Brevet FR2468153A1 — publié le 19810430

La présente invention se réfère en général à des dispositifs pour mesurer des temps écoulés, et plus particulièrement à un système chronométrique capable de mesurer des intervalles de temps extrêmement brefs. Les circuits classiques de mesure du temps utilisent essentiel- lement des techniques de comptage direct ou des rapports de comptages dans des mesures fréquence/période. Une technique connue de ce genre consiste à brancher un compteur numérique sur un phénomène ou effet déterminé, et à stopper le compteur lorsqu'un second phénomène ou effet se produit. Le compteur compte les impulsions d'horloge entre les deux phénomènes ou effets, et par conséqeunt l'intervalle de temps mesuré comporte une erreur de - un comptage. Pour des périodes de temps rela- tivement longues mesurées par le comptage de signaux d'horloge à grande vitesse, cette erreur d'un comptage peut être sans conséquence. Tou- tefois, pour de courts intervalles de temps, par exemple dans la gamme inférieure à la microseconde, l'erreur de comptage devient importante. Dans l'art antérieur, ce problème était résolu en utilisant une horloge à très grande vitesse associée à des circuits de comptage extrêmement rapides, ce qui se traduisait par des complexités et des prix élevés. Suivant la présente invention, il est prévu un système chrono- métrique, ou compteur d'intervalles de temps, particulièrement simple et économique, pour mesurer des intervalles de temps extrêmement brefs, par exemple la différence de temps entre un m o y e n de déclenchement asservi à des signaux et un front d'impulsion d'horloge d'échantillonnage, successif et suivant, dans un oscilloscope numérique. Un circuit de synchronisation pouvant fonctionner à l'intérieur d'une fourchette déterminée de synchronisation comprend un condensateur que l'on peut charger à deux régimes déterminés, l'un rapide et l'autre lent, le ré- gime le plus lent fixant un intervalle maximal de temps de valeur dé- terminée d'avance. Dans le mode préféré de réalisation de l'invention, les régimes de charge sont fixés avec précision de façon qu'ils soient dans un rapport de 100 à 1. Au commencement, départ ou démarrage de l'intervalle de temps, par exemple à la réception d'un signal de déclenchement, le condensa- teur commence à se charger au régime le plus rapide. A l'arrêt ou à la fin de cet intervalle, par exemple à la réception d'un front d'impulsion d'horloge d'échantillonnage, il y a commutation du taux de charge du condensateur, et celui-ci continue d'être chargé mais au régime le plus 2468 1 53 lent. De même, à l'arrêt de l'intervalle, un compteur est actionné afin de compter les impulsions d'horloge pendant la partie à régime lent du cycle de charge du condensateur, Dès que ce dernier a été chargé au ni- veau de charge fixé d'avance et qui correspond au laps de temps maximal, le compteur est arrêté. Le compte ainsi obtenu au régime lent de charge est démultiplié par application du rapport charge-rapide/charge-lente, à savoir divisé par 100 suivant le mode préféré de réalisation, pour fournir un intervalle de temps effectivement mesuré qui est ensuite soustrait de l'intervalle maximal de temps fixé d'avance afin d'obtenir la mesure désirée de l'intervalle de temps qui s'est effectivement é- coulé entre lès deux phénomènes ou effets. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention consiste à prévoir un système chronométrique perfectionné. Un autre but de l'invention consiste à prévoir un système chronométrique du genre conçu pour mesurer des intervalles de temps et capable de mesurer des intervalles très brefs de temps, par exemple de moins d'une microseconde, en utilisant une horloge à vitesse lente et des circuits de comptage. En outre, la présente invention a pour objet de prévoir un cir- cuit pour mesures chronométriques qui utilise la démultiplication du temps pendant son fonctionnement, afin d'accroître la précision de la mesure. D'autres buts et avantages de la présente invention ressorti- ront clairement à tout spécialiste dans l'art à la lecture de la descrip- tion détaillée qui suit, faite en se référant au dessin annexé, sur lequel: La FIGURE 1 est un schéma de circuit d'un système chronométri- que, réalisé conformément à la présente invention, et La FIGURE 2 montre un diagramme de temps relatif à la mesure d'un intervalle de temps. Le mode préféré de réalisation de la présente invention est cons- titué par un système chronométrique, ou plus exactement par un dispositif de circuit pour la mesure d'un intervalle de temps qui s'écoule entre un déclenchement fonction d'un signal et un front successif d'impulsion d'horloge d'échantillonnage dans un oscilloscope numérique, afin de corriger l'instabilité de la base de temps qui résulte d'une erreur de une demi-période d'échantillonnage. Si l'on se réfère maintenant à la 2468 1 53 Figure 1, on voit que deux bascules ou flip-flops D à déclenchement par front d'onde, désignés en 10 et 12, commandent le fonctionnement du système chronométrique ou de mesure de l'intervalle de temps en réponse à un signal de déclenchement appliqué à une borne d'entrée 16 et à un signal d'horloge d'échantillonnage appliqué à une autre borne d'entrée 18. Le fonctionnement du circuit sera exposé en détail par la suite, en se référant à la Figure 2. Deux sources de courant 20 et 22 fournissent du courant constant de charge pour un condensateur de temporisation 24. La source de courant 20 est branchée entre une source appropriée de tension positive d'ali- mentation, par exemple de +12 Volts, et les émetteurs d'une première paire de transistors 28 et 30 reliés entre eux par leurs émetteurs res- pectifs. La source de courant 22 est branchée entre l'alimentation de 12 Volts et les émetteurs d'une seconde paire de transistors 32 et 34 - également reliés entre eux par leurs émetteurs respectifs. Ces tran- sistors reliés par leurs émetteurs assurent la commutation du courant, ainsi qu'il sera décrit plus loin, et ne permettent de brancher qu'une seule des deux sources de courant 20 et 22 au condensateur de tempori- sation 24 à un moment quelconque. Les bases des transistors 30 et 32 sont reliées entre elles à un niveau approprié de tension de référence, tandis que les collecteurs de ces transistors 30 et 32 sont reliés entre eux ainsi qu'à un c8té du condensateur 24 dont l'autre c8té est mis à la masse. Les collecteurs des transistors 28 et 34 sont tous deux reliés à la masse, et leurs bases sont reliées aux bornes de sortie respectives Q et Q de la bascule 12. L'entrée d'inversion (-) d'un comparateur 40 est reliée au c8té opposé à la masse du condensateur 24, et l'entrée de non-inversion (+) de ce comparateur 40 est reliée à une source de tension précise de référence. La sortie du comparateur 40 est reliée à une entrée d'une porte ET 42. Un signal d'horloge est appliqué par l'intermédiaire d'une borne 44 à une seconde entrée de la porte ET 42. La sortie de cette porte ET 42 est reliée à l'entrée de basculage d'un compteur binaire 48. La sortie Q de la bascule 12 est reliée à l'entrée de remise à zéro du compteur 48. Chaque donnée de comptage produite par le compteur 48 est appliquée à un circuit de traitement, par exemple un microprocesseur (pP) 50. Le condensateur de temporisation 24 peut être réenclenché grâce à un transistor 54 dont le collecteur et l'émetteur sont branchés aux bornes de ce condensateur. La base de ce transistor 54 est couplée à 2468 153 la sortie Q en passant par la combinaison en parallèle d'une résistance 56 et d'un condensateur d'accélération 58. Une autre résistance 60 est branchée entre la base du transistor 54 et une source appropriée de ten- sion négative, par exemple de -1217, afin de maintenir le transistor nor- malement coupé. Le transistor 54, bien que représenté sous forme d'un transistor bipolaire, pourrait aussi bien être un transistor à effet de champ. Le circuit décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante Au début, la bascule 10 est déclenchée, afin que son niveau de sortie Q soit faible et que son niveau de sortie Q soit élevé. Le tran- sistor 54 est mis en circuit jusqu'à saturation, ce qui maintient le condensateur de temporisation 24 complètement déchargé. La bascule 12 est déclenchée par le faible niveau de sortie de la bascule 10, de telle sorte que sa sortie Q soit d'un faible niveau alors que sa sortie Q atteigne un niveau élevé. Les transistors 30 et 34 sont mis sous tension, tandis que les transistors 28 et 32 sont coupés, afin que le courant provenant de la source 20 s'écoule vers la masse à travers les transis- tors 30 et 54, et que le courant provenant de la source 22 atteigne la masse à travers le transistor 34. Le haut du condensateur de temporisa- tion 24 étant de fait à la masse, la sortie du comparateur 40 atteint un niveau élevé, ce qui permet aux signaux d'horloge de traverser la porte ET 42 pour aboutir au compteur, lequel est maintenu en état de remise à zéro par la sortie Q de niveau élevé du flip-flop 12, ce qui donne une sortie zéro du compteur. Cela complète l'état initial du cir- cuit de mesure de l'intervalle de temps. A la réception d'un signal de déclenchement par la borne 16, les sorties des bascules 10 changent d'état, ce qui libère la bascule 12 et le transistor 54. Ce transistor 54 est alors coupé, ce qui permet à la totalité du courant en provenance de la source 20 de s'écouler dans le condensateur de temporisation 24. La tension de charge du con- densateur 24 en fonction du temps mais à l'intérieur d'une fourchette préfixée de temporisation est représentée Figure 2, le point de déclen- chement 80 étant situé au moment t0. Si on permettait à la charge de se dérouler totalement à cette cadence jusqu'au niveau de commutation de 2 Volts du comparateur 40, ledit point de 2 Volts serait atteint au bout d'un intervalle de temps prédéterminé tT, que l'on peut sélection- ner parmi les valeurs de tT = 200 nanosecondes, 100 nanosecondes ou 2468 153 nanosecondes dans le mode préféré de réalisation. Ces laps de temps tT ont été choisis pour le mode préféré de réalisation afin de faciliter la mesure de la différence de temps entre un signal de déclenchement et un front successif d'une impulsion d'horloge d'échantillonnage à des cadences de balayage différentes dont les taux d'échantillonnage sont respectivement de 5, 10 et 25 mégahertz. Ensuite, à un certain point situé à l'intérieur de l'intervalle de temps tTl arrive le front d'onde d'impulsion d'horloge, ce qui fait commuter l'état des sorties Q et Q de la bascule 12, mettant les tran- sistors 28 et 32 dans leur état conducteur et coupant les transistors et 34; en même temps, cela supprime le signal de remise à zéro du compteur 48. A cet instant, qu'indique le point de rupture 82 de la Figure 2, le courant en provenance de la source 22 circule dans le con- densateur tandis que le courant en provenance de la source 20 parvient à la masse à travers le transistor 28 maintenant conducteur. Dans le mode préféré de réalisation, la source de courant 20 fournit 10 mA de courant, tandis que la source de courant 22 fournit 100 microampères (A) de courant, de telle sorte qu'il existe un rapport précis de 100 à 1 entre les deux sources. Par conséquent, après réception du front d'impulsion d'horloge d'échantillonnage, le condensateur de temporisa- tion se charge vers la limite de 2 Volts à une cadence plus lente d'un centième, et pendant ce temps le compteur, qui n'est plus maintenu à zéro, compte les signaux d'horloge de 10 mégahertz qui lui parviennent à travers la porte ET 42. Le taux plus lent de charge est indiqué par la ligne en traits interrompus 84 de la Figure 2, et il convient de noter que le rapport entre les pentes est d'environ 10: 1, afin de faciliter l'illustration du concept énoncé. Le rapport particulier adopté en pratique dépend de la situation et du degré de précision en- visagé pour la mesure. Lorsque le condensateur de temporisation 24 se charge vers la limite de 2 Volts, il se produit une commutation du comparateur 40 dont la sortie descend vers un niveau inférieur, ce qui a pour conséquence que la porte ET 42 bloque le compteur 48 par rapport aux signaux d'hor- loge. Le contenu du compteur 48, à cet instant, qui a été compté durant un intervalle de temps t2 expansé, représente l'intervalle réel de temps t2 en raison de la démultiplication précise réalisée. Autrement dit, chaque comptage de 100 nanosecondes avec le courant de charge lente est l'équivalent d'une nanoseconde avec le courant de charge rapide. Le microprocesseur 50 soustrait l'intervalle de temps t2 de l'intervalle de temps préfixé tT pour fournir l'intervalle de temps t1 qui s'est écoulé entre les deux effets dûs au signal de déclenchement et au front d'im- pulsion d'horloge d'échantillonnage. Des imperfections éventuelles du circuit peuvent 9tre corrigées de même par le microprocesseur 50. Par exemple, dans l'état de satura- tion du transistor 54, le condensateur 24 peut éventuellement recevoir à travers ce transistor deux dixièmes de volt, ce qui nécessite un ré- glage de la tension de référence du comparateur afin de réaliser une fourchette précise d'intervalle de temps de 2 Volts. Le microprocesseur peut corriger ce décalage en conservant la trace des comptages minimaux et maximaux reçus pendant les cycles ou périodes successifs, et régler la donnée brute. Le système chronométrique ou de mesure d'intervalles de temps est effacé et remis à zéro, c'est-à-dire à son état initial, par l'ap- plication d'un signal de démarrage ou de départ à l'entrée d'effacement de la bascule 10. Ce signal de démarrage ou de départ peut être engendré de diverses façons après que le signal de comptage a été converti en une mesure, et il est engendré par le microprocesseur 50 dans le mode de réalisation représenté et décrit ici. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à un mode particulier de réalisation, il est évident pour tout spécialiste dans l'art que d'autres modes de réalisation, variantes et applications pourront être envisagés sans s'écarter des principes de base de l'in- vention. 24 68 1 53 REVENDICATIONS 1. Système chronométrique pour la mesure d'intervalles de temps extrêmement brefs, caractérisé en ce qu'il comprend a) un circuit de synchronisation pouvant fonctionner à des pre- mier et second régimes, fixés d'avance, à l'intérieur d'une fourchette déterminée de temporisation, le second régime étant proportionnellement plus lent que le premier; b) un circuit de commande sensible à un signal de départ et à un signal d'arrêt pour faire fonctionner ledit circuit de synchroni- sation audit premier régime pendant un premier intervalle de temps dé- terminé par la différence de temps entre les signaux précités de départ et-d'arr9t, et pour faire fonctionner ledit circuit de synchronisation audit second régime déterminé pendant un second intervalle de temps dé- terminé par la différence de temps entre le signal d'arrêt et la li- mite supérieure de ladite fourchette de temporisation déterminée; c) des moyens pour mesurer le second intervalle de temps afin de fournir une valeur mesurée, et d) des moyens pour soustraire ladite valeur mesurée de ladite fourchette déterminée de temporisation, afin de fournir une mesure dudit premier intervalle de temps. 2. Système chronométrique pour la mesure d'intervalles de temps extrêmement brefs selon la Revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de synchronisation comprend un condensateur de temporisation, et des première et seconde sources de courant constant que l'on peut relier audit condensateur de temporisation, et que ledit circuit de commande comprend un système commutateur à transistors pour relier la première source de courant constant audit condensateur à la réception dudit signal de départ, et pour débrancher ladite première source de courant constant dudit condensateur et brancher ladite seconde source de courant constant audit condensateur à la réception dudit signal d'arrêt. 3. Un système chronométrique pour la mesure d'intervalles de temps extrêmement brefs selon la Revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit de synchronisation comprend un comparateur ayant une entrée reliée audit condensateur et une seconde entrée reliée à une source de tension de référence afin d'établir la limite supérieure de ladite four- chette de temporisation. 2 4 6 8 1 5 3 4. Un système chronométrique selon la Revendication 2, caracté- risé en ce que ledit circuit de commande comprend en outre des moyens pour maintenir ledit condensateur dans un état de charge déterminé jus- qu'à la réception dudit signal de départ. 5. Un système chronométrique selon la Revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens prévus pour mesurer le second intervalle de temps comprend un compteur destiné à compter les impulsions d'horloge, ce compteur étant mis en condition de fonctionner à la réception dudit signal d'arrêt et mis au repos dès que ledit circuit de synchronisation atteint la limite supérieure de ladite fourchette déterminée de tempo- risation. 6. Un circuit de mesure d'un intervalle de temps entre un pre- mier et un second phénomène ou effet, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de synchronisation auquel est incorporé un condensateur et capable de produire une rampe rapide à un premier régime déterminé d'avance et une rampe lente à un second régime déterminé d'avance entre une première tension de référence et une seconde tension de référence, ladite rampe rapide étant amorcée à ladite première tension de réfé- rence par ledit premier phénomène ou effet et se terminant à une tension inconnue>entre les première et seconde tensions de référence grâce audit second phénomène ou effet, ladite rampe lente étant amorcée à ladite tension inconnue par ledit second phénomène ou effet et se terminant à ladite seconde tension de référence, le laps total de temps qui s'est écoulé entre lesdites première et seconde tensions de référence étant déterminé par ledit second régime fixé d'avance, le circuit de mesure comprenant en outre des moyens pour mesurer l'intervalle de temps de ladite rampe lente, et d'autres moyens pour soustraire l'intervalle de temps de ladite rampe rapide. 7. Un circuit selon la Revendication 6, caractérisé en ce que ledit circuit de synchronisation comprend en outre des première et se- conde sources de courant constant que l'on peut relier audit condensa- teur pour l'alimenter en courant de charge, ainsi qu'un comparateur ayant une entrée reliée audit condensateur et une seconde entrée reliée à ladite seconde tension de référence, la sortie dudit comparateur étant appliquée auxdits moyens de mesure de l'intervalle de temps de la ram- pe lente. 8. Un circuit selon la Revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de l'intervalle de temps de la rampe lente comprennent un compteur destiné à compter les impulsions d'horloge pen- dant ledit intervalle de temps de la rampe lente, ce compteur étant mis en fonctionnement par ledit second phénomene ou effet, et mis hors fonctionnement par ladite sortie du comparateur. 9. Un circuit selon la Revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de commande sensible aux signaux de départ et d'arrêt qui correspondent respectivement auxdits premier et second phénomènes ou effets afin de contr8ler la séquence de phases de fonc- tionnement dudit circuit de synchronisation et dudit compteur.