RID OF NOISE : Cauchemar du week-end chez l'électronicien

"RID OF NOISE" serait un excellent nom pour un groupe de Heavy Metal... cependant c'est une tout autre histoire toujours autour du bruit et toujours aussi ennuyant.

Des conseils de mes pairs seraient également les bienvenu.

Introduction

Pour le moment, je prépare un projet sur la commande de MosFet Linéaire 250V 90A ( IXTK90N25L2 ) pour créer un DC Load (150W à 450W) abordable (bien en dessous des 2500 EUR.

Avant de préparer une commande par microcontrôleur avec DAC... je commence par une commande avec potentiomètre sur breadboard (10K, 10 tour, winbound pour éviter les sursaut) afin de produire une tension de commande entre 0 à 60mV en sortie et offset corrigée pour avoir du 0 Volts.
C'est, bien entendu, une commande à base d'ampli-op de précision LT1636.

Prototypage commande 0-60mV

Je n'ai pas encore préparé le schéma (patiente) mais au Voltmètre (Siglent DSM3045x) indique bien une commande fiable de 0 à 80mV à 0.1 mv bien stable ==> All right ;-)

Par contre, quand je branche l'oscilloscope, j'aperçois un bruit impressionnant sur l'échelle des 5 mV. Quand on augmente la base de temps de 20nS à 5 mS alors cela devient littéralement affolant!

Echelle: 5mV/div , 20nS/div

Echelle: 5mV/div , 5ms/div

Cela fait quand même un bruit de ~10 à 20mV pour une gamme de tension de 0 à 80mV... c'est interpellant. Faut-il encore savoir d'où cela vient et comment s'en débarrasser!!

Effet d'antenne

Alors, après de nombreuses recherche je m'aperçois qu'il y a un effet d'antenne!

Quelque-part durant l'évaluation, je suis même arrivé a quelque-chose de pire.

Point de départ des observation

 

Puis en coupant le plafonnier LED (qui contient certainement un hacheur) une partie des parasites s'évanouissent.

Sans plafonnier LED

Puis en retirant la sonde du Multimètre, je reviens au bruit de départ (~20mV).

Sonde branchée en sortie de circuit

Cela fait quand même beaucoup de bruit résiduel... à qui la faute???

Le bruit: a qui la faute?

Problème d'impédance ?

Croyez le ou nom, le simple fait de me pencher (presque coucher) sur le montage modifie l'amplitude du bruit de 19mV à 14mV.

Sonde branchée en sortie de circuit avec mon corps recouvrant le montage = diminution de l'amplitude du bruit

En utilisant mon corps, je modifie l'impédance autour du montage (j'empêche aussi l'effet d'antenne (du moins partiellement). De la à savoir si c'est bien cela ???

Effet d'antenne?

Ayant déjà identifié l'effet d'antenne, je coupe tout ce qu'il est possible de couper à proximité (y compris PC, Moniteurs, l'alimentation, etc) sauf l'oscilloscope et le multimètre. J'ai même remplacé l'alimentation par une bonne vieille batterie.

Rien n'y fait vraiment pour l'instant... forcement, il y a un long fil qui va de la batterie au breadboard!!!

Le bruit d'entrée sur l'oscilloscope?

Est-ce toujours l'effet, d'antenne?... ou un problème de fiabilité sur l'oscilloscope (en mesure de faible tension).

En plaçant une résistance (75 Ohms) entre la masse de l'oscilloscope et la sonde (et rien d'autre) l'oscilloscope indique un bruit résiduel de 4mV. 

Bruit sur l'oscilloscope

Et la mise en parallèle avec la sonde du multimètre, ont voit apparaître l'effet d'antenne... en effet, il n'y a pas de blindage autour des câbles de mesure du multimètre.

Augmentation du bruit avec la sonde du multimètre

On peut donc estimer que le bruit d'entrée sur l'oscilloscope est de 4 mV.

Alors d'où vient le reste du bruit? 

Une drôle de découverte

Fort de l'effet d'antenne et de la question relative à l'impédance (modification du bruit en me "couchant" sur le montage), je décide de mettre le montage en entier dans une cage de Faraday (papier aluminium) branché sur la masse du montage et masse de l'alimentation.

Cage de Faraday autour du montage (dessus/dessous) - branché à la masse

Et le bruit est réduit à 14 mV mais est toujours là!

Bruit résiduel de 14.2mV

En diminuant la base de temps, pour voir plus en détail les entrailles du signal, on découvre un signal répétitif.

Signal caché dans le bruit.

Le signal caché fait environ 5.7mV (sélectionné assez largement. 3mv au plus serré) mais présente surtout une fréquence d'environ 200 Khz. Ce qui correspond quand même à une fréquence de Hachage utilisée avec des MosFet.

Je coupe donc l'alimentation!

Bruit résiduel après avoir coupé l'alimentation - 7.4mVpp

Il reste un bruit significatif (7.4mV) même si le projet n'est plus alimenté.

J'ai donc prolongé le blindage jusqu'au bornes de l'alimentation.

Amélioration du Blindage

On peut constater une nette amélioration au niveau du bruit par rapport au à la capture précédente (sans rien changer d'autre que le blindage)!

Je ne sais pas pour vous... mais moi j'y vois de nouveau un effet de vague répétitif!

Je vais donc passer en 2mV par division et refaire les mesures.

Mesure du bruit résiduel

C'est bizarre, on retrouve encore cette fréquence de 200 KHz (1mV) dans le bruit!

• Ne provient pas de l'alimentation : débranchée du réseau électrique!
• Ne provient pas du montage : il est hors tension!
  

Je ne vois plus qu'une source possible.... l'oscilloscope lui-même.

Note du 03/05/2022: 

D'autres lectures sur les sujets du bruit, j'apprends qu'il n'est pas évitable et qu'il existe un bruit de fond (bruit blanc) en tout point d'un montage! Bruit que l'on ne peut pas éliminer et dont la valeur moyenne est statistiquement nulle.
Ce n'est donc pas forcément la faute de l'entrée de l'oscilloscope, j'ai dégoté une méthode de mesure que je testerais prochainement dans un autre article RID OF NOISE.

En passant sur une base de temps de 200ms/div (pour avoir une vue globale) il est possible de relever un corps de bruit faisant environ 2.56mV (sélection serrée).
Cela correspond bien au 4mV de bruit attribué à l'entrée de l'oscilloscope.

Mesure du bruit résiduel

Rigol DS1054 : Comment éliminer ce bruit? 

La question à 1000 Eur c'est comment arriver à faire une lecture du signal de sortie dans tout ce bruit ?

Le signal de sortie est une consigne fixe (tension DC) qui évolue relativement peu.
Ce qu'il faut, c'est éliminer les hautes fréquences. 

Option 1: Filtre passe-bas

J'ai essayé un filtre passe bas avec fréquence d'atténuation de 100 Hz (et 50 Hz). Il est assez facile de trouver des calculateurs sur internet.

Le problème c'est que cette méthode atténue aussi le signal en sortie au point de passer d'une gamme 0..80mV à 0..40~50mV.

Option 2: filtrage mathématique sur l'oscilloscope

Une autre option est d'activer une filtre numérique sur l'oscilloscope.
Sur un DS1054Z, cela passe par le bouton MATH présent sur l'oscilloscope.

Dans le menu sur la droite de l'écran, sélectionnez 

• l'entrée MATH puis 
• l'opérateur "Filter" (dernier élément de la liste, qu'il faudra faire défiler)
• l'opération doit être placé sur "ON" pour activer le filtre.
• la source doit sélectionner le bon canal (CH1 dans le cas présent).
• Faire défiler le menu vers le bas pour afficher les options suivantes.
• L'option "Filter" permet de sélectionner le type de filtre. Il est sur l'option Passe-bas par défaut.
• L'option wc1 fixe la fréquence de coupure. Comme nous voulons seulement garder une composante continu, la fréquence de coupure est fixée à 5 KHz.

Et voilà, on dispose maintenant d'une version filtrée du signal à l'écran comme visible ci-dessous.

Avec l'échelle à 10mV, la fonction de filtrage indique une sortie à 12-13mV :-)

Là cela devient enfin exploitable!

En résumé

D'une façon générale, un bruit d'une dizaine de mV n'est pas vraiment critique au regard des tensions logiques 3.3V et 5V de nos microcontrôleurs.

Par contre, dès lors que les signaux sont faibles (< 100mV), les bruits deviennent des facteurs importants qu'il faut pouvoir identifier et tenir sous contrôle.

Les professionnels disposent généralement d'un matériel de grande qualité et savent comment gérer ces problèmes. 

Les makers sont, eux, nettement plus démuni... le temps de comprendre d'où vient la source du bruit (et comment gérer cela) et la journée est déjà largement terminée.
Le manque d'appareil de précision (coûtant les yeux de la tête) leur impose aussi l'utilisation d'approches plus empiriques.

Source du bruit:

• De façon surprenant, l'entrée de l'oscilloscope est bruitée. Cela à plus d'impact sur un oscilloscope d'entrée de gamme que sur un oscilloscope de pro. Mon DS1054 présente un bruit estimé à 4mV.
• Effet d'antenne (même sur les câbles d'alimentations)
  --> utiliser un blindage permet de réduire le bruit significativement.
• Les alimentations avec Hacheur (très répandu de nos jours) produisent pas mal de bruit. Le panneau LED utilisé pour éclairer mon banc d'essai est source d'une importante nuisance par effet d'antenne (Ahhhhh! les alimentations chinoises!).
  
• Utiliser un autre appareil de mesure avec la sonde oscilloscope peut injecter un bruit significatif sur le signal mesuré! (c'est totalement dingue!)
  
• Bruit général dans l'environnement est d'environ 10-15mV..
  --> utiliser un filtre passe-bas numérique sur l'oscilloscope pour en faire abstraction.
  
• Attention au bruit injecté par l'alimentation (Alim de Labo bon marché).
  --> Les chinoiseries un peu trop bon marché pourrait être mal filtrée.
  --> Utiliser des capacités de filtrage/découplage (recommandé, en cours d'étude)
  
• Les convertisseurs DC/DC (step-up/step-down) sont toujours source d'un bruitage assez important. A éviter pour les applications avec faibles signaux. 
  --> Préférez leur des régulateurs linéaires
  

En parlant de blindage, cela me rappelle que les entrées analogiques de la carte MicroPython Pyboard sont pincées entre deux plans de masses et aussi entre deux pistes de masse... justement pour éviter les interférences et le bruit.

Limiter/filtrer le bruit

Il existe des méthodes pour limiter et/ou filtrer le bruit. Cet article est déjà bien assez long... cela fera l'objet d'une prochaine publication.