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Étalonnage et capabilité du convertisseur ADS1115

Nous venons de recevoir une série de convertisseurs analogique-numérique ADS1115.
Avant leur utilisation, il est nécessaire de vérifier leur conformité et d’établir un certificat d’étalonnage.

Le constructeur annonce pour le gain de 1 :
• Résolution (quantum) : Q = 0,000125 V/LSB
• Écart maximal toléré (EMT) : ±16 LSB, soit ±2,00 mV

L’objectif est :
- d’étalonner l’ADS1115,
- d’évaluer sa capabilité (indices Cp et Cpk),
- et de proposer si besoin une équation de correction : V = Q' × N + B.

Chaque module ADS1115 sera identifié par une étiquette numérotée de 1 à 10 pour garantir la traçabilité et la réutilisation de son certificat.

Documents à télécharger :

• Structure du programme LabVIEW :

• PV étalonnage à compléter :

Introduction

Le but est de s’assurer que le procédé de mesure est suffisamment performant pour maintenir ses résultats dans cet encadrement de ±16 LSB,

avec un niveau de confiance élevé : on cherche à n’avoir qu’une mesure sur un million en dehors des limites EMT.

Ce niveau de performance correspond à un indice de capabilité Cpk = 1,66, ce qui traduit un procédé très capable et stable vis-à-vis des exigences de mesure.

Ainsi, ce TP vise à caractériser expérimentalement la fidélité et la justesse du système de mesure, à travers le calcul des indices Cp et Cpk,
et à déterminer si le convertisseur ADS1115 peut être déclaré conforme à son EMT selon ces critères.

Contexte industriel

Dans le domaine de la métrologie industrielle, tout nouvel équipement de mesure reçu dans un laboratoire doit être qualifié avant utilisation. Cette qualification consiste à vérifier que le matériel répond aux exigences métrologiques fixées par le client ou par le processus de mesure dans lequel il sera intégré.

Ces opérations de vérification et d’étalonnage sont répétitives et font donc l’objet, dans les services de métrologie modernes, d’une automatisation croissante. Des logiciels de supervision et d’acquisition comme LabVIEW permettent de piloter automatiquement les instruments (générateurs, multimètres, capteurs, etc.) et de traiter en temps réel les données acquises.

Le résultat de cette qualification est un Procès-Verbal (PV) d’étalonnage, qui comporte :
- les références du matériel testé (ex. ADS1115 n° série …),
- les résultats de mesure et les indices de capabilité obtenus,
- et la décision de conformité à l’EMT spécifié.

Ce PV est ensuite archivé dans une base de données de gestion métrologique et associé à une périodicité d’étalonnage, généralement fixée à 1 an pour ce type d’équipements.

Principe général

Le GBF génère la tension d’entrée. L’Arduino mesure la valeur numérique N issue de l’ADS1115 et l’envoie à LabVIEW.
LabVIEW applique le modèle de conversion V = Q × N + Offset puis compare le résultat à la mesure du multimètre étalon FI2960MT.

LabVIEW calcule la moyenne (μ), l’écart-type (σ), le biais (b), les indices Cp et Cpk,
 et trace la carte de contrôle intégrant les limites de spécification (SL, SU) et les limites internes de contrôle (LIC, LSC).

1. L'étalonnage et la vérification

L’étalonnage indirect d’un convertisseur analogique-numérique (CAN) consiste à appliquer à son entrée une tension connue, générée par un générateur basse fréquence (GBF), puis à mesurer simultanément cette tension à l’aide d’un multimètre de référence étalonné.

Le GBF sert uniquement de source de signal et ne nécessite pas de certificat d’étalonnage, contrairement au multimètre FI2960MT, dont la traçabilité garantit la valeur de référence X_étalon​.

 Le CAN à tester convertit cette tension en une valeur numérique N, interprétée dans LabVIEW via le modèle inverse x = f⁻¹(N).

L’utilisation de LabVIEW permet de traiter automatiquement des séries importantes de mesures : une campagne de 500 mesures sera réalisée afin de déterminer l’écart-type des valeurs issues du CAN, nécessaire à l’étude des incertitudes de fidélité.

Parallèlement, l’analyse de la série de 500 mesures du FI2960MT permettra d’évaluer le bruit de la source d’énergie (GBF) ainsi que le bruit de mesure, afin d’isoler les différentes composantes d’erreur et de caractériser la performance métrologique du système complet.

De plus, l’utilisation de la moyenne des 500 mesures pour estimer le biais du CAN permettra d’éliminer l’influence des erreurs aléatoires (liées à la fidélité) et de se concentrer uniquement sur l’erreur de justesse.

1. Présentez un schéma détaillé de mesure et réalisez le montage correspondant.

Appel n°1 — Validation du montage avant mise sous tension

1. Points à contrôler :

• Le schéma de principe correspond bien à celui du TP (GBF → CAN + multimètre étalon).

• Les connexions électriques sont correctes, propres et solidement fixées.

• Les masses (COM) du GBF, du CAN et du multimètre sont bien reliées entre elles.

• Aucune inversion de polarité ni court-circuit possible.

• Les câbles utilisés sont en bon état, sans fils dénudés.

• Le CAN et l’Arduino ne sont pas encore alimentés.

• Le GBF et le multimètre sont éteints.

• Toutes les mesures de sécurité sont respectées (tension non dangereuse, poste dégagé, mains sèches, etc.).

L'ADS1115

L’ADS1115 est un convertisseur analogique-numérique (CAN) externe 16 bits, bien plus précis que le CAN 10 bits intégré à la carte Arduino.
Il permet une résolution fine (jusqu’à 0,125 mV/LSB à gain ×1) et dispose d’un amplificateur programmable (PGA) pour adapter la plage de mesure au signal.

Il offre également un mode différentiel permettant de mesurer la différence entre deux entrées,
utile pour réduire le bruit commun et améliorer la stabilité de la mesure dans des environnements perturbés.

Contrairement au CAN natif de l’Arduino, l’ADS1115 fournit :

• une meilleure linéarité,

• une immunité au bruit plus élevée,

• et une capacité à mesurer des signaux faibles avec davantage de fiabilité

 Il communique via I²C, ce qui libère des broches et facilite l'intégration avec d'autres capteurs.

2. Cahier des charges – Programme Arduino + ADS1115

Objectif : acquérir une tension continue fournie par un GBF piloté par LabVIEW, via un ADS1115 en mode différentiel AIN0–AIN1.

L’Arduino pilote un ADS1115 via la bibliothèque Adafruit ADS1X15 (initialisation ads.begin() + ads.setGain(GAIN_ONE)).

Résolution exigée : 16 bits, gain GAIN_ONE → plage ±4,096 V (≈125 µV/LSB).

L’Arduino attend la commande ASCII 'G' envoyée par LabVIEW.

À réception de 'G', l’Arduino lit l’ADS1115 en mode différentiel et renvoie uniquement la valeur brute N (int16 signé), suivie d’un saut de ligne (\n).

Aucune autre information ne doit être transmise (pas de texte, pas d’étiquettes), afin de maximiser la vitesse et la stabilité de la liaison série.

Interface série configurée à une vitesse définie (ex. 9600 baud).

Le programme doit nettoyer le buffer série après réception du caractère.

Les tensions appliquées à AIN0 et AIN1 doivent rester entre 0 V et VCC (pas de tension négative relative à la masse).

Le montage doit assurer une masse commune entre Arduino, ADS1115, GBF et multimètre.

Utiliser le mode différentiel pour améliorer l’immunité au bruit ; câblage court et propre.

LabVIEW convertit ensuite N → tension réelle et réalise le bilan d’incertitude (objectif : EMT = 16 LSB).

Optionnel : petite moyenne logicielle interne ; si utilisée, prévoir de réduire la fréquence de pilotage dans LabVIEW car chaque acquisition ADS1115 demande ≈ 8 ms, ce qui limite la cadence effective.

Appel n°2 — Validation du fonctionnement du programme Arduino

2. Points à faire vérifier par le professeur

• Le programme Arduino est correctement téléversé et s’exécute sans erreur.

• La commande 'G' envoyée par LabVIEW ou le moniteur série provoque bien une lecture ADS1115.

• La valeur brute $N$ s’affiche de manière stable et cohérente avec la tension appliquée.

• Aucune trame parasite ni texte inutile n’apparaît dans le flux série.

• Les liaisons I²C (SDA/SCL) sont correctes et la communication avec l’ADS1115 est établie.

• Les mesures de sécurité électrique sont respectées.

Points de contrôle

Les tensions à tester sont : 0,5 V – 1 V – 2 V – 3 V – 3,5 V – 4 V

Pour chaque point :
• 500 mesures de N (ADS1115)
• 500 mesures de Vétalon (FI2960MT)
• Fréquence d’échantillonnage : 10 ms

Critère de bruit du système (GBF + FI2960MT) : σ_système ≤ EMT/10 = 0,2 mV.

3. La procédure banc test Labview CAN

Objectif : compléter le VI structure ADS1115_Etalonnage.vi fourni,
pour réaliser l’acquisition, le traitement statistique et la carte de contrôle de l’ADS1115.

Structure du programme LabVIEW :

Étape 0 – Initialisation

Objectif : Préparer la communication série avec la carte Arduino (UNO) et initialiser les paramètres du test.

• Configurer le port série avec VISA Configure Serial Port.
• Attendre 2 secondes après l’ouverture du port pour laisser la UNO terminer son setup. (Wait (ms) = 2000)
• Vider le buffer RX après cette attente pour éliminer le message « Setup OK ».
• Initialiser les constantes :
  Q = 0,000125 V/LSB
  Offset = 0 V

NbMesures = 500
Les tableaux de mesure seront automatiquement créés par la boucle d’acquisition.

Étape 1 – Réglage et stabilisation du GBF

Objectif : Établir la tension d’entrée appliquée à l’ADS1115 avant la mesure.

• Dans la structure de séquence avant la boucle d’acquisition :
  1. Régler le GBF (en V) à la tension à tester (0,5 V – 1 V – 2 V – 3 V – 3,5 V – 4 V).
  2. Attendre 500 ms pour garantir la stabilisation du signal de sortie. (Wait (ms) = 500)
  3. Afficher la tension stabilisée sur GBF en V.

Étape 2 – Acquisition des données

Objectif : Réaliser 500 acquisitions synchronisées entre le convertisseur ADS1115 et le multimètre FI2960MT.

Dans la boucle For (500 itérations) :
  1. Envoyer la commande « G » à l’Arduino (VISA Write).
  2. Lire la réponse série (VISA Read).
  3. Extraire la valeur numérique N avec Scan From String.
  4. Calculer la tension : V_ADS = Q × N + Offset.
  5. Lire simultanément la tension du FI2960MT.
  6. Attendre 20 ms entre deux acquisitions (Wait (ms) = 20).

Les valeurs N, V_ADS et V_FI sont automatiquement enregistrées par auto-indexation.

Étape 3 – Boucle d’attente, de traitement et de validation

Objectif : Traiter les données acquises, ajuster l’EMT si nécessaire, afficher la carte de contrôle,
et valider les mesures avant d’enregistrer et de passer au point suivant.

Traitement statistique (en continu) :

                 FI     :  μ_FI  = Mean(V_FI)
  S_FI : σ_FI  = StdDev(V_FI)
   N    : N = ads.readADC_Differential_0_1()
  ADS : μ_ADS = Mean(V_ADS)
  S_ADS     : σ_ADS = StdDev(V_ADS)
   biais         : b = μ_ADS – μ_FI
  Cp  = EMT / (3 × σ_ADS)
  Cpk = (EMT – |b|) / (3 × σ_ADS)
  Conforme   = (|b| ≤ EMT) ET (Cpk ≥ 1,5)

  Etalon_OK  = (σ_FI ≤ EMT / 10)

Ajustement de l’EMT :

• L’utilisateur peut modifier la valeur de l’EMT en LSB via le curseur.
• Le VI recalcule automatiquement EMT_en_V = Q × EMT_en_LSB.
• Les limites de la carte de contrôle et les indices Cp / Cpk sont recalculés instantanément.

Carte de contrôle :

  SL  = μ_FI – EMT
  SU  = μ_FI + EMT
  LIC = μ_FI – (2/3 × EMT)
  LSC = μ_FI + (2/3 × EMT)
• Les curseurs indiquent la moyenne, SL/SU et LIC/LSC.
• Voyants : Vert → Conforme / Rouge → Non conforme.

Validation et enregistrement :

• Cliquer sur le bouton « Enregistrer » pour sauvegarder les résultats du point courant.
  Les données sont exportées dans le fichier CSV sous la forme :
  [V_FI | σ_FI | N | V_ADS | σ_ADS | biais | Cp | Cpk | Conforme]

  Après enregistrement, le bouton « Enregistrer » disparaît pour éviter les doublons.
• Cliquer sur « Nouveau point » pour relancer la séquence GBF et la nouvelle acquisition.

Résultat attendu

• Carte de contrôle dynamique et mise à jour en temps réel.
• Calcul automatique des statistiques, Cp, Cpk, biais et conformité.
• Ajustement possible de l’EMT (en LSB) pour évaluer la capabilité.
• Enregistrement contrôlé (un seul clic) et validation avant le point suivant.
• Fichier CSV complet pour le certificat d’étalonnage.

Appel n°3 — Validation du programme LabVIEW

3. Points à faire vérifier par le professeur

Vérifier le bon fonctionnement du programme LabVIEW (VI ADS1115_Etalonnage.vi) chargé :

• de piloter la chaîne d’étalonnage,

• d’acquérir les données,

• de traiter les mesures statistiques

• d’afficher la carte de contrôle du CAN

• de sauver les mesures au format csv.

4. Analyse et traitement des données – Établissement du PV d’étalonnage

Cahier des charges

À partir du fichier CSV généré par le programme LabVIEW, chaque groupe doit compléter le Procès-Verbal d’étalonnage (PV_ADS_x_2025.xlsx) fourni.

PV étalonnage à compléter :
Ce fichier constitue le certificat d’étalonnage du convertisseur ADS1115.

Données à reporter dans le PV Excel :

Les étudiants devront reporter uniquement les valeurs expérimentales mesurées :

• la moyenne du multimètre de référence : μ_FI (en V)

• l’écart-type du multimètre de référence : σ_FI (en V)

• Mesure numérique du CAN : N (en LSB)

• la moyenne du convertisseur ADS1115 : μ_ADS (en V)

• l’écart-type du convertisseur ADS1115 : σ_ADS (en V)

• le biais : b = μ_ADS – μ_FI (en V)

⚠ Les indices de capabilité Cp et Cpk, ainsi que la décision de conformité, sont automatiquement calculés par le fichier Excel à partir des formules intégrées.
Il est donc inutile de les reporter depuis LabVIEW.

Paramètres dynamiques :

Le fichier Excel permet :

• de modifier l’EMT (Écart Maximal Toléré) exprimé en LSB ou en mV,

• d’obtenir automatiquement les nouveaux Cp, Cpk, limites de spécification, et conformité,

• de visualiser la courbe de correction et les graphiques de contrôle mis à jour.

Étude de la fidélité et de la justesse :

Rédiger une conclusion sur la fidélité, inspirée du modèle du PV d’exemple :

« Les valeurs de Cp, comprises entre … et …, traduisent ........................................................... »

Rédiger une conclusion sur la justesse, dans l’esprit : « Avec un biais moyen de … mV, la chaîne est ......................; la justesse de mesure.............................................. »

 

Modèle corrigé

Le programme Excel calcule automatiquement le modèle corrigé.

Conclure :

·        la correction améliore-t-elle la justesse ?

·        altère-t-elle la capabilité ?

·        la correction est-elle justifiée ?

Analyse des incertitudes

Les indices Cp et Cpk sont ici utilisés comme indicateurs pratiques de fidélité et de justesse, mais ils ne remplacent pas une analyse d’incertitude complète au sens ISO 5725.

Conclure :

·        le système respecte-t-il les exigences métrologiques ?

·        quelles sont les causes principales d’incertitude ?

Vérification après correction

Si une correction est nécessaire procéder à une vérification après correction :

- appliquer le modèle corrigé et refaire le protocole de vérification

- refaire un PV_correction

Appel n°4 — Validation du PV d’étalonnage

Valider le PV d’étalonnage complet du convertisseur ADS1115, incluant les calculs, les conclusions et la décision de conformité.

Points à vérifier par le professeur

·        Toutes les valeurs expérimentales ont été correctement reportées dans le PV Excel.

·        Les calculs automatiques (Cp, Cpk, conformité, incertitudes) sont corrects.

·        Les conclusions sur la fidélité, la justesse, la correction et les incertitudes sont complètes et cohérentes.

·        Le PV est daté, signé et comporte le numéro de série du module testé.

Validation finale

·        PV conforme → Validation et archivage du certificat d’étalonnage.

Le nom du fichier est au format : PV_ADS_1_2025.xlsx   ( PV_ADS_x_année.xlsx : x numéro de l'ads1115 testé et année de l'étalonnage)

·        Le fichier est sauvegardé dans le répertoire bts2m 2ème année Notice\PV\ADS1115

5. Il vous reste du temps ?

L’automatisation du programme LabVIEW et du Procès-Verbal d’étalonnage nous a demandé beaucoup de temps et d’efforts.

Cependant, cette architecture logicielle présente un atout majeur :
elle peut être réutilisée avec des modifications minimes pour l’étalonnage de tout type de convertisseur analogique-numérique (CAN)
ou même de tout multimètre communicant,
dès lors que LabVIEW est capable de lire simultanément le multimètre de référence FI2960MT et l’instrument à étalonner.

Ainsi, le même programme peut servir à l’étalonnage :

• du CAN interne 10 bits de l’Arduino (Vref = 5 V),

• des modules NI6009,

• du HX711,

• du CAN série LTC1286,

• ou encore d’un multimètre numérique USB ou RS232 tel le FI601X.

Pour le CAN interne Arduino 10 bits, l’EMT de ±4 LSB (≈ ±20 mV)
correspond à la tolérance habituellement retenue pour un convertisseur 10 bits de classe grand public,
en l’absence de spécification constructeur.

Objectif : vérifier que notre Écart Maximal Toléré (EMT) habituel de ±4 LSB est réaliste et conforme aux performances réelles du CAN interne de l’Arduino.

Adaptez le programme afin d’établir le certificat d’étalonnage du CAN interne 10 bits de l’Arduino (Vref = 5 V),
en suivant la même démarche que pour l’ADS1115 :

• acquisition des données,

• calculs statistiques,

• et génération du PV d’étalonnage.

Appel n°5 — Validation du PV d’étalonnage CAN Arduino 10 bits V_ref=5V

Valider le PV d’étalonnage complet du CAN Arduino pour un EMT = ±4 LSB