Brevet FR2558998A1 — publié le 19850802

SYSTEME AMPLIFICATEUR MULTICANAL A GAIN PREDICTIF La présente invention concerne un système am- plificateur multicanal à gain prédictif, et elle porte plus particulièrement sur un tel système destiné à opti- miser le gain d'amplification pour le signal de chaque canal, pour échantillonner et transmettre séquentiellement ce signal vers un convertisseur analogique-numérique. Dans des systèmes de conversion adaptatifs classiques, un problème apparaît du fait que l'amplifi- cateur est fréquemment amené en saturation. Lorsqu'un am- plificateur est amené en saturation, son rétablissement demande une durée relativement longue, de façon représen- tative de l'ordre de deux à quatre microsecondes. Dans des applications actuelles d'acquisition de données, comme dans des scannographes utilisés dans des études cardiovasculaires, dans le but de produire des images aussi nettes que si le coeur était arrêté, la vitesse exi- gée correspond à un débit de l'ordre d'une microseconde par mot. Des systèmes dans lesquels une saturation pour- rait se produire et introduire un retard de temps de ré- tablissement de deux à quatre microsecondes sont donc inac- ceptables. L'invention a donc pour but de procurer un sys- tème amplificateur multicanal à gain prédictif, rapide,de type perfectionné, pour l'utilisation dans des convertis- seurs adaptatifs. Un but supplémentaire de l'invention est de pro- 2 2558998 curer un tel système qui évite des retards dûs à la satu- ration d'amplificateurs. L'invention a également pour but de procurer un tel système qui augmente la cadence correspondant au débit de données total. L'invention résulte de la considération du fait qu'il est possible de réaliser un système amplifica- teur multicanal à gain prédictif vraiment efficace, et un convertisseur adaptatif utilisant un tel système, en effectuant une commutation séquentielle de signaux entrants pour déterminer tout d'abord le gain désiré pour le signal considéré et pour amplifier ensuite ce signal avec ce gain afin d'empêcher la saturation de l'amplificateur et d'ob- tenir des signaux de sortie traités selon une configura- tion "pipeline", afin d'augmenter la cadence qui corres- pond au débit de mots de données. Un aspect de l'invention consiste en un sys- tème amplificateur multicanal à gain prédictif. Ce systè- me comporte des moyens destinés à recevoir un signal d'en- trée à partir d'un premier canal et d'un second canal. Le système comporte un amplificateur à gain variable et un circuit de fixation de gain destiné à fixer le gain de l'amplificateur à gain variable. Des moyens de commutation réagissent au signal d'entrée provenant des premier et second canaux en connectant séquentiellement chaque canal tout d'abord au circuit de fixation de gain pour déterminer le gain désiré pour ce canal, et ensuite à l'amplificateur à gain variable réglé à ce gain désiré. Un autre aspect de l'invention consiste en un système de conversion multicanal adaptatif comprenant un système amplificateur multicanal à gain prédictif, en com- binaison avec des moyens pour échantillonner et bloquer les signaux séquentiels provenant des premier et second ca- naux de l'amplificateur à gain variable. Le système compor- te un convertisseur analogique-numérique qui réagit aux mo- yens d'échantillonnage et de blocage en convertissant en signaux numériques les signaux analogiques provenant des premier et second canaux. Les moyens d'échantillonnage et de blocage peuvent comprendre des premier et second circuits échantillonneurs-bloqueurs destinés à échantil- lonner et à bloquer les signaux qui proviennent respecti- vement des premier et second canaux. Il peut exister des moyens de commutation de sortie destinés à transmettre séquentiellement les signaux échantillonnés et bloqués provenant respectivement des premier et second canaux. Les moyens de réception peuvent comprendre des première et seconde bornes d'entrée, avec l'une d'elles associée à chaque canal, et ifs peuvent également compren- dre des premier et second amplificateurs séparateurs, avec l'un d'eux associé à chaque borne d'entrée. Le cir- cuit de fixation de gain peut comprendre un circuit de référence destiné à établir un ensemble de niveaux de gain, un circuit de commande de gain destiné à fixer le niveau de gain de l'amplificateur à gain variable, et des moyens comparateurs, réagissant au circuit de référence et réa- gissant à un signal provenant de l'un des premier et se- cond canaux, en sélectionnant l'un des niveaux de gain de l'ensemble que doit fixer le circuit de commande de gain. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation pré- féré, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique simplifié d'un système amplificateur multicanal à gain prédictif con- forme à l'invention; La figure 2 est une représentation plus détail- lée du système amplificateur multicanal à gain prédictif de la figure 1, incorporé dans un système de conversion adaptatif conforme à l'invention; La figure 3 est un diagramme séquerntiel qui illus- tre le fonctionnement du système de la figure 2; La figure 4 est un schéma de circuit plus dé- taillé du système de la figure 2; et La figure 5 est un schéma plus détaillé du comparateur et du circuit de référence des figures 2 et 4. On voit sur la figure 1 un système amplifica- teur multicanal à gain prédictif 10 conforme à l'invention. Des signaux d'entrée analogiques, comme ceux provenant des détecteurs d'un scannographe, sont appliqués par un cer- tain nombre de canaux, comme des canaux A et B, à des mo- yens d'entrée 12. Un circuit de commutation 14 reçoit les signaux des canaux A et B, et il applique le signal de chaque canal premièrement à ur circuit de fixation de gain 16, pour déterminer le gain désiré pour ce canal, et ensuite à l'amplificateur à gain variable 18, dont le gain a été fixé à la valeur déterminée par le circuit de fixa- tion de gain 16. Le gain fixé est le gain le plus élevé possible pour le signal sans que l'amplificateur d'atta- que 18 passe en saturation. Les signaux amplifiés des canaux A et B sont appliqués finalement à la sortie de l'amplificateur 18. Un système de conversion adaptatif multicanal , figure 2, comprend le système amplificateur multicanal à gain prédictif 10, combiné avec un circuit échantillon- neur-bloqueur 22 et un convertisseur analogique-numérique 24. Les moyens d'entrée 12 peuvent comprendre des bornes d'entrée 30 et 32. La borne 30 reçoit des signaux A1, A2, A3,..... sur le canal A, et la borne 32 reçoit des signaux B1, B2, B3.... sur le canal B. Selon une variante, les moyens de réception 12 peuvent comprendre des amplificateurs séparateurs 34 et 36. Le circuit de commutation 14 comprend une paire d'interrupteurs 38 et 40, qui commandent la trans- mission des signaux de sortie des amplificateurs respectifs 34 et 36 vers l'amplificateur à gain variable 18, et une paire d'interrupteurs 42 et 44, qui commandent la transmission 2558998 des signaux de sortie des amplificateurs respectifs 34 et 36 vers le comparateur 46, dans le circuit de fixation de gain 16. Le circuit comparateur 46 compare le signal en- trant provenant de l'interrupteur 42 ou 44 avec des signaux provenant du circuit de référence 48, pour établir un gain dans le circuit de commande de gain 50, afin de fixer le gain dans l'amplificateur à gain variable 18. Le signal de sortie de l'amplificateur à gain variable 18 est échan- tillonné alternativement par des circuits échantillon- neurs-bloqueurs 52 et 54 qui appliquent leurs signaux de sortie au convertisseur analogique-numérique 24, en al- ternance par l'intermédiaire d'interrupteurs respectifs 56 et 58. On comprendra plus aisément le fonctionnement du système de conversion adaptatif 20 en se référant au diagramme séquentiel de la figure 3, qui est divisé hori- zontalement en intervalles de deux microsecondes, commen- çant à zéro et allant jusqu'à 20 microsecondes, ce dia- gramme montrant les signaux présents à divers instants au niveau du comparateur 46, de l'amplificateur 18, des cir- cuits échantillonneurs-bloqueurs 52 et 54 et du convertis- seur analogique-numérique 24. Pendant le fonctionnemernt, lorsque le signal A1 est appliqué à l'amplificateur 34, l'interrupteur 38 est ouvert et l'interrupteur 42 est fer- mé, ce qui fait que le signal A1 est appliqué au compara- teur 46, qui détermine la valeur de gain appropriée pour l'amplificateur à gain variable 18, compte tenu de l'ampli- tude du signal A1. Lorsque cette détermination est faite, la valeur de gain est enregistrée dans le circuit de comman- de de gain 50. Cette période de fonctionnement est représen- tée par le symbole A1 dans les premier et second segments du diagramme, pour le comparateur 46 de la figure 3. La va- leur de gain présente dans le circuit de commande de gain est ensuite établie pour l'amplificateur 18 et l'inter- rupteur 38 est fermé. L'interrupteur 42 est ouvert et l'in- terrupteur 44 est fermé, ce qui fait que maintenant, pen- dant l'intervalle de temps allant de 2 à 4 microsecondes, le comparateur 46 reçoit B1 et détermine la valeur de gain appropriée pour ce signal, pendant que l'amplifica- teur 18 reçoit le signal A1 pour lequel son gain a déjà été fixé. Pour le même intervalle de temps, le circuit échantillonneur non bloqueur 52 échantillonne le signal A1. Pendant l'intervalle de temps suivant, de 4 à 6 mi- crosecondes, le second signal du canal A, c'est-à-dire le signal A2, est transmis par l'amplificateur 34 et l'in- terrupteur 42 vers le comparateur 46, pour déterminer le gain nécessaire. Simultanément, le signal B1 provenant de l'amplificateur 36 est maintenant transmis par l'interrup- teur 40 vers l'amplificateur-18, qui a été réglé au gain approprié pour le signal B1. Pendant le même intervalle de temps, de 4 à 6 microsecondes, le circuit échantillon- neur-bloqueur 52 bloque maintenant le signal A1, et le si- gnal B1 est échantillonné par le circuit échantillonneur- bloqueur 54. Simultanément, le signal A1 bloqué dans le circuit échantillonneur-bloqueur 52 a été appliqué par l'interrupteur 56 au convertisseur analogique-numérique 24, qui numérise ce signal pendant que l'interrupteur 58 est ouvert. Pendant l'intervalle de temps suivant, de 6 à 8 mi- crosecondes, le signal B2 est transmis par l'interrupteur 44 au comparateur 46, tandis que le signal A2 est transmis par l'interrupteur 38 à l'amplificateur 18. Le signal A2 est maintenant échantillonné par le circuit échantillonneur- bloqueur 52, tandis que le signal B1 est bloqué par le cir- cuit échantillonneur-bloqueur 54. Le signal B1 est mainte- nant transmis par l'interrupteur 58 au convertisseur analo- gique-numérique 24, tandis que l'interrupteur 56 est ouvert. Le système continue à fonctionner dans ce mode de façon qu'un signal soit appliqué toutes les deux miizosecondes au con- vertisseur analogique-numérique 24. En effet, à cause de l'effet de pipeline que produit le fonctionnement séquen- S8998 tiel des interrupteurs 38, 40, 42 et 44, un signal appa- rait à la sortie toutes les deux microsecondes, et une moitié de la période normale de quatre microsecondes est nécessaire pour qu'un signal provenant d'un canal ou de l'autre se propage dans tout le système. Pendant chaque cycle de commutation, le nouveau niveau de gain qui a été fixé dans l'amplificateur 18 est enregistré dans le cir- cuit de commande de gain 50, de façon qu'un gain égal à l'unité puisse 8tre fixé dans l'amplificateur 18 pendant le court intervalle de temps pendant lequel le changement d'état des interrupteurs 38, 40, 42 et 44 a lieu, afin de minimiser le risque d'apparition de transitoires suscep- tibles de faire passer l'amplificateur d'attaque 18 en saturation. q La figure 4 montre un schéma de circuit plus détaillé du système de conversion adaptatif 20 de la figu- re 2, dans lequel les amplificateurstséparateurs sont réa- lisés au moyen d'amplificateurs opérationnels 34a et 36a. Le circuit de commutation 14a comprend des interrupteurs 38, 40, 42 et 44 et un circuit de synchronisation 45 qui actionne toutes les deux secondes ces interrupteurs ainsi que les interrupteurs 56 et 58, et qui établit les caracté- ristiques temporelles du fonctionnement d'autres composants du système. L'amplificateur à gain variable 18 comprend deux étages d'amplification 57, 59, chacun d'eux comprenant un amplificateur 60, 62. A l'amplificateur 60 sont associées une première résistance d'entrée 64 et une première résis- tance de réaction 66, et une seconde résistance d'entrée 68 et une seconde résistance de réaction 70. Le point de con- nexion des résistances 64 et 66 est connecté à l'entrée in- verseuse de- l'amplificateur 60 par l'intermédiaire d'un in- terrupteur 72. Le point de connexion des résistances 66 et est également connecté à l'entrée inverseuse de l'ampli- ficateur 60 par l'intermédiaire d'un interrupteur 74. L'en- trée non inverseuse est connectée à la masse. Un circuit de réglage automatique du zéro, 76, est utilisé pour com- penser l'erreur de décalage de l'amplificateur. Des résis- tances similaires 64a, 66a, 68a et 70a et des interrupteurs similaires 72a et 74a sont associés à l'amplificateur 62. Il existe également un circuit de réglage automatique du zéro, 76a. Le signal d'entrée provenant des interrupteurs 38 et 40 est appliqué aux étages de l'amplificateur à gain variable 18 par l'intermédiaire d'un amplificateur/sépara- teur supplémentaire 78. Chaque étage d'amplification peut avoir un certain nombre de gains différents. Dans cet exemple particulier, chacun d'eux peut avoir un gain uni- té, ou un gain de 1, et un gain de 8. Lorsque l'interrup- teur 72 est fermé et l'interrupteur 74 est ouvert, le gain est de 1; lorsque l'interrupteur 74 est fermé et l'in- terrupteur 72 est ouvert, le gain est de 8. Ainsi, les si- gnaux de sortie de chacun des amplificateurs 60 et 62 peu- vent correspondre à un gain égal à l'unité; l'amplificateur peut avoir un gain égal à l'unité et l'amplificateur 62 un gain de 8; ou l'amplificateur 60 peut avoir un gain de 8 et l'amplificateur 62 un gain égal à l'unité; ou cha- que amplificateur peut avoir un gain de 8. Le signal de sortie combiné pourrait alors correspondre à un gain égal à l'une des valeurs suivantes: 1, 8, 8 ou 64. On n'utilise pas l'une des configurations d'interrupteurs, ce qui fait qu'il y a trois gains disponibles: 1, 8 et 64. Les va- leurs de gain ne sont pas limitées à 8 ou à des multiples de 8; elles peuvent correspondre à n'importe quel gain sé- lectionné par le choix des résistances 64 et 66. On choisit ici les gains de 8 et 64 du fait qu'il s'agit de puissan- ces de 2, plus faciles à traiter par un système binaire. L'invention n'est pas limitée à deux étages d'amplifica- tion: on pourrait également utiliser trois étages ou plus. Le circuit de commande de gain 50 comprend quatre 9 2558998 portes OU 80, 82, 84 et 86, qui appliquent les signaux de commutation aux interrupteurs 72, 74, 72a et 74a. A la réception d'un signal provenant du comparateur 46, le cir- cuit de commande 88 détermine le gain approprié, soit dans cet exemple 1, 8 ou 64. Il applique ensuite des signaux de commutation aux portes OU 80, 82, 84 et 86 appropriées, pour connecter la paire de résistances correcte à chaque amplificateur afin d'obtenir ce gain. Lorsque le signal de sortie du comparateur 46 ou le circuit de synchronisa- tion 45 demande un gain égal à l'unité, ce qui indique qu' un cycle de commutation est sur le point d'avoir lieu, le dispositif de commande 88 attaque le circuit de fixation de gain égal à l'unité, 90, de façon qu'il commande aux portes OU 80, 82, 84 et 86 de fermer les interrupteurs 72 et 72a et d'ouvrir les interrupteurs 74 et 74a. Le cir- cuit de commande 88 communique également le gain courant au registre de mémoire de gain 92, dans lequel il est mé- morisé pendant quatre microsecondes. Le retard de quatre microsecondes est nécessaire du fait que le cycle de com- mutation prend deux microsecondes et que le cycle d'échan- tillonnage-blocage prend deux microsecondes supplémentai- res, ce qui fait que-le signal que commandent maintenant les interrupteurs n'arrivera que quatre microsecondes plus tard à la sortie du convertisseur analogique-numérique 24. A ce moment, l'ordinateur recevra le gain qui est appli- qué au signal numérisé particulier qu'il est en train d'acquérir,à partir du registre de code de sortie 100,qui enregistre également le signal de sortie du convertisseur analogique-numérique 24. Le registre de mémoire de gain 92 introduit un retard qui est déterminé par la vitesse du sys- tème. Du fait que ce mode de réalisation est un système à deux microsecondes avec deux canaux, il y a un retard de quatre microsecondes. On peut réaliser le registre de code de sortie 100 avec un circuit de bascules qui enregistre à la fois le signal et le gain établis pour ce signal, en vue 2558998 de l'acquisition par l'ordinateur. En combinant deux am- plificateurs à gain commandé par tension de ce type, on peut atteindre un débit d'une microseconde par mot en utilisant seulement un groupe de bascules. Le circuit de référence 48, sur la figure 5, comprend une source 102 de tension de référence, et un diviseur de tension 104, qui divise la tension de réfé- rence en deux tensions de référence L1, L2. Ces tensions L1, L2 sont appliquées au comparateur 46, qui comprend des circuits comparateurs 106, 108. Leurs signaux de sortie sont appliqués au circuit de commande de gain 50, qui dé- finit un certain nombre de zones, par exemple la Zone 1, la Zone 2 et la Zone 3, qu'on peut utiliser pour fixer respectivement le gain à 1, 8 et 64. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 1l REVENDICATIONS 1. Système amplificateur multicanal à gain prédictif caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (12) destinés à recevoir des signaux d'entrée provenant d'un premier canal (A) et d'un second canal (B); un amplificateur à gain variable (18); un circuit de fixation de gain (16) destiné à fixer le gain de l'amplificateur à gain variable (18); et des moyens de commutation (14) qui fonctionnent sous la dépendance des signaux d'entrée pro- venant des premier et second canaux (A, B), en connectant séquentiellement chaque canal premièrement au circuit de fixation de gain (16), pour déterminer le gain désiré pour le canal considéré, et ensuite à l'amplificateur à gain variable (18) réglé au gain désiré. 2. Système selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre des moyens (22) des- tinés à échantillonner et à bloquer les signaux séquen- tiels des premier et second canaux (A, B), provenant de l'amplificateur à gain variable (18). 3. Système selon la revendication 2, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un convertisseur ana- logique-numérique (24) qui fonctionne sous la dépendance des moyens d'échantillonnage et de blocage (22) de façon à convertir en signaux numériques les signaux analogiques provenant des premier et second canaux (A, B). 4. Système selon l'une quelconque des reven- dications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens d'échantillonnage et de blocage (22) comprennent des pre- miers et seconds circuits échantillonneurs-bloqueurs (52, O30 54) destinés à échantillonner et à bloquer les signaux provenant respectivement des premier et second canaux (A, B). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'échantillonnage et de blocage (22) comprennent en outre des moyens de commutation de sortie (56, 58) destinés à transmettre séquentiellement les si- gnaux échantillonnés et bloqués provenant respectivement des premier et second canaux (A, B). 6. Système selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de récep- tion (12) comprennent des première et seconde bornes d'entrée (30, 32) avec l'une d'elles associée à chaque ca- nal (A, B). 7. Système selon la revendication 6, caractéri- sé en ce que les moyens de réception (12) comprennent en outre des premier et second amplificateurs (34a, 36a), avec l'un d'eux associé à chaque borne d'entrée (30, 32). 8. Système selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que le circuit de fixation de gain (16) comprend un circuit de référence (48) destiné à établir un ensemble de niveaux de seuil de tension, un circuit de commande de gain (50) destiné à fixer le niveau de gain de l'ampli- ficateur à gain variable (18), et un comparateur (46), fonctionnant sous la dépendance du circuit de référence (48) et d'un signal provenant de l'un des premier et se- cond canaux (A, B), de façon à sélectionner l'un des ni- veaux de l'ensemble de niveaux de gain devant être fixé par le circuit de commande de gain (50). 9. Système de conversion adaptatif multicanal caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (12) desti- nés à recevoir des signaux d'entrée provenant d'un premier canal (A) et d'un second canal (B); un amplificateur à gain variable (18); un circuit de fixation de gain (16) destiné à fixer le gain de l'amplificateur à gain varia- ble (18); des moyens de commutation (14), fonctionnant sous la dépendance des signaux d'entrée provenant des pre- mier et second canaux (A, B), en connectant séquentielle- ment chaque canal premièrement au circuit de fixation de gain (16) pour déterminer le gain désiré pour ce canal, et ensuite à l'amplificateur à gain variable (18) réglé sur 13 2558998 le gair. désiré; des moyens (22) destinés à échantillon- ner et à bloquer les signaux séquentiels des premier et second canaux (A, B) provenant de l'amplificateur à gain variable (18); et un convertisseur analogique-numérique (24) qui fonctionne sous la dépendance des moyens d'échan- tillonnage et de blocage (22) de façon à convertir en signaux numérique les signaux analogiques des premier et second canaux (A, B).