FR2730830A1 - Chronometrie electronique tres precise d'un evenement - Google Patents

Abstract

Un dispositif électronique comprend une horloge (1), des moyens (21), pulsés par l'horloge, pour effectuer une chronométrie primaire (CHR1) de l'événement, à une période d'horloge près, des moyens logiques (22) aménagés pour produire un créneau temporel dont le début coïncide avec l'événement et dont la fin intervient à la k-ième impulsion d'horloge après ce début, un circuit à constante de temps (3) comprenant un filtre (FPB) de caractéristiques choisies, destiné à recevoir ce créneau temporel, pour engendrer en réponse un signal électrique de durée fortement supérieure à celle du créneau temporel, et des moyens (4, 5) propres à opérer sur une partie choisie de la réponse du filtre pour mesurer une grandeur physique relative à ce signal électrique, et représentative de la durée du créneau temporel, permettant par là une chronométrie fine de l'événement.

Description

Chronométrie électronique très précise d'un événement.

L'un des aspects de la chronométrie est la datation d'un

événement par rapport à une référence de temps.

Réaliser électroniquement cette chronométrie est connu, mais devient particulièrement difficile lorsqu'une très grande précision est nécessaire, comme c'est le cas par exemple pour la chronométrie de l'arrivée de faisceaux laser, à des fins de mesure de distance, ou d'autres opérations fondées sur le

temps, comme la synchronisation d'horloges distantes.

On considère ici qu'un événement est une transition d'un signal électrique détectant l'arrivée du faisceau laser, d'un niveau bas à un niveau haut. Le point de départ de la

chronométrie est supposé connu.

Les fascicules-brevets FR-B-2 492 563 et plus particulière-

ment FR-B-2 493 553 ont décrit des solutions avec lesquelles la précision envisageable descend sous la nanoseconde, ainsi

que différentes applications o cette précision est souhai-

tée. La présente invention vise à faire mieux, notamment en descendant sous la centaine, ou mieux encore la dizaine de picosecondes. De façon connue, le dispositif proposé comprend: - une horloge formant référence de temps,

- des moyens pulsés par l'horloge, pour effectuer une chrono-

métrie primaire de l'événement, à une période d'horloge près, - des moyens logiques pour engendrer un créneau temporel, lié à l'écart temporel entre l'événement et une impulsion d'horloge de position connue par rapport à l'événement, - un circuit à constante de temps, recevant ce créneau temporel, pour engendrer en réponse un signal électrique de durée fortement supérieure à celle du créneau temporel, et - des moyens de mesure d'une grandeur physique relative à ce signal électrique, et représentative de la durée du créneau temporel, permettant par là une chronométrie secondaire de l'événement. D'après le document FR-B-2 493 553, le créneau temporel commence avec l'événement, et se termine avec l'impulsion d'horloge suivante. Le circuit à constante de temps est un

double intégrateur, utilisant la charge rapide d'un condensa-

teur pendant le créneau temporel, suivie d'une décharge lente. Le temps de décharge définit un second créneau temporel. Le circuit peut être aménagé pour que la durée du second créneau temporel soit augmentée selon une loi connue, sensiblement monotone, par rapport à la durée du premier créneau temporel (d'o l'étirement temporel). Un compteur secondaire mesure alors la durée du second créneau temporel, qui fournit la chronométrie secondaire fine de l'événement,

de préférence par rapport à la même horloge.

La présente invention vient proposer une meilleure solution.

Tout d'abord, les moyens logiques sont aménagés pour produire

un créneau temporel qui commence en un temps lié à l'événe-

ment et se termine en une impulsion d'horloge qui est au moins la seconde rencontrée après son début. En conséquence, la durée du créneau temporel devient supérieure ou égale à la période TO de l'horloge. Elle est comprise entre TO et

(k+l).TO, avec k au moins égal à 1.

Ensuite, le circuit à constante de temps est un filtre de caractéristiques choisies, possédant une constante de temps supérieure, en principe largement supérieure, à la durée

nominale du créneau temporel.

Enfin, les moyens de mesure opèrent sur une partie choisie de

la réponse du filtre au créneau temporel.

De préférence, le filtre est un filtre passe-bas, la partie choisie de sa réponse est au voisinage du maximum de cette réponse, et l'on a observé que l'amplitude de cette partie

est alors représentative de la durée du créneau temporel.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention

apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après,

ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est le schéma électrique simplifié d'un mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 est un schéma détaillé de l'unité logique 2 de la figure 1; la figure 3 illustre quatre diagrammes temporels qui se correspondent et sont utiles à la compréhension de la figure 1; - les figures 4A à 4C sont trois groupes de diagrammes temporels permettant de mieux comprendre la calibration du dispositif selon l'invention; - la figure 5 est un schéma de principe détaillé du groupe

d'éléments FPB, APO, et SB correspondant au mode de réalisa-

tion de la figure 1; et - la figure 6 est un diagramme temporel permettant de mieux comprendre le fonctionnement du dispositif selon l'invention,

à propos du schéma de la figure 5.

Les dessins annexés comportent de nombreux éléments de

caractère certain, qu'il est difficile de définir complète-

ment par le texte. En conséquence, ils font à ce titre partie

intégrante de la description, et pourront contribuer à la

définition de l'invention.

Il a déjà été indiqué que l'invention concerne la chronomé-

trie très fine. A l'échelle souhaitée, sous la nanoseconde, on ne va pouvoir dater un événement qu'à partir d'un instant de référence déterminé, mieux perceptible à l'homme que l'ordre de grandeur de la nanoseconde. Sur la figure 1, le circuit comporte une horloge 1 opérant à une fréquence F0 qui est par exemple de 200 MHz. Cette horloge est d'une stabilité convenable pour la précision désirée, ce qui est considéré ici comme accessible à l'homme du métier. Le signal délivré par cette horloge 1 sert de premier signal d'entrée à une unité 2 regroupant des circuits logiques. Cette unité 2 reçoit sur une seconde entrée EV, un second signal électrique, en échelon. Ce signal EV en échelon représente l'événement à dater. Cet échelon représente par exemple le temps de montée d'un photodétecteur recevant un

faisceau laser.

Dans un mode de réalisation particulièrement performant, la présente invention vise à atteindre une précision temporelle de 2 à 3 picosecondes en valeur moyenne quadratique (RMS), pour un signal électrique en échelon dont le temps de montée

est de 200 picosecondes.

Vue la précision recherchée, il convient d'utiliser des

circuits électroniques logiques qui commutent très rapide-

ment. A cet effet, les circuits logiques regroupés dans

l'unité 2 sont de technologie ECL.

Pour décrire plus en détail l'unité 2, on se réfère à la figure 2, sur laquelle les composants logiques schématisés

par des carrés sont de type "flip-flop".

Pour la raison déjà indiquée, il est procédé tout d'abord à un comptage primaire. A cet effet, la partie 21 de l'unité 2 comprend un compteur 210, recevant sur une première entrée CLK les impulsions de fréquence F0 et de période To = 1/F0, provenant de l'horloge 1. Le départ du comptage commence à un instant TRF, défini également par un signal en échelon ou une impulsion venant valider le compteur 210. Le comptage s'arrête au moment o un signal représentatif de l'échelon EV est appliqué à la seconde entrée PRE du compteur 210, après

avoir traversé les composants FF1, CL3, FF3 et FF2.

A un moment approprié, l'état du compteur est stocké, par exemple dans un registre 212, qui est propre alors à fournir un signal numérique CHR1, représentant la chronométrie primaire, en principe non ambiguë mais dont la précision est limitée par la période d'horloge To. Le mode de transfert de l'état du compteur 210 dans le registre 212 peut dépendre du fait que le compteur 210 est synchrone ou asynchrone. On trouvera à cet effet des indications dans FR-2 492 563, déjà cité. Ce qui vient d'être décrit correspond aux quatre premières lignes du chronogramme de la figure 3. Dans l'exemple illustré, l'échelon EV à dater (troisième ligne en partant du haut) intervient pendant le Nième état du compteur 210 à partir de l'instant de référence TRF. La valeur numérique CHR1 prélevée par la commande synchrone PRE et N ou N+1 selon

la réalisation de la partie 21.

L'unité logique 2 comprend également un étage 22, dont la fonction est d'engendrer un créneau temporel IMP(t) (plus précisément un signal électrique formant créneau temporel), lié à l'écart temporel entre l'événement EV et une impulsion

d'horloge de position connue par rapport à cet événement.

IMP(t) résulte d'une opération logique, effectuée par le composant logique CL1, entre l'échelon EV issu de FF1 et le

signal issu du troisième composant flip-flop FF3, représen-

tatif des impulsions d'horloge de position délivrées par l'horloge 1. IMP(t) est représenté sur la dernière ligne de

la figure 3.

Dans cet exemple, l'impulsion d'horloge de position connue

correspond à la N+2(ième) impulsion de l'horloge 1, c'est-à-

dire la seconde impulsion d'horloge qui suit l'échelon EV. On

obtient ainsi le créneau temporel, noté IMP(t).

Mais, FF3 délivre également sur une seconde sortie, un signal CDEO dont le front montant coïncide avec la fin du créneau temporel IMP(t). Cette impulsion CDEO est appliquée sur la première entrée ARM d'un circuit numérique de temporisation 228 propre à fournir un retard temporel TE, et dont la base de temps est le signal d'horloge 1 appliqué sur sa deuxième

entrée CLK, ce qui fournit en sortie du circuit de temporisa-

tion 228 un signal CDE qui servira à commander l'échan-

tillonnage de l'événement, lequel sera décrit plus loin.

Dès la génération du créneau IMP(t) par un échelon EV, la sortie Q de FF1 est maintenue à O grâce à la mémoire de FF2,

ceci ayant pour effet d'ignorer tous les échelons EV posté-

rieurs tant qu'une commande RESET=1 n'a pas été envoyée.

De préférence, l'unité 2 comporte encore un sous-ensemble 23, pour engendrer deux créneaux de calibration notés IMP1(t) et IMP2(t), respectivement de durée To et 2T0. Ce sous-ensemble

23 comprend plus particulièrement les deux composants flip-

flop FF4 et FF5, dont les sorties respectives sont couplées par un second composant logique CL2 qui délivre le résultat

de ses opérations logiques à FF3.

La synthèse des créneaux de calibration a lieu lorsque l'entrée EV est désactivée, c'est-à-dire après un créneau IMP(t) et avant la commande RESET=1 (les sorties Q de FF1 et FF2 sont alors à 0). Cette synthèse est commandée par un front montant du signal C_IMP et le choix de IMP1(t) ou de IMP2(t) dépend de l'état du signal 1/2: - si 1/2 = 1: la sortie Q de FF5 est maintenue à O et

IMP1(t) est généré par FF3, FF4, CL2 et CL3 via CL1.

- Si 1/2 = O: FF5 est active et le créneau double

IMP2(t) est généré par FF3, FF4, FF5, CL2 et CL3 via CL1.

Les signaux de commande CIMP, 1/2 et RESET sont issus d'un

microprocesseur 5 qui sera décrit plus loin.

Comme indiqué sur la figure 4, les créneaux IMP1(t) et IMP2(t) permettent de fournir un encadrement de la durée du

créneau IMP(t).

Ainsi, le signal en créneau IMP1(t) (figure 4B) correspond à la durée minimale de IMP(t), qui est la période T0 de l'horloge 1. Par ailleurs, le signal en créneau IMP2(t) (figure 4C) correspond à la durée maximale de IMP(t), qui est

la période 2T0.

Si l'on revient maintenant à la figure 1, les trois signaux IMP(t), IMP1(t) ou IMP2(t) sont disponibles sur la même voie, le séquencement étant géré par le microprocesseur 5 dont il

sera question plus loin.

Le créneau délivré à la sortie de l'unité logique ECL 2 est appliqué à un amplificateur APO, suivi d'un filtre passe-bas FPB, puis d'un circuit de mémorisation SB, lequel est de

préférence un échantillonneur-bloqueur ou un suiveur-blo-

queur. Ce filtre, cet amplificateur et ce circuit de mémorisation

sont décrits plus en détail sur la figure 5.

Les créneaux sont tout d'abord appliqués à un circuit de mise en forme 30, constitué d'un amplificateur écrêteur possédant

une sortie en courant. On utilise par exemple un amplifi-

cateur différentiel à transistors.

La sortie de l'étage 30 est appliquée à un premier étage de filtrage 31. Il comporte une résistance 310 de valeur R1, un

condensateur 311 de valeur C1, et un amplificateur 315.

L'amplificateur choisi dans cet exemple est un amplificateur opérationnel rapide et à faible bruit, comme le modèle AD811

de la Société ANALOG DEVICES.

Dans un mode de réalisation avantageux, la constante de temps t1 du circuit constitué des composants 310 et 311, formée par

le produit R1.C1, est choisie égale à environ 100 nanosecon-

des. La sortie de l'amplificateur 315 est appliquée à un second étage de filtrage 32 commençant par une résistance 320 de valeur R2, suivie d'un interrupteur à commutation rapide 321,

et d'un condensateur 322 de valeur C2, puis d'un amplifica-

teur 323. Cet amplificateur est réalisé de préférence à l'aide d'un amplificateur opérationnel rapide et à faible

bruit, muni d'entrées de type JFET.

La constante de temps r2 du circuit constitué des composants 320 et 322, formée par le produit R2.C2, est dans un mode de

réalisation avantageux choisie égale à environ 500 nanosecon-

des. Dans ce montage, on a placé la constante de temps la plus faible rt avant la constante de temps la plus forte t2, afin de réduire l'influence du bruit de l'amplificateur 315 sur la mesure de temps T.

On observe également que l'ensemble constitué de l'interrup-

teur 321 et du condensateur 322 (C2) définit le circuit de

mémorisation qui est, dans l'exemple illustré, un suiveur-

bloqueur qui va servir à fixer l'amplitude du signal à un moment défini par la commande CDE, après quoi l'amplitude pourra être mesurée par un convertisseur analogique-numérique 4, dont la sortie numérique est appliquée au microprocesseur 5. L'étage 30, non représenté sur la figure 1, translate les niveaux logiques ECL et procure une amélioration de la qualité des créneaux IMP(t), IMP1(t) et IMP2(t). Les étages 31 et 32 forment l'amplificateur APO, le filtre passe-bas FPB et le suiveurbloqueur SB de la figure 1. En fait dans le montage décrit, le filtre passe-bas comprend les deux étages

31 et 32, et donc il inclus le circuit suiveur-bloqueur.

Bien entendu, on pourrait utiliser un échantillonneur-

bloqueur à la place du suiveur-bloqueur, mais cela complique-

rait le montage.

Le rôle du montage illustré sur la figure 5, est de mémoriser les signaux à la sortie du filtre r2 à un instant choisi, afin de l'envoyer au convertisseur analogique-numérique 4. On

pourrait également utiliser un convertisseur analogique-

numérique de type FLASH qui ne nécessite pas une telle

mémorisation mais dont la résolution reste limitée.

Par ailleurs, certains convertisseurs analogiques-numériques possèdent déjà en interne un échantillonneur-bloqueur, ce qui pourrait simplifier le montage. Cependant, compte tenu de la précision requise, ceux-ci supportent difficilement la nature

impulsionnelle des signaux à traiter.

Le microprocesseur 5 assure la gestion de l'ensemble du dispositif. Il génère donc les signaux de commande RESET, CIMP et 1/2, ce qui lui permet d'être informé en permanence du fait que la mesure en cours, et donc le signal qu'il reçoit du convertisseur analogique-numérique 4, concerne soit un créneau IMP(t) correspondant à un véritable échelon EV, soit l'un ou l'autre des créneaux de calibration IMP1(t) et

IMP2(t).

On peut également munir l'unité logique 2 d'une sortie PEV destinée à prévenir le microprocesseur 5 de l'arrivée d'un

échelon EV.

Les figures 1 et 6 permettront de mieux comprendre le

mécanisme de fonctionnement du dispositif selon l'invention.

L'impulsion IMP(t) est très brève. Sa durée maximale est au plus égale à deux fois la période To de l'horloge 1, soit

Tmax= 10 nanosecondes (F0 = 200 Mhz).

La Demanderesse a observé que, lorsqu'on applique ainsi un créneau à un filtre passe-bas dont la constante de temps résultante est largement supérieure à la durée du créneau, le signal de sortie du filtre se rapproche de sa réponse dite "impulsionnelle", qui est considérablement étirée dans le temps, comme le fait apparaître la courbe tiretée V(t) de la figure 6. Dans le jargon du spécialiste, une réponse impul- sionnelle est obtenue lorsque le filtre reçoit en entrée un

signal dont la représentation mathématique peut être assimi-

lée à un "Dirac".

En outre, la Demanderesse a observé que, si l'on se place au voisinage du maximum de cette réponse V(T) (ou de l'un des maxima de cette réponse), l'amplitude du signal de sortie du filtre, existant à ce moment, constitue une représentation de

la durée du créneau IMP(t), et ceci d'une manière relati-

vement indépendante de la forme d'onde exacte de ce créneau.

En effet, il s'avère que, par un choix convenable de l'ins-

tant d'échantillonnage et des paramètres du filtrage, on peut obtenir un signal en sortie du filtre dont l'amplitude est

une fonction pratiquement linéaire.

Plus la constante de temps résultant du filtrage est grande devant la durée maximale du créneau applicable à l'entrée du

filtre, meilleure est la linéarité.

La linéarité peut être encore améliorée en utilisant un filtre à deux constantes de temps en cascade rt1 et r2, comme

décrit à propos de la figure 3.

Sur la figure 6, T représente la durée du créneau IMP(t), tandis que TE est égal au retard introduit par le circuit de temporisation 228 décrit en référence à la figure 2, lequel circuit 228 assure par le signal de commande CDE le pilotage de l'interrupteur I du suiveur- bloqueur SB, lequel permet l'échantillonnage. Dans le mode de réalisation décrit, l'intervalle de temps TE,

peut être choisi proche de 200 nanosecondes.

Apres l'obtention du signal mémorisé VH(t), on procède à sa conversion analogique-numérique à l'aide du convertisseur 4 qui est par exemple du type du modèle AD779 de la Société

ANALOG DEVICES.

Le même traitement est effectué sur les impulsions de calibration IMP1(t) et IMP2(t), ce qui permet d'obtenir les valeurs mesurées VH1(t) et VH2(t) de la réponse du filtre pour les créneaux temporels respectivement minimal et maximal

(To et 2T0).

Comme indiqué précédemment la sortie du convertisseur 4 est appliquée au microprocesseur 5, qui peut être par exemple du

type du modèle 87C51 de la Société INTEL.

Lorsqu'intervient un créneau IMP(t) à mesurer, la grande linéarité que l'on obtient par un choix convenable des constantes de temps du dispositif permet de calculer la durée associée à ce signal IMP(t) par interpolation entre celles qui correspondent à la valeur minimale IMP1(t) et à la valeur

maximale IMP2(t).

La Demanderesse a encore observé qu'il existe un effet du bruit de la mesure de la durée T. Pour réduire ce bruit, on répète M fois l'application des créneaux de calibration IMP1(t) et IMP2(t), et on détermine les valeurs moyennes pour chacun d'entre eux. Il a été observé que ces valeurs moyennes donnent des résultats satisfaisants dès lors que M est égal à 4, ou plus. Des

valeurs supérieures à 8 ne semblent pas apporter d'améliora-

tions supplémentaires significatives.

Cette opération de calibration peut s'effectuer de différen-

tes manières suivant les applications. On peut tout d'abord effectuer la calibration de temps à autre, voire seulement à la mise en service de l'appareil. Il est toutefois préférable d'effectuer la calibration à un instant le plus proche du temps réel, c'est-à-dire aussi près que possible de la mesure

T proprement dite. Ceci peut se faire avant la mesure propre-

ment dite, si le moment de celle-ci est prévisible, ou bien

après, notamment dans le cas contraire.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode

de réalisation décrit.

Tout d'abord, on pourra toujours rallonger la durée du créneau temporel IMP(t), c'est-à-dire qu'au lieu de se situer dans l'intervalle des durées qui va de T0 à 2T0, on peut

aller de 2T0 à 3T0 ou de 3T0 à 4T0.

Ensuite, bien que l'invention soit ici décrite avec usage de la réponse d'un filtre passe-bas, qui a notamment l'avantage de convenir particulièrement bien pour l'incorporation d'un suiveur-bloqueur, l'invention pourrait être mise en oeuvre en utilisant la réponse impulsionnelle d'autres types de

filtres, pourvu que leurs caractéristiques soient convena-

blement choisies.

Enfin, on peut également générer un troisième créneau de calibration de durée 3T0 afin d'effectuer une interpolation

parabolique permettant de minimiser l'effet des non-linéari-

tés résiduelles du deuxième ordre.

Claims (12)

Revendications

1. Dispositif électronique de chronométrie très précise d'un événement, du type comprenant: - une horloge (1), - des moyens (21), pulsés par l'horloge, pour effectuer une chronométrie primaire (CHR1) de l'événement, à une période d'horloge près,

- des moyens logiques (22) pour engendrer un créneau tempo-

rel, lié à l'écart temporel entre l'événement et une impul-

sion d'horloge de position connue par rapport à l'événement, - un circuit à constante de temps (3), recevant ce créneau temporel, pour engendrer en réponse un signal électrique de durée fortement supérieure à celle du créneau temporel, et - des moyens (4,5) de mesure d'une grandeur physique relative à ce signal électrique, et représentative de la durée du créneau temporel, permettant par là une chronométrie fine de l'événement, caractérisé en ce que les moyens logiques (22) sont aménagés pour produire un créneau temporel dont le début coïncide avec l'événement et dont la fin intervient à la k-ième impulsion d'horloge après ce début, avec k entier positif, en ce que le circuit à constante de temps (3) comprend un filtre (FPB) de caractéristiques choisies, et en ce que les moyens de mesure

(4,5) opèrent sur une partie choisie de la réponse du filtre.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre (FPB) possède une constante de temps supérieure à

la durée maximale du créneau temporel.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la constante de temps est au moins égale à 5 fois la durée

maximale du créneau temporel.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la constante de temps est au moins égale à 20 fois la durée

maximale du créneau temporel.

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caracté-

risé en ce que le filtre (FPB) est un filtre passe-bas, en ce que la partie choisie de sa réponse est au voisinage du maximum de cette réponse, et en ce que les moyens de mesure (4,5) opèrent sur l'amplitude de cette partie choisie, qui

est représentative de la durée du créneau temporel.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que

le filtre passe-bas (FPB) est à double constante de temps.

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caracté-

risé en ce qu'il comporte un organe de mémorisation (SB) commandé au bout d'un temps choisi, par rapport à l'impulsion

d'horloge qui marque la fin du créneau temporel.

8. Dispositif selon les revendications 6 et 7, prises en

combinaison, caractérisé en ce que le filtre passe-bas (FPB) comprend deux étages successifs (31,32) ayant respectivement les deux constantes de temps, et en ce que le second étage

(32) contient l'organe de mémorisation (SB).

9. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caracté-

risé en ce que l'organe de mémorisation (SB) est un suiveur-

bloqueur (321,322).

10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens (23) aptes à engendrer répétitivement des événements factices de

calibration, pour ladite mesure.

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que certains au moins des événements factices correspondent

aux durées maximale et minimale du premier créneau temporel.

12. Dispositif selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que chaque événement factice est répété M

fois, et en ce qu'une moyenne de ces événements factices M fois répétés est réalisée pour calibrer chaque mesure5 d'événement.