Brevet FR2492611A1 — publié le 19820423

La présente invention concerne les filtres électroniques et, plus spécialement, les filtres actifs à interconnexions. Les filtres selon l'invention se sont révélés être particulièrement utiles dans les circuits d'acquisition de données de systèmes d'exploration sismique. Les filtres électroniques sont des dispositifs qui trans- mettent, c'est-à-dire laissent passer, des signaux d'entrée de cer- taines fréquences tout en atténuant notablement les signaux d'entrée d'autres fréquences. Par exemple, un filtre passe-bas transmettra des signaux au-dessous d'une certaine fréquence (la fréquence de coupure), tandis qu'il atténuera les signaux au-dessus de la fréquence de coupure. Deux catégories de filtres couramment utilisés actuellement sont les filtres actifs et les filtres passifs. Comme son nom l'in- dique, un filtre actif est un filtre comportant un ou plusieurs élé- ments actifs, l'exemple le plus courant d'élément actif étant un amplificateur. En plus d'éléments actifs, un filtre actif comporte également des réseaux à résistance-capacité (RC), et les valeurs du produit de la résistance et de la capacité dans ces réseaux déter- minent la fonction de transfert du filtre, qui est la relation mathématique existant entre le signal de sortie et le signal d'entrée dufiltre. Dans certaines applications, par exemple l'exploration sis- mique, il est souhaitable de pouvoir faire varier la fréquence de coupure d'un filtre donné sur une gamme de fréquences. Un procédé par lequel on peut faire varier la fréquence de coupure consiste à mettre statiquement en circuit ou hors circuit, vis-à-vis du circuit de filtrage, un ensemble différent de composants fixes (par exemple des résistances et>-ou bien, des condensateurs). Puisque chaque constante de temps (le produit RC) dans le filtre doit être démul- tipliée de la même quantité afin de maintenir la même fonction de transfert démultipliéeà une fréquence différente, il faut prévoir un commutateur et un composant pour chaque pôle du filtre et chaque changement de fréquence. Il arrive souvent que le réseau de commuta- tion statique décrit ci-dessus se présente sous la forme d'un com- mutateur rotatif, les composants fixes étant connectés aux bornes du commutateur. 2 4926 1 1 Un autre procédé par lequel on peut faire varier la fré- quence de coupure d'un filtre consiste à faire appel à un filtre commandé par le coefficient d'utilisation. Les filtres commandés par le coefficient d'utilisation comporte un ou plusieurs commuta- teurs électroniques qui sont fermés pendant la durée d'ouverture ou de conduction, d'un signal de commutation périodique et sont ouverts pendant la durée de blocage, ou de non-conduction, du signal de commutation. Dans des conditions appropriées, le coefficient d'utilisation du signal de commutation périodique (c'est-à-dire le rapport de la durée d'ouverture" à la période totale) détermine la ou les constantes de temps effectives du filtre. L'ouverture et la fermeture des commutateurs dans les filtres commandés par le coefficient d'utilisation produisent des tensions transitoires qui peuvent provoquer des distorsions lorsqu'on les laisse pénétrer librement dans un ampliticateur. Ainsi, alors que de tels filtres ont été commercialisés, ils ne sont pas utilisés dans les applications demandant de bas niveauKde distorsion, par exemple l'exploration sismique. L'invention permet de surmonter cet inconvénient. L'invention propose un perfectionnement des filtres comman- dés par le coefficient d'utilisation comportant un ou plusieurs amplificateurs et un ou plusieurs commutateurs dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un signal de commutation périodique. Selon l'invention, il est proposé un filtre commandé par le coefficient d'utilisation comportant au moins un amplificateur et au moins un commutateur dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un signal de commutation périodique, le filtre com- prenant au moins une résistance qui est connectée en circuit avec une borne d'amplificateur afin d'isoler cette borne d'amplificateur vis-à-vis d'une borne de commutateur se trouvant dans le mâme circuit. Le filtre comporte de préférence plusieurs amplificateurs, commutateurs et résistances, chaque résistance étant connectée en circuit avec une borne d'amplificateur afin d'isoler cette borne d'amplificateur vis-à-vis d'une borne de commutateur se trouvant dans le même circuit. 24 926 1 1 La fonction initiale du filtre est maintenue, tandis que les éléments actifs du filtre sont isolés vis-à-vis des tensions et des courants transitoires qui sont produits par le fonctionne- ment pratique des commutateurs. Selon un mode de réalisation, chaque résistance est con- nectée en série entre la borne de commutateur et la borne d'ampli- ficateur. La résistance a pour fonction de réduire les tensions transitoires apparaissant sur la borne d'amplificateur, lesquelles tensions transitoires sont produites par suite de l'ouverture et de la fermeture du commutateur. Par conséquent, les distorsions présentes dans des filtres construits selon l'invention peuvent être notablement plus basses que les distorsions des filtres com- mandés par le coefficient d'utilisation de la technique antérieure. Selon l'invention, il est proposé un filtre perfectionné d'ordre supérieur à l'unité qui est destiné à être utilisé dans une voie d'acquisition de données d'un système d'exploration sismique. Le filtre perfectionné comporte un filtre commandé par le coeffi- cient d'utilisation possédant une résistance, un condensateur et un commutateur. Un signal de commutation périodique est utilisé pour fermer le commutateur,-et la constante de temps effective du filtre dépend du coefficient d'utilisation du signal de commutation. Le coefficient d'utilisation peut varier entre zéro et 100 X de la période du signal de commutation. Dans un mode de réalisation, on modifie la constante de temps effective en faisant varier la résistance effective du filtre à l'aide d'un réseau résistant en interconnexion. Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque résis- tance peut comprendre deux éléments résistants et chaque commutateur peut être connecté entre ces deux éléments résistants et en série avec eux. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le filtre peut être fonctionnellement associé.à une voie d'entrée d'un système d'exploration sismique à plusieurs voies possédant plusieurs voies d'entrée et possédant plusieurs groupes de détecteurs sismiques, la sortie de chaque groupe étant connectée à une voie d'entrée. 249261 1 -4 L'invention s'étend en outre à un système d'exploration sismique à plusieurs voies comprenant plusieurs groupes de détec- teur sismique, la sortie de chaque groupe étant connectée à une voie d'entrée du système; et plusieurs filtres tels que décrits, chaque filtre étant un filtre d'ordre supérieur à l'unité, qui est associé à une voie d'entrée. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses carac- téristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 est un schéma électrique qui illustre un réseau d'éléments résistants en interconnexion; - la figure la est un diagramme de forme d'onde qui illustre un signal de commutationpériodique; - la figure 2 est un schéma électrique qui illustre des réseaux à éléments résistants en interconnexion selon l'invention; - la figure 3 est un schéma électrique qui illustre une partie d'un filtre selon l'invention; et - la figure 4 est un schéma électrique d'un filtre elliptique du septième ordre selon l'invention. Sur les figures 1 et la, est illustré un réseau résistant à interconnexion qui comprend une résistance R et un interrupteur S. La fermeture de l'interrupteur S est commandée par un signal pério- dique appelé "signal de commande numérique", lequel peut être produit par des circuits logiques classiques connus dans la technique. Pen- dant la partie active ta de la période tp du signal de commande numérique> l'interrupteur S est fermé.-Le rapport de t à t est 1 a p couramment désigné comme étant le coefficient d'utilisation, soit D, du signal de commande numérique. Le courant moyen Il qui circule entre les noeuds 100 et 101 est donné par l'expression t (v I_ a 1___2 1 t R 2 p 2 492 61 1 et la résistance effective, Reff, est donnée par l'expression V1 V2 tP-R R. eff la soit: R Rff D On peut donc faire varier la résistance effective du circuit en faisant varier le coefficient utilisation du signal de commande numérique. Il a été suggéré d'utiliser dans des filtres les réseaux résistants à interconnexion du type présenté sur la figure 1 afin de faire varier la fréquence de coupure du filtre. Les filtres ayant de tels réseaux sont désignés comme étant des "filtres commandés par coefficient utilisation" ou bien "filtres modulés par coefficient d'utilisation". Ces filtres offrent l'avantage de pouvoir utiliser un ensemble donné de composants (c'est-à-dire de résistances et, ou bien, de condensateurs) pour toutes les fréquences-intéressantes. Lorsqu'on ouvre ou on ferme l'interrupteur du réseau de la figure 1, des tensions transitoires se produisent et apparaissent au noeud 101. Si le noeud 101 est connecté directement à une borne d'amplificateur, les tensions transitoires produisent des niveaux non souhaitables de distorsion. Dans certaines applications, comme par exemple les filtres sismiques, il est nécessaire de minimiser la distorsion. Jusqu'à maintenant, les filtres commandés par coef- ficient d'utilisation n'ont pas été utilisés dans les applications demandant un bas niveau de distorsion. Sur la figure 2, est représenté un réseau de résistances à interconnexion selon l'invention. Ainsi que cela est représenté, ce réseau comprend les résistances Ra et Rb et l'interrupteur S. dont les bornes sont connectées en série avec et entre les résis- tances RRaet Rb. La fermeture de l'interrupteur S est commandée par le signal appelé "signal de commande numérique", et la fermeture de l'interrupteur S permet le passage du courant du noeud 200 au 24926 1 1 noeud 201. La résistance effective du circuit de la figure 2 est donnée par l'expression: R -t-R R a b eff D o D est le coefficient d'utilisation du signal de commande numé- tique. Si la somme de Ra et R est égale'à R (figure l), on voit que la résistance effective de la figure 2 est la même que celle de la figure 1. Toutefois, il a été découvert que le réseau de la figure 2 produisait une plus faible distorsion que le réseau de la figure 1, lorsque le noeud 200 ou le noeud 201 était connecté à une borne d'amplificateur. Cette faible distorsion résulte du fait que les noeuds 200 et 201 sont isolés par R et Rb des tensions transitoires qui sont produites par l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur S. Par conséquent, le noeud 200 ou le noeud 201 de la figure 2 peuvent être connectés à une borne d'un amplificateur sans que ceci intro- duise u n niveau notable de distorsion dans l'amplificateur. On se reporte maintenant à la figure 3, sur laquelle est illustrée une partie d'un filtre constituant un mode de réalisation de l'invention. La partie illustrée du filtre comprend un amplifi- cateur 401, des condensateurs 402 et 403, des résistances 404 à 406 et des interrupteurs 407 et 408, tous étant connectés de la manière présentée. L'ouverture et la fermeture des interrupteurs 407 et 408 sont commandées par le signal appelé "signal de commande numérique", qui est un signal du type décrit ci-dessus. Les interrupteurs 407 et 408 sont de préférence des commutateurs du type transistors à effet de champ, comme par exemple le composant "DG306" qui est fabriqué par la société Siliconix Incorporated. La borne 407b de l'interrupteur 407 se trouve dans un premier circuit connecté à la fois à l'entrée d'inversion et à la borne de sortie de l'amplificateur 401. Ainsi, selon l'invention, la résistance 405 est connectée entre la borne 407b et les bornes d'entrée d'inversion et de sortie de l'amplificateur 401 afin d'isoler les bornes de l'amplificateur vis-à-vis des tensions tran- sitoires apparaissant à la borne 407b. 2 4 92 61 1 La borne 407a et l'entrée de non-inversion de l'amplifi- cateur 401 se trouvent dans un deuxième circuit comportant le con- densateur 402. Les tensions transitoires produites par l'ouverture et la fermeture d'un interrupteur sont typiquement constituées de signaux de haute fréquence, vis-à-vis desquels le condensateur 402 présente une impédance faible. Par conséquent, la résistance 404 est connectée dans le circuit indiqué afin d'isoler l'entrée de non- inversion de l'amplificateur 401 vis-à-vis des signaux transitoires présents sur la borne 407a. La borne 408a du commutateur 408 et l'entrée de non-inversion d'amplificateur 401 sont également connectées dans un troisième circuit et, selon l'invention, la résistance 406 est incorporée dans ce troisième circuit afin d'isoler l'entrée de non-inversion de l'am- plificateur 401 vis-à-vis des signaux transitoires présents sur la borne 408a. Puisque la borne 408b de l'interrupteur 408 n'est pas en circuit avec une borne d'amplificateur, aucune résistance d'isola- tion ne doit être connectée en série avec la borne d'interrupteur 408b. On se reporte maintenant à la figure 4, sur laquelle est illustré le schéma complet d'un filtre 500, qui peut être utilisé comme filtre contre les signaux étrangers dans le circuit d'acqui- sition de données d'un système d'exploration sismique. Le filtre 500 est de préférence une réalisation active à résistance négative dépendant de la fréquence d'un filtre elliptique d'ordre sept, et on choisit le rapport des constantes de temps du filtre 500 de manière à obtenir cette réalisation. Chacun des amplificateurs 501 à 506 est de préférence un dispositif connu sous la désignation "LM246J". Un examen de la figure 4 révèle que chaque borne d'ampli- ficateur se trouvant en circuit avec une borne d'interrupteur est isolée par une résistance vis-à-vis de cette borne d'interrupteur. Par exemple, la borne 51la de l'interrupteur 511 et l'entrée de non- inversion de l'amplificateur 501 sont connectées en circuit. La résistance 530 est connectée dans ce circuit afin d'isoler de la borne 511a l'entrée de non-inversion de l'amplificateur 501. De même, la borne de sortie de l'amplificateur 502 se trouve en circuit avec la borne 511b de l'interrupteur 511. Une résistance 531 est 249261 1 connectée de la manière présentée afin d'isoler la borne de sortie de l'amplificateur 502 vis-à-vis de la borne 511b. Sur la figure 4, le signal de commutation, appelé "signal de commande numérique", commande l'ouverture et la fermeture des interrupteurs 510 à 516 et la fréquence de coupure du filtre 500, de la manière indiquée cidessus. Puisque le filtre 500 est destiné à être utilisé.comme filtre contre des signaux étrangers, le coef- ficient d'utilisation du signal de commande numérique détermine la fréquence de coupure du filtre vis-à-vis des signaux étrangers. De préférence, les interrupteurs peuvent se présenter sous la forme de commutateurs à transistor à effet de champ connus sous le nom "DG306C",- qui comportent les dispositifs tampons 520 à 523. Sur la base de ce qui vient d'être présenté, on voit que l'on peut modifier la constante-de temps effective d'un filtre-en faisant varier l'état actif du signal de commutation tout en main- tenant constante la période. En plus de cette technique, on peut faire varier la constante de temps effective (1) en faisant varier la période du signal de commutation tout en maintenant constante la durée de l'état actif; ou bien (2) en faisant varier à la fois la période et la durée de l'état actif du signal de commutation. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du filtre dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. 2 4926 1 1 REVENDICATIONS 1. Filtre (500) commandé par le coefficient d'utilisation comportant au moins un amplificateur (401, 501, 502, 503, 504, 505, 506) et comportant au moins un interrupteur (407, 408, 510 à 516) dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un signal de commutation périodique, le filtre étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins une résistance (404, 405, 406, 530, 531) qui est connectée en circuit avec une borne d'amplificateur afin-d'isoler cette borne d'amplificateur vis-à-vis d'une borne d'interrupteur (407a, 407b, 408a, 408b, 511a, 511b) se trouvant dans le mgme circuit. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs amplificateurs (401, 501 à 506), interrupteurs (407, 408, 510 à 516) et résistances (404 à 406, 530, 531), et en ce que chaque résistance est connectée en circuit avec une borne d'ampli- ficateur afin d'isoler cette borne d'amplificateur vis-à-vis d'une borne d'interrupteur se trouvant dans le m8me circuit. 3. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque résistance est connectée en série entre chaque borne d'ampli- ficateur et chaque borne d'interrupteur qui sont connectées dans un même circuit. 4. Filtre selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est d'un ordre supérieur à l'unité pour être utilisé dans une voie d'acquisition de données d'un système d'exploration sismique, en ce que le filtre (500) comporte des éléments capacitifs (402, 403) et en ce que les interrupteurs (407, 408, 510 à 516) sont fermés pendant l'état actif d'un signal de commutation périodique, les constantes de temps effectives du filtre dépendant de la période du signal de commutation et de la durée de l'état actif du signal de commutation. 5. Filtre selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on modifie les constantes de temps effectives en faisant varier les valeurs effectives des éléments résistants (404, 405, 406, 530, 531) du filtre. 6. Filtre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la durée de l'état actif du signal de commutation périodique est variable entre les limites de zéro et 100 % de la période du signal de commutation. 7. Filtre selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque résistance comprend deux éléments résistants (404, 405, 530, 531) et en ce que chaque interrupteur (407, 511) est connecté entre les deux éléments résistants et en série avec eux. 8. Filtre selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il est fonctionnellement associé dà une voie d'entrée d'un système d'exploration sismique à plusieurs voies pos- sédant plusieurs voies d'entrée et possédant plusieurs groupes de détecteurs sismiques, la sortie de chaque groupe étant connectée à une voie d'entrée. 9. Système d'exploration sismique à plusieurs voies comprenant plusieurs groupes de détecteurs sismiques, la sortie de chaque groupe étant connectée à une voie d'entrée du système, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre plusieurs filtres tels que revendiqués dans l'une quelconque des revendications 4 à 7, chaque filtre étant un filtre d'un ordre supérieur à l'unité, qui est associé à une voie d'entrée.