Système d'acquisition 64 voies analogiques

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Description d’un système d’acquisition de 64 voies analogiques pour la
caractérisation 2D d’un plasma DBD

S. MARTIN, LAPLACE, CNRS UMR 5213, Toulouse, France.
Résumé : Le domaine d’application des plasmas couvre aujourd’hui des secteurs d’activité
allant de la santé (bio-décontamination) au spatial (jet propulseur) en passant par l’industrie
(traitements de films plastiques). Pour accroitre la maitrise des procédés de dépôts, les
décharges plasmas nécessitent un très haut niveau de compréhension des phénomènes
d’interactions physiques en leur sein. La caractérisation 2D d’une décharge à barrière
diélectrique (DBD) a été menée par le groupe SciPRA (Science et Ingénierie des plasma réactifs
et arcs) au LAPLACE. Cette étude a nécessité la conception d’un système d’acquisition
analogique de 64 voies. L’article présente les différents éléments constitutifs de cet instrument
et des technologies mises en oeuvre.
Présentation de l’expérience scientifique :
Le plasma étudié est créé dans une enceinte remplie d’azote jusqu’à la pression
atmosphérique. Au cœur de ce réacteur sont placées deux électrodes, entre lesquelles un flux
de gaz, en l’occurrence du dioxygène (O2), est propulsé (figure n°1).

Figure n° 1 : montage expérimental de la caractérisation 2D d’une décharge
DBD

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caractérisation 2D d’un plasma DBD

Lorsqu’une tension sinusoïdale de plusieurs kilovolts est appliquée aux bornes des électrodes,
un plasma s’amorce, générant un courant ionique suivant la forme alternative.
L’électrode reliée au potentiel proche du 0 V est fractionnée en 64 plots selon une matrice de
8x8. Chaque plot constitue un point de mesure du courant ionique, entre 10 µA et 10 mA.
L’ensemble de ces courants de décharge constitue une cartographie sur l’état du plasma, et
des interactions physiques. L’acquisition temporelle des 64 signaux analogiques va ainsi former
une vue 2D du plasma.
Le cahier des charges attendu :
Le système électronique a donc pour fonction d’acquérir (en mode mono-coup) 64 courants
analogiques. Celle-ci sont déclenchées manuellement par l’expérimentateur depuis une
application logicielle. Elles sont simultanées et synchronisées, sur l’origine de la sinusoïde issue
d’un générateur externe. La fréquence d’acquisition maximum est de 10 MS/s., et chaque voie
de mesure peut contenir jusqu’à 4096 points.
Deux tensions supplémentaires (quelques volts) sont également acquises. L’une étant l’image
de la haute-tension appliquée aux électrodes. L’autre étant l’intensité totale du plasma, à partir
d’un transformateur de courant de marque Stangenes (modèle 2-0.1W) de rapport 1 V pour
1 A.
Les résultats sont transférés grâce à une liaison USB vers une unité centrale opérant sous
environnement Windows 10. Ils sont affichés dans une application développée en C#.
L’expérimentateur peut ainsi configurer les différents paramètres d’acquisition, et lancer leur
déclenchement, visualiser et sauvegarder les résultats dans un fichier tableur.
L’architecture du système :
L’instrument se présente dans un coffret de largeur 19’’, et de hauteur 3U, avec 9 tiroirs
d’acquisition (figure n°2). Ils sont reliés par une carte de fond de panier, au tiroir central de
contrôle du système. Ce dernier présente des entrées sorties de déclenchement TTL et
analogique en face avant. Il assure en outre l’interfaçage USB.

Figure n° 2 : système d’acquisition multi-voie

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caractérisation 2D d’un plasma DBD

A l’arrière du coffret sont installés trois blocs d’alimentations. Deux modules linéaires pour la
partie analogique (+/-5 V - 3A), et une alimentation à découpage pour la partie numérique (+5
V - 12A).
Chaque tiroir d’acquisition, gérant 8 voies de mesure, contient une carte mère numérique sur
laquelle une carte fille analogique est assemblée électro-mécaniquement avec 4 barettes SIP
10 voies au pas de 2,54 mm.
La mise en forme des signaux d’entrées :
La carte analogique est chargée de convertir, et d’amplifier les 8 courants d’entrées avec un
gain configurable à l’aide d’interrupteur analogique ADG715 (piloté en I2C). Deux valeurs de
gain sont possibles : 2,43 kΩ et 10 kΩ pour atteindre en sortie +/- 0,7 Vc. Ce premier étage de
mise en forme et d’adaptation d’impédance autour d’un amplificateur opérationnel AD712KR
a une bande passante de 1,5 MHz.
Le CNA choisi possède 8 entrées analogiques différentielles (1,4 Vcac). Un circuit driver AD8138
(BP = 40 MHz) est utilisé pour convertir les signaux asymétriques issus de la carte fille.
L’ADC et le FPGA, cœurs du dispositif :
ADC MAX1437
FPGA MAX10

Carte fille analog.

Figure n°3 : carte PCB A & N

Paires LVDS.

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caractérisation 2D d’un plasma DBD

La carte mère numérique s’articule autour de deux circuits digitaux (figure n°3), véritables
cœurs du système. Le premier est un MAX1437 de MAXIM, qui remplit la fonction de
conversion des signaux analogiques en données numériques. C’est un octuple ADC 12 bits de
50 MS/s en boitier TQFP 100. Le second est un circuit FPGA d’ALTERA série MAX10, 10M25SAE
en version TQFP 144. Son rôle est de décoder les données sérialisées délivrées par l’ADC. Il doit
aussi les stocker dans sa mémoire RAM interne (675 kO), avant d’être lues par le PSoC via le
connecteur DIN41612 64 broches de fond de panier.
Le MAX1437 délivre les données digitales des 8 voies au format LVDS (Low Voltage Digital
Signal). Ceci a nécessité de gérer les paires différentielles connectées au FPGA, lors de la phase
de routage avec Altium Designer, afin de respecter l’intégrité de signal.
L’Interface PSoC USB :
La carte centrale assure la liaison avec les 9 tiroirs évoqués ci-dessus, dont elle lit les données
stockées (mode FIFO) à chaque déclenchement. Elle gère en outre la communication USB vers
le PC hôte de l’IHM qui contrôle le dispositif. Ces fonctions sont confiées à un circuit
microcontrôleur PSoC5LP (CY8C5868AXI-LP32) de Cypress (Infineon), développé à partir du
logiciel propriétaire PSoC Creator. Un module de la librairie interne USBFS est mis en oeuvre
pour réaliser le transfert série. Ainsi, en s’appuyant sur le protocole bulkloop, nous bénéficions
du taux de transfert théorique du mode Full Speed de l’USB 2.0.
L’application logicielle :
Pour piloter l’instrument, une interface homme-machine déportée sur un ordinateur proche
de l’expérience a été développée en interne. Cette application a été conçue avec le logiciel
Visual Studio en utilisant le langage orienté objet C# sous Windows. Son choix a été motivé
par son emploi sur des projets antérieurs, donnant des résultats convaincants en transfert USB.
L’élément clé de cette IHM est le recours à la DLL fournit par Cypress (CyUSB.dll) qui contient
les fonctions de transfert USB en mode BulkLoop.
En plus, de pouvoir afficher les courbes de mesures acquises par chaque carte, l’option de
visualisation 3D de l’ensemble des 64 voies, non prévue à l’origine, a été rajoutée.
Les résultats :
Après plus de 18 mois de développement, les premières mesures expérimentales ont pu être
entreprises en mars 2018, au LAPLACE et au Leibnitz Institute for Plasma à Greifswald en
Allemagne.
La figure n°4 illustre des résultats scientifiques obtenus sur la 5e carte (voies 33 à 40) pour une
différence de potentiel de 17,12 kV sur les électrodes espacées de 2 mm, pour une fréquence
d’échantillonnage de 2 MHz.

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Figure n° 4 : résultats carte 5 - 2 kHz – 17.12 kV – 2 MHz - 4096 pts – 2mm – N2@25ppm O2
Des tests réalisés pour estimer la vitesse de transfert entre le PSoC et les cartes numériques,
ont permis de l’évaluer à 715 kHz par point, soit 5,7 ms pour une voie complète de 4096 pts,
et moins de 500 ms pour une acquisition totale. Ces performances sont corroborées avec les
essais sur l’IHM où les résultats apparaissent à l’écran en moins de 5 secondes. Là où
auparavant l’obtention des mêmes données nécessitaient de longues minutes de mesures
fastidieuses, pour seulement 8 voies.

Figure n° 5 : Vue 3D : densité de puissance en fonction de la position

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caractérisation 2D d’un plasma DBD

Le système d’acquisition a pu mettre en évidence des comportements jusqu’alors inconnus
dans les plasmas DBD (figure n° 5). En particulier la meilleure stabilité de la décharge au niveau
de la sortie du flux de gaz, l’augmentation de l’effet mémoire du gaz jusqu’à un débit de 500
sccm, une plus faible densité de puissance surfacique sur les bords des électrodes.