Mesures précises : limitations de base

Cet article et les deux suivants contiennent des informations extrêmement importantes pour quiconque s'intéresse même un peu aux mesures précises. Ce ne sont pas des directives pour les concepteurs. Il s'agit d'une présentation de la science populaire, aussi accessible que possible, des principaux facteurs limitant la précision.

Piotr Górecki – vulgarisateur en électronique. Il publie actuellement son propre magazine "Comprendre l'Électronique". Auparavant, pendant de nombreuses années, il a été rédacteur en chef d'un magazine polonais populaire (Électronique pour Tous). Il est également l'auteur de centaines d'articles et de projets éducatifs. Jusqu'en 1993, il a travaillé dans l'industrie des télécommunications.

Cet article est le cinquième d'une série sur la mesure et la précision des mesures. La série a commencé par un matériel d'introduction contenu dans l'article Précision et plage de mesure en électronique. Dans les articles suivants, nous avons discuté de diverses questions liées à la précision. Entre autres, il a été déclaré que la fréquence et le temps peuvent être mesurés avec une précision ou plutôt une incertitude bien meilleure que 10-12, c'est-à-dire 0,000001 ppm = 0,0000000001 %. Pendant ce temps, la tension et la résistance peuvent être mesurées en laboratoire avec une précision (incertitude) légèrement meilleure que 10-9, en d'autres termes 0,001 ppm, ou 0,0000001 %.

Des questions très importantes sont : Les mesures peuvent-elles être effectuées avec encore plus de précision ? Les limites sont-elles définies par les possibilités techniques actuellement disponibles ? Le progrès technique permettra-t-il de repousser ces limites de manière progressive et sans restriction, permettant des mesures de plus en plus précises ? Ou avons-nous déjà atteint des limites insurmontables déterminées par des lois physiques fondamentales, rendant tout progrès ultérieur impossible ou très limité ? Cela concerne cependant uniquement les meilleurs laboratoires et le meilleur équipement professionnel le plus coûteux.

Qu'en est-il des amateurs ? Avec quelle précision maximale un amateur moderne, modérément riche, peut-il mesurer ?

Dans l'article Précision et exactitude dans la pratique de l'amateur, nous avons indiqué que dans la grande majorité des cas, un passionné d'électronique n'a pas besoin de mesurer avec une précision supérieure à 1 %. En général, ils n'en ont pas besoin, mais premièrement, dans certains cas, des mesures plus précises sont nécessaires. Deuxièmement, beaucoup d'entre nous souhaiteraient simplement mesurer tout aussi précisément que possible. Troisièmement, avec la large disponibilité du marché aujourd'hui, de plus en plus de personnes s'intéressent à la précision réelle de leurs instruments de mesure, en particulier multimètres. De plus en plus de personnes prêtent attention non pas à l'apparence attrayante d'un multimètre, mais à ses paramètres, y compris la précision. Nous voulons acheter des appareils avec de véritables bons paramètres techniques et, surtout : nous voulons vérifier la précision des appareils que nous possédons.

Dans le cadre de l'initiative Comprendre l'Électronique, nous aborderons ces questions de manière aussi pratique que possible. Ainsi, les articles montrent les capacités et les limitations de divers appareils. Cependant, dans cet article et les articles connexes, nous discuterons des principales limitations de précision qui se produisent dans des conditions d'atelier, en particulier amateurs.

De nombreux passionnés d'électronique souhaiteraient effectuer les mesures les plus précises possibles. Et c'est possible ! Possible, mais sous certaines conditions : il faut comprendre les causes et les sources d'erreurs et d'incertitudes afin de les éliminer. Voici les détails les plus importants.

Limitations de précision économique

Nous avons noté préliminairement que la limitation de base en pratique est le prix. En termes simples, un bon appareil de mesure précis doit contenir des composants de haute qualité. Cela ne peut pas être dit des appareils coûtant quelques dizaines de zlotys de marques inconnues.

Un multimètre moderne est essentiellement un voltmètre DC (milli)volt, qui, avec la participation de divers circuits auxiliaires : diviseurs, amplificateurs, convertisseurs, mesure une large gamme non seulement de tension et de courant DC mais aussi (grâce à des circuits supplémentaires) de tension et de courant AC, de résistance et de capacité. Par conséquent, la précision d'un multimètre dépend en grande partie avant tout du voltmètre (milli)volt utilisé. Ce millivoltmètre est une sorte de convertisseur analogique-numérique (ADC), coopérant avec une source de tension de référence.

Dans les appareils les moins chers, un circuit intégré ICL7106 ou un circuit connexe est souvent encore utilisé, où la source de tension de référence est intégrée dans le CI. De meilleurs appareils utilisent divers autres voltmètres intégrés (milli). Certains ont la source de tension de référence intégrée dans le CI de l'ADC, d'autres ont un ADC séparé et une source de tension de référence séparée.

La photo 1 montre presque tous les composants électroniques d'un multimètre à budget (coûtant environ 100 PLN), qui, en dehors du processeur spécialisé (sous la résine noire) et de la mémoire 24C02A, contient une source de tension de référence ICL8069.

En termes simples, plus la précision requise est grande, meilleurs et plus chers doivent être à la fois l'ADC et la source de tension de référence. De nos jours, des convertisseurs intégrés de 24 bits ou même de 32 bits (Figure 2) sont facilement disponibles. Bien sûr, ils sont assez chers – les meilleurs coûtent autant que l'ensemble de l'appareil montré sur la photo 1 et ne sont pas non plus parfaits, leurs principaux problèmes étant la linéarité imparfaite et le bruit.

Les sources de tension de référence les moins chères peuvent être achetées pour un zloty ou même moins, tandis que le meilleur circuit intégré de référence de tension produit en série actuellement IC LTZ1000 coûte plusieurs centaines de zlotys au détail. Pour permettre à l'intégration (milli)voltmètre de mesurer sur diverses plages, des diviseurs et des shunts – résistances – sont nécessaires. Les résistances dites "précises" populaires sont ridiculement bon marché, surtout en versions SMD. Cependant, les meilleures résistances produites en série (en métal-foil hermétique) coûtent plusieurs centaines de zlotys chacune. Les multimètres les plus précis contiennent de nombreuses résistances coûteuses, ce qui explique déjà ce qui constitue le prix de tels instruments, atteignant souvent plusieurs milliers de dollars.

Un multimètre doit également contenir d'autres circuits, tels que des convertisseurs ou des amplificateurs. Un composant essentiel est un convertisseur pour les formes d'onde AC à DC. Auparavant, cela s'appelait un "redresseur", et dans les multimètres bon marché, des redresseurs simples, souvent des redresseurs actifs, sont encore utilisés. Dans des cas extrêmes, de telles solutions primitives rendent impossible la mesure des courants AC.

Parfois, un redresseur actif peut être construit à partir d'un amplificateur opérationnel LM358 bon marché. Étonnamment, cela fournit des paramètres assez bons pour une telle solution bon marché. Malheureusement, de tels redresseurs d'average ne mesurent pas correctement les formes d'onde déformées mais seulement les ondes sinusoïdales ; par conséquent, de meilleurs appareils utilisent divers convertisseurs True RMS. Des convertisseurs moins chers et plus chers selon la précision et la plage de fréquence.

Les informations fournies signalent qu'il n'existe pas de multimètres idéaux. Ceux proches de l'idéal sont terriblement chers, et tous les autres sont le résultat de nombreux compromis qui, entre autres, limitent la précision. Cependant, il y a une bonne nouvelle : un amateur modeste contemporain peut mesurer avec une grande précision, mais il doit avoir des connaissances appropriées, principalement sur les limitations. Ensuite, il peut tirer le meilleur parti de ce qui est à sa disposition et éviter les pièges résultant d'hypothèses erronées.

La tolérance est-elle la plus importante ?

Les moins informés considèrent la tolérance comme le problème le plus important – c'est-à-dire à peu près la déviation maximale admissible par rapport à la valeur nominale. Cela concerne principalement les résistances.

Il y a de nombreuses résistances dans les appareils. En pratique, aucune d'entre elles n'a une valeur nominale indiquée sur le boîtier, ce qui affecte sans aucun doute la précision de l'appareil. La source de tension de référence a également une certaine tolérance non nulle. Des écarts liés à la tolérance peuvent également être trouvés dans d'autres circuits de l'appareil.

En même temps, l'idée que la tolérance des composants est la cause fondamentale de la mauvaise précision des instruments de mesure est complètement erronée ! Le problème de la tolérance pourrait être éliminé entièrement ! Par exemple, en compliquant le circuit et en ajoutant des éléments de correction, dans le cas le plus simple, des potentiomètres ajustables. Ils ont également été utilisés dans des appareils peu coûteux. Un exemple se trouve dans la photo 3, où un ancien multimètre montre cinq trimmers. La présence de tels circuits de correction, bien sûr, augmente le prix de l'instrument. Il semble que plus il y a de tels potentiomètres, plus la précision peut être obtenue sur diverses plages et fonctions. Auparavant, de telles conclusions étaient correctes.

Auparavant oui, mais aujourd'hui, définitivement non ! Il faut savoir que d'autres méthodes de correction sont utilisées aujourd'hui, qui n'augmentent pratiquement pas le coût, du moins le coût des matériaux. Dans les multimètres modernes, il n'y a pas du tout de potentiomètres de réglage – comme dans la photo 1 précédente, où les informations de correction sont stockées dans la mémoire Flash 24C02. C'est très bien, non seulement à cause des coûts des composants. Dans de tels appareils, le problème de la tolérance pourrait être entièrement éliminé numériquement.

De meilleurs appareils contiennent soit un ADC et un microprocesseur classique, soit leur CI principal est un microprocesseur spécialisé avec un ADC précis et divers circuits auxiliaires, y compris un convertisseur True RMS intégré. Le plus important, les données numériques de l'ADC avant d'être envoyées à l'affichage sont traitées par le programme du microprocesseur. Après la production, des tensions et des courants de référence peuvent être appliqués à ses entrées pour effectuer et introduire une correction logicielle afin que l'affichage montre des résultats corrects. De même, les résultats de mesure de résistance résistance, de capacité, et éventuellement d'autres quantités peuvent être corrigés.

La correction logicielle peut ajuster les indications sur toutes les plages et fonctions du multimètre, ce qui permet d'éliminer complètement l'effet de la tolérance des composants sur le système.

Bien sûr, cela nécessite du temps et un équipement approprié. Sur le plan matériel, l'appareil est alors beaucoup moins compliqué, mais le coût de l'étalonnage chronophage et de l'équipement nécessaire est ajouté. Par conséquent, en pratique, en raison des coûts de main-d'œuvre et de temps, l'étalonnage logiciel dans les instruments moins chers n'est pas complet mais, disons, effectué uniquement sur certaines plages.

Dans tous les cas, un étalonnage logiciel complet pourrait éliminer complètement le problème de tolérance, c'est-à-dire la variation des paramètres entre les unités individuelles. Cela pourrait, mais cela ne résout absolument pas les problèmes de précision les plus importants des appareils.

Problème sérieux – stabilité thermique

Les passionnés d'électronique un peu plus expérimentés savent que la température affecte considérablement les paramètres de pratiquement tous les composants électroniques. Cela inclut les résistances, les condensateurs, et les sources de tension de référence. Ils savent également que ces changements sont répétables, caractérisés par des paramètres appelés coefficients thermiques (de résistance, de capacité, de tension), exprimés en pourcentage ou en parties par million par degré Celsius (%/°C, ppm/°C).

Il convient de rappeler ici que 1 ppm est 0,0001 %, donc apparemment très petit. Dans des articles précédents, nous avons noté que les meilleurs multimètres mesurent les tensions DC et les résistances avec une précision, ou plutôt une incertitude, de l'ordre de précisément 1 ppm (10^-6).

Une idée préliminaire de la difficulté d'atteindre cela est fournie par les résistances. Il est bien connu que les résistances à tolérance de 1 % populaires d'aujourd'hui (±1 %), souvent appelées précises, ont généralement un coefficient de température de résistance (TCR) allant jusqu'à 100 ppm/°C, plus précisément ±100 ppm/°C. L'effet de température ne peut pas être ignoré si nous voulons mesurer aussi précisément que possible dans une plage de température, disons de +15 °C à au moins +30 °C – ce qui peut être la température intérieure extrême dans laquelle les mesures sont effectuées. Dans des conditions de terrain, la température ambiante peut être inférieure à zéro ! Alors, la plage de variation de température attendue sera de plus de 30 degrés ! Une résistance "précise" avec un TCR = 100 ppm/°C changera sa résistance de 1500 ppm ou 0,15 % sur une variation de 15 degrés Celsius.

Rappelons qu'un multimètre à 4,5 chiffres (0...19999) a une résolution de 0,005 %, ou 50 ppm. Si ce multimètre utilisait des résistances "précises" avec un TCR = ±100 ppm/°C, alors les variations de température mentionnées pourraient décaler les lectures de ±1500 ppm, c'est-à-dire ±0,15 %. Cela signifie détruire la précision même si l'instrument a été étalonné après production.

Il est déjà clair que pour des mesures vraiment précises, des résistances significativement meilleures sont nécessaires. Comme première approximation, le coefficient thermique TCR des meilleures et des plus chères résistances peut être supposé être d'environ 1 ppm/°C. Les catalogues listent des résistances avec des valeurs de TCR encore meilleures, jusqu'à 0,2 ppm/°C ou même moins.

Il convient de rappeler, cependant, que le coefficient TCR n'est pas du tout la question la plus importante. Premièrement, le coefficient thermique, même sous forme polynomiale, pourrait être pris en compte et son influence éliminée en effectuant un étalonnage programmatique de l'instrument à différentes températures. Avec les moyens techniques modernes, cela est accessible même aux amateurs et est parfois utilisé par eux.

Deuxièmement, le problème de l'influence de la température pourrait être éliminé en plaçant l'instrument dans un thermostat vraiment bon. De nombreux instruments de mesure de laboratoire utilisent des thermostats. Certains stabilisent la température à des centièmes de degré Celsius. Les amateurs peuvent également construire des thermostats efficaces et précis.

Cependant, même l'élimination efficace des variations de température ambiante ne résout pas la question de mesures vraiment précises et de leur fiabilité. Ni la tolérance ni l'influence de la température ne sont les plus grands problèmes. Ce sont des questions élémentaires, au moins à peu près connues de la plupart des passionnés d'électronique. Pour des mesures vraiment précises, d'autres problèmes ont une signification pratique beaucoup plus grande. Nous commencerons à les discuter dans le prochain article. ©

Piotr Górecki

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