Brevet FR2679329A1 — publié le 19930122

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CALCUL D'UN BARYCENTRE DONT LES POIDS SONT DES GRANDEURS ELECTRIOUES IMPULSIONNELLES La présente invention concerne le traitement de signaux de sortie d appareils de mesure nécessitant des calculs de type barycentrique. Dans de nombreux appareils de mesure et capteurs, on obtient n mesures, qi (i=l...n) qui doivent subir un traitement du type ce qui correspond au calcul du barycentre de quantités ai affectées des coefficients qi. La présente invention s'applique notamment aux détecteurs à localisation de particules ou de rayonnement. Par exemple, la figure 1 représente un détecteur à localisation, tel qu une chambre à fils ou un détecteur à microbandes comprenant de nombreuses électrodes L1, L2...Ln sur lesquelles sont susceptibles d'arriver des charges électriques impulsionnelles dont les maxima forment un profil de charges du type de celui désigné par la courbe 1 en figure 1. Pour déterminer la position centrale xg du profil 1, il convient de faire ltopération ci-dessus indiquée, avec Les détecteurs du type à localisation susmentionnés sont notamment utilisés pour la détection de rayonnements ou de particules en association avec des accélérateurs de particules ou des sources de rayonnement synchrotron. Dans ces applications, des arrivées de rayonnements ou de particules peuvent se succéder à des rythmes très rapides et il convient donc que le temps de traitement lié au calcul du barycentre soit aussi court que possible, Le procédé le plus direct pour réaliser ce calcul de barycentre consiste à détecter la charge sur chacune des électrodes L1 à Lnt à mémoriser les valeurs maxima, à effectuer une numérisation puis à réaliser dans un calculateur les calculs nécessaires. Toutefois, la mise en oeuvre de ce procédé présente deux inconvénients notables. D'une part, elle nécessite de triés nombreux circuits électroniques de détection et d'amplification délicats à régler et coûteux ; d'autre part, le temps de traitement des données est relativement long. On peut simplifier ce procédé en injectant les électrodes dans une ligne résistive ou capacitive pour faire la division de charge sur un pont d'impédances et en lisant par des préamplificateurs les signaux en certains emplacements du pont. Ceci diminue le nombre de voies à traiter mais il reste à traiter les informations, ce qui exige un codage des charges sur un grand nombre de canaux si 1 ton veut conserver une bonne précision lors de la division et si l'on ne veut pas détériorer la linéarité différentielle. Ces opérations occupent classiquement plusieurs centaines de nanosecondes. On a proposé des procédés dans lesquels on effectue des calculs dans le domaine temporel plutôt que dans le domaine spatial. Pour cela, chacune des voies L1, L2...Ln est reliée à une prise d'une ligne à retard 2, par exemple du type LC ou du type coaxial. Les retards r1...rn~l entre les prises (généralement égaux entre eux) correspondent dans le cas de l'exemple précédent aux intervalles entre les abscisses xl... Xn. Aux sorties 3 et 4 de la ligne à retard, apparaissent donc des impulsions en fonction du temps. Le déphasage At entre ces impulsions correspond à la valeur recherchée Ce système apporte une grande simplification par rapport au système à calcul numérique de T l'art antérieur puisqu'il suffit de mesurer une différence temporelle et ensuite éventuellement de numériser pour stockage la valeur de cette différence sans qu' il soit nécessaire d'effectuer des calculs supplémentaires. Toutefois, ce système à ligne à retard présente l'inconvénient d'être limité en rapidité, car on ne sait pas faire de lignes à retard de bonne qualité en linéarité intégrale et différentielle avec de très petits retards entre prises. Actuellement, les systèmes à ligne à retard de bonne qualité permettent au mieux d'effectuer des détections d T impulsions séparées de durées de T l'ordre de quelques centaines de nanosecondes pour une centaine de prises. Un objet de la présente invention est de prévoir un dispositif permettant d'augmenter cette vitesse au moins d'un facteur 10. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel dispositif permettant d'effectuer de façon simple et rapide le traitement d'informations issues de prises d'un pont d'impédances. Pour cela, la présente invention prévoit un appareil permettant de façon générale le calcul de diverses fonctions barycentriques, en particulier quand les coefficients de pondération sont des pentes pondérées de signaux et, dans certains cas, des amplitudes de signaux. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un dispositif de calcul d'un barycentre dont les poids correspondent à des valeurs de signaux électriques impulsionnels apparaissant sur des voies d'entrée, ce dispositif comprenant un distributeur connecté à chaque voie d'entrée et fournissant des première et deuxième sorties identiques proportionnelles à son entrée, des premiers moyens de retard connectes aux premières sorties, des deuxièmes moyens de retard connectés aux deuxièmes sorties, des premier et deuxième sommateurs recevant respectivement les sorties des premier et deuxième moyens de retard, et des moyens pour déterminer ltéc 'écart temporel entre les instant s où les impulsions obtenues aux sorties des sommateurs atteignent une même amplitude. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des discriminateurs à fraction constante permettent de déterminer les instants susmentionnés. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacun des distributeurs affecte les signaux d'entrée d'un coefficient multiplicatif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les différences entre les retards des premier et deuxième moyens de retard de distributeurs successifs sont en progression arithmétique. La présente invention prévoit aussi un procédé de calcul du barycentre de grandeurs affectées de poids correspondant à des pentes d' impulsions électriques apparaissant sur des bornes d'entrée, ce procédé consistant à connecter chaque ligne à un premier et à un deuxième moyen de retard, à sommer les sorties respectives des premiers et deuxièmes moyens de retard, et à mesurer la différence temporelle entre les instants où les signaux sommes atteignent une même amplitude prédéterminée. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1 et 2 décrites précédemment étaient destinées à exposer 1 'état de la technique et le problème que vise à résoudre la présente invention la figure 3 représente un dispositif selon la présente invention la figure 4 représente l'allure de la croissance d'une impulsion de signal sur une voie analysée la figure 5 représente l'allure de signaux obtenus par le dispositif selon la présente invention ; et les figures 6 et 7 représentent des exemples de systèmes auxquels T applique la présente invention. Comme le représente la figure 3, le dispositif selon la présente invention reçoit en entrée des signaux de voies L1, L2...Li...Ln. Ces signaux sont fournis à des distributeurs analogiques D1, D2...Di...Dn qui fournissent sur leurs deux sorties des signaux égaux proportionnels aux signaux sur les voies L1... Ln. Ces distributeurs peuvent chacun présenter un coefficient multiplicatif ki. Deux sorties de chacun de ces distributeurs sont connectées à deux moyens de retard, respectivement des moyens de retard R1, R2...Ri...Rn aux premières sorties et des moyens de retard R'1, R'2.. .R'1.. .R'n aux deuxièmes sorties. Les sorties des premiers moyens de retard sont sommées dans un premier sommateur analogique #R et les sorties des deuxièmes moyens de retard sont sommées dans un second sommateur analogique L'R T R Ensuite, comme dans le dispositif de l'art antérieur, et comme cela sera exposé plus en détail ci-après, un circuit 5 est prévu pour fournir une valeur numérique At correspondant à la différence temporelle entre les signaux de sortie des sommateurs ER et 2' T R, oette différence étant prise pour un niveau d'amplitude déterminé de ces signaux. On appelle U(t) la sortie du sommateur ER et W(t) la sortie du sommateur 'R Si sur chacune des voies L1...Ln apparaissent des impulsions Vi(t), et si les distributeurs et sommateurs sont linéaires Pour simplifier l'exposé du fonctionnement du dispositif selon la présente invention, on a supposé dans un premier temps que les impulsions Vi(t) appliquées sur chacune des voies L1...Ln ont la forme illustrée en figure 4 à savoir que chaque impulsion croît linéairement entre un instant toi et un instant toi+Ti pour atteindre une valeur Mi. Ensuite, les impulsions peuvent se prolonger en croissant ou en décroissant d'une façon quelconque ou en restant constantes. On appelle t0 le maximum des valeurs tOi, Tmin le minimum des valeurs tOi+Ti et l'on suppose que Tmin-tO est supérieur à 0. En outre, on appelle eM la valeur maximale des toi+Ri, OTM la valeur maximale des toi+R'i, 0m la valeur minimale des toi+Ti+Ri, et O'm la valeur minimale des t0i+Ti+R'i. On suppose dans ce qui suit que em est supérieur à eM et que O'm est supérieur à 5'M. Ceci signifie que les écarts entre les instants d' apparition des différentes impulsions sont petits par rapport aux temps de montée de ces impulsions. De même les differences entre les retards Ri-Rj et R' i-R' j sont inférieures au temps de montée Ti quels que soient i et j ou, en d'autres termes, les retards Ri et R'i placés sur les diverses voies sont inférieurs au plus petit temps de montée. Alors, on peut montrer que l'impulsion U(t) entre les instants eM et em aura la même pente que l'impulsion W(t) entre les instants O'M et O'm, c'est-à-dire que les m, c'est-à-dire que les courbes W(t) et U(t) ont des portions linéaires parallèles décalées de #t telles que représentées en figure 5. Dans ces conditions, on peut écrire, pour t compris entre 6M et em et pour t compris entre O'M et i'm Si l'on considère des instants respectifs des signaux W(t) et U(t) où ceux-ci ont une même amplitude A, dans la zone où ces s signaux sont parallèles, cette amplitude correspondant à un instant t1 pour la courbe U(t) et à un instant t2 pour la courbe W(t), on peut écrire en égalant les équations (3) et (4): d'où une quantité indépendante des toi Les instants tl et t2 peuvent être détectés à partir de dispositifs électroniques à seuil (voir par exemple IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. NS-32, 1985, P. 1242 à 1249) et leur différence par des dispositifs connus de codage de temps (voir par exemple IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. NS-20, 1973, P. 36 à 51). Si l'on examine la formule (6), on constate que la valeur At correspond au barycentre des quantités Ri-R'i pondérées par des poids kiMi/Ti. Si ki est constant, c'està-dire que les distributeurs Di ont tous le même gain, At est un barycentre affecté de poids Mi/Ti, c'est-à-dire un barycentre pondéré par les pentes des impulsions Vi(t) arrivant sur les diverses voies. C'est une première caractéristique du dispositif selon la présente invention que de fournir un moyen de mesure d'un barycentre pondéré par des pentes d'impulsions. Un tel dispositif de mesure de barycentre pondéré par des pentes d'impulsions peut être utilisé dans diverses applications. Par exemple, dans un système RC tel que schématisé en figure 6, constitué d'une ligne pouvant être considérée comme une succession de cellules RC, si une impulsion arrive en un point i de la ligne, on obtient aux deux extrémités de la ligne des impulsions d'amplitudes sensiblement égales mais de pentes différentes et la position du point d'injection de T impulsion correspond au barycentre des retards pondérés par ces pentes. Ainsi, le système selon la présente invention pourra être connecté aux deux sorties S1 et S2 de la ligne RC pour déterminer la position du point i. C'est une autre caractéristique de la présente invention que de fournir un moyen de mesure d' un barycentre pondéré par des amplitudes d'impulsions. Par exemple, comme le représente la figure 7, les entrées L1...Li...Ln d'un dispositif selon l'invention peuvent, dans une application particulière, correspondre aux sorties d'un pont d'impédances (résistances ou capacités). Cela permet de localiser par division de charge ou de courant électrique le centre de la répartition des charges sur des électrodes connectées au pont d'impédances. En revenant à 1 'exemple de la figure 1, dans le cas particulier où des impulsions arrivant sur les diverses voies LI à Ln ont le même temps de montée, ce qui est généralement le cas quand ces impulsions résultent d'un même rayonnement, la valeur Ti est constante. Alors, At est le barycentre des retards (ou des positions) affectés de poids correspondant aux amplitudes Mi. Ainsi, le système selon la présente invention pourra avantageusement être utilisé en lieu et place du système de T l'art antérieur décrit en relation avec la figure 2. Etant donné que les circuits de retard Ri et R'i sont des circuits élémentaires discrets, ils pourront être ajustés à des valeurs faibles avec beaucoup plus de précision que des prises sur une ligne à retard et la détermination du barycentre pourra être effectuée beaucoup plus rapidement et avec une meilleure linéarité différentielle. Un moyen 5 de détermination de ltéc écart At est connu dans 1' art antérieur et pourra comprendre deux discriminateurs à fraction constante pour la détection des instants t1 et t2 et la mesure de la différence At est fournie par des compteurs de temps ou par une conversion temps/amplitude suivie d'un codage numérique de l'amplitude. Toutes ces techniques sont très précises et très stables et la précision sur le barycentre dépendra du rapport signal sur bruit des impulsions et du rapport entre le retard maximum entre les instants t1 et t2 où les signaux U(t) et W(t) atteignent une même amplitude A et le temps de montée moyen des impulsions. Ci-dessus, on a décrit la présente invention dans le cas où les impulsions avaient, au moins sur une partie de leur montée, la forme linéaire illustrée en figure 4. En fait, la présente invention T étend simplement à des impulsions dont la montée n'est pas linéaire à partir du moment où une partie de cette montée peut être approchée par un segment de droite comme cela est obtenu à partir d'un développement en série de Taylor au premier ordre. En pratique, il a été déterminé qu'avec des impulsions présentant des temps de montée de 30 à 50 ns, il est possible d'effectuer la détermination de At en 100 à 150 nanosecondes avec des retards de quelques nanosecondes seulement entre les diverses voies. Ce qui limite la rapidité n'est plus la prise d'information mais le codage du temps. Si l'on veut obtenir un système ayant la même fonction que celui il lustré dans l'art antérieur en relation avec la figure 2, on choisira les valeurs de Ri et de R'i de sorte que Ri-R'i=(i+k)R k étant un entier positif négatif ou nul et i variant de 1 à n. Mais il faut noter que la présente invention permet d'effectuer des calculs barycentriques plus complexes inaccessibles avec des lignes à retard normales, dans lesquelles on peut notamment prévoir des retards nuls entre certaines prises dans certains sens seulement. Par exemple, en choisissant R1=0, R'l=0, R2=0, R'2=R, R3=0, R'3=2R, R4=0, R'4=3R, on aura des retards entre points successifs de 0, -1, -2, -3. Ainsi, #t sera toujours positif, t1 précédant toujours t2, ce qui n'est pas le cas avec une ligne à retard. Ceci simplifie le système de détermination de la différence de temps At. De même en faisant varier les quantités ki, on peut moduler à volonté les poids dans le calcul de barycentre. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes d'application qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Dispositif de calcul d'un barycentre dont les poids correspondent à des valeurs de signaux électriques impulsionnels apparaissant sur des voies d'entrée ..... . L1.. .Ln), caractérisé en ce qu'il comprend un distributeur (Dl... Dn) connecté à chaque voie d'entrée et fournissant des première et deuxième sorties identiques proportionnelles à son entrée, des premiers moyens de retard (Ri) connectés aux premières sorties, des deuxièmes moyens de retard (R'i) connectés aux deuxièmes sorties, des premier et deuxième sommateurs (ER, 'R) rece- vant respectivement les sorties des premier et deuxième moyens de retard, et des moyens (5) pour déterminer l'écart temporel (At) entre les instants où les impulsions obtenues aux sorties des sommateurs atteignent une même amplitude (A). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des discriminateurs à fraction constante pour déterminer lesdits instants. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des distributeurs affecte les signaux d'entrée d'un coefficient multiplicatif (ki). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différences entre les retards des premier et deuxième moyens de retard de distributeurs successifs (Ri, R'i) sont en progression arithmétique. 5. Procédé de calcul du barycentre de grandeurs affectées de poids correspondant à des pentes d'impulsions électriques apparaissant sur des bornes d'entrée, caractérisé en ce qu il consiste à connecter chaque ligne à un premier et à un deuxième moyen de retard, à sommer les sorties respectives des premiers et deuxièmes moyens de retard, et à mesurer la d1ffé- renoe temporelle entre les instants où les signaux sommés atteignent une même amplitude prédéterminée. 6. Procédé de calcul de barycentre selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite amplitude correspond à une fraction prédéterminée de l'amplitude maximale de la portion linéaire des signaux sommés.