EP0165144A1 - Electronic high-resolution chronometric system - Google Patents
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- EP0165144A1 EP0165144A1 EP85400976A EP85400976A EP0165144A1 EP 0165144 A1 EP0165144 A1 EP 0165144A1 EP 85400976 A EP85400976 A EP 85400976A EP 85400976 A EP85400976 A EP 85400976A EP 0165144 A1 EP0165144 A1 EP 0165144A1
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- G04—HOROLOGY
- G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
- G04F10/00—Apparatus for measuring unknown time intervals by electric means
- G04F10/10—Apparatus for measuring unknown time intervals by electric means by measuring electric or magnetic quantities changing in proportion to time
Definitions
- the present invention relates to an electronic chronometry system including the time measurement method and the corresponding chronometer apparatus.
- the invention is addressed, in this technical field, to measurement systems having a high resolution, better than 100 picoseconds.
- Electronic chronometers for non-repetitive phenomena which measure the time interval between a start pulse and a stop pulse, very often proceed by counting the periods of a clock with a well-known frequency.
- this time base circuit is formed using a quartz oscillator of high stability compensated in temperature.
- the time T to be measured is then equal to N. T to within + T / 2, T being the clock period, N being the number present in the counter which is started by the start pulse and stopped by the pulse stop.
- the stop pulse causes this linear variation to block.
- the quantification of time can be done in several possible ways.
- One of the most used is the multiplication of time t by a factor K, the time Kt being measured by the method already mentioned of clock counting.
- the phase between the starting pulse and the clock being a priori arbitrary, the time T1 will be between 0 and T.
- the voltage V (Tl) is then converted into the form of an expanded time as indicated above and is digitized (time expansion and analog-digital conversion).
- the stop pulse in turn causes a ramp to start; like the start pulse, it is stopped by the first clock pulse which follows after a time T2.
- the stop pulse only blocks the main counter after taking this same clock pulse into account.
- the counter indicates N.
- the measured time is then given by: T being the clock period, Tl * and T2 * then being the quantized values of Tl and T2.
- the quantum is equal to T / K.
- the ramp stops are produced on the second pulse following (or on the second edge of given direction, said active front, by a clock signal formed by pulses of a certain width, the verniers work in a time domain between T and 2 ⁇ , the principle of measurement remains unchanged.
- An object of the invention is to overcome these limitations by using a method which makes it possible to compensate for the defects resulting from the non-linearity and, in so doing, to correct the measurement; the resolution reached is less than 50 picoseconds.
- an electronic timekeeping system using, for measuring a duration T between a starting instant tl and a stopping instant t2, fine counting means of the vernier ramp type with time expansion to measure the duration Tl between the instant tl and a subsequent edge of a clock signal and the duration T2 between the instant t2 and a subsequent edge of the clock, and large counting means for counting the number N of clock periods of duration T between said edges.
- the system is characterized in that it further comprises means for compensating for errors of non-linearity of the ramp in order to determine, in magnitude and in sign, whatever the duration T to be measured, the corrective term to be applied for obtaining the corrected measurement, said corrective term being determined during a calibration cycle as a function of the parameters Tl and (Tl - T2) measured.
- the main means constituting the system appear on the functional diagram of FIG. 1. They already include, according to the aforementioned prior art, a time base circuit called clock 1 to produce a clock signal SH, a main counter circuit 2 for perform the rough measurement, and ramp circuits 3 and 4 to perform the fine measurement.
- a time base circuit called clock 1 to produce a clock signal SH
- main counter circuit 2 for perform the rough measurement
- ramp circuits 3 and 4 to perform the fine measurement.
- FIG. 2 shows the corresponding essential signals: a clock signal SH of a determined stable period T , the pulses SI and S2 which represent the start and stop times of the duration T to be measured, and the ramps SR1 and SR2 of duration Tl and T2 respectively.
- the duration T is given by N T + (T1-T2), N being the large count and Tl and T2 the fine values obtained with temporal expansion.
- the falling edge of the clock SH is the active edge.
- the values N, T1 and T2 obtained are transmitted in digital form to a management and calculation processor 5 which may consist of a microprocessor with associated read and write memories and interface circuits.
- Circuit 5 calculates the time phase AT of duration T with respect to the clock signal, this phase being constituted by the value (Tl - T2) representing the fine measurement which exceeds the integer number N of clock periods.
- the other circuits shown consist of a programmable delay generator 6 and a switching circuit 7 and are used to perform the calibration.
- the processor circuit 5 controls the generator 6 to produce local signals S10 and 520, and the switch 7 to transmit these signals to the verniers 3 and 4 in place of the actual measurement signals S1 and S2.
- the programming of circuit 5 is done to control at least one series of measurements with a constant delay (t2-tl) between signals S10 and S20 and by varying the start time each time, i.e. the phase time of S10, with respect to the clock SH.
- the constant delay is produced by the circuit 6 by means, for example, of an assembly of temperature compensated delay lines.
- a complete calibration cycle will comprise several series of measurements so as to also traverse the range of variation ⁇ of the delay by modifying its value from one series of measurements to the next.
- FIG. 4 is a diagram corresponding to the previous one but transposed to the time T measured by the vernier as a function of the real time T R.
- the difference in charge dV variable as a function of the operating point and therefore of the parameter Tl which corresponds to the time phase of the instant t l is replaced there by the time difference on the measurement of Tl, (and of T2 for the other vernier).
- the shape of the variation in Tm is similar to that of the ramp.
- T being the range of variation of Tl (and T2)
- Tm T R
- the curve Tm therefore repeats for time to be measured modulo T, that is to say of period ⁇ .
- a series of measurements is produced with (t 2 -t 1 ) equal to a constant value of R and by varying the phase t 1 to traverse the range 0 -T in a uniform manner.
- the number of samples per slice is equal, or substantially, and the average value Tmj of these samples is determined which will characterize this slice.
- Average values Tm l to Tmp above are calculated for the measured Tl parameter.
- the stop vernier provides a measured T2 value, similarly called T2m.
- the fine count value (T lm - T 2m ) therefore corresponds to the theoretical value (Tl - T2) affected by the measurement error dm.
- L be the number of measurement series; we denote by R1, R2, ... R k , ... R L the L values of R used.
- R1, R2, ... R k the L values of R used.
- the delay generator 6 can be equipped with delay devices connected in series to give successive steps ⁇ / L.
- the table in figure 9 shows the values finally memorized in the random access memories of processor 5.
- Tlm measured by the starting vernier 3 indicates the section j to be assigned, to which now corresponds either 1 but L values dm 1j to dm Lj as a function of the phase ⁇ T of the time T to be measured.
- the corresponding calculated value Tlm-T2m defines the channel k to be assigned and it is therefore possible to extract the corrective term dm kj to be applied for the measurement and to obtain the corrected quantity which corresponds very substantially to the real quantity of T.
- the complete calibration cycle will include 8000 measurements for the case considered.
- the number of slices will be quantitatively determined, depending on whether the 'we are able to carry out a greater or lesser number of measurements and depending on the fineness of the correction to which we want to achieve.
- Random triggering of the measurement can be produced in various ways; one of them consists in producing at the microprocessor a second local clock of frequency different from that very stable SH delivered by the circuit 1, the frequencies being chosen in an irrational ratio, so that the phase presented by the front active of this local clock with respect to that of reference SH is arbitrary, practically changing value each time.
- This local clock thus gives successive values T1 varying randomly.
- the processor circuit 5 will have to temporarily store the values T1 and T2 measured by the verniers before proceeding with a classification in ascending order of the values T1 measured to then determine the means T1. slice by slice. Care should be taken to ensure that the Tl and T2 values of the same measurement are followed during these operations so as to find in each slice ( Figure 7) the values (TI-T2), called ⁇ R, measured and corresponding to the Tl values of this section so that the determination of the mean deviation dmj retains its full meaning.
- the chronometer apparatus proposed puts into practice the process which has just been described using the processor circuit 5 programmed to perform the various calculations and to control during the calibration the switching of the switches 7 to connect the outputs S10 and S20 of generator 6 on the vernier circuits in place of the inputs SI and S2; it also controls the generator circuit 6 to produce the desired series of measurements.
- Circuit 6 produces a start pulse S 10 and a stop pulse S2 0 whose delay; by compared to the start pulse, is low noise (that is to say practically without fluctuations) and is programmable over a space of time substantially equal to ⁇ .
- the vernier circuit 3 comprises a threshold comparator 31 which produces reshaping of the input pulse S1 or S10; the following circuit 32 is a bistable flip-flop, the change of state of which will control, through a gate circuit 33 and a diode 34, the linear charge of the capacitor 35.
- the clock signal SH then controls, via the circuit 36 consisting of rocker circuits and via the gate circuit 37 followed by the diode 38, the discharge of the capacitor 35.
- the circuits 39 and 40 represent amplifiers.
- the start of the charge and the end of the discharge are respectively determined to obtain the desired expansion coefficient, for example 400 Tl, thanks to the threshold comparator 41 at the output which causes the circuit 32 to switch back to the initial position.
- the counter 42 performs the measurement of the total duration of charge and discharge and this information, measured in number of clock periods SH is transferred to the processor 5 which calculates the corresponding duration T1.
- the stop vernier 4 is similarly constructed to allow T2 to be calculated.
- the processor circuit 5 is represented in a conventional structure with a microprocessor 51, input 52 and output interface circuits 53, read-only memories 54 and read-only memories 55 and the control buses C, of addressing A and of data D.
- a microprocessor 51 input 52 and output interface circuits 53, read-only memories 54 and read-only memories 55 and the control buses C, of addressing A and of data D.
- the organization of living memories 55 we considered an organization. corresponding to that of FIG. 9 at L addressing lines according to the channel and P addressing columns according to the section, to store the different measurement deviations dm kj .
- processor 5 The programming of processor 5 is made to accomplish the various successive phases of the method which has been previously described. This technique responds to known, relatively simple measurements, which do not require the software to be reported here in more detail. The result of the measurement after correction is transmitted to an annex 10 operating unit.
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Abstract
Système permettant d'accroître la précision de la mesure en corrigeant la non-linéarité des circuits verniers à rampe et à expansion tamporelle (3-4) utilisés pour la mesure fine. Un compteur principal (2) effectue le comptage gros du nombre entier de périodes d'horloge (SH, 1) et les verniers (3-4) les mesures fines restantes comprises entre un instant de départ (S1) et un instant d'arrêt (S2). La compensation est obtenue par un générateur de retard, programmable (6) commandé par un circuit processeur (5) pour produire localement (S10, S20) durant une phase d'étalonnge au moins une série de mesures reproduisant des instants de départ et d'arrêt avec la même phase temporelle relative constante mais en faisant varier la phase de départ par rapport à l'horloge pour couvrir la plage de variation et permettre le calcul des écarts moyens de non-linéarité de chaque rampe.System to increase the accuracy of the measurement by correcting the non-linearity of the vernier ramp and buffer expansion circuits (3-4) used for fine measurement. A main counter (2) counts roughly the whole number of clock periods (SH, 1) and the verniers (3-4) the remaining fine measurements between a start time (S1) and a stop time (S2). Compensation is obtained by a programmable delay generator (6) controlled by a processor circuit (5) to produce locally (S10, S20) during a calibration phase at least one series of measurements reproducing start and end times. stop with the same constant relative time phase but by varying the starting phase with respect to the clock to cover the range of variation and allow the calculation of the average deviations of non-linearity of each ramp.
Description
La présente invention concerne un système de chronométrie électronique englobant le procédé de mesure de temps et l'appareil chronomètre correspondant. L'invention s'adresse, dans ce domaine technique, aux systèmes de mesure présentant une résolution importante, meilleure que 100 picosecondes.The present invention relates to an electronic chronometry system including the time measurement method and the corresponding chronometer apparatus. The invention is addressed, in this technical field, to measurement systems having a high resolution, better than 100 picoseconds.
Les chronomètres électroniques pour phénomènes non répétitifs, qui mesurent l'intervalle de temps entre une impulsion de départ et une impulsion d'arrêt, procèdent très souvent par comptage de périodes d'une horloge à fréquence bien connue. En général, ce circuit de base de temps est constitué à l'aide d'un oscillateur à quartz de haute stabilité compensé en température. Le temps T à mesurer est alors égal à N. T à + T /2 près,T étant la période d'horloge, N étant le nombre présent dans le compteur qui est déclenché par l'impulsion de départ et arrêté par l'impulsion d'arrêt.Electronic chronometers for non-repetitive phenomena, which measure the time interval between a start pulse and a stop pulse, very often proceed by counting the periods of a clock with a well-known frequency. In general, this time base circuit is formed using a quartz oscillator of high stability compensated in temperature. The time T to be measured is then equal to N. T to within + T / 2, T being the clock period, N being the number present in the counter which is started by the start pulse and stopped by the pulse stop.
Lorsque l'on veut une résolution de mesure de l'ordre de quelques centaines de picosecondes, ou moins, la résolution temporelle des compteurs électroniques n'est plus suffisante, et l'on utilise généralement la technique de la conversion temps-amplitude. L'impulsion de départ provoque le démarrage d'une dent de scie ou rampe qui s'exprime par une tension de la forme V = kT où k est une constante. L'impulsion d'arrêt provoque le blocage de cette variation linéaire.When a measurement resolution of the order of a few hundred picoseconds or less is desired, the temporal resolution of the electronic counters is no longer sufficient, and the technique of time-amplitude conversion is generally used. The starting pulse causes the start of a sawtooth or ramp which is expressed by a voltage of the form V = kT where k is a constant. The stop pulse causes this linear variation to block.
La quantification du temps peut se faire de plusieurs manières possibles. L'une des plus usitées est la multiplication du temps t par un facteur K, le temps Kt étant mesuré par la méthode déjà évoquée du comptage d'horloge.The quantification of time can be done in several possible ways. One of the most used is the multiplication of time t by a factor K, the time Kt being measured by the method already mentioned of clock counting.
Pour obtenir ce coefficient de multiplication, la rampe est réalisée par la charge d'une capacité C par un courant constant 1 (V = It/C, tension aux bornes de la capacité). Celle-ci est ensuite déchargée par un courant également constant et de valeur i bien déterminée donnée par i = I/(K-1) ce qui donne une durée globale Kt pour la charge plus la décharge. On produit ainsi une expansion par K du temps de charge pour la mesure, la résolution étant égale alors à τ/K.To obtain this multiplication coefficient, the ramp is made by charging a capacitor C with a constant current 1 (V = It / C, voltage across the capacitors). This is then discharged by an equally constant current with a well-defined value i given by i = I / (K-1), which gives an overall duration Kt for the charge plus the discharge. An expansion by K of the charging time for the measurement is thus produced, the resolution then being equal to τ / K.
Il est certain que la précision relative du chronomètre à rampe, pour des temps importants, est inférieure à celle des chronomètres à comptage. Aussi, lorsque l'on doit mesurer des temps longs avec une quantification de l'ordre de quelques centaines de picosecondes ou moins, procède-t-on par association d'un comptage de périodes d'horloge, dit comptage principal, et de verniers à rampe. Cette technique est décrite notamment dans l'article de Ronald NUTT intitulé "Digital Time Intervalometer", paru dans The Review of Scientific Instruments volume 39, Number 9, de septembre 1968, pages 1342-1345. Le processus que l'on rappelle succinctement est le suivant :
- L'impulsion de départ provoque le démarrage d'une tension en forme de rampe V (t) qui est arrêtée, au bout d'un temps TI, par la première impulsion d'horloge qui suit.
- The starting pulse causes the start of a ramp-shaped voltage V (t) which is stopped, after a time TI, by the first clock pulse which follows.
La phase entre l'impulsion de départ et l'horloge étant à priori quelconque, le temps Tl sera compris entre 0 et T .The phase between the starting pulse and the clock being a priori arbitrary, the time T1 will be between 0 and T.
La tension V (Tl) est ensuite convertie sous la forme d'un temps dilaté comme indiqué précédemment et est numérisée (expansion de temps et conversion analogique-numérique).The voltage V (Tl) is then converted into the form of an expanded time as indicated above and is digitized (time expansion and analog-digital conversion).
L'impulsion d'arrêt provoque à son tour le démarrage d'une rampe ; comme l'impulsion de départ, elle est arrêtée par la première impulsion d'horloge qui suit au bout d'un temps T2. L'impulsion d'arrêt ne bloque le compteur principal qu'après la prise en compte de cette même impulsion d'horloge. Le compteur indique N. Le temps mesuré est alors donné par :
Pour éviter des incertitudes résultant de coïncidences fortuites des instants départ et arrêt avec l'horloge, et éviter les cas d'ambiguïté correspondants, les arrêts de rampe sont produits sur la deuxième impulsion qui suit (ou sur le deuxième front de sens donné, dit front actif, par un signal d'horloge formé d'impulsions d'une certaine largeur. Les verniers travaillent ainsi dans un domaine de temps compris entre T et 2τ. Le principe de la mesure demeure inchangé.To avoid uncertainties resulting from accidental coincidences of the start and stop times with the clock, and to avoid the corresponding cases of ambiguity, the ramp stops are produced on the second pulse following (or on the second edge of given direction, said active front, by a clock signal formed by pulses of a certain width, the verniers work in a time domain between T and 2τ, the principle of measurement remains unchanged.
Lorsque l'on veut obtenir des résolutions temporelles très fines, le caractère de linéarité de la dent de scie, et de la numérisation associée, prend une grande importance et il n'est guère possible de descendre au-dessous d'une centaine de picosecondes.When one wants to obtain very fine temporal resolutions, the character of linearity of the sawtooth, and of the associated digitization, takes a great importance and it is hardly possible to go below a hundred picoseconds .
Un but de l'invention est de s'affranchir de ces limitations en utilisant un procédé qui permet de compenser les défauts résultants de la non-linéarité et, ce faisant, de corriger la mesure ; la résolution atteinte est inférieure à 50 picosecondes.An object of the invention is to overcome these limitations by using a method which makes it possible to compensate for the defects resulting from the non-linearity and, in so doing, to correct the measurement; the resolution reached is less than 50 picoseconds.
Suivant un objet de l'invention, ce but a pu être atteint en fondant le procédé sur les remarques suivantes :
- - l'erreur de mesure due à la non-linéarité des rampes porte sur le terme (T1-T2) dans l'expression de T, corespondant à la mesure fine des verniers. Ce terme varie dans la
page 0 à T d'une période d'horloge (au delà, il constitue un increment qui est pris en compte par le comptage gros) et représente la phase temporelle de la durée T par rapport à l'horloge. Pour une durée T donnée, la valeur de cette phase temporelle va varier en fonction de celle de l'instant de départ tl étant donné, a priori, que l'écart de rampe varie d'un point de fonctionnement à un autre ; - - en conséquence, si l'on fait varier durant un cycle d'étalonnage l'instant de départ tl dans sa plage de variation égale à la période T d'horloge, tout en gardant constant l'intervalle de temps entre cet instant et celui d'arrêt t2, on peut produire une série de mesures entachées chacune de l'erreur de mesure liée à la phase de départ tl (la précision de l'étalonnage est fonction du nombre de . valeurs sélectionnées dans la plage considérée). On peut ainsi dresser un tableau donnant l'erreur de mesure en fonction du paramètre Tl mesuré par la rampe. Pour s'affranchir des variations liées au deuxième paramètre T2 dans l'expression (Tl - T2), on effectuera de préférence plusieurs séries de mesures en faisant varier la durée T en sorte que sa phase parcourt également la plage 0 - T . En relevant ensuite les résultats de mesure en fonction de Tl et de (Tl -T2) on peut ainsi dresser un tableau à deux entrées et corriger toute mesure de T du terme d'erreur qui lui correspond.
- - the measurement error due to the non-linearity of the ramps relates to the term (T1-T2) in the expression of T, corresponding to the fine measurement of the verniers. This term varies in
page 0 to T of a clock period (beyond, it constitutes an increment which is taken into account by the large counting) and represents the time phase of the duration T with respect to the clock. For a given duration T, the value of this time phase will vary as a function of that of the starting instant tl given, a priori, that the ramp deviation varies from one operating point to another; - - consequently, if the starting time tl is varied during a calibration cycle within its range of variation equal to the clock period T , while keeping constant the time interval between this instant and that of stopping t2, one can produce a series of measurements each marred by the measurement error linked to the starting phase tl (the precision of the calibration is a function of the number of values selected in the range considered). It is thus possible to draw up a table giving the measurement error as a function of the parameter Tl measured by the ramp. To overcome variations linked to the second parameter T2 in the expression (Tl - T2), several series of measurements will preferably be carried out by varying the duration T so that its phase also covers the range 0 - T. By then reading the measurement results as a function of Tl and of (Tl -T2) we can thus draw up a table with two inputs and correct any measurement of T by the error term which corresponds to it.
Conformément à la présente invention, il est proposé de réaliser un système de chronomètrie électronique utilisant, pour mesurer une durée T entre un instant de départ tl et un instant d'arrêt t2, des moyens de comptage fin du type vernier à rampe avec expansion temporelle pour mesurer la durée Tl entre l'instant tl et un front ultérieur d'un signal d'horloge et la durée T2 entre l'instant t2 et un front ultérieur d'horloge, et des moyens de comptage gros pour compter le nombre N de périodes d'horloge de durée T entre lesdits fronts. Le système est caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens de compensation des erreurs de non-linéarité de rampe pour déterminer, en grandeur et en signe, quelle que soit la durée T à mesurer, le terme correctif à appliquer pour obtenir la mesure corrigée, ledit terme correctif étant déterminé au cours d'un cycle d'étalonnage en fonction des paramètres Tl et (Tl - T2) mesurés.In accordance with the present invention, it is proposed to produce an electronic timekeeping system using, for measuring a duration T between a starting instant tl and a stopping instant t2, fine counting means of the vernier ramp type with time expansion to measure the duration Tl between the instant tl and a subsequent edge of a clock signal and the duration T2 between the instant t2 and a subsequent edge of the clock, and large counting means for counting the number N of clock periods of duration T between said edges. The system is characterized in that it further comprises means for compensating for errors of non-linearity of the ramp in order to determine, in magnitude and in sign, whatever the duration T to be measured, the corrective term to be applied for obtaining the corrected measurement, said corrective term being determined during a calibration cycle as a function of the parameters Tl and (Tl - T2) measured.
Les particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description qui suit ; des exemples de réalisations et d'applications sont donnés à l'aide des figures annexées qui représentent :
- - la figure 1, un diagramme général d'un système de chronométrie électronique conforme à l'invention ;
- - la figure 2, des formes d'ondes relatives au fonctionnement du système selon la figure 1 ;
- - les figures 3 à 8 des courbes de variation illustrant le procédé mis en oeuvre pour compenser les erreurs de mesure résultant de la non linéarité des circuits verniers à rampe ;
- - la figure 9, les relevés d'talonnage effectués conformément à l'invention pour déterminer un tableau des valeurs de compensation ; et
- - la figure 10 , un schéma d'un exemple de réalisation d'un système de chronométrie selon l'invention.
- - Figure 1, a general diagram of an electronic chronometry system according to the invention;
- - Figure 2, waveforms relating to the operation of the system according to Figure 1;
- - Figures 3 to 8 of the variation curves illustrating the process used to compensate for measurement errors resulting from the non-linearity of the vernier ramp circuits;
- - Figure 9, the calibration readings made in accordance with the invention to determine a table of compensation values; and
- - Figure 10, a diagram of an exemplary embodiment of a chronometry system according to the invention.
Les moyens principaux constituant le système apparaissent sur le diagramme fonctionnel de la figure 1. Ils comprennent déjà, selon la technique antérieure précitée, un circuit de base de temps dit horloge 1 pour produire un signal d'horloge SH, un circuit compteur principal 2 pour effectuer la mesure grossière, et des circuits verniers à rampe 3 et 4 pour effectuer la mesure fine.The main means constituting the system appear on the functional diagram of FIG. 1. They already include, according to the aforementioned prior art, a time base circuit called
La figure 2 montre les signaux essentiels correspondants : un signal d'horloge SH de période stable déterminée T , les impulsions SI et S2 qui représentent l'instant de départ et celui d'arrêt de la durée T à mesurer, et les rampes SR1 et SR2 de durée Tl et T2 respectivement. La durée T est donnée par N T+ (T1-T2) , N étant le comptage gros et Tl et T2 les valeurs fines obtenues avec expansion temporelle. Dans l'exemple représenté, le front descendant de l'horloge SH est le front actif.FIG. 2 shows the corresponding essential signals: a clock signal SH of a determined stable period T , the pulses SI and S2 which represent the start and stop times of the duration T to be measured, and the ramps SR1 and SR2 of duration Tl and T2 respectively. The duration T is given by N T + (T1-T2), N being the large count and Tl and T2 the fine values obtained with temporal expansion. In the example shown, the falling edge of the clock SH is the active edge.
Conformément à l'invention, les valeurs N, Tl et T2 obtenues sont transmises sous forme numérique à un processeur de gestion et de calcul 5 qui peut consister en un microprocesseur avec des mémoires vives et mortes associées et des circuits d'interface. Le circuit 5 calcule la phase temporelle AT de la durée T par rapport au signal d'horloge, cette phase étant constituée par la valeur (Tl - T2) représentant la mesure fine qui excède le nombre entier N de périodes d'horloge.In accordance with the invention, the values N, T1 and T2 obtained are transmitted in digital form to a management and calculation processor 5 which may consist of a microprocessor with associated read and write memories and interface circuits. Circuit 5 calculates the time phase AT of duration T with respect to the clock signal, this phase being constituted by the value (Tl - T2) representing the fine measurement which exceeds the integer number N of clock periods.
Les autres circuits représentés sont constitués par un générateur de retard programmable 6 et un circuit de commutation 7 et sont utilisés pour faire l'étalonnage.The other circuits shown consist of a programmable delay generator 6 and a switching circuit 7 and are used to perform the calibration.
A cet effet, le circuit processeur 5 commande le générateur 6 pour produire des signaux locaux S10 et 520, et le commutateur 7 pour transmettre ces signaux vers les verniers 3 et 4 à la place des signaux SI et S2 de mesure proprement dits. La programmation du circuit 5 est faîte pour commander au moins une série de mesures avec un retard (t2-tl) constant entre les signaux S10 et S20 et en faisant varier à chaque fois l'instant de départ, c'est à dire le phase temporelle de S10, par rapport à l'horloge SH. Le retard constant, avec une très grande précision, est produit par le circuit 6 au moyen, par exemple, d'un montage de lignes à retard compensées en température. Un cycle d'étalonnage complet comportera plusieurs séries de mesures de manière à parcourir également la plage de variation τ du retard en modifiant sa valeur d'une série de mesures à la suivante.To this end, the processor circuit 5 controls the generator 6 to produce local signals S10 and 520, and the switch 7 to transmit these signals to the
Le procédé de mesure mis en oeuvre par ce montage va maintenant être mis en évidence à l'aide des figures 3 à 9. Sur la figure 3 on a voulu représenter l'écart de rampe par rapport à une variation linéaire idéale. A l'instant tl + Tl ou cesse la charge dans le circuit du vernier départ, ici considéré, on s'écarte de la valeur VM qui serait obtenue pour une réponse linéaire, d'une quantité dV positive dans le cas considéré VB = VM + dV. La valeur dV varie généralement d'un point à un autre, elle peut être positive ou négative (par exemple en N), la variation est d'autant plus faible que les points sont voisins. La courbe de réponse représentée est donnée à titre d'exemple.The measurement method implemented by this arrangement will now be demonstrated with the aid of FIGS. 3 to 9. In FIG. 3, we wanted to represent the ramp deviation from an ideal linear variation. At the instant tl + Tl where the charge in the start vernier circuit stops, here considered, we deviate from the value V M which would be obtained for a linear response, by a positive quantity dV in the case considered VB = VM + dV. The value dV generally varies from one point to another, it can be positive or negative (for example in N), the variation is all the smaller the closer the points are. The response curve shown is given by way of example.
La figure 4 est- un diagramme corespondant au précédent mais transposé au temps T mesuré par le vernier en fonction du temps réel TR. L'écart de charge dV variable en fonction du point de fonctionnement et donc du paramètre Tl qui correspond à la phase temporelle de l'instant tl, s'y trouve remplacé par l'écart temporel sur la mesure de Tl, (et de T2 pour l'autre vernier). Le temps mesuré est de la forme Tm = TR + dt ou dt à un signe correspondant à celui de dV et une amplitude proportionnelle à celle de dV. L'allure de la variation de Tm est semblable à celle de la rampe. On note que T étant la plage de variation de Tl (et de T2), l'écart dt s'annule pour TR = 0 et TR = T, points extrêmes ou Tm = TR. La courbe Tm se répète donc pour du temps à mesurer modulo T, c'est à dire de période τ.FIG. 4 is a diagram corresponding to the previous one but transposed to the time T measured by the vernier as a function of the real time T R. The difference in charge dV variable as a function of the operating point and therefore of the parameter Tl which corresponds to the time phase of the instant t l , is replaced there by the time difference on the measurement of Tl, (and of T2 for the other vernier). The weather measured is of the form Tm = T R + dt or dt with a sign corresponding to that of dV and an amplitude proportional to that of dV. The shape of the variation in Tm is similar to that of the ramp. We note that T being the range of variation of Tl (and T2), the difference dt vanishes for T R = 0 and T R = T , extreme points or Tm = T R. The curve Tm therefore repeats for time to be measured modulo T, that is to say of period τ.
Durant l'étalonnage on produit une série de mesures avec (t2 -t1) égal à une valeur constante de R et en faisant varier la phase t1 pour parcourir la plage 0 -T de manière uniforme. On peut pour cela considérer un nombre déterminé et suffisant d'échantillons de valeurs régulièrement réparties dans la plage 0 - T. De préférence, on considère la plage 0 - τdécoupée en P tranches, de largeur T /P chacune et comportant chacune plusieurs échantillons comme représenté sur la figure 5 pour une tranche Trj d'ordre j quelconque. Le nombre d'échantillons par tranche est égal, ou sensiblement, et on détermine la valeur moyenne Tmj de ces échantillons qui caractérisera cette tranche. On obtient ainsi une répartition de P valeurs moyennes Tml à TmP pour les P tranches Trl à TrP comme représenté sur la figure 6, chacune d'elle distante de la valeur théorique de réponse linéaire d'une quantité
Les valeurs moyennes
On obtient donc, en examinant les résultats traduits par les figures 6 et 8 d'une part, P valeur moyenne Tmj du paramètre Tl couvrant la plage 0 - T en P tranches d'amplitude τ/P et d'autre part, P valeurs moyennes dmj donnant le terme correctif correspondant à appliquer à la mesure. En conséquence, pour une mesure d'un temps T la valeur Tml mesurée par le vernier départ, définit dans quelle tranche on se situe et un tableau mémorisé donnant dmj en fonction de Tmj permet d'extraire le terme correctif dmj à appliquer.One thus obtains, by examining the results translated by FIGS. 6 and 8 on the one hand, P average value Tmj of the parameter Tl covering the range 0 - T in P slices of amplitude τ / P and on the other hand, P values dmj means giving the corresponding corrective term to apply to the measurement. Consequently, for a measurement of a time T the value Tml measured by the starting vernier, defines in which slice one is located and a memorized table giving dmj as a function of Tmj makes it possible to extract the corrective term dmj to be applied.
On se rend bien compte que cette seule série de mesures s'applique bien si la durée T à mesurer est égale ou proche de la valeur R d'étalonnage. Plus l'écart entre T à mesurer et R croît et plus les valeurs d'écart dm calculées risquent de ne plus correspondre aux vraies valeurs d'écart à appliquer. Pour s'affranchir de ces limitations causées par la variation de t2-tl et donc de la phase A T = TI-T2 de T dans la plage 0 à T , on effectue plusieurs séries de mesures d'étalonnage identiques à celles précitées mais en changeant à chaque fois la valeur R pour couvrir la plage 0 - T et avoir ainsi le terme correctif dm, à appliquer, quelle que soit ΔT et donc la durée T à mesurer.It is clear that this single series of measurements applies well if the duration T to be measured is equal to or close to the calibration value R. The more the difference between T to be measured and R increases, the more the calculated deviation values dm may no longer correspond to the true deviation values to be applied. To overcome these limitations caused by the variation of t 2 -t l and therefore of the phase A T = TI-T2 of T in the
Soit L le nombre de séries de mesure ; on désignera par R1, R2, ...Rk,...RL les L valeurs de R utilisées. Pour avoir une répartition uniforme, on considérera la plage 0 - T divisée régulièrement en L tranches qu'on appelle "canaux" (pour les différencier des "tranches" relatives à Tl, chacune de largeur T /L, chaque valeur Rk étant telle que Δ Rk est au milieu de la tranche correspondante allant de (k-1) T /L à k T /L, c'est à dire ΔRk = (k-1) τ/L +τ /2L sensiblement. Pour celà, le générateur de retard 6 peut être équipé de dispositifs de retard connecté en série pour donner les échelons τ/L successifs. Le tableau figure 9 montre les valeurs finalement mémorisées dans les mémoires vives du processeur 5.Let L be the number of measurement series; we denote by R1, R2, ... R k , ... R L the L values of R used. To have a uniform distribution, we will consider the range 0 - T regularly divided into L slices which we call "channels" (to differentiate them from the "slices" relating to Tl, each of width T / L, each value R k being such that Δ R k is in the middle of the corresponding range going from (k-1) T / L to k T / L, that is to say ΔR k = (k-1) τ / L + τ / 2L substantially. this, the delay generator 6 can be equipped with delay devices connected in series to give successive steps τ / L. The table in figure 9 shows the values finally memorized in the random access memories of processor 5.
On se rend bien compte que la valeur Tlm mesurée par le vernier départ 3 indique la tranche j à affecter, à laquelle correspond maintenant non plus 1 mais L valeurs dm1j à dmLj en fonction de la phase ΔT du temps T à mesurer. La valeur calculée Tlm-T2m correspondante définit le canal k à affecter et l'on peut dès lors extraire le terme correctif dmkj à appliquer pour la mesure et obtenir la grandeur corrigée qui correspond très sensiblement à là grandeur réelle de T.We are well aware that the value Tlm measured by the starting
A titre d'exemple d'ordre pratique, avec une horloge de période T = 10 ns et des verniers de coefficient d'expansion K = 400, le quantum de mesure fine est donné par T /K = 25 ps, constituant le temps minimal envisageable entre les échantillons lors du cycle d'étalonnage. Dans ces mêmes conditions, la plage 0 - T sera couverte par un maximum de 400 valeurs distinctes de Tl et donc de la phase tl variable. En considérant la plage 0 - τ divisée en 20 tranches de 500 ps, soit 20 valeurs distinctes mesurables par tranche, on peut décider d'effectuer, par exemple, 800 mesures par canal (série de mesures à R constant) pour produire avec une répartition sensiblement uniforme 40 valeurs par tranche., soit une probabilité de 2/1 de produire les différentes valeurs mesurables. Avec 10 canaux espacés de Ins de l'un au suivant, le cycle complet d'étalonnage comportera 8 000 mesures pour le cas envisagé. Pour obtenir la répartition uniforme des échantillons dans les tranches, on procède, de préférence à un déclenchement aléatoire de ces mesures afin de couvrir régulièrement la plage de variation et relever un spectre quasi- continu de la variation de T1m en fonction de Tl. Naturellement, le nombre de tranches sera quantitativement déterminé, selon que l'on est à même de procéder à un plus ou moins grand nombre de mesures et en fonction de la finesse de la correction à laquelle on veut aboutir. Le déclenchement aléatoire de la mesure peut être produit de diverses façons ; l'une d'elles, consiste à produire au niveau du microprocesseur une deuxième horloge locale de fréquence différente de celle SH très stable délivrée par le circuit 1, les fréquences étant choisies dans un rapport irrationnel, de sorte que la phase présentée par le front actif de cette horloge locale vis à vis de celle SH de référence est quelconque, changeant pratiquement de valeur à chaque fois. Cette horloge locale donne ainsi des valeurs Tl successives variant de façon aléatoire.As a practical example, with a clock of period T = 10 ns and verniers of expansion coefficient K = 400, the quantum of fine measurement is given by T / K = 25 ps, constituting the minimum time possible between samples during the calibration cycle. Under these same conditions, the range 0 - T will be covered by a maximum of 400 distinct values of Tl and therefore of the variable phase t l . Considering the range 0 - τ divided into 20 slices of 500 ps, i.e. 20 distinct measurable values per slice, we can decide to perform, for example, 800 measurements per channel (series of measurements at constant R) to produce with a distribution substantially uniform 40 values per range., that is a 2/1 probability of producing the different measurable values. With 10 channels spaced Ins from one to the next, the complete calibration cycle will include 8000 measurements for the case considered. To obtain the uniform distribution of the samples in the slices, we preferably carry out a random triggering of these measurements in order to regularly cover the range of variation and record an almost continuous spectrum of the variation of T 1m as a function of Tl. Naturally, the number of slices will be quantitatively determined, depending on whether the 'we are able to carry out a greater or lesser number of measurements and depending on the fineness of the correction to which we want to achieve. Random triggering of the measurement can be produced in various ways; one of them consists in producing at the microprocessor a second local clock of frequency different from that very stable SH delivered by the
On notera dans le cas d'un déclenchement aléatoire que le circuit processeur 5 devra stocker provisoirement les valeurs Tl et T2 mesurées par les verniers avant de procéder à un classement par ordre croissant des valeurs Tl mesurées pour déterminer ensuiteles moyennes Tl . tranche par tranche. Il y aura lieu de veiller à bien faire suivre les valeurs Tl et T2 d'une même mesure au cours de ces opérations de façon à trouver dans chaque tranche (figure 7) les valeurs (TI-T2), dites Δ R , mesurées et corespondant aux valeurs Tl de cette tranche pour que la détermination d'écart moyen dmj conserve tout son sens.It will be noted in the case of a random triggering that the processor circuit 5 will have to temporarily store the values T1 and T2 measured by the verniers before proceeding with a classification in ascending order of the values T1 measured to then determine the means T1. slice by slice. Care should be taken to ensure that the Tl and T2 values of the same measurement are followed during these operations so as to find in each slice (Figure 7) the values (TI-T2), called Δ R, measured and corresponding to the Tl values of this section so that the determination of the mean deviation dmj retains its full meaning.
L'appareil de chronomètrie proposé met en pratique le procédé qui vient d'être décrit à l'aide du circuit processeur 5 programmé pour effectuer les différents calculs et pour commander lors de l'étalonnage le basculement des commutateurs 7 pour brancher les sorties S10 et S20 du générateur 6 sur les circuits verniers à la place des entrées SI et S2 ; il commande également le circuit générateur 6 pour produire la série de mesures désirée. Le circuit 6 produit une impulsion départ S 10 et une impulsion arrêt S20dont le retard; par rapport à l'impulsion départ, est à faible bruit (c'est à dire pratiquement sans fluctuations) et est programmable sur un espace de temps sensiblement égal à τ .The chronometer apparatus proposed puts into practice the process which has just been described using the processor circuit 5 programmed to perform the various calculations and to control during the calibration the switching of the switches 7 to connect the outputs S10 and S20 of generator 6 on the vernier circuits in place of the inputs SI and S2; it also controls the generator circuit 6 to produce the desired series of measurements. Circuit 6 produces a
En se reportant à la figure 10, apparaît un schéma de réalisation du système qui montre plus en détail un circuit vernier à rampe et le processeur. Le circuit vernier 3 comporte un comparateur à seuil 31 qui produit une remise en forme de l'impulsion SI ou S10 d'entrée ; le circuit suivant 32 est une bascule bistable dont le changement d'état va commander à travers un circuit porte 33 et une diode 34 la charge linéaire du condensateur 35. Le signal d'horloge SH commande ensuite, via le circuit 36 constitué de circuits basculeurs et via le circuit porte 37 suivi de la diode 38, la décharge du condensateur 35. Les circuits 39 et 40 représentent des amplificateurs. Le début de la charge et la fin de la décharge sont repectivement déterminés pour obtenir le coefficient d'expansion désiré, par exemple 400 Tl, grâce au comparateur à seuil 41 en sortie qui fait rebasculer le circuit 32 en position initiale. Le compteur 42 effectue la mesure de la durée totale de charge et de décharge et cette information, mesurée en nombre de périodes d'horloge SH est transférée au processeur 5 qui calcule la durée Tl correspondante. Le vernier arrêt 4 est constitué de manière semblable pour permettre de calculer T2.Referring to FIG. 10, there appears a diagram of the system which shows in more detail a ramp vernier circuit and the processor. The
Le circuit processeur 5 est représenté selon une structure conventionnelle avec un microprocesseur 51, des circuits d'interface d'entrée 52 et de sortie 53, des mémoires mortes 54 et vives 55 et les bus de commande C, d'adressage A et de données D. Dans l'organisation des mémoires vives 55 on a considéré une organisation . correspondant à celle de la figure 9 à L lignes d'adressage selon le canal et P colonnes d'adressage selon la tranche, pour stocker les différents écarts de mesure dmkj.The processor circuit 5 is represented in a conventional structure with a
La programmation du processeur 5 est faite pour accomplir les différentes phases successives du procédé qui a été précédemment décrit. Cette technique répond à des mesures connues, relativement simple ne nécessitant pas de rapporter ici plus en détail le logiciel. Le résultat de la mesure après correction est transmis vers une unité annexe 10 d'exploitation.The programming of processor 5 is made to accomplish the various successive phases of the method which has been previously described. This technique responds to known, relatively simple measurements, which do not require the software to be reported here in more detail. The result of the measurement after correction is transmitted to an
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