FR2813667A1

FR2813667A1 - Digital signal acquisition circuit adjusts sampling interval according to signal gradient

Info

Publication number: FR2813667A1
Application number: FR0011408A
Authority: FR
Inventors: Philippe Lebel; Winfried Leibl
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2002-03-08
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: FR2813667B1

Abstract

A digital signal acquisition circuit calculates (10) the average of N samples at a fixed clock rate with N set by selection according to the signal gradient from values stored in memory (201) .

Description

<Desc/Clms Page number 1>
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. <Desc / Clms Page number 1>
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a digital signal acquisition circuit with variable integration constant. It applies in many fields, each time one wants to process signals comprising several phases of different kinetics (very fast, fast, slow or very slow) extending over significant periods (one or more seconds). I1 can be, for example, electrical signals which one meets in experiments related to photochemical reactions, pulsed radiolysis, or dielectric relaxation, etc ... or in physics (electronics, laser, ... ). STATE OF THE PRIOR ART Commercial digital recorders, as powerful as they are, do not make it possible to digitally acquire signals with complex kinetics over a very wide range of times with an acquisition time adapted to the characteristics of the 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 In the field of kinetic measurements of enzymatic activity, for example, the signals to be acquired often relate to sequences of reactions which take place on very different time scales. This is especially true for

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. reactions involving a rapid photochemical step, which triggers other slower processes, such as redox reactions, the taking or release of protons or the fixation or release of substrates. A recording of the complete cycle then requires the acquisition of a signal in time ranges between a few nanoseconds and several seconds and this, with maximum precision on the recorded information.

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. A double problem then arises. First of all, the acquisition of the signal must adapt to the different time phases of the kinetics (both very fast and very slow), while ensuring the best definition (signal to noise ratio) possible for each of them. . Then, the digitization must extend over large time scales of the order of several seconds.

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. To solve this double problem, it is necessary to use a digital acquisition system whose signal sampling frequency is high, with good dynamic resolution, this system being capable of storing all the relevant information while minimizing memory space, that is to say by avoiding large storage capacities.

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 To carry out these measurements, there are three methods i) The first consists in repeating the experiments on different time scales. In this case, the time required to obtain

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. all the information is very long and the reproducibility of the reaction is problematic. In addition, the global analysis of the traces obtained on the different time scales is not simple. Typically, this amounts to using a digital oscilloscope, of the NICOLET PR030 type, for example, and to making several successive recordings on different sampling time bases.

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. ii) The second method consists in the rapid acquisition, on an extended time scale, of the entire signal. Obviously this produces a significant amount of information whose temporal resolution is useless for the majority of them. In this case, the instruments are expensive because they require very large memory capacities to store the millions of points needed. In addition, specific procedures are required to compact the information after registration. For example, the capacity required for the storage of a digitized signal on 12 bits for 10 s with a resolution of 40 ns is approximately 500 MB.

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 iii) Finally, the third method consists in dividing the time scale into several consecutive parts (generally 3 or 4) with an increasingly reduced sampling rate. This method may be suitable for recording signals on scales

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 ; not too long. However, it does not make it possible to calculate the average during the time interval separating two samplings. Thus, in the absence of an average, the resolution (in terms of effective bits) is constant, which implies a possible lack of gain in dynamics, that is to say better resolution for long times. This method is that of the RTD 710A type circuit from the company Tektronix. The object of the present invention is precisely to remedy these drawbacks. It proposes to acquire the signal taking into account its kinetics (either that we know it in advance, or that we measure it in real time). The signal is sampled at a maximum frequency, but the acquisition is finally obtained by considering ranges whose duration depends on the signal. The invention offers intrinsic flexibility, without loss of information, while requiring only a reduced memory capacity. Disclosure of the invention More specifically, the invention relates to a digital signal acquisition circuit, characterized in that it comprises - first means capable of calculating the average of a variable number N of samples successive signals to acquire;

- 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. - second means capable of indicating to the first means said variable number N, this number N depending on the signal to be acquired, - a memory memorizing the result of the averaging.

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. If the signal to be acquired is not digitized, the circuit comprises, at the input, an analog-digital converter controlled by a clock delivering pulses at a determined sampling frequency.

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. A first variant corresponds to the case where the kinetics of the signal to be acquired are known in advance (it may for example be a peak followed by an exponential decay). In this case, the second means capable of indicating the number of samples N to be processed to calculate the average comprise a memory containing a series of numbers prerecorded by the user. This variant is well suited, for example, to exponentially decreasing signals.

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 A second variant corresponds to the case where the kinetics of the signal to be acquired are not known in advance. The means able to define the number N then comprise a digital circuit connected to the analog-digital converter, this circuit being able to determine the variation of the slope of the signal to be acquired and to calculate a number N as a function of this variation. This number N is advantageously between a maximum value corresponding to a 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. minimum of the signal to acquire and a minimum value corresponding to a maximum variation of the signal to acquire. The number N then varies monotonously between these two extreme values, respectively maximum and minimum. The circuit is therefore self-adapting in this case.

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. If working in digital, the circuit capable of determining the slope variation of the signal to be acquired is connected to the output of the analog-digital converter. It is able to determine the variation over time of the amplitude of the samples.

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. Brief description of the figures - Figure 1 is a block diagram of the circuit in the variant where the numbers N are pre-recorded; - Figure 2 is a block diagram of the circuit in the self-adapting variant.

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 Description of particular embodiments In FIG. 1, there is seen a block diagram of the circuit of the invention in the case where the general kinetics of the signal to be acquired is known to the user. This signal has the reference 2 and comprises, in the example illustrated, a peak followed by an exponential decrease. This analog signal is applied to general input 4 of the circuit, which includes

- 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. - a clock H delivering pulses at a determined frequency Fe (or at a given period Te with Fe = 1 / Te), which will define the signal sampling frequency, - an analog to digital converter 6 receiving the signal applied to l 'entry 4; this converter has a synchronization input CLK connected to the clock H; it delivers digital samples at each clock pulse, - first means 10 able to calculate the average of a determined number N of successive samples (in other words, the average is calculated over a time interval of duration NTe); - Second means 201 able to indicate to the first means 10 the number N, which depends on the signal to be acquired; a memory 30 storing the result R of the calculation of the average; this memory includes a synchronization input CLK receiving the pulses from the clock H and a write input WR receiving a signal TC marking the end of the averaging. It also includes an output 32 for reading the acquired signal.

Si le signal est déjà échantillonné, il va de soi que le convertisseur analogique -numérique est inutile. If the signal is already sampled, it goes without saying that the analog-digital converter is useless.

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, In the illustrated embodiment, the second means 201 consist of a memory containing a series of numbers Nl, N2, ..., corresponding to the different numbers of samples that we want to take into account to calculate the average,

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. taking into account the kinetics of the signal. For example, at the start of the signal, where the amplitude variation is very rapid, we will take small numbers; then, in the exponential decay phase, we will take larger and larger numbers. In other words, the calculation of the average is carried out first on very short intervals, then on increasingly longer intervals. All the numbers N1, N2, ... are pre-stored in the memory by the user, before the acquisition of the signal. The memory 201 then includes an input CLK and a read input RD receiving the 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. The circuit of Figure 2 corresponds to the self-adapting variant. The means capable of determining the number of samples to be taken into account for the calculation of the average are constituted by a digital circuit 202 connected to the output of the digital-analog converter 6. This circuit is able to determine the variation of the slope of the signal (that is to say in the illustrated variant, capable of determining the variation over time of the amplitude of the samples) and of calculating a number N as a function of this variation. This number is between a maximum value Nmax corresponding to a minimum variation of the signal to be acquired and a minimum value Nmin corresponding to a maximum variation of the signal. The number N varies monotonously between these two extreme values Nmax and Nmin.

Le circuit 202 comprend par ailleurs une entrée de synchronisation CLK recevant le signal de l'horloge. The circuit 202 also includes a synchronization input CLK receiving the clock signal.

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. The acquisition circuit can also comprise a delay circuit 22 to take account of the time of calculation of N by the means 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. In this variant, the signal TC marking the end of the averaging interval only controls memory 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 In either of these two variants (pre-recording or self-adapting), the means 10 allowing the calculation of the mean of N samples can be constituted by an appropriate electronic circuit. As illustrated in either of Figures 1 or 2, these means may include - an ACC accumulator receiving the digital samples from the analog-digital converter 6 and delivering the sum S of N accumulated samples, this ACC accumulator is provided with 'an entrance. reset to zero and a synchronization input CLK connected to the clock H, - a divider DIV connected to the accumulator ACC, with an input receiving the number N of accumulated samples and another input receiving the sum S delivered by the ACC accumulator; this divider delivers the result R = S / N of the averaging, - a binary counter CT provided with a prepositioning input E receiving from memory 201 or from circuit 202 the number N of samples to

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. accumulate and a synchronization input CLK connected to the clock H; this counter has an output delivering a TC signal applied to the reset input RESET of the accumulator. This signal TC marks the taking into account of the last of the N samples, in other words the end of the calculation of the average. I1 therefore commands the writing of the result R in the memory 30. It also commands, in the first variant (FIG. 1) the reading of a new number N in the memory 201, by the entry RD.

Claims

1. Digital signal acquisition circuit, characterized in that it comprises - first means (10) able to calculate the average of a variable number N of successive samples of the signal; - second means (201, 202) capable of indicating to the first means (10) said variable number N, this number N depending on the signal to be acquired (2), - a memory (30) storing the result (R) of the calculation of average.

2. The circuit as claimed in claim 1, further comprising - a clock (H) delivering pulses at a determined frequency (Fe = 1 / Te), - an analog-digital converter (6) receiving the analog signal to be acquired (2) and delivering digital samples of this signal at the frequency (Fe) of the clock pulses (H).

3. The circuit as claimed in claim 1, in which, the signal to be acquired (2) having kinetics known in advance, the second means comprise a memory (201) containing a series of numbers (N1, N2, ...) prerecorded and means for successively reading the numbers.

4. The circuit as claimed in claim 1, in which the signal to be acquired is not known at

in advance, the second means comprise a circuit (202) having an input receiving the signal, this circuit (202) being able to determine the variation in slope of the signal to be acquired and to calculate a number N as a function of this variation, this number N being between a maximum value (NmaX) corresponding to a minimum variation and a minimum value (Nmin) corresponding to a maximum variation, this number varying monotonously between these two maximum and minimum values.

5. The circuit as claimed in claims 2 and 4, in which the circuit capable of determining the variation in slope of the signal is capable of determining the variation over time of the amplitude of the samples delivered by the analog-digital converter (6).

6. Circuit according to any one of claims 2 to 5, in which the first means (10) able to calculate the average of N samples comprise - an accumulator (ACC) receiving the digital samples from the analog-digital converter (6) and delivering the sum (S) of N accumulated samples, this accumulator (ACC) being provided with a reset input (RESET), - a divider (DIV) connected to the accumulator (ACC), with an input receiving the number N of samples used and another input receiving the sum (S) delivered by the accumulator (ACC), this divider delivering the result (R) of the averaging,

- a binary counter (CT) provided with a prepositioning input (E) receiving the number N of samples to be accumulated and a synchronization input (CLK) connected to the clock (H) and an output delivering a signal (TC) applied to the reset input (RESET) of the accumulator (ACC).