Brevet FR2615290A1 — publié le 19881118

L'invention a pour objet un système de saisie et d'intégration de signaux électriques répétitifs. Depuis quelques années on assiste à un développement important des oscilloscopes rapides numériques ou analogiques. La mémorisation des signaux 5. s'effectue par transfert à une mémoire numérique dans le premier cas, à l'aide d'un système photographique ou d'une caméra vidéo dans le second. Lorsque l'on analyse un signal répétitif et.que celui-ci est entaché diun bruit aléatoire, sans corrélation avec ce signal, il est avanta- geux, voire nécessaire, d'en effectuer la somme ou la moyenne. On sait en effet que le gain du rapport signal sur bruit qui résulte de N accumulations du signal bruité est égal à \ (gain en rapport de tensions). Cette moyenne s'effectue le plus souvent numériquement, soit direc- tement à l'aide de processeurs inclus dans l'oscilloscope, soit par couplage avec un calculateur extérieur, ou de façon hybride à l'aide d'un magnétoscope couplé à un système de numérisation du signal vidéo en temps différé. Chacun des systèmes cités a pour principal inconvénient d'introduire des temps morts ou de limiter la cadence de saisie de signaux successifs: pour des signaux numériques, le temps de transfert vers la mémoire de stockage est typiquement de l'ordre de la microseconde par point de mesure. - pour la saisie par magnétoscope, il n'est pas possible de dépasser une cadence de quelques dizaines de hertz. Aucune des deux solutions actuellement utilisables ne permet donc d'enregistrer, pour en faire la moyenne, des signaux répétitifs rapides à cadence élevée. A titre d'exemple, l'oscilloscope numérique LE CROY 9700 ne permet pas de dépasser 100 acquisitions par seconde sur 250 points et le moyenneur NICOLET-370 a un taux de répétition maximum de 150 acquisitions par seconde sur 2000 points. La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif d'enregistrement et d'intégration de signaux répétitifs répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences actuelles du traitement du signal, notamment en ce qu'ils n'introduisent aucune limite à la cadence de répétition des signaux à acquérir et qu'ils permettent d'atteindre, pour un temps de mesure donné, un rapport signal sur bruit nettement supérieur à ceux des systèmes disponibles sur le marché de l'instrumentation. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé d'enregistrement et d'intégration analogiques sur une barrette linéaire de détecteurs d'une trajectoire lumineuse ou électronique associée à l'évolution temporelle d'un signal électrique. 2615t9 0 Procédé suivant lequel la coordonnée horizontale (habituellement le temps) est associée à la position d'un détecteur de la barrette tandis que la coordonnée verticale (amplitude du signal à mesurer) est proportionnelle à la charge de ce détecteur. Procédé suivant lequel la somme de signaux répétitifs s'effectue par intégration du signal reçu par chacun des détecteurs au cours du temps, entre deux lectures de la barrette. Un dispositif de mesure suivant un autre aspect de l'invention comprend un oscilloscope, une barrette de diodes, des moyens optiques pour associer l'écran de l'oscilloscope et la barrette de photodiodes, ce dispo- sitif étant caractérisé notamment par les moyens optiques pour former sur une diode donnée un signal associé à une position verticale particulière du spot de l'oscilloscope et proportionnel à son déplacement vertical. - L'invention sera mieux comprise kla lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs et du procédé qu'ils mettent en oeuvre. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - La figure 1 est un schéma de principe constituant un mode de réa- lisation de l'invention montrant comment l'optique cylindro-sphérique permet, d'une part, de donner du spot de l'oscilloscope une image qui est un segment lumineux, d'autre part, d'associer à chaque photodiode de la barrette une position horizontale du spot. - La figure 2 est un schéma de principe montrant comment l'illumina- tion (produit de l'éclairement par le temps)donc la réponse électrique d'une diode, varie en fonction de la position verticale du spot. - La figure 3 illustre, à titre d'exemple, le suivi d'une trace décrite par le spot de l'oscilloscope au moyen du dispositif de la figure 1, ainsi que la mesure de la charge électrique de chacune des diodes. - La figure 4 représente un signal périodique de 1 MHz tel qu'il apparaît sur un écran d'oscilloscope d'acquisition. - La figure 5 représente ce même signal en présence du bruit. - La figure 6 représente le signal de la figure 5 enregistré sur 256 points et moyenné pendant 5 millisecondes à l'aide du dispositif de la figure 1. - La figure 7 est un schéma de principe montrant un détail d'un dispositif constituant une variante de celui représenté sur les figures 1 et 2. La figure 1 montre un dispositif constituant-un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention. Ce dispositif comporte un oscilloscope 1, 26 1 5t.9 0 en général rapide, qui reçoit le signal électrique à analyser en fonction du temps. Ce signal est matérialisé par la trace du spot sur l'écran fluorescent de l'oscilloscope. Une optique de conjugaison 2, qui dans la version repré- sentée est constituée d'un objectif de type photographique et d'une lentille cylindrique, permet d'associer au spot lumineux représentant un point de la trace, un segment lumineux vertical de luminance uniforme dans le plan de la barrette de photodiodes 3. Au cours du balayage horizontal de l'écran par le spot, ce segment lumineux va se trouver successivement en regard des dif- férentes diodes de la barrette. Cette première correspondance assure le repérage de la position horizontale du spot a Comme le montre la figure 2, le recouvrement par le segment lumineux7 d'une desdiodes 8associée à une position horizontale donnée du spot varie linéairement en fonction du déplacement vertical du spotYLa mesure de la charge électrique de cette diode constituera donc une mesure de la position verticale du spot. Après un balayage de l'écran de l'oscilloscope par le spot lumineux, la distribution des charges9des diodes reflétera, comme l'in- dique la figure 3, la trace associée au signal dans le plan des diodes 10. Lorsque plusieurs traces successives, associées à un signal répéti- tif, apparaissent sur l'écran, les diodes acquièrent une charge qui reflète directement la somme des signaux tels qu'ils sont tracés sur l'écran. Une fois faite l'intégration sur un nombre de traces choisi à l'avance grâce à une électronique de commande et de lecture 4 couplée au déclenchement de l'oscilloscope, la charge des diodes est visualisée sur un oscilloscope de contrôle 5, ou stockée dans une mémoire numérique 6 après une conversion ana- logique numérique. Le dispositif précédent a été couplé avec divers oscilloscopes. Les résultats sont d'autant plus spectaculaires que l'oscilloscope est lumineux et rapide et les signaux hautement répétitifs, car pour une même cadence de lecture des diodes (typiquement de 25 Hz à 1 KHz), on aura accumulé davan- tage de signaux. Les mesures représentées sur les figures 4, 5 et 6, ont été obtenues avec un signal de 1 MHz (Fig. 4) enregistré avec une base de temps de 0,5 ps par division, auquel a été ajouté un fort niveau de bruit (Fig. 5). Le signal (Fig. 6) est celui qui apparaît sur l'écran de lecture des diodes.à une fré- quence apparente de 1000 Hz (0,5 ms par division). La moyenne est donc effectuée en 5 ms sur 1000 passages, ce qui correspond à un gain en rapport signal sur bruit de V 1000. Dans toutes ces-expériences, le signal a été enregistré sur 256 points. Dans des conditions identiques, l'oscilloscope LECROY 9400 effectue la moyenne en 10 s. et l'analyseur de signaux transi- 2615 ú9 0 toires Tektronix 7912 effectue la moyenne en 40 s. Le gain en temps qui est ici supérieur à quelques milliers pourrait atteindre le million avec les oscilloscopes rapides fonctionnant dans la gamme du gigahertz et actuellement disponibles sur le marché. Le dispositif suivant l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation et de nombreuses adjonctions, principalement pour en améliorer les performances et en simplifier la réalisation. En particulier, l'utilisation d'un montage différentiel utilisant deux barrettes ou une barrette double conmme le montre la figure 7, permet, si l'on mesure la différence des signaux issus des deux barrettes, une bonne réjection des effets lumineux parasites tels que la présence d'un graticule, ainsi que de la non uniformité de l'éclairement dans le plan des diodes ou de la non uniformité de la réponse des diodes. Une variante qui est applicable lorsque la moyenne s'effectue sur un grand nombre de passages, consiste à animer la trace d'un mouvement vertical, par exemple alternatif ou aléatoire, ce qui revient à remplacer la distribution instantanée de la lumière selon un segment lumineux par une suite de points lumineux dont la position moyenne au cours du temps est celle de ce même segment. De même, l'astigmatisme introduit par la lentille cylindrique du système optique 2, qui donhe d'un point de l'écran une image qui est un segment vertical, peut être obtenu en agissant directement sur le faisceau d'électrons de l'oscilloscope. En plus de sa simplicité un tel système devrait permettre une bonne réjection des effets d'ombre que peut introduire le graticule. On peut également repérer la position verticale du spot en plaçant devant l'écran ou devant les photodiodes une transparence linéairement varia- ble selon la direction verticale et intégrer sur la barrette de diodestout le champ de l'écran de l'oscilloscope nécessaire à l'analyse du signal. Une autre variante du dispositif proposé consiste à mesurer les déplacements du spot électronique entaché d'astigmatisme vertical ou animé d'un mouvement alternatif ou aléatoire en plaçant directement une barrette de détecteurs d'électrons à l'intérieur du tube cathodique, sans passer par l'intermédiaire de l'écran fluorescent et de l'optique de conjugaison. Il va sans dire que la portée du présent brevet ne se limite pas aux dispositions qui ont été représentées et décrites mais en couvre toutes les équivalences. 2615s90 REVENDICATIONS 1- Procédé d'enregistrement analogique et d'intégration de signaux électriques caractérisé en ce que la trajectoire lumineuse ou élec- tronique associée à l'évolution temporelle d'un signal est enregistrée sur une barrette linéaire de détecteurs de flux lumineux ou d'électrons, ce -5 qui permet à la fois de repérer les positions horizontales et verticales de cette trajectoire et d'obtenir la moyenne sans aucun temps mort en accumulant des signaux répétitifs. 2 - Dispositif d'enregistrement et d'intégration de signaux caractérisé en ce qu'il comprend un oscilloscope d'acquisition du signal, une barrette linéaire de photodiodes et les moyens optiques ou électroniques permettant d'obtenir une proportionnalité entre la position verticale du spot lumineux et l'énergie reçue par une photodiode et en ce que la moyenne est obtenue par accumulation des charges créées sur les photodiodes par les passages successifs des traces à moyenner. 3 - Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens optiques comprennent un système cylindrosphérique permettant de donner d'un point de la trace de l'oscilloscope un segment image vertical de longueur égale à la hauteur d'une photodiode. 4 - Dispositif suivant les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que le segment lumineux associé à l'une des photodiodes donne sur celleci un signal proportionnel à la position verticale du spot de l'oscilloscope. - Dispositif suivant les revendications 2, 3 et 4 caractérisé en ce que la barrette de photodiodes est double et que le signal mesuré est la différence des signaux fournis par les deux ensembles de diodes;.- 6 - Dispositif suivant les revendications4 et 5 caractérisé en ce que les signaux fournis par la barrette de photodiodes sont traités de façon analogique ou numérique. 7 - Dispositif suivant les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que le système cylindrosphérique peut également modifier le rapport des grandissements horizontaux et verticaux afin d'adapter une zone déterminée. de l'écran à la taille des photodiodes. 8 - Dispositif selon les revendications 2, 4, 5 caractérisé en ce que le spot de l'oscilloscope peut itre transformé en un segment lumi- neux vertical par action directe sur le faisceau électronique de l'oscillos- cope 6 2615.9 0 9 - Dispositif selon les revendications 2, 4, 5 caractérisé en ce que le spot de l'oscilloscope peut être animé d'un mouvement vertical périodique ou aléatoire. - Dispositif selon les revendications 2, 8 et 9 caractérisé en ce qu'une barrette de détecteurs d'électrons remplace l'écran fluorescent de l'oscilloscope, l'optique de conjugaison et la barrette de photodiodes. il - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la position verticale du spot est repérée grace à une transparence variable linéairement.