Brevet FR2221872A1 — publié le 19741011

La présente invention concerne les systèmes d'amplification des signaux électriques impulsionnels à grande dynamique d'entrée ainsi que les installations utilisant de tels systèmes. Un problème se pose chaque fois que l'on doit porter à un niveau suffisant des signaux-impulsionnels dont l'amplitude peut varier entre des limites très larges, c'est-à-dire à grande dynamique. Si l1on utilise un amplificateur linéaire classique, ou bien il est saturé par le signal de sortie lorsque l'amplitude de l'impulsion d'entrée est proche de son maximum, ou bien le rapport signal/bruit est très faible dans le cas de signaux d'entrée dont l'amplitude est proche du minimum. On a déjà proposé de résoudre ce problème en associant plusieurs chaînes à chaque détecteur fournissant des signaux à grande dynamique. Chaque chaîne offre un gain d'amplification différent et un commutateur permet de choisir la chaîne dont les signaux de sortie sont utilisés. Malheureusement, les impédances d'entrée de telles chaînes sont en général très différentes et en conséquence, l'adaptation d'impédance est mauvaise entre certaines au moins des chaînes et le détecteur (ou les détecteurs). On a également proposé de résoudre ce problème en utilisant un amplificateur logarithmique dont le gain diminue lorsque l'amplitude du signal d'entrée augmente. En fait, le caractère logarithmique de l'amplification est souvent approximatif et l'absence d'une relation linéaire entre le signal de sortie et le signal d'entrée complique le traitement, puisque des opérations de sommation et de différence analogiques sur les signaux amplifiés correspondent en fait à une multiplication et une division. La présente invention vise à fournir un système d'amplification de signaux électriques répondant mieux que les systèmes antérieurs aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il écarte dans une large mesure les inconvénients cidessus. Dans ce but, l'invention propose un système qui comprend plusieurs amplificateurs sensiblement linéaires de gains et d'impédances d'entrée différents Oas amplificateurs sont susceptibles d'être couplés au même détecteur, chacun par l'intermédiaire d'un noyau, avantageu- rP::aer un tore de ferrite,portant un bobinage secondaire relié à L'amplificateur et un bobinage primaire relié au détecteur, le nombre de spires de chaque bobinage étant faible et les rapports entre nombre de spires au primaire et nombre de spires au secon daire étant choisis pour chaque noyau ou tore de ferrite suivant l'amplificateur correspondant pour que l'impédance de charge du détecteur ou de chaque détecteur soit sensiblement la mAme quel que soit l'amplificateur attaqué. Un jeu de commutateurs peut être prévu pour relier chaque détecteur à celui (ou à ceux) des amplificateurs le (ou les) mieux adaptés.Le commutateur peut être commandé automatiquement en fonction du niveau de sortie de l'amplificateur branché à un moment donné. Cette solution convient chaque fois que l'amplitude des signaux de sortie ne varie que de façon progressive et non pas aléatoire. Le couplage entre primaire et secondaire doit être serré pour éviter les pertes et il est souhaitable que le nombre de spires au primaire ou au secondaire soit faible, inférieur à 20 en général, pour diminuer la capacité répartie et éviter que le signal de sortie ne présente des rebondissements parasites à la suite de chaque impulsion. Suivant un autre aspect de l'invention, le systèmecomprend plusieurs amplificateurs d'impulsions sensiblement linéaires de gains et d'impédances d'entrée différents dont certains au moins sont attaqués par plusieurs ddtecteurs ; chacun des amplificateurs est associé à un noyau, avantageusement un tore de ferrite, à haute perméabilité portant un bobinage secondaire relié à entrée de l'amplificateur et autant de bobinages primaires que de détecteurs couplés audit amplificateur,les les bobinages étant à petit nombre de spires et le rapport entre nombre de spires de chaque bobinage primaire et nombre de spires du bobinage secondaire étant choisi suivant l'amplificateur pour que l'impédance de charge de chaque détecteur soit sensiblement la meAme quel que soit l'amplificateur attaqué.Un tel système permet d'effectuer, en memetemps qu'une amplification dans une grande dynamique, des opérations de combinaison analogique entre des signaux provenant de plusieurs détecteurs, sommation et différence en particulier ; il permet en conséquence de simplifier la partie de l'installation placée en aval des amplificateurs. Pratiquement,on aura intérêt à utiliser un transformateur possédant le mAme nombre de spires au primaire et au secondaire (iO par exemple) pour l'amplificateur dont l'impédance d'entrée est la plus élevée et à adopter un nombre de spires plus faible au secondaire pour les autres amplificateurs, le nombre despires au primaire restant le mAeme. Entre autres applications de l'invention, on peut notamment citer les installations comportant deux détecteurs (ou deux jeux de détecteurs) dans lesquelles-on doit traiter les signaux fournis par tous les détecteurs pour faire apparaître le rapport entre la différence des signaux fournis par les deux détecteurs (ou les deux jeuxdedétecteurs)et la somme de ces signaux, afin de calculer un écart reIatif. On trouve notamment des installations de ce type dans le guidage des engins par écartométrie, les détecteurs étant portés par l'engin et fournissant chacun un signal fonction de l'intensité qu'ils reçoivent d'un faisceau électromagnétique de guidage que doit suivre l'engin. Dans ce cas, la valeur absolue des signaux fournis par chaque détecteur diminue au fur et à mesure que l'engin s'éloigne de la source de rayonnement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes de réalisation particuliers donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui -l'accompagnent dans lesquels - la figure 1 est le schéma de principe d'un système d'amplification et de traitement deg signaux provenant d'un seul détecteur à grande dynamique de sortie. - la figure 2, similaire à la figure 1, est un schéma de principe d'un système d'amplification et de traitement des signaux provenant,en csïncidence de temps, de deux détecteurs, fournissant un signal de sortie proportionnel à la somme des signaux et un signal de sortie proportionnel à la différence des signaux. Le système illustré schématiquement en figure 1 comporte un détecteur fournissant des signaux électriques impulsionnels brefs dont ;L1amplitude peut varier dans de très larges limites, mais de façon progressive et non pas aléatoire d'une impulsion à la suivante. La sortie de ce détecteur 10 est reliée à un commutateur Il à deux positions. Dans la position où le commutateur est représenté en figure 1, il relie la sortie du-détecteur 10 à un bobinage primaire 12 placé sur un tore de ferrite qui couple le bobinage 12 à un bobinage secondaire 14. Le tore de ferrite doit etre à haute perméabilité,, par exemple de l'ordre de 1000, pour diminuer les pertes. Les bobinages 12 et 14 sont à faible nombre de spires de façon à présenter un coef ficient de self induction et une capacité répartie faibles. Pratiquement, avec des signaux d'entrée approximativement triangulaires, de durée inférieure à 100 ns, on adoptera un nombre de spires inférieur à 20 et de préférence au plus égal à 10. Pour éviter les rebondissements parasites, on aura intérêt à utiliser, pour constituer les bobinages, du fil multibrins isolé de préférence au fil émaillé. La seconde extrémité du bobinage primaire 13 et l'une des extrémités du bobinage secondaire 14 sont reliées à la masse. L'autre extrémité du bobinage secondaire 14 est reliée à l'entrée d'un amplificateur 15 de gain A1. Cette entrée est découplée à la masse par une impédance d'adaptation 16 de valeur Z1. La sortie de l'amplificateur 15 attaque un circuit 17 de traitement des signaux qui sera décrit plus loin. La sortie de l'amplificateur 15 est également reliée à un circuit à seuil 18 qui, lorsque le signal qu'il reçoit a une amplitude dépassant une valeur déterminée, fournit un signal de commande à un organe 19 de basculement du commutateur 11, tendant à faire passer le commutateur de la position représentée sur la figure 1 à la.seconde position. Dans la seconde position du commutateur-, le détecteur 10 est relié au bobinage primaire 12' placé sur un tore de ferrite 13'. Le tore 13' porte également un bobinage secondaire 14' qui attaque un amplificateur 15' de gain A2. On supposera que le gain A2 est inférieur, dans un rapport de 100 par exemple, au gain A1 et que l'impédance d'entrée de l'amplificateur 1S' est inférieure, dans un rapport de 10 par exemple, à l'impédance d'entrée de l'amplificateur 15. Une impédance 16' de valeur Z2 inférieure à Z1 découple à la masse l'entrée de l'amplificateur 15'. La sortie de l'amplificateur 15' attaque également le circuit 17 de traitement et un circuit à seuil 18'. Contrairement au circuit 18, le -circuit 18' fournit un signal de commande lorsqu'il reçoit un signal d'entrez et que l'amplitude de ce signal est inférieure à un seuil, du même ordre ou légèrement inférieur à celui du circuit à seuil 18. Lorsque le circuit 18' envoie un signal de sortie, celui-ci commande l'organe 19 pour ramener le commutateur il dans sa première position. Le commutateur 1 pourrait être commandé par un circuit différent de celui qui vient d'être donné à titre d'exemple tout dispositif qui fait passer le commutateur de la position où il relie le détecteur à l'amplificateur de gain le plus élevé à l'autre position lorsque les signaux de sortie dépassent une valeur donnée, et réciproquement, serait utilisable. Le circuit 17 peut effectuer surale signal reçu diverses opérations. Il peut en particulier le mettre sous forme numé risque, par exemple par émission de caractères binaires en série, avec un chiffre binaire supplémentaire indiquant si le signal qui a ét codé en binaire a été amplifié avec le gain A1 ou le gain A2. Pour cela, le circuit 17 schématisé reçoit une informat ion supplémentaire en provenance des circuits à seuil 18 et 18'. Le système de la figure 1 est prévu de façon que l'impé- tance de charge du détecteur 10 soit pratiquement la même que ce détecteur soit branché sur l'smplificateur 15 ou l'amplificateur 15. Pour cela, si l'on suppose que Z2 = a.Z, (a étant un nombre inférieur à l'unité) et si n est le rapport entre le nombre spires au secondaire et le nombre de spires au primaire sur le tore 13, on adoptera pour le rapport correspondant sur le tore 13' la valeur n Sa. Dans ces conditions, l'impédance de charge du détecteur est égale à pour l'un et l'autre des amplificateurs 15 et 151. A titre d'exemple, si le détecteur est constitué par une photodiode au silicium de 100 ohms d'impédance de sortie et si l'amplificateur 15 est un amplificateur classique à transistors à composants discrets, on pourra prendre une résistance de charge Z1 de 100 ohms et adepte des bobinages 12 et 14 de cinq spires chacun, ce qui correspond à n = 1. Si amplificateur 15' exige une résistance d'entrée 16' de 56 ohms, l'adaptation sera effectuée en conserorant cinq spires pour le bobinage 12 et en adoptant un bobinage primaire 1 L-î de trois spires. Le dispositif de la figure 1 comporte deux amplificateurs de gain différents. Naturellement le système pourrait comporter un nonbre suprieur 'amDlivicateurs, utilisés un seul à la fois. Dour cela, il uufit de prévoir un commutateur li dont le nombre de positions est gal à celui des amplificateurs. Le mode de réalisation illustré en figure 2 se différencie essentiel ement de celui de la figure 1 en ce qui'il comporte deux détecteurs fournissant,en coïncidence de temps, des signaux impulsionnels qui sont combinés de façon analogique. Suivant l'Invention, cette combinaison est faite directement sur les tores de ferrite constituant éléments d'interface entre les détecteurs et les amplificateurs. Le premier détecteur 20 du dispositif schématisé en figure 2 est relié à un commutateur 21 qui permet de relier le détecteur, soit au bobinage primaire 22 porté par un premier tore 23, soit au bobinage primaire 22' porté par un second tore 23'. Les tores 2" et 23' portent respectivement des bobinages secondaires 24 et 24' attaquant des amplificateurs 25 et 25'. La sortie des amplificateurs est reliée à une installation supplémentaire 27. On retrouve des circuits à seuil 28 et 28' de déclenchement d'un organe 29 de commande du commutateur 21. Les tores 23 et 23 portent chacun un second bobinage primaire 33 ou 33'. Ces bobinages sont attaqués l'un ou l'autre par un détecteur 30, suivant la position du commutateur 31 commandé en même temps que le commutateur 21 par l'organe 29. Du fait du montage des deux bobinages primaires 22 et 33 sur le même tore de ferrite 23, il y a, dans la mesure où le tore n'est pas saturé, sommation des amplitude des impulsions provenant en coïncidence de temps des détecteurs 20 et 30. De même, sur le tore 23', il y a sommation des impulsions provenant en colncidence de temps des mêmes détecteurs lorsque les commutateurs sont dans la position opposée à celle représentée sur la figure 2. Comme dans le cas précédent, les circuits à seuil 28 et 28 provoquent la commutation lorsque l'amplitude de sortie de l'amplificateur 25 dépasse une valeur donnée ou lorsque l'amplitude de sortie de l'amplificateur 25' descend au-dessous d'une valeur donnée, qui peut être légèrement inférieure à la précédente. Dans la partie qui vient d'être décrite du circuit, les valeurs des paramètres peuvent être les mêmes que dans le cas de la figure 1, étant entendu toutefois 'il y a deux bobinages primaires sur chaque tore et non plus un seul. Ce chiffre de deux n'est évidemment pas limitatif : il peut par exemple y avoir quatre bobinages primaires associés à quatre détecteurs pour obtenir la somme de quatre signaux. Le système illustré en figure 2 comporte-un circuit destiné à fournir un signal de sortie d'amplitude proportionnelle à la différence des amplitudes des signaux d'entrée fournis en coïncidence de temps par les détecteurs 20 et 30. Ce circuit comporte un tore de ferrite 43 sur lequel sont placés deux bobinages primaires 42 et 50, respectivement attaqués, par l'intermédiaire de commutateurs 41 et 51, par les détecteurs 20 et 30. Les bobinages 42 et 50 sont enroulés en opposition de phase de façon que le flux créé dans le tore 43 soit proportionnel à la différence des amplitudes. On retrouve sur le tore 43 un bobinage secondaire unique 44 qui attaque un amplificateur 45, une résistance de découplage 46 étant encore prévue. Sur la figure 2, on a montré une boucle de commande des commutateurs 41 et 51 comportant un circuit à seuil 48 et un organe de commande 49, ce qui implique ;' existence d'une seconde chaine similaire à celle qui vient d'être décrite, de gain différent (non représentée) Dans certains cas, il sera possible de se dispenser de cette seconde chaîne, donc des commutateurs 41et 51 et de leurs boucles de commande, la dynamique de sortie étant beaucoup plus faible dans le cas de la différence des signaux que dans le cas de leur somme.La sortie de l'amplificateur 45 et celle du circuit de traitement des données 27 peuvent être appliquées à un second circuit, analogique ou numérique, qui effectue le rapport entre la différence des signaux et leur somme : par exemple, une amplification logarithmique par 27, et une amplification logarithmique en 47 suivie d'une différence analogique permet d'obtenir une valeur d'écart relatif. A titre exemple, on peut indiquer qu'un système suivant l'invention est utilisable pour traiter l'information fournie par des photodiodes montées sur un engin à guider le long d'un faisceau de lumière pulsé, fourni par exemple par un laser à impulsions de durée inférieure à 100 ns. L'engin porte une boucle de guidage agissant sur des gouvernes jusqu'à équilibrer la sortie de deux détecteurs placés symétriquement par rapport à l'axe ou quatre détecteurs répartie à 90 autour de l'axe. Dans le cas de deux détecteurs (ou de deux jeux de détecteurs), le paramètre de commande sera en général le rapport entre la différence des signaux et leur somme, étant donné que la valeur absolue des signaux diminue au fur et à mesure de l'éloignement de l'engin à partir de la source. Dans ce cas, on peut utiliser un système à commutateurs du genre illustré sur les figures 1 et 2, parce qutil n'y a pas de variation-aléatoire de l'amplitude des signaux et que le réglage fourni en réponse à la réception d'une impulsion reste pratiquement valable pour l'impulsion suivante. Lorsque, au contraire, l'amplitude est aléatoire dans toute la dynamique, il faut évidemment substituer à lasélection par commutateurs d'entrée une sélection en temps réel sur les sorties des amplificateurs. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite. nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés, elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Système d'amplification et de traitement de signaux électriques impulsionnels à grande dynamique d'entrée provenant d'au moins un détecteur, comprenant plusieurs amplificateurs sensiblement linéaires de gains et d'impédances d'entrée diffé rentso caractérisé en ce qu'il sont attaqués par le mêe détectueur, chacun par l'intermédiaire d'un noyau portant un bobinage secondaire relié à l'amplificateur et un bobinage primaire relié au détecteur, les bobinages étant à petit nombre de spires et le rapport entre nombre de spires au primaire et au secondaire étant choisi suivant l'amplificateur de façon que l'impédance de charge du détecteur soit sensiblement la même quel que soit l'amplificateur attaqué. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs desdits amplificateurs sont couplés, chacun par l'intermédiaire de bobinages et d'un noyau particulier, au meme ou aux mêmes détecteurs, chaque amplificateur étant associé à des moyens commutateurs commandés par des circuits à seuil qui provoquent sa mise en circuit pour une fraction déterminée de la gamme dynamique d'amplitude des signaux provenant du détecteur ou des détecteurs. 3. Système suivant la revendication 1 ou 2, à plusieurs détecteurs, caractérisé en ce que chaque noyau comporte un seul bobinage secondaire relié à l'amplificateur correspondant et plusieurs bobinages primaires- reliés chacun à un détecteur, de façon que le signal de sortie corresponde en amplitude à la somme ou à la différence des signaux d'entrée. 4. Système d'amplification et de traitement de signaux électriques impulsionnels à grande dynamique d'entrée provenant, en coïncidence de temps, de plusieurs détecteurs à la fois, comprenant plusieurs amplificateurs d'impulsions sensiblement linéaires de gains et d'impédance d'entrée différents dont certain au moins sont attaqués par- plusieurs détecteurs, caractérisé en ce que chacun des amplificateurs est associé à un noyau à haute perméabilité portant un bobinage secondaire relié à l'entrée de l'amplificateur et autant de bobinages primaires que de détecteurs couplés audit amplificateur, les bobinages étant à petit nombre de spires et le rapport entre nombre de spires de chaque bobinage primaire et nombre de spires du. bobinage secondaire est choisi suivant l'amplificateur pour que l'impédance de charge de chaque détecteur soit sensiblement la mme quel que soit l'amplificateur attaqué. 5. Système suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le noyau est un tore de ferrite. 6. Système suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que es noyaux ou tores associés à un même détecteur ont des bobinages primaires ayant le même nombre de spi rets, les bobinages secondaires ayant des nombres de spires différents suivant les détecteurs. 7. Système suivant l'une quelconque des revendications pré cédentes,caractérisé en ce que le nombre de spires de chaque bobinage est inférieur à 20, le nombre de spires de chaque secondaire étant avantageusement de l'ordre de 10. 8. Système suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le rapport entre le nombre de spires au primaire et le nombre de spires au secondaire est de l'ordre de i/i pour l'amplificateur de gain et d'impédance d'entrée maximum. 9. Système suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le couplage entre primaire (ou primaires) et secondaire est serré. 10. Système suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque bobinage est en fil multibrins isolés. 11. Installation de guidage comportant plusieurs détecteurs portés par un organe à guider fournissant en coZncidence de temps des impulsions à comparer à grande dynamique d'amplitude, caractérisé en ce qu'elle comporte un système suivant l'une quelconque des revendications précédentes d'amplification et de trai- tement des signaux fournis par les détecteurs, et une boucle d'asservissement destinée à agir sur la position de l'organe Jus- qu'à rééquilibrer les signaux fournis par les détecteurs. 12. Application d'une installation suivant la revendication 11 au guidage d'un engin mobile muni de détecteurs fournissant un signal fonction de l'intensité qu'ils reçoivent d'un faisceau électromagnétique de guidage.