Dispositif de chronométrie ultra-rapide
L'invention a pour objet un dispositif de chronométrie ultra-rapide dans lequel la mesure de la durée de l'intervalle qui sépare deux impulsions incidentes effectuée en première approximation par le comptage du nombre d'impulsions d'horloge apparues entre les deux impulsions incidentes, est poussée à un degré de définition plus élevé par des dispositions complémentaires.
On connaît une méthode de mesure approchée de la durée' due l'intervalle qui sépare une première impulsion incidente dite de début d'une deuxième impulsion incidente dite de fin, consistant à remplacer l'intervalle à mesurer par l'intervalle d' < ( alignement compris entre la première impulsion d'horloge qui suit l'impulsion de début et la première impulsion d'horloge qui suit l'impulsion de fin, et à compter des impulsions d'horloge décalées d'environ une demi-période d'horloge entre ces deux impulsions d'alignement.
On compte ainsi à coup sûr le nombre de périodes d'horloge qui s'écoulent entre les impulsions incidentes.
La définition de la mesure est une période d'horloge, par exemple 10 ns avec une horloge à 100 MHz.
Le but de l'invention est d'augmenter la définition de la mesure au-delà de la durée d'une période d'horloge, par exemple à la définition de ions.
On connaît des dispositifs pour la mesure précise d'un intervalle de temps comportant le comptage d'impulsions (pas grossiers), corrigées des intervalles partiels de début et de fin (pas fins). Dans ces dispositifs le nombre d'impulsions espacées (pas grossiers) est commandé par une porte ET, I'action de vernier se produisant avant le choix du nombre de pas comptés à un près.
Dans ces conditions, dans les cas limites, on peut faire une erreur d'une unité sur le pas grossier.
On connaît également des dispositifs de vernier élaborés, mais ne fournissant pas, en même temps, de dispositif de comptage à pas grossiers, ce qui ne traite le problème qu'incomplètement.
Enfin, on connaît encore des dispositifs de mesure d'intervalles de temps à deux échelons (pas grossiers et pas fins), mais qui utilisent deux oscillateurs.
Le dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce qu'un même organe de mise en phase est connecté entre l'arrivée des impulsions incidentes d'une part et, d'autre part, I'organe de comptage de périodes d'horloge et l'organe de vernier, ce qui fait que tout risque d'erreur du compteur de périodes d'horloge est éliminé.
Les impulsions de début et de fin passant par les mêmes circuits, la dispersion des caractéristiques des composants et les dérives en température agissent de la même façon pour les deux impulsions: la précision obtenue est donc très bonne.
La description détaillée ci-dessous est un exemple de réalisation du dispositif, en se référant au dessin annexé, dans lequel:
La fig. la est un schéma synoptique d'une forme d'installation de chronométrie ultra-rapide à définition améliorée selon l'invention;
la fig. lb est un diagramme des temps aidant à comprendre le fonctionnement du dispositif de la fig. 1 ;
la fig. 2a est un schéma du dispositif de mise en phase ou alignement d'une impulsion incidente sur une impulsion d'horloge;
la fig. 2b est un diagramme des temps aidant à comprendre le fonctionnement du dispositif selon la fig. 2a;
la fig. 3 est un schéma d'une forme de réalisation d'un organe logique contenu dans la fig. la;
la fig. 4a est un schéma d'un dispositif de vernier;
la fig. 4b est un diagramme des temps aidant à comprendre le fonctionnement du dispositif selon la fig. 4a;
;
la fig. 5 est un schéma d'un dispositif de combinaison entre les informations de la mesure approximative et les mesures par vernier;
la fig. 6 est le schéma d'une variante adaptée en particulier à la mesure de temps très court.
Les fig. la et lb seront avantageusement consultées de compagnie. La fig. lb montre la forme des courants existant aux points du schéma de la fig. la repérés à gauche de chaque ligne de la fig. lb. Les lettres désignent à la fois des points de la fig. la et les courants en ces points.
Dans la fig. la, 11 est un organe de mélange sur lequel peut arriver par une entrée A une première impulsion incidente Ed dite de début, et peut arriver par une entrée B une deuxième impulsion incidente Ef dite de fin. 12 est un organe de seuil, l'époque d'apparition d'une impulsion étant prise par exemple comme l'instant où le front avant de l'impulsion dépasse le seuil fixé par l'organe 12. Une horloge 13 fournit des impulsions d'horloge espacées d'une période d'horloge P. Les deux impulsions incidentes ayant franchi le seuil arrivent en C dans un organe de mise en phase (ou d'alignement) 15 sur une impulsion d'horloge arrivant en D.
Le dispositif de mise en phase 15 sera décrit ci-dessous en connexion avec les fig. 2a et 2b. II sort en E deux impulsions d'alignement sur horloge E1, E2, qui sont appliquées à une logique 16, laquelle reçoit en M une impulsion d'horloge retardée d'une demi-période d'horloge P par un organe de retard 14 et qui engendre un créneau entre E1 et E2 (voir F dans la fig. Ib). Un compteur 17 compte les impulsions d'horloge retardées arrivant en G pendant un créneau F.
Entre les bornes d'entrée, C, et de sortie. E, de l'organe d'alignement 15, dont le schéma détaillé sera donné à la fig. 2a, est inséré un sous-ensemble de vernier 18 dont le schéma détaillé sera donné à la fig. 4a. Un dispositif d'aiguillage 20, commandé en H par un créneau retardé d'une durée ç par un organe 19, par rapport au créneau arrivant en F, provoque l'inscription des informations numériques fournies par le vernier 18 soit dans une mémoire dite de départ 21, par une entrée I, soit dans une mémoire dite d'arrêt 22 d'entrée J. La mémoire 21 a une sortie K, la mémoire 22 a une sortie L.
L'aiguillage de la mémoire 21 à la mémoire 22 a lieu un temps t après que le vernier a fonctionné, pour laisser aux circuits le temps de prendre un état stable.
Les informations contenues dans la mémoire 21, dans la mémoire 22 et dans le compteur 17 sont combinées dans un organe de combinaison et d'affichage 23 qui, notamment, effectue, par des moyens connus, la soustraction entre le contenu de 21 et le contenu de 22.
Les informations sont transmises de 17 à 23, et de 18 à 23 à travers 20, 21 et 22, en parallèle par des lignes multiples.
La fig. 2a est un schéma détaillé, donné comme exemple, de l'organe de mise en phase 15 de la fig. la.
I1 comporte un circuit de mise en forme 151 recevant en D les impulsions d'horloge, un circuit de mise en forme 152 recevant en C les impulsions incidentes transmises par le seuil (organe 12 de la fig. la), un circuit ET 153 qui reçoit les signaux de sortie des organes 151, 152, et un circuit de mise en forme 154 qui reçoit en Q un signal de sortie du circuit 153. Les impulsions envoyées au vernier 18 (voir fig. la) se trouvent en C' et E', qui remplacent les références C et E de la fig. la.
Les impulsions d'horloge de fréquence 1/P sont transformées en D' en impulsions fines. Une impulsion incidente arrivant en C est transformée en une impulsion
Z1, de durée comprise entre P et 2 P. De la sorte il y a toujours au moins une impulsion d'horloge pendant une impulsion Z; il peut y en avoir deux. La mise en forme effectuée par l'organe 154, fournissant une impul sion de durée Z2 Z,)Z1+P Z1 + P (l-E), OÙ E désigne une quantité petite devant 1, a un temps mort plus long que
P, ce qui fait qu'on n'obtient en E' qu'une seule impulsion de sortie.
On voit dans la fig. 2b une impulsion incidente Z1 mise en forme en C', des impulsions fines d'horloge en D': on voit que, dans l'exemple choisi, il y a deux impul- sions d'horloge Q pendant une impulsion Z1. La première des deux impulsions Q constitue le front avant d'une impulsion Z2, plus longue que Z1.
La fig. 3 présente schématiquement un exemple de réalisation de l'organe logique 16 de la fig. 1. Le vernier donne une définition p = P/N. Le plus souvent on prendra N = 10.
Dans la fig. 3, l'organe logique 16 comprend une bascule binaire 161 qui reçoit en E les impulsions alignées sur l'horloge sortant de l'organe 15, et une porte ET > y 162, qui reçoit sur une entrée un signal d'ouver- ture ou de fermeture transmis par la bascule 161, et sur une autre entrée les impulsions d'horloge sortant en M de l'organe 14 retardateur d'une demi-période d'horloge environ où elles arrivent en D en provenance de l'horloge 13 (voir fig. la).
Une impulsion alignée de début met un a 1 logique sur la sortie de la bascule 161, donc sur une entrée de la porte ET 162. L'impulsion alignée de fin qui suit ramène un 0 logique sur le circuit 162. La durée du créneau 1 > y est un intervalle de passage pour les im- pulsions d'horloge retardées arrivant en M sur le circuit 162 et transmises par lui en G au compteur 17.
On trouve en F le créneau 1 (voir fig. la).
La fig. 4a est un schéma détaillé du vernier 18 de la fig. la, donné à titre d'exemple. Il comporte N portes ET telles que 181 numérotées de 0 à N- 1, un inverseur 182 connecté au point E' de la fig. 2b, attaquant en W un distributeur 183 à N sorties dont chacune est connectée à une première entrée d'un des circuits ET 181.
Un 2me distributeur 184 a une entrée reliée au point C' (fig. 2a) et N sorties qui sortent par les bornes X,, Xi,... XN î par des circuits de retard 185, 185', d'ordre 0 à N-l, ces retards ayant respectivement les valeurs 0, p, 2p,... (N-l)p, avec p = P/N. La sortie de chaque organe de retard 185 attaque une autre entrée du circuit
ET 181 de même rang. La sortie de chaque circuit
ET 181 est connectée à un amplificateur 186, d'ordre respectif 0 à (N-l). Des amplificateurs 186 il sort N lignes transmettant N caractères binaires à l'aiguillage 20 (fig.
la).
La fig. 4b montre les formes de courant au point W, sortie de l'inverseur 182, et XO X1,... Xi 1, sorties des organes de retard 185. On voit que dans l'exemple choisi il y a coïncidence sur les sorties d'ordre 0, d'ordre 1 et d'ordre 2; ensuite il n'y a plus de coïncidence.
On a donc 1 à la sortie des trois premiers amplificateurs 186o, 1861, 1862, qui envoient des 1 (voir fig. la), à l'aiguillage 20. Par contre les amplificateurs d'ordre supérieur à 2, dans le cas de la figure, envoient des 0 .
La fig. 5 est un schéma qui montre un exemple de réalisation du dispositif 23 de la fig. la servant à la combinaison des informations numériques. Selon le schéma général de la fig. la, l'organe 23 effectue la différence entre les informations numériques disponibles en
K et L, et affecte le contenu du compteur 17 de la correction représentée par cette différence.
Un soustracteur est technologiquement un organe complexe. C'est pourquoi, à titre de perfectionnement du schéma général de la fig. la, on a prévu un dispositif de combinaison des informations numériques qui ne nécessite pas un tel soustracteur.
Le principe arithmétique du dispositif de la fig. 5 consiste à remplacer une soustraction telle que a. 10-1 - b. 10-1 (a et b entiers) par une opération: a. 10-i + (1 - b. 10-1) qui est une addition. Cette opération ajoute un 1 parasite dans le résultat. qui doit être ajouté à un résultat de comptage contenu dans le compteur 17. Pour éliminer cette erreur, on retarde d'une période d'horloge le début du créneau d'ouverture du comptage, ce qui diminue d'une unité le contenu du compteur 17. On n'a plus alors qu'à faire des additions pour combiner les informations numériques.
Dans la fig. 5, où les mêmes références ont la même signification que dans la fig. la, les impulsions alignées sur l'horloge, en E, sont appliquées en parallèle à une bascule binaire 31 et à deux portes ET 32, 33, dont l'une, 32, a une entrée connectée à une sortie T de la bascule, et l'autre 33, a une entrée connectée à la sortie
T de la bascule. Une bascule bistable 35 a une entrée connectée directement à la sortie de la porte 33 et une entrée connectée à la sortie de la porte 32 à travers un circuit de retard 34 de valeur P (soit une période d'horloge). Par une de ses sorties, la bascule bistable 35 commande l'ouverture d'une porte < ( ET 36, qui reçoit sur une autre entrée les impulsions d'horloge M retardées de P/2 par l'organe 14.
Les impulsions d'horloge retardées de P/2 transmises par la porte ET 36 sont reçues dans une porte OU 43 qui les transmet au compteur 17.
Le dispositif d'aiguillage 20, qui reçoit les informations du vernier 18, les envoie soit en I sur la mémoire 21, soit en J sur un inverseur 39 sous la commande d'un créneau arrivant en H, retardé d'un temps T par l'organe 19 qui a son entrée connectée à une sortie de la bascule 31, soit T.
Les deux mémoires 21 et 22 sont constituées sous forme de registres à décalage en série. La mémoire 21 reçoit les informations I, correspondant à la subdivision d'une période d'horloge entre une impulsion incidente de début et l'impulsion alignée de début. La mémoire 22 reçoit les informations J, complément des informations
J correspondant à la subdivision d'une période d'horloge entre une impulsion incidente de fin et l'impulsion alignée de fin.
Sous la commande d'une impulsion sortant de la porte 33, transmise par une bascule monostable 41, une horloge auxiliaire 40 envoie des impulsions sur une ligne d'avance 40' qui fait passer les informations de la mémoire 21 dans la mémoire 22. Quand la mémoire 21 est entièrement vidée, les impulsions d'avance qui peuvent continuer à arriver jusqu'à la retombée de la bascule monostable 41, sont sans effet.
Une commande de remise à zéro 37 met la mémoire 21 à zéro avant transfert des informations I; derrière un inverseur 38, le complément de cette commande met à 1 les bascules de la mémoire 22.
Les informations sortant de la mémoire 22 sont appliquées à un compteur auxiliaire 42, de capacité N-l, soit 9 pour le cas fréquent où N = 10. Le compteur auxiliaire 42 est connecté d'une part au circuit OU 43, d'autre part il envoie ses informations à un circuit OU 44, qui reçoit par ailleurs les informations du compteur 17.
La partie inférieure du schéma constitue un ensemble
Y raccordé à la partie supérieure aux points Y > , Y2, Y, Y4.
Le fonctionnement est le suivant:
La mémoire 21, qui contient initialement des 0, recevant les informations I, la mémoire 22, qui contient initialement des 1, recevant les informations J, et les informations I étant transférées dans 22, il se forme dans 22 la somme I + (1-J). Le 1 parasite introduit par cette opération est effacé par le retard P du circuit 34.
La correction résultante appliquée au compteur auxiliaire 42 peut dépasser la capacité de ce compteur auxiliaire: dans ce cas il envoie dans le circuit OU 43 une impulsion qui s'ajoute aux impulsions d'horloge transmises par 36 au compteur 17. La correction finale, c'està-dire décimale pure (dans le cas où N = 10) est combinée dans le circuit 44 avec le nombre affiché par le compteur 17. Le résultat de la combinaison est inscrit dans un organe 45, compteur totalisateur.
Les circuits de mise en phase et de vernier nécessitent un temps minimal pour fonctionner. Si l'intervalle à mesurer est plus court que ce temps minimal, le dispositif ci-dessus est en défaut. Pour remédier à cette situation, on a prévu une variante selon laquelle on ajoute systématiquement un retard kP, où k est une constante et P la période d'horloge, à l'impulsion incidente de fin. Les circuits de mise en phase et de vernier peuvent alors fonctionner correctement. Pour compenser ce retard, on introduit un retard égal sur impulsion de début juste avant comptage.
Cette disposition est représentée dans la fig. 6, où les mêmes références ont même signification que dans les figures précédentes. Elle représente une portion du dispositif, qui se raccorde à l'ensemble Y par les points Yt, Y2, Y3. Y4.
Par rapport à la fig. 5, les différences sont les suivantes:
- Un circuit de retard 51, d'une durée kP a été introduit sur le trajet de l'impulsion incidente de fin avant alignement.
Un circuit de retard 52 d'une durée kP, a été introduit sur le trajet de l'impulsion de début après alignement.
Les deux circuits de retard 51 et 52 ont la même durée nominale mais ils ne nécessitent pas la même précision.
En effet, le retard 51 affecte la durée de l'intervalle à mesurer à la définition du vernier. Sa précision devra donc être nettement meilleure que la définition du vernier. Par contre, le retard 52 affecte la définition du comptage. Par exemple, pour des impulsions d'horloge à cadence de 100MHz, la définition du comptage est de IOns, la définition du vernier est de 1 ns, avec
N = 10. La précision du retard 51 sera prise par exemple égale à 0,5 ns, la précision du retard 52 égale à 2 ns.
La durée de l'intervalle à mesurer peut atteindre, par exemple 1 seconde, ce qui, avec des impulsions d'horloge espacées de IOns, conduit à un compteur 17 à 8 décades.