Brevet FR2670064A1 — publié le 19920605

DESCRIPTION UCIRCUIT D'ACQUISITION ET APPAREIL DE RESTITUTION DE FORMES D'ONDES". L'invention concerne un circuit d'acquisition de formes d'ondes muni d'un échantillonneur qui prélève des échantillons d'un signal par acquisitions dites "en temps équivalent". Elle concerne également des appareils de restitution de formes d'ondes. Un tel circuit trouve son application dans le domaine des analyseurs logiques1 des oscilloscopes numériques, des convertisseurs analogiques-numériques. La théorie de Shannon enseigne qu'il est nécessaire de prélever au moins deux échantillons par période de la composante la plus élevée en fréquence du signal pour prélever la totalité de l'information contenue dans le signal. Dans la pratique qui concerne par exemple la restitution de signaux échantillonnés destinés à être utilisés dans un analyseur logique ou dans un oscilloscope numérique, il n'est pas rare d'atteindre environ 10 échantillons par période. Ainsi un analyseur logique opérant à 100 MHz est couramment utilisé pour échantillonner des signaux numériques ayant un taux de répétition de 10 MHz En oscilloscopie, les fréquences d'échantillonnage peuvent être beaucoup plus élevées dans le cas de signaux rapides. Mais l'utilisation de convertisseurs analogiquesnumériques opérant par exemple à 400 MHz c'est-à-dire à vitesse élevée pose des problèmes quant à leur condition d'exploitation et leur coût nécessitant des matériels environnants performants. Pour pallier cette difficulté1 au lieu d'utiliser la technique d'acquisition d'échantillons en temps réel, il a été proposé d'opérer selon une technique d'acquisition d'échantillons dite en temps équivalent. Ceci est par exemple décrit dans le brevet français n"2 446 484. Cette technique permet d'acquérir les échantillons d'un signal récurrent non pas en prélevant tous les échantillons sur la même période du signal mais en prélevant un échantillon par période sur plusieurs périodes successives du signal. En déplaçant l'instant d'acquisition à l'intérieur de la période du signal on peut ainsi prélever à faible cadence réelle plusieurs échantillons qui disposent ainsi d'une cadence apparente élevée. Celle-ci est alors appelée cadence équivalente. Mais cette technique ne peut être appliquée qu'avec des signaux récurrents.Or il existe des situations où des signaux non récurrents ont à être analysés et/ou observés. Le problème posé consiste à mettre à profit la faible cadence d'échantillonnage présentée par la technique dite à temps équivalent (donc un faible coût) et à lui permettre de traiter toutes sortes de signaux. La solution consiste en un circuit d'acquisition qui comprend une ligne à retard qui reçoit une partie dudit signal limitée à une fenêtre temporelle Tf, ladite ligne étant munie de moyens agencés pour donner naissance, à des instants espacés de Td (Td > Tf), à des échos successifs de ladite partie, l'échantillonneur prélevant des échantillons de ladite partie et desdits échos à une cadence d'échantillonnage 1/Ts voisine de 1/Td selon une cadence équivalente d'échantillonnage 1/Tse=1llTs-Tdl L'échantillonneur peut être constitué d un convertisseur analogique-numérique : un échantillon est alors représenté par une valeur numérique. L'échantillonneur peut également être constitué d'un dispositif qui prélève des échantillons représentés par des charges électriques.Il peut s'agir par exemple d'un dispositif à transfert de charges DTC ou d'un dispositif de stockage analogique formé de capacités. Le circuit d'acquisition doit pouvoir opérer sur des signaux plus ou moins longs dans le temps ce qui peut nécessiter de modifier la cadence équivalente d'échantillonnage. Cette variation peut être obtenue soit en variant Td à l'aide d'une ligne à retard variable, soit en variant la cadence d'échantillonnage 1/Ts. Pour donner naissance à des échos la ligne à retard doit être munie de moyens agencés à son entrée et à sa sortie. L'agencement placé en sortie consiste à connecter la ligne à une impédance Z qui soit différente de son impédance caractéristique. Préférentiellement cette impédance Z aura la forme soit d'un court-circuit, soit d'une ligne ouverte. L'agencement placé à l'entrée de la ligne à retard doit permettre d'introduire dans la ligne à retard la partie limitée de signal à analyser et également de réfléchir l'onde provenant de la sortie. Préférentiellement cet agencement est formé d'une diode. Son sens de branchement dépend de la polarité de la partie de signal à analyser. Ainsi ladite diode a une impédance faible pour l'introduction du signal dans la ligne à retards et a une impédance élevée pour l'onde réfléchie. Il est possible que l'agencement d'entrée consiste en un commutateur ayant les états basse et haute impédance précédents. Un transistor ou un amplificateur isolateur peuvent par exemple être utilisés pour cet usage. La ligne à retard peut être une ligne de transmission formée soit par un câble, soit par une ligne en bande (stripline). Les échos qui sont ainsi générés par réflexions successives aux extrémités de la ligne à retard vont subir un affaiblissement d'allure exponentielle de leur amplitude. Les échantillons prélevés successivement en temps équivalent vont être affectés par cet affaiblissement. Pour reconstituer la forme vraie de l'onde à partir de ces échantillons, des moyens de corrections permettent d'opérer un traitement destiné à leur donner leurs amplitudes relatives correctes. Ces moyens peuvent soit faire partie intégrante du circuit d'acquisition soit être placés dans une unité placée en aval située dans l'appareil de restitution (analyseur logique ou oscilloscope par exemple). Ces moyens de corrections peuvent être des moyens programmés qui mettent en oeuvre l'inverse de la loi d'affaiblissement qui est connue d'après la composition du circuit d'acquisition.Ces moyens peuvent opérer des corrections non seulement en amplitude mais également en tenant compte du spectre fréquentiel du signal. Ils comprennent alors un filtre correcteur. Pour traiter un même signal en isolant plusieurs parties limitées dans plusieurs fenêtres ou pour traiter des signaux différents, il est possible de multiplexer plusieurs circuits d'acquisition opérant chacun sur une des fenêtres. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes données à titre d'exemples non limitatifs qui représentent - figure 1 : un schéma d'un circuit d'acquisition selon l'invention muni de moyens donnant naissance à des échos et d'un convertisseur analogique-numérique pour effectuer 1' échantillonnage1 - figure 2 : un schéma électrique équivalent dans le cas où la ligne à retard a sa sortie en circuit ouvert, figures 3A, 3B : dans le cas où la fenêtre temporelle isole une impulsion électrique, une représentation de l'impulsion électrique suivie de plusieurs échos dans le cas où la ligne à retard opère respectivement avec sa sortie soit en circuit ouvert soit court-circuitée, figures 4A, 4B : dans le cas où la fenêtre temporelle isole une transition d'un signal électrique, une représentation de ladite transition suivie de plusieurs échos dans le cas où la ligne à retard opère respectivement avec sa sortie soit en circuit ouvert soit court-circuitéet figure 5 : une représentation par blocs d'un analyseur logique ou d'un oscilloscope. La figure 1 représente un schéma d'un circuit d'acquisition 10 comprenant une ligne à retard 11 et un convertisseur analogique-numérique 12 réuni à l'entrée de la ligne à retard. Un signal à analyser est fourni par une source 13. Seule une partie de ce signal limitée à une fenêtre temporelle Tf est analysé. Cette fenêtre est isolée par un circuit à fenêtre 14. Cette fenêtre peut être isolée soit à l'ex- térieur soit à l'intérieur du circuit d'acquisition 10. La ligne à retard doit être munie de moyens agencés pour donner naissance à des échos. Ces moyens portent à la fois sur l'en- trée et sur la sortie de la ligne à retard. En sortie la ligne à retard est réunie à une impédance Z 19.Lorsque Z=O ou faible la ligne à retard opère en mode dit court-circuité, lorsque Z est grand ou supprimé la ligne à retard opère un mode dit en circuit ouvert. En entrée, la ligne à retard doit être agencée d'une part pour permettre d'introduire dans la ligne à retard la partie du signal à analyser et d'autre part pour réfléchir les échos en provenance de la sortie. Cet agencement doit donc être à faible impédance dans le sens de la source 13 vers la ligne à retard il et à haute impédance dans le sens inverse. Une diode 15 permet d'opérer cette fonction. Un autre organe opérant en commutateur, par exemple un transistor, peut également être utilisé. Le sens de branchement de la diode ou dudit autre organe dépend de la polarité de la partie de signal à analyser Pour un trajet de l'onde allant d'une extrémité à l'autre, la ligne à retard présente un retard Td/2. Un écho apparaît donc à l'entrée de la ligne à retard avec un retard Td après le signal qui lui a donné naissance. Pour éviter la superposition du signal et de ses échos selon l'invention on choisit de donner à Td une valeur supérieure ou égale à la durée Tf de la fenêtre. Les échantillons prélevés en temps équivalent peuvent être stockés dans une mémoire 17 si la vitesse de traitement des organes placés après le nécessitent. Afin de fournir un rappel des mécanismes de génération d'échos dans une ligne à transmission on a représenté sur la figure 2 le schéma électrique équivalent dans le cas d'une ligne court-circuitée en sortie. En appelant Ra : Somme de la résistance d'attaque de la source de tension, et de la résistance en direct de la diode, RCH:la résistance de charge formée par le convertisseur A/D, Rc :la résistance caractéristique de la ligne, on définit des coefficients de réflexion F1 et r2 respectivement en entrée et en sortie tels que r1 = (RCHRc)/(RCH+Rc) r2 = +1. Lorsque le signal délivré par la source a une amplitude égale à l'unité, la partie de signal à analyser a aux bornes une amplitude (le symbole // signifie que les résistances sont en parallèle). Le premier écho a une amplitude (en supposant que la résistance inverse de la diode soit infinie) et les échos suivants ont respectivement des amplitudes 2 3 22r Q2r La figure 3A représente le cas où la fenêtre d'entrée isole une impulsion c'est-à-dire un signal passant d'un niveau V=O à une certaine valeur puis retombant à un niveau V=O. L'impulsion de base possède une amplitude gj aux bornes de RCH. Puis viennent ensuite une suite d'échos 2 3 d'amplitudes décroissantes Q2r Q2r Q2--- Les échos sont distants de Td. Selon l'invention on échantillonne le signal et ses échos à une période d'échantillonnage T5 voisine de Td.La période T5 peut être supérieure ou inférieure à Td, selon que l'échantillonnage est opéré en parcourant l'impulsion et ses échos dans le sens des temps croissants ou dans le sens des temps décroissants. En opérant sur plusieurs échos il est ainsi possible de prélever plusieurs échantillons de l'impulsion. Ceci se traduit par une période équivalente d'échantillonnage Tse =Ts-Td Ainsi avec un convertisseur A/D opérant à une cadence 0/Tsr donc peu rapide, on obtient un échantillonnage effectué à une cadence rapide 1/Tse. L'amplitude de chaque échantillon doit être corrigée pour obtenir l'amplitude réelle initiale. Dans le cas où la ligne à retard est courtcircuitée les amplitudes des échos restent identiques à celles des échos obtenus avec la ligne en circuit ouvert mais leur phase est modifiée.Ceci est représenté sur la figure 3B. On observe que les échos d'ordres impairs ont une phase inversée par rapport à celle des ordres pairs. L'échantillonnage est opéré de la même manière seule la dynamique du signal est plus importante. Dans un certain nombre de situations le signal à analyser ne peut pas être limité à une impulsion contenue dans la fenêtre Tf. En effet il peut avoir une forme complexe ou l'on peut désirer analyser par exemple des temps de montée ou de descente. Dans ce cas le signal évolue par exemple d'un niveau O au début de la fenêtre à un niveau Vf à la fin de la fenêtre. Selon l'invention il est alors souhaitable de stabiliser le niveau à une référence déterminée. Pour cela sur la figure I on a représenté dans le circuit à fenêtre 14 un commutateur 16 qui permet à la fin de la fenêtre temporelle Tf d'imposer un niveau de référence VR constant. Préférentiellement ce niveau VR est égal au niveau Vf. Mais VR peut être égal à O.Dans ce cas il peut s'avérer nécessaire que les moyens de corrections tiennent compte du signal de décroissance allant du niveau Vf au niveau O qui peut se superposer aux échos. Ceci dépend si la constante de temps de cette décroissance est faible devant la période d'échantillonnage. La figure 4A concerne le cas où le niveau VR est maintenu au niveau Vf, pour une partie de signal ayant un front de montée positif introduite dans une ligne en circuit ouvert. Les relations d'amplitudes et de phase sont identiques au cas précédent de la figure 3A. Il apparaît que les échos successifs s'ajoutent les uns aux autres pour fournir une amplitude toujours croissante. En effectuant l'échantillonnage de la même manière que pour le cas de la figure 3A et connaissant lesdites relations d'amplitude et de phase il est possible de la même manière de corriger les échantillons de leur variation d'amplitude pour fournir les amplitudes réelles relatives au signal initial. La figure 4B représente le cas où le niveau VR est aussi maintenu au niveau Vf pour une partie de signal ayant un front de montée positif, la ligne étant maintenant en court-circuit en sortie. Dans ce cas les phases sont inversées pour les échos d'ordres pairs et impairs. Comme précédemment en opérant l'échantillonnage de la même manière les échantillons prélevés peuvent être corrigés de leur variation d'amplitude pour fournir les amplitudes réelles relatives au signal initial. La figure 5 représente schématiquement un appareillage de restitution de formes d'ondes 20 qui peut être par exemple un analyseur logique ou un oscilloscope. Il possède une entrée 25 par laquelle arrive le signal à analyser. Une partie de ce signal est limitée à une fenêtre temporelle Tf par le circuit à fenêtre 14. Cette partie est introduite dans le circuit d'acquisition 10 selon l'invention qui délivre des échantillons prélevés en temps équivalent. Ces échantillons prélevés sont introduits dans des moyens de traitement 21 qui comprennent des moyens de correction 22 et des moyens de reconstitution 23. Les moyens de correction 22 mémorisent la suite d'échantillons prélevés en temps équivalent concernant la partie limitée de signal et opèrent les corrections d'amplitudes (éventuellement en tenant compte du spectre fréquentiel du signal) comme cela a déjà été exposé. A partir de la cadence d'échantillonnage 1/Ts et des amplitudes corrigées des échantillons, les moyens de reconstruction 23 reconstruisent la forme d'onde de la partie de signal contenue dans la fenêtre temporelle. Préférentiellement les moyens de traitement 21 sont des moyens programmés. La forme d'onde reconstruite peut alors être visualisée ou extraite pour une utilisation externe. REVENDICATIONS 1. Circuit d'acquisition de formes d'ondes muni d'un échantillonneur qui prélève des échantillons d'un signal par acquisitions dites "en temps équivalent", caractérisé en ce qu'il comprend une ligne à retard qui reçoit une partie dudit signal limitée à une fenêtre temporelle Tf, ladite ligne étant munie de moyens agencés pour donner naissance, à des instants espacés de Td (Td > Tf), à des échos successifs de ladite partie, l'échantillonneur prélevant des échantillons de ladite partie et desdits échos à une cadence d'échantillonnage 1/T5 voisine de 1/Td selon une cadence équivalente d'échantillonnage 1/Tse=1llTs-Tdle 2. Circuit d'acquisition selon la revendication 1 caractérisé en ce que I'échantillonneur est un convertisseur analogique-numérique. 3. Circuit d'acquisition selon la revendication I caractérisé en ce que l'échantillonneur est soit un dispositif à transfert de charges soit un dispositif de stockage analogique. 4. Circuit d'acquisition selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'une variation de la cadence équivalente d'échantillonnage est obtenue soit en variant Td à l'aide d'une ligne à retard variable, soit en variant la cadence d'échantillonnage 1/tu. 5. Circuit d'acquisition selon une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que, l'agencement placé à l'entrée de la ligne à retard coopérant à la génération des échos successifs est soit une diode, soit un transistor, soit un amplificateur isolateur. 6. Circuit d'acquisition selon une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour conserver à ladite partie du signal une valeur constante à la fin de la fenêtre temporelle. 7. Circuit d'acquisition selon une des revendications i à 6 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour corriger les échantillons prélevés de la variation d'amplitude subie par les échos successifs. 8. Circuit d'acquisition selon la revendication 7 caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un filtre correcteur opérant une correction en fréquence. 9. Circuit d'acquisition selon une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la ligne à retard est soit un câble soit une ligne en bande. 10. Appareil de restitution de formes d'ondes caractérisé en ce qu'il comprend - au moins un circuit à fenêtre qui isole une partie de signal dans une fenêtre temporelle, - au moins un circuit d'acquisition selon une des revendications 1 à 9, - des moyens de traitement qui comprennent des moyens pour corriger les affaiblissements des échantillons prélevés et des moyens pour reconstituer les formes d'ondes du signal à partir desdits échantillons prélevés corrigés et de la cadence d'échantillonnage.