Brevet FR2431796A1 — publié le 19800215

La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif d'extraction d'un signal périodique affecté d'un bruit de fond très important, un signal synchrone dudit signal périodique étant disponible. Jusqu'à présent, pour détecter un signal périodique noyé dansunbruit de fond ayant une amplitude supérieure à celle dudit signal, on utilisait un détecteur synchrone qui donnait satisfaction. Cependant, dans certaines applications,e pgthiBerpar des dispositifs de-m-esùre d'absorption ou de -fluorescence, de chimioluminescence, on désire réaliser des appareils portatifs légers, ce qui ne peut être atteint avec un détecteur synchrone, lourd, encombrant et cher. On connais d'après la demande de brevet français 77 38353 un dispositif d'extraction d'un signal périodique affecté dtun important bruit de fond, dispositif comportant entre autres une série de commu- tateurs synchronisés, un séparateur, un sommateur et un sommateuFsoustracteur. Ce dispositif connu permet, moyennant une faible dépense en composants, d'extraire ledit signal périodique avec un bon rapport signal-bruit. Toutefois, dans certains cas, an particulier lorsque les parasites sont dus au secteur d'alimentation en tension, à 50Hz par exemple, ce qui est le cas le plus fréquent dans l'industrie, la qualité du rapport signal/bruit du dispositif connu est moins bonne si ledit signal périodique a une fréquence voisine de 50Hz ou dtune fréquence harmonique. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif d'extraction permettant d'éliminer pratiquement complètement l'influence des signaux parasites à certaines fréquences, et en particulier à la fréquence du secteur d'alimentation en tension par exemple 50 Hz, et à ses harmoniques. La présente invention a également pour objet un procédé et un dispositif d'extraction du type précité fournissant un signal sous une forme permettant la commande d'un processus industriel. Le procédé conforme à la présente invention part d'un signal composite comportant ledit signal périodique et ledit bruit de fond, et éventuellement une composante continue, ledit signal périodique étant produit à une fréquence égale à un bus-multiple de la fréquente parasite la plus gênante, par exemple à un sous-multiple de la fréquence du secteur d'alimentation en tension, ce procédé consiste à filtrer la composante alternative dudit signal composite, à l'amplifier éventuellement, à la convertir en un signal numérique avec une fréquence d'échantillonnage égale à un multiple de ladite fréquence gênante, à filtrer dans un filtre numérique les signaux numériques ainsi obtenues, et à convertir éventuellement sous forme analogique les signaux de sortie dudit filtre numérique. Selon un aspect avantageux du procédé de la présente invention, le rapport entre le fréquence d'échantillonnage du convertisseur analogique/numérique effectuant ladite conversion analogique/numérique, et la fréquence dudit signal périodique est égal à une puissance de 2, de préfé rence égal à 8. Selon un autre aspect avantageux du procédé de la présente invention, le filtrage numérique se fait à l'aide d'un microprocesseur dans lequel on introduit un programme déterminant les opérations à effectuer sur le signal d'entrée dudit filtre numérique, ces opérations étant, de préférence, des additions, des multiplications ou des divisions par une puissance de 2 se traduisant par des décalages. Un mode de réalisation d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention comporte un dispositif de synchronisation dudit signal périodique utile, la synchronisation se faisant à une fréquence égale à un sous-multiple de la fréquence parasite principale, de préférence à un sous-multiple de la fréquence du secteur d'alimentation en tension, un dispositif de séparation de la composante alternative dudit signal composite, éventuellement un amplificateur recevant ladite composante alternative, un convertisseur analogiqùe/numérique relié audit dispositif de séparation et synchronisé par une horloge produisant des signaux d'horloge dont la fréquence est un multiple de ladite fréquence parasite, la sortie dudit convertisseur analogique /numérique étant reliée à un filtre numérique comportant avantageusement unnicroprocesseur, ce microprocesseur étant relié à la sortie dudit convertisseur analogique/numérique par un circuit d'interface, et ce microprocesseur étant associé à des circuits de mémoire morte et de mémoire vive, la sortie dudit circuit microprocesseur étant reliée, via un autre circuit d'interface, à l'entrée d'uiconvertisseur numérique/analogique à la sortie duquel on recueille le signal analogique pratiquement exempt de bruit de fond et de parasites. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé dont la figure unique est unbloc- diagramme dudit mode de réalisation préféré de l'invention. Le dispositif de traitement de signal représenté sur le dessin est destiné à traiter le signal lumineux représentatif d'un phénomène de réaction chimique par exemple, et fourni par une source S. Ce signal peut autre un signal continu à fluctuation ou variation lente d'amplitude ou un signal alternatif à loi de variation quelconque. Le signal lumineux émis par la source S est envoyé sur un disque rotatif 1 entraîné en rotation par un moteur synchrone 2 alimenté à partir d'une borne 3 sur laquelle arrive la tension alternative du réseau d'alimentation, par exemple à 50Hz. Le disque rotatif 1 est percé d'un ou de plusieurs trous, de façon à permettre de découper,de façon connue en soi, le signal émis par la source S. De façon avantageuse, la fréquence de découpage du signal émis par la source S est supérieure d'au moins un ordre de grandeur à la fréquence des fluctuations ou des variations du signal de la source S. Le signal émis par la source S et découpé par le disque 1 est recueilli par un capteur-optique 4 dont la sortie est reliée par l'intermédiaire d'un condensateur 5 à l'entrée d'un amplificateur 6 comportant éventuellement des filtres appropriés. La sortie de l'amplificateur 6 est reliée, par l'intermédiaire d'un inverseur 6A, à un convertisseur analogique/numérique 7 dont la fréquence d'échantillonnage est commandée, de façon connue en soi, par un dispositif d'horloge 8 couplé à la borne 3. Ainsi, la tension d'alimentation arrivant sur la borne 3 synchronise l'horloge 8 avec le moteur 2, donc avec la fréquence de découpage du Sceau lumineux émis par la source S. La sortie du convertisseur 7 est reliée à un microprocesseur 10 par llintermédiaire drun circuit d'interface approprié 11, et la sortie du microprocesseur 10 est reliée par l'intermédiaire d'un autre arouítdtinterface api'ové 12 à un convertisseur numérique/analogique 13 à la sortie duquel on recueille le signal anaogip"'e utile pratiquement exempt de tous parasites Toutefois, il est bien entendu que lton peut recueillir à la sortie du bruit dtinterface 12 des signaux numériques correspondant au signal utile, en vue de commander directement des dispositifs fonctionnant avec des signaux numérique Le microprocesseur 10 est relié de façon connue en soi à une mémoire de programme ou mémoire morte 14 (généralement connue sous l'abréviation ROM) ainsi qu'à une mémoire vive ou mémoire de données 15 (généralement connue sous l'abréviation RAM). L'ensemble des éléments référencés 10,11,12,14 et 15 a été désigné par la référence numérique 9 et constitue un filtre numérique connu en soi, mais l'utilisation de ce filtre est spécifique à la présente invention et sera décrite ci-dessous. Le disque I entraidé par le moteur synchrone 2, permet, de façon connue en soi, grâce à des ouvertures de forme appropriée pratiquées par exemple près de sa périphérie, de découper le signal composite fourni par la source S et de recueillir à la sortie du capteur optique 4 un signal alternatif qui est parfaitement synchronisé avec le signal commandant l'horloge 8. Toutefois, il est bien entendu que le dispositif de l'invention peut également traiter un signal composite dans lequel le signal utile se présente sous forme alternative, à condition que l'on puisse disposer d'un signal en parfait synchronisme avec ledit signal utile alternatif.Dans ce cas, ce signal composite est envoyé dans l'amplificateur 6 à travers le condensateur 5. I1 est évident que le disque 1 peut être remplacé par tout dispositif équivalent tel qu'un polariseur tournant, la condition à respecter étant que la fréquence de découpage du signal composite soit supérieure à la vitesse de fluctuation ou à la fréquence de variation dudit signal composite. Dans le cas où l'on desire traiter simultanément deux ou plusieurs signaux composites avec le meme filtre numérique 9, on inverse la position de l'inverseur 6' qui relie alors l'entrée du convertisseur 7 à la sortie d'un circuit multiplexeur 16 dont les différentes entrées sont respectivement reliées à la sortie de l'amplificateur 6 et à la sortie d'une autre chaîne de pré-traitement de signal comprenant une source S', un disque 1' entraîné par le moteur 2 , un capteur optique 4', un condensateur 5' et un amplificateur 6' dont la sortie constitue la sortie de ladite autre chaîne de pré-traitement de signal, les éléments S', 1', 4', 5' et 6' étant similaires respectivement aux éléments S, 1, 4, 5 et 6.Le disque 1', similaire au disque 1, est entraîné de façon que les ouvertures qu'il comporte rétablissent le trajet lumineux entre la source S' et le - capteur optique- 4' lorsque le disque 1 occulte le trajet des rayons lumineux entre la source S et le capteur optique 4, de façon qu'il ne se produise pas de chevauchement des informations parvenant de l'amplificateur 6 et de l'amplificateur 6'. Afin que le multiplexeur 16 puisse reconnaître quelle est la voie qui lui fournit des signaux, on peut associer à chacun des disques 1 et 1' un circuit de détection fournissant une impulsion lorsque le trajet de rayon lumineux émis par la source correspondante n'est plus occulté. A cet effet, on perce dans chacun des disques 1 et 1' des autres ouvertures coopérant avec les sources S et S'.De part et d'autre des disques 1 et 1', on dispose respectivement une source lumineuse 18, 18' et détecteur tel qu'un phototransistor ou ure photodiode 19,19', de façon que lesdites autres ouvertures puissent rétablir la liaison entre lesdites autres sources et lesdits détecteur photoélectriques dès que la liaison lumineuse est rétablie entre les sources S ou S' et le capteur'optique correspondant.Il est bien entendu que les sources lumineuses 18 et 18' sont disposées de façon à ne pas interférer avec les sources S et S'. Les détecteurs 19 et 19' sont respectivement reliés à un amplificateur approprié de mise en forme de signaux 20,20' dont les signaux de sortie sont envoyés à des entrées correspondantes du multiplexeur 16 de façon à lui faire reconnaître quelle est la voie de traitement de signal par laquelle arrivent les signaux à traiter par le filtre numérique 9. Il est bien entendu que l'on peut brancher sur le multiplexeurl6 encore d'autres voies de traitement similaires aux voies décrites ci-dessus, et que l'on peut remplacer les circuits de détection comportant les éléments 18 à 20 ou 18' à 20' par tout autre dispositif équivalent, par exemple un dispositif magnétique. Le dispositif de liaison 17 entre les disques 1 et 1' est réalisé de façon qu'il ne se produise aucun glissement entre les disques 1 et 1' pour que la synchronisation soit toujours assurée avec les signaux arrivant sur l'horloge 8. Le rapport entre la fréquence des signaux issus de l'horloge 8 et la fréquence de découpage du signal composite par le disque 1 détermine le nombre d'échantillons par période du signal utile. Ce rapport est, de préférence, égal à une puissance de 2, et avantageusement égal à 8. Ainsi, si le disque 1 comporte deux ouvertures de découpage du signal issu de la source S, le moteur synchrone 2 ayant par exemple huit piles et tournant à 750 tours/minute, c'est-à-dire 12,5 tours/seconde, pour un réseau d'alimentation en tension alternative à une fréquence F = 50 Hz, la fréquence de découpage du signal utile sera égale à F/2,et l'horloge 8 devra fournir des signaux à une fréquence égale 4F, ctest-à-dire 200Hz. On aura ainsi un rapport de 8 entre la fréquence des signaux fournis par l'horloge 8 et la fréquence de découpage du signal utile, c'est-à-dire que l'on obtiendra huat échantillons pour une période du signal utile. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessous, les huit échantillons précités sont tous équidistants, mais on peut également prévoir,.2insi qu'expliqué plus loin, des échantillons non équidistants pour permettre un traitement plus facile du signal composite découpé. On sait qu'actuellement les microprocesseur ont des vitesses de fonctionnement relativement faibles, ce qui peut présenter des inconvénients en particulier lorsque l'on a à effectuer des opérations de division, ou de multiplication sur des nombres ayant beaucoup de chiffres significatifs quelconques dans un temps très court. Selon la présente invention, on minimise le temps de calcul du Mcroprocessenr en ne lui faisant effectuer que des addition, des divisions ou des multiplications par deux ou par une puissance de deux, te qui, comme on le sait, revient à effectuer des décalages à gauche ou à droite pour un nombre binaire. L'un des buts essentiels de la présente invention étant d'éliminer pratiquement complètement les parasites se présentant à la fréquence du secteur d'alimentation et à ses harmoniques, c'est-à-dire pour le cas présent, les parasites se produisant à des fréquences égales ou très voisines de 50, 100, 150... Hz, et de laisser passer sans atténuation le signal utile qui se présente, après découpage, à une fréquence égale, de préférence, à une sous harmonique de la fréquence de la tension au secteur, à savoir dans le cas présent à F/2, on peut calculer la relation qui doit exister entre les signaux d'entrée et les signaux de sortie du microprocesseur pour remplir au mieux de telles conditions. Soient x et y des échantillons à un instant n du n n signal se présentant à l'entrée du filtre 9 et du signal sortant du filtre 9 après traitement, respectivement. On démontre que l'on obtient un filtrage optimal, en respectant les conditions énoncées ci-dessus, lorsque la relation entre x et y est la suivante n n dans cette relation, x 8' x 4 et Y 8 sont les valeurs qu'avaient les échantillons à l'entrée t à la sortie du filtre 9, 4 et 8 échantillons auparavant respectivement. Pour réduire encore le temps de calcul du micro processeur, on put utiliser une valeur intermédiaire Wn donnée par la ce qui donne pour y n la relation suivante les suites des xn, Wn n et Yn sont accumulées dans la mémoire de données 15 du microprocesseur 10. Ainsi, la dernière relation donnant Y peut s'effectuer dans le minimum de temps de calcul. n On peut également calculer le module de transfert H du filtre équivalent au filtre 9, et ce module H peut être tiré de la relation ci-dessous donnant H: 4 avec a = 1 - 256 Te = période d'échantillonnage = F Fe étant la période d'échantillonnage déterminée par l'horloge 8, à savoir 4 fois la fréquence secteur = 200 Hz dans le cas présent. Un tel filtre présente des maxima sans atténuation à 25,75,125...Hz, c'est-à-dire que l'on obtient un traitement sans distorsion de signaux périodiques axant une fréquence égale à 25 Hz ou à l'une *quelconque de ses fréquences harmoniques impaires, et ce filtre présente des zéros à 50,100,150,...Hz, c'est-à-dire qu'en théorie ce filtre présente une réjection absolue des parasites ayant la fréquence du secteur et ses harmoniques. On démontre également qu'un tel filtre présente une bande passanteà -3dB, B 3 donnée par la relation suivante Dans le cas présent B 3 = 0,125 Hz = + 0,0625 Hz autour de la fréquence centrale de 25Hz, On démontre également qu'après filtrage, le gain en apport signal/bruit pour ladite bande passante à -3dB est de 27dB. Soient y1, y2. . yn les valeurs obtenues à la sortie du filtre numérique 9 aux instants t1, t2... tn. Ces valeurs sont stockées dans la mémoire 15 du microprocesseur 10. Les instants t1 àtn sont déterminés par le dispositif de découpage synchrone décrit ci-dessus, dont les valeurs de sinus # tn peuvent être facilement calculées par le microprocesseur. Afin d'obtenir la meilleure estimation possible de l'amplitude du signal utile sinusoidal, il faut faire la sommation pondérée des Ceci peut être rapidement réalisé par le microprQ-cesseur 10. Ainsi que mentionné ci-dessus, les échantillons d'une période du signal utile peuvent ne pas être équidistants, et, afin de diminuer le temps de calcul du microprocesseur pour obtenir ladite sommation pondérée, on peut choisir des sinus bien particuliers, c'est-à-dire les sinus des angles,: 0,30,90,150, 180, 210, 270.et 3300 pour n = 1 à 8 respectivement, les sinus correspondants étant respectivement : 0,1/2, 1, 1/2, 0, -1/2, -1, -1/2. La valeur y* delta somme pondérée est alors donnée par la relation k étant un nombre entier. Dans ce cas, la relation écrite ci-dessus donnant peut être appliquée en procurant encore une très bonneréjectiondes signaux parasites précités, la bande passante du filtre équivalent au filtre 9 étant légèrement plus grande, la fonction de transfert énoncée ci-dessus n'étant plus valable. En outre, le fait de réaliser la sommation. pondérée des échantillons, équi distants ou non, permet de rejeter pratiquement totalement tout signal parasite de iseme fréquence que le signal utile , mais apparaissant en quadrature de phase par rapport au signal utile, ce qui présente un grand intérêt dans certains cas pratiques pour lesquels il arrive qu'à la suite d'un*desalignement, initial ou survenant par vieillissement, d'une lame de quartz et d'un polariseur,par exemple un tel signal déphasé apparaît.Cette élimination des signaux parasites en quadrature de phase peut Qtre démontrée ainsi : supposons que les valeurs comprennent le signal utile et le signal parasite de meme fréquence mais en quadrature de phase, c'est-à-dire que yn =Y sin # tn + P cos # tn Y et P étant les amplitudes maximales du signal utile et dudit signal parasite respectivement. Donc : #yn sin # tn = Y # sin2#tn + P #cos#tn . sin# tn Or le terme # cos# tn.sin# tn -1/2#sin 2#tn est toujours nul à cause des propriétés de symétrie des instants t déterminés de la façon précitée n (wtn = 0 , 30 , 90 , etc...) n Donc y = Y et le signal parasite est théoriquement éliminé. Ainsi, la sommation pondérée des échantillons du signal utile débarrassé des parasites est équivalente à une détection synchrone effectuée de façon numérique, tout en permettant d'éliminer tous réglages mécaniques optiques ou autres qui, autrement, seraient nécessaires pour annuler le signal parasite de même fréquence et en quadrature de phase. I1 est bien entendu qu ensuite, la. valeur y peut également être transformée en un signal analogique à l'aide d'un convertisseur numérique/analogique pour commander des dispositifs appropriés à fonctionnement numérique, et/ou pour afficher la valeur sur un compteur électronique. On remarquera que le dernier traitement précité est l'équivalent d'un filtre passe-bas intégrateur classique des détecteurs synchrones analogiques connus. Dans le cas de l'utilisation d'un circuit multiplexeur traitant les signaux parvenant de. deux ou plusieurs voies dont les signaux utiles doivent présenter entre eux des rapports fixes déterminés, on peut programmer le microprocesseur de façon à avoir à sa sortie un signal d'erreur agissant sur un circuit d'asservissement permettant de maintenir fixes lesdits rapports déterminés. REVENDICATIONS 1. Procédé d'extraction d'un signal périodique d'un signal composite comportant également un bruit de fond très important, et éventuellement une composante continue, ledit signal périodique étant produit à une fréquence égale à un sous-multiple de la fréquence parasite la plus génante, par exemple à un sous-multiple de la fréquence du secteur d'alimentation en tension, caractérisé par le fait que l'on filtre la composante alternative dudit signal composite, qu'on l'amplifie éventuellement, qu'on la convertit en un signal numérique avec une fréquence de synchronisation égale à un multiple de ladite fréquence génante, que l'on filtre dans un filtre numérique les signaux numériques ainsi obtenus, et que l'on convertit éventuellement sous forme analogique les signaux de sortie dudit filtre numérique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rapport entre ladite fréquence de synchronisation et la fréquence dudit signal périodique est égal à une puissance de 2, de préférence égal à 8. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on effectue le filtrage numérique à l'aide d'un microprocesseur dans lequel on introduit un programme déterminant les opérations à effectuer sur le signal d'entrée dudit filtre numérique, ces opérations étant, de préférence, des multiplications ou des divisions par une puissance de 2 ou des décalages. 4. Procédé selon la reveiadication 3, caractérisé par le fait que la relation entre les signaux de sortie y dudit microprocesseur et ses signaux d'entrée x est dans cette relation l'indice n représente la valeur d'un échantillon considéré à un instant t et les indices n-4 et n-8 représentent les valeurs des échan n tillons considérés à des instants d'échantillonnage t 4 et tn 8 respectivement. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la relation donnant la valeur y des différents échantillons de sortie du microprocesseur en fonction des valeurs x des différents échantilons relation dans laquelle Wn est donné par 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que les échantillons résultant de ladite conversion en signal numérique sont tous équidistants. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les échantillons résultant de ladite conversion en un signal numérique ne sont pas équidistants, les instants d'échantillonnage tl à tn au cours d'une période d'échantillonnage dudit signal utile étant choisis de façon que la valeur de sinU tnsoit égale à une puissance de 2, 8.Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications.précédentes et comportant un dispositif de synchronisation dudit signal périodique utile, la synchronisation se faisant à une fréquence égale à un sous multiple de la fréquence parasite principale, de préférence égale à un sous-multiple de la fréquence du secteur d'alimentation en tension, un dispositif de séparation de la composante alternative dudit signal composite, éventuellement un amplificateur recevant ladite composante alternative, caractérisé par le fait qu'il comporte un convertisseur analngique/ numérique relié audit dispositif de séparation et osynchronisé par une horloge produisant des signaux d'horloge dont la fréquence est un multiple de ladite fréquence parasite, la sortie dudit convertisseur analogique/numérique étant reliée à un filtre numérique comportant avantageusement un microprocesseur ce microprocesseur étant relié à la sortie dudit convertisseur aniogique/numé- rique par un circuit d'interface, et ce microprocesseur étant associé à des circuits de mémoire morte et de mémoire vive, la sortie dudit circuit microprocesseur étant avantageusement reliée, via un autre circuit d'interface, à l'entrée d'un convertisseur, numérique/analogique à la sortie duquel on recueille le signal analogique pratiquement exempt de bruits de fond. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un circuit multiplexeur dont la sortie est reliée audit convertisseur analogique/numérique et dont les différentes entrées sont reliées à différents dispositifs de séparation correspondant chacun à différents signaux composites.