (comme les traqueurs d'activité). Comparés aux thermistances et aux capteurs de température RTD, qui nécessitent un traitement du signal important, les capteurs de température à base de silicium sont plus linéaires, plus stables et plus faciles à utiliser. Bien que leur plage de température soit plus étroite (55 °C à 150 °C), elle est largement suffisante pour la surveillance de la température corporelle à l'aide de dispositifs médicaux.

Le MAX30208 est un capteur de température numérique de qualité clinique, optimisé pour une mesure simple et non invasive de la température corporelle. La température est mesurée sur la face supérieure du capteur, ce qui facilite son application sur la peau et minimise les risques d'échauffement (grâce à l'alimentation électrique via les broches du circuit intégré). Sa conception permet un montage optimisé sur circuits imprimés flexibles, pouvant être positionnés à distance du processeur hôte. L'interface I²C^permetde connecter plusieurs capteurs en série afin d'obtenir des données provenant de différents points du corps, pour une précision optimale. Le MAX30208 mesure la température corporelle avec une précision de ±0,1 °C et intègre un circuit de traitement du signal ainsi qu'une mémoire FIFO 32 bits pour une interaction aisée avec le processeur hôte.

En matière de surveillance de l'activité cardiaque, les moniteurs cliniques s'appuient traditionnellement sur les signaux électrocardiographiques (ECG) provenant de divers capteurs placés sur le corps. Plus récemment, la détection par photopléthysmographie optique (PPG) a été développée. Elle offre une précision acceptable grâce à un petit dispositif portable, non invasif, tel qu'un bracelet connecté ou un oxymètre de pouls au doigt. La détection PPG fonctionne en transmettant de la lumière à travers les tissus corporels et en mesurant les signaux réfléchis ou transmis. De faibles variations du volume sanguin peuvent être quantifiées, permettant ainsi le calcul d'indicateurs (dont la saturation en oxygène du sang, la fréquence cardiaque et la respiration). Elle permet également de tirer des conclusions sur la santé des tissus et le fonctionnement des organes.

Le signal de tension provenant des capteurs optiques d'un instrument PPG comprend une composante continue liée au volume sanguin et aux propriétés optiques des os et des tissus, ainsi qu'une composante alternative produite par les variations du volume sanguin correspondant aux battements cardiaques. Des signaux de plus faible amplitude, générés par l'activité (comme la respiration), sont également présents.

La conception de la chaîne de transmission du signal d'un moniteur de fréquence cardiaque portable commence par l'émetteur, qui peut être une LED verte ou une combinaison de LED rouges et infrarouges. La longueur d'onde et l'intensité de la source déterminent la profondeur de pénétration et la force du signal reçu, et peuvent être ajustées pour une précision optimale. De plus, les circuits de commande des LED introduisent du bruit dans le signal transmis, et la consommation d'énergie doit également être prise en compte.

La chaîne de réception du signal doit échantillonner le signal de sortie du photodétecteur et gérer l'annulation de la lumière ambiante, le filtrage et la conversion analogique-numérique. Le signal de sortie du photodétecteur est un courant dont l'amplitude varie de moins de 1 nA à quelques dizaines de µA. Un convertisseur analogique-numérique (CAN) est nécessaire pour convertir ce courant en tension. La conception de la chaîne de traitement du signal doit prendre en compte des facteurs tels que la plage dynamique du signal, le rapport signal/bruit (SNR), l'utilisation de la carte et la consommation d'énergie associée à des composants comme les filtres anti-chevauchement et le CAN. Heureusement, le marché important et en pleine croissance des moniteurs de fréquence cardiaque grand public permet aux ingénieurs d'opter pour un étage d'entrée analogique (AFE) intégré, comme le Texas Instruments AFE4405 ou le Maxim MAX30112 , qui intègrent chacun le pilote de LED et une chaîne de traitement complète du signal du photodétecteur dans leur solution monopuce respective. Ces dispositifs offrent une solution adaptée aux défis liés à la manipulation, au filtrage, au stockage, à l'amplification et à la conversion du courant de la photodiode à l'aide d'un CAN sigma-delta.

Étude de cas en acquisition et traitement d'images

Les paramètres tels que la fréquence cardiaque humaine et les températures des processus industriels sont relativement simples et stables, ce qui limite les exigences de la chaîne de traitement du signal en termes de vitesse et de fréquence d'échantillonnage. Le MAX30112 prend en charge une fréquence d'échantillonnage jusqu'à 3,2 kSPS pour répondre aux besoins des applications d'oxymétrie de pouls ou de surveillance de la fréquence cardiaque. Les vitesses de signal et les fréquences d'échantillonnage requises pour des applications telles que la détection d'images ou la vision industrielle sont beaucoup plus élevées et nécessitent une attention particulière.

Les systèmes d'imagerie simples, tels que les spectromètres proche infrarouge utilisés pour l'inspection ou l'analyse des matériaux, peuvent employer une photodiode linéaire nécessitant un refroidissement afin de minimiser les effets du bruit thermique et du conditionnement du signal. ADA4807 possède une bande passante à -3 dB de 180 MHz et est particulièrement adapté auADAQ7980 , qui intègre un convertisseur analogique-numérique (CAN) SAR 1 MSPS à faible bruit. Ce système adapte la puissance à la fréquence d'échantillonnage, optimisant ainsi son rendement. L'intégration d'un pilote de CAN large bande à faible entrée et d'une sortie rail-à-rail pour minimiser la distorsion simplifie la conception pour les ingénieurs, notamment en ce qui concerne la conception des circuits et le choix des composants. L'architecture d'alimentation interne et la présence d'une référence de tension externe de précision contribuent également à préserver l'intégrité du signal en réduisant le bruit du système.

La vision industrielle, avec ses caméras haute vitesse et ses applications de vidéosurveillance, impose des exigences encore plus élevées en matière d'acquisition de signaux. Un dispositif d'acquisition d'images haute vitesse établit la connexion avec la caméra et communique avec l'ordinateur hôte (généralement via PCI ou PCI Express) à l'aide d'un protocole tel que Camera Link, qui définit des vitesses de traitement vidéo de 255 Mbit/s à 680 Mbit/s. Ce dispositif implémente également des fonctions de prétraitement vidéo essentielles, comme le contrôle du gain, la compensation des pixels morts et l'extension de la plage dynamique. Ces opérations doivent souvent être effectuées en temps réel, à la fréquence d'images. La conception d'un tel dispositif représente un défi d'ingénierie considérable, souvent relevé grâce à l'utilisation de FPGA qui offrent les performances de traitement du signal requises et peuvent intégrer les algorithmes de vision industrielle.

Conclusion

L'acquisition de données exploitables à partir de signaux de capteurs, quelle que soit l'application (grand public, industrielle ou médicale), exige une parfaite maîtrise de chaque composant de la chaîne de traitement du signal. Cela englobe l'ensemble de la chaîne, du capteur au convertisseur analogique-numérique (CAN), et dans chaque cas, les éléments appropriés doivent être sélectionnés et correctement intégrés. Souvent, un circuit intégré frontal monopuce est déjà disponible, ce qui simplifie considérablement la conception et accélère la mise sur le marché.