Brevet FR2813667A1 — publié le 20020308

CIRCUIT D'ACQUISITION NUMERIQUE DE SIGNAL A CONSTANTE D'INTEGRATION VARIABLE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un circuit d'acquisition numérique de signal à constante d'intégration variable. Elle s'applique dans de nombreux domaines, chaque fois que l'on veut traiter des signaux comprenant plusieurs phases de cinétique différente (très rapide, rapide, lente ou très lente) s'étendant sur des durées importantes (une ou plusieurs secondes). I1 peut s'agir, par exemple, des signaux électriques que l'on rencontre dans des expériences liées à des réactions photochimiques, de radiolyse pulsée, ou de relaxation diélectrique, etc... ou en physique (électronique, laser, ... ). Etat de la technique antérieure Les enregistreurs numériques du commerce, aussi performants soient-ils, ne permettent pas d'acquérir numériquement des signaux à cinétique complexe sur une très large gamme de temps avec un temps d'acquisition adapté aux caractéristiques du signal. Dans le domaine des mesures cinétiques d'activité enzymatique, par exemple, les signaux à acquérir sont souvent relatifs à des séquences de réactions qui se déroulent sur des échelles de temps très différentes. Cela est particulièrement vrai pour des réactions impliquant une étape photochimique rapide, qui déclenche d'autres processus plus lents, comme des réactions redox, la prise ou le dégagement de protons ou encore la fixation ou la libération des substrats. Un enregistrement du cycle complet nécessite alors l'acquisition d'un signal dans des gammes de temps comprises entre quelques nanosecondes et plusieurs secondes et ce, avec un maximum de précision sur l'information enregistrée. Un double problème se pose alors. Tout d'abord, l'acquisition du signal doit s'adapter aux différentes phases temporelles de la cinétique (à la fois très rapides et très lentes), tout en assurant la meilleure définition (rapport signal sur bruit) possible pour chacune d'elles. Ensuite, la numérisation doit s'étendre sur des échelles de temps importantes de l'ordre de plusieurs secondes. Pour résoudre ce double problème, il faut avoir recours à un système d'acquisition numérique dont la fréquence d'échantillonnage du signal soit élevée, avec une bonne résolution dynamique, ce système étant capable de stocker l'ensemble de l'information pertinente tout en minimisant l'espace mémoire, c'est- à-dire en évitant des capacités de stockage importantes. Pour mener à bien ces mesures, on dispose de trois méthodes i) La première consiste à répéter les expériences sur des échelles de temps différentes. Dans ce cas, le temps nécessaire à l'obtention de l'ensemble de l'information est très long et la reproductibilité de la réaction est problématique. De plus, l'analyse globale des traces obtenues sur les différentes échelles de temps n'est pas simple. Typiquement, cela revient à utiliser un oscilloscope numérique, de type NICOLET PR030, par exemple et à effectuer plusieurs enregistrements successifs sur des bases de temps d'échantillonnage différentes. ii) La deuxième méthode consiste en l'acquisition rapide, sur une échelle de temps étendue, de l'ensemble du signal. A l'évidence cela produit une quantité importante d'informations dont la résolution temporelle est inutile pour la majorité d'entre elles. Dans ce cas, les instruments sont onéreux car ils requièrent de très grandes capacités de mémoire pour stocker les millions de points nécessaires. De plus, des procédures spécifiques sont nécessaires pour compacter l'information après l'enregistrement. A titre d'exemple, la capacité nécessaire pour le stockage d'un signal numérisé sur 12 bits pendant 10 s avec une résolution de 40 ns est d'environ 500 Mo. iii) Enfin, la troisième méthode consiste à diviser l'échelle de temps en plusieurs parties consécutives (généralement 3 ou 4) avec une cadence d'échantillonnage de plus en plus réduite. Cette méthode peut convenir pour l'enregistrement des signaux sur des échelles de temps pas trop étendues. Mais, elle ne permet pas de calculer la moyenne durant l'intervalle de temps séparant deux échantillonnages. Ainsi, en l'absence de moyenne, la résolution (en terme de bits effectifs) est constante, ce qui implique un manque de gain possible de dynamique, c'est-à- dire une meilleure résolution pour les temps longs. Cette méthode est celle du circuit de type RTD 710A de la société Tektronix. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. Elle propose d'acquérir le signal en tenant compte de la cinétique de celui-ci (soit qu'on la connaisse par avance, soit qu'on la mesure en temps réel). L'échantillonnage du signal s'effectue à une fréquence maximale, mais l'acquisition est finalement obtenue en considérant des plages dont la durée dépend du signal. L'invention offre une flexibilité intrinsèque, sans perte d'information, tout en ne nécessitant qu'une capacité mémoire réduite. Exposé de l'invention De façon plus précise, l'invention a pour objet un circuit d'acquisition numérique de signal, caractérisé en ce qu'il comprend - des premiers moyens aptes à calculer la moyenne d'un nombre variable N d'échantillons successifs du signal à acquérir ; - des seconds moyens aptes à indiquer aux premiers moyens ledit nombre variable N, ce nombre N dépendant du signal à acquérir, - une mémoire mémorisant le résultat du calcul de moyenne. Si le signal à acquérir n'est pas numérisé, le circuit comprend, à l'entrée, un convertisseur analogique -numérique commandé par une horloge délivrant des impulsions à une fréquence d'échantillonnage déterminée. Une première variante correspond au cas où l'on connaît par avance la cinétique du signal à acquérir (il peut s'agir par exemple d'un pic suivi d'une décroissance exponentielle). Dans ce cas, les seconds moyens aptes à indiquer le nombre d'échantillons N à traiter pour calculer la moyenne comprennent une mémoire contenant une suite de nombres préenregistrés par l'utilisateur. Cette variante convient bien, par exemple, aux signaux à décroissance exponentielle. Une seconde variante correspond au cas où l'on ne connaît pas par avance la cinétique du signal à acquérir. Les moyens aptes à définir le nombre N comprennent alors un circuit numérique relié au convertisseur analogique-numérique, ce circuit étant apte à déterminer la variation de la pente du signal à acquérir et à calculer un nombre N fonction de cette variation. Ce nombre N est avantageusement compris entre une valeur maximale correspondant à une variation minimale du signal à acquérir et une valeur minimale correspondant à une variation maximale du signal à acquérir. Le nombre N varie alors de manière monotone entre ces deux valeurs extrêmes, respectivement maximale et minimale. Le circuit est donc autoadaptatif dans ce cas. Si l'on travaille en numérique, le circuit apte à déterminer la variation de pente du signal à acquérir est relié à la sortie du convertisseur analogique-numérique. Il est apte à déterminer .la variation dans le temps de l'amplitude des échantillons. Brève description des figures - la figure 1 est un schéma synoptique du circuit dans la variante où les nombres N sont préenregistrés ; - la figure 2 est un schéma synoptique du circuit dans la variante autoadaptative. Description de modes particuliers de réalisation Sur la figure 1, on voit un schéma synoptique du circuit de l'invention dans le cas où la cinétique générale du signal à acquérir est connue de l'utilisateur. Ce signal porte la référence 2 et comprend, dans l'exemple illustré, un pic suivi d'une décroissance exponentielle. Ce signal analogique est appliqué sur l'entrée générale 4 du circuit, lequel comprend - une horloge H délivrant des impulsions à une fréquence déterminée Fe (ou à une période donnée Te avec Fe=1/Te), qui va définir la fréquence d'échantillonnage du signal, - un convertisseur analogique numérique 6 recevant le signal appliqué sur l'entrée 4 ; ce convertisseur possède une entrée de synchronisation CLK reliée à l'horloge H ; il délivre des échantillons numériques à chaque impulsion d'horloge, - des premiers moyens 10 aptes à calculer la moyenne d'un nombre déterminé N d'échantillons successifs (en d'autres termes, la moyenne est calculée sur un intervalle de temps de durée NTe) ; - des seconds moyens 201 aptes à indiquer aux premiers moyens 10 le nombre N, lequel dépend du signal à acquérir ; - une mémoire 30 mémorisant le résultat R du calcul de la moyenne ; cette mémoire comprend une entrée de synchronisation CLK recevant les impulsions de l'horloge H et une entrée d'écriture WR recevant un signal TC marquant la fin du calcul de la moyenne. Elle comprend en outre une sortie 32 pour la lecture du signal acquis. Si le signal est déjà échantillonné, il va de soi que le convertisseur analogique -numérique est inutile. Dans le mode de réalisation illustré, les seconds moyens 201 sont constitués d'une mémoire contenant une suite de nombres Nl, N2, ..., correspondant aux différents nombres d'échantillons que l'on veut prendre en compte pour calculer la moyenne, compte tenu de la cinétique du signal. Par exemple, en début de signal, où la variation d'amplitude est très rapide, on prendra des nombres faibles ; puis, dans la phase de décroissance exponentielle, on prendra des nombres de plus en plus grands. Autrement dit, le calcul de la moyenne s'effectue d'abord sur des intervalles très courts, puis sur des intervalles de plus en plus longs. Tous les nombres N1, N2, ... sont préenregistrés dans la mémoire par l'utilisateur, avant l'acquisition du signal. La mémoire 201 comprend alors une entrée CLK et une entrée de lecture RD recevant le signal Tc. Le circuit de la figure 2 correspond à la variante auto-adaptative. Les moyens aptes à déterminer le nombre d'échantillons à prendre en compte pour le calcul de la moyenne sont constitués par un circuit numérique 202 relié à la sortie du convertisseur numérique-analogique 6. Ce circuit est apte à déterminer la variation de la pente du signal (c'est-à- dire dans la variante illustrée, apte à déterminer la variation dans le temps de l'amplitude des échantillons) et à calculer un nombre N fonction de cette variation. Ce nombre est compris entre une valeur maximale Nmax correspondant à une variation minimale du signal à acquérir et une valeur minimale Nmin correspondant à une variation maximale du signal. Le nombre N varie de manière monotone entre ces deux valeurs extrêmes Nmax et Nmin. Le circuit 202 comprend par ailleurs une entrée de synchronisation CLK recevant le signal de l'horloge. Le circuit d'acquisition peut comprendre en outre un circuit à retard 22 pour tenir compte du temps de calcul de N par les moyens 202. Dans cette variante, le signal TC marquant la fin de l'intervalle de calcul de la moyenne ne commande plus que la mémoire 30. Dans l'une ou l'autre de ces deux variantes (à préenregistrement ou autoadaptative), les moyens 10 permettant le calcul de la moyenne de N échantillons peuvent être constitués par un circuit électronique approprié. Comme illustré sur l'une ou l'autre des figures 1 ou 2, ces moyens peuvent comprendre - un accumulateur ACC recevant les échantillons numériques du convertisseur analogique- numérique 6 et délivrant la somme S de N échantillons accumulés, cet accumulateur ACC est pourvu d'une entrée. de remise à zéro RAZ et d'une entrée de synchronisation CLK reliée à l'horloge H, - un diviseur DIV relié à l'accumulateur ACC, avec une entrée recevant le nombre N d'échantillons accumulés et une autre entrée recevant la somme S délivrée par l'accumulateur ACC ; ce diviseur délivre le résultat R=S/N du calcul de moyenne, - un compteur binaire CT pourvu d'une entrée de prépositionnement E recevant de la mémoire 201 ou du circuit 202 le nombre N d'échantillons à accumuler et d'une entrée de synchronisation CLK reliée à l'horloge H ; ce compteur possède une sortie délivrant un signal TC appliqué à l'entré de remise à zéro RAZ de l'accumulateur. Ce signal TC marque la prise en compte du dernier des N échantillons, autrement dit la fin du calcul de la moyenne. I1 commande donc l'écriture du résultat R dans la mémoire 30. Il commande aussi, dans la première variante (fig. 1) la lecture d'un nouveau nombre N dans la mémoire 201, par l'entrée RD. REVENDICATIONS 1. Circuit d'acquisition numérique de signal, caractérisé en ce qu'il comprend - des premiers moyens (10) apte à calculer la moyenne d'un nombre variable N d'échantillons successifs du signal ; - des seconds moyens (201, 202) aptes à indiquer aux premiers moyens (10) ledit nombre variable N, ce nombre N dépendant du signal à acquérir (2), - une mémoire (30) mémorisant le résultat (R) du calcul de moyenne. 2. Circuit selon la revendication 1, comprenant en outre - une horloge (H) délivrant des impulsions à une fréquence (Fe=1/Te) déterminée, - un convertisseur analogique-numérique (6) recevant le signal analogique à acquérir (2) et délivrant des échantillons numériques de ce signal à la fréquence (Fe) des impulsions de l'horloge (H). 3. Circuit selon la revendication 1, dans lequel, le signal à acquérir (2) ayant une cinétique connue à l'avance, les seconds moyens comprennent une mémoire (201) contenant une suite de nombres (N1, N2, ... ) préenregistrés et des moyens pour lire successivement les nombres. 4. Circuit selon la revendication 1, dans lequel, le signal à acquérir n'étant pas connu à l'avance, les seconds moyens comprennent un circuit (202) ayant une entrée recevant le signal, ce circuit (202) étant apte à déterminer la variation de pente du signal à acquérir et à calculer un nombre N fonction de cette variation, ce nombre N étant compris entre une valeur maximale (NmaX) correspondant à une variation minimale et une valeur minimale (Nmin) correspondant à une variation maximale, ce nombre variant de manière monotone entre ces deux valeurs maximale et minimale. 5. Circuit selon les revendications 2 et 4, dans lequel le circuit apte à déterminer la variation de pente du signal est apte à déterminer la variation dans le temps de l'amplitude des échantillons délivrés par le convertisseur analogique-numérique (6). 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel les premiers moyens (10) aptes à calculer la moyenne de N échantillons comprennent - un accumulateur (ACC) recevant les échantillons numériques du convertisseur analogique- numérique (6) et délivrant la somme (S) de N échantillons accumulés, cet accumulateur (ACC) étant pourvu d'une entrée de remise à zéro (RAZ), - un diviseur (DIV) relié à l'accumulateur (ACC), avec une entrée recevant le nombre N d'échantillons utilisés et une autre entrée recevant la somme (S) délivrée par l'accumulateur (ACC), ce diviseur délivrant le résultat (R) du calcul de moyenne, - un compteur binaire (CT) pourvu d'une entrée de prépositionnement (E) recevant le nombre N d'échantillons à accumuler et d'une entrée de synchronisation (CLK) reliée à l'horloge (H) et d'une sortie délivrant un signal (TC) appliqué à l'entrée de remise à zéro (RAZ) de l'accumulateur (ACC).