FR2849969A1 - Convertisseur analogique-numerique ultra-basse puissance, son procede et stimulateur cardiaque l'utilisant - Google Patents

Abstract

Un convertisseur analogique-numérique pour des applications ultra-basse puissance telles que des stimulateurs cardiaques comporte un numériseur pour produire un signal de sortie numérique à partir d'un signal d'entée analogique échantillonné (IN1). Le numériseur est normalement dans un état désactivé pour économiser ie courant. Un circuit échantillonneur et bloqueur (20 à 27) stocke une pluralité d'échantillons successifs du signal d'entrée analogique. Un élément de commande (28) active le numériseur en réponse à un signal d'activation, applique de façon séquentielle, par l'intermédiaire de commutateurs successifs (OS1 à OS8) les échantillons stockés sur le numériseur en réponse au signal d'activation et reconstruit ainsi le signal tel qu'il existait avant le signal d'activation.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine de la conversion analogiquenumérique (A-N) et de façon davantage particulière, la présente invention concerne un convertisseur analogique-numérique (CAN) ultra-basse 5 puissance pour une utilisation dans des applications telles que des dispositifs implantables dans lesquelles la consommation de courant est un paramètre très important.

ART ANTERIEUR

Dans les applications basse puissance, souvent, il n'est pas possible 10 de se permettre le luxe de disposer d'un CAN fonctionnant en continu. Les signaux analogiques dignes d'intérêt sont filtrés et sont amplifiés puis sont comparés à un niveau de déclenchement de seuil auquel une quelconque action est prise telle que l'activation du CAN. Malheureusement, la forme du signal est souvent intéressante peu avant et immédiatement après 15 l'événement de déclenchement. Avec les dispositifs de l'art antérieur, la forme du signal avant le signal de déclenchement est perdue même si le CAN est démarré immédiatement. L'art antérieur ne prévoit pas une façon permettant de déterminer la forme du signal avant le déclenchement du CAN.

La figure 1 représente un CAN de l'art antérieur. Un signal d'entrée 20 analogique tel qu'un signal cardiaque est appliqué par l'intermédiaire d'un préamplificateur 10 sur un amplificateur 11 moyennant un gain programmable, amplificateur dans lequel il est séparé selon deux parties. L'amplificateur 11 peut être programmé pour permettre le fait que différentes personnes produisent des signaux cardiaques de différentes amplitudes. Une partie du 25 signal est passée sur l'entrée du CAN 12 et l'autre partie est passée sur un filtre passe-bande 13 et depuis là, est appliquée sur un comparateur 14.

Le CAN comprend un circuit de numérisation 15 et un condensateur d'échantillonnage 16. Le circuit de numérisation 15 reçoit un signal analogique échantillonné et produit un signal de sortie numérique d'une manière bien 30 connue de l'art. Si le signal filtré excède un niveau de seuil, le comparateur 14 génère un signal de déclenchement sous la forme d'une impulsion de sortie qui passe à un niveau haut, ce qui active le CAN 12, lequel émet en sortie un signai numérique au niveau d'une sortie 17. L'entrée du CAN 12 est connectée au condensateur d'échantillonnage 16 par l'intermédiaire d'un 35 commutateur 18 qui est normalement désactivé lorsque le CAN est inactif. Le condensateur d'échantillonnage est connecté au circuit de numérisation 15 par l'intermédiaire d'un commutateur 19 et il constitue un unique circuit échantillonneur et bloqueur qui stocke la valeur courante du signal d'entrée analogique.

Après traitement, le signal de sortie numérisé est stocké dans une mémoire vive ou RAM pour une étude ultérieure par le médecin lorsque le patient va à l'hôpital. Cependant, puisque le CAN n'est pas déclenché tant que le seuil n'est pas atteint, la partie initiale du signal digne d'intérêt est 5 perdue. Il n'est pas possible d'abaisser le seuil de déclenchement puisque le CAN devrait être activé en continu de façon non nécessaire.

R SUM DE L'INVENTION Selon la présente invention, on propose un convertisseur analogiquenumérique qui comprend un numériseur pour produire un signal de sortie 10 numérique à partir d'un signa' d'entrée analogique échantillonné; un circuit échantillonneur et bloqueur pour stocker une pluralité d'échantillons successifs dudit signal d'entrée; et un élément de commande pour commander des commutateurs afin d'appliquer de façon séquentielle lesdits échantillons stockés sur ledit numériseur en réponse à un signal d'activation 15 de manière à reconstruire ainsi ledit signal d'entrée comme il existait avant ledit signal d'activation.

L'invention est typiquement utilisée dans un stimulateur cardiaque dans lequel le signal d'entrée est un signal cardiaque et ce signal est stocké dans une mémoire vive ou RAM en vue d'une étude ultérieure par le médecin. Le 20 circuit échantillonneur et bloqueur comprend de préférence un réseau de condensateurs avec des commutateurs associés. En utilisant un réseau de condensateurs en lieu et place d'un unique condensateur d'échantillonnage pour le CAN, la valeur échantillon peut être appliquée dans le numériseur moyennant un retard approprié en fonction du nombre de condensateurs et de 25 la fréquence d'échantillonnage. Ceci permet que la forme du signal avant l'activation du CAN soit stockée dans la RAM. Le circuit qui est requis pour stocker de façon séquentielle le signal analogique dans le réseau de condensateurs consomme très peu de puissance.

La valeur est ensuite échantillonnée en séquence dans chacun des 30 condensateurs en continu, ce qui consomme une quantité de courant négligeable par comparaison avec le CAN complet. Lorsque l'événement digne d'intérêt se produit, le numériseur est démarré et la valeur la plus ancienne est appliquée dans le numériseur pour un traitement, cette valeur la plus ancienne étant suivie par la seconde valeur la plus ancienne etc... 35 Aussitôt qu'une valeur des condensateurs a été traitée dans le numériseur, un nouvel échantillon est extrait afin de maintenir un échantillonnage en continu si on le souhaite.

La sortie en provenance du CAN sera la forme de signal à un temps qui se situe k-1 échantillons avant l'événement de déclenchement (o k est égal au nombre de condensateurs) et en continu après le déclenchement moyennant le même retard aussi longtemps que souhaité. Le petit retard au niveau de la réception du signal numérisé n'est pas critique. L'invention permet par conséquent que le CAN reconstruise le signal avant le 5 déclenchement, et ceci sans le stockage de quelconques données numériques.

La présente invention propose également un procédé permettant de convertir un signal analogique selon un signal numérique, lequel procédé comprend l'application dudit signal analogique sur un circuit échantillonneur et 10 bloqueur; le stockage d'échantillons successifs dudit signal d'entrée dans ledit circuit échantillonneur et bloqueur; et l'application de façon séquentielle desdits échantillons stockés moyennant un retard d'au moins une période d'échantillon sur un numériseur en réponse à un signal d'activation, ledit numériseur produisant un signai de sortie numérique à partir d'un signal 15 d'entrée analogique échantillonné qui est une reconstruction dudit signal d'entrée avant ledit signal d'activation.

BR VE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention sera maintenant décrite de manière davantage détaillée à titre d'exemple seulement par report aux dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un convertisseur analogiquenumérique de l'art antérieur avec un unique circuit échantillonneur et bloqueur; et la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un convertisseur analogiquenumérique conformément à un mode de réalisation de l'invention. 25 DESCRIPTION D TAILL E Le convertisseur analogique-numérique qui est représenté sur la figure 2 convient par exemple pour une utilisation dans un stimulateur cardiaque o le signal cardiaque spontané est surveillé en continu. Ceci est réalisé afin d'empêcher que le stimulateur cardiaque ne produise une impulsion de 30 stimulation lorsque ce n'est pas nécessaire. Des exemples de convertisseurs analogique-numérique à consommation de puissance faible pour des stimulateurs cardiaques et pour la présente invention sont à pente unique, à pente double, algorithmiques, par approximations successives basées sur chaîne de résistances et par approximations successives basées sur 35 condensateurs pondérés binaires. Cependant, la présente invention peut être utilisée dans n'importe quel convertisseur analogique-numérique qui échantillonne l'entrée. Des exemples appropriés de tels convertisseurs analogique-numérique sont trouvés par exemple dans Digital Signal Processing, Steven W. Smith, California Technical Publishing.

Le convertisseur analogique-numérique inclut une entrée qui est similaire à celle qui est représentée sur la figure 1. Le signal arrivant est tout d'abord filtré et amplifié puis est comparé à un niveau de seuil. Si le signal excède le niveau de seuil, un battement cardiaque s'est produit. Comme dans 5 le cas de la figure 1, le signal qui est émis en sortie par le CAN est stocké dans la RAM pour que le médecin l'étudie ultérieurement lorsque le patient va à l'hôpital.

Sur la figure 2, le signal d'entrée IN1 est connecté de façon sélective à un réseau de circuits échantillonneurs et bloqueurs 20... 27 dont chacun 10 comprend un commutateur d'entrée ISI... 1S8, un commutateur de sortie OS1 à OS8 et un condensateur Cl à C8.

Des condensateurs d'échantillon selon n'importe quel nombre peuvent être prévus aussi longtemps que le nombre est supérieur à l'unité et de préférence, plusieurs condensateurs sont utilisés afin de stocker une partie 15 significative du signal avant activation du convertisseur analogiquenumérique. Un nombre approprié est de huit comme représenté sur la figure 2.

La présente invention fonctionne d'une manière analogue à un CAN traditionnel mais avec un circuit additionnel qui est représenté par des 20 condensateurs C2 à C8. Dans le cas d'un CAN traditionnel, seulement le condensateur Cl devrait être utilisé. La valeur destinée à être convertie est connectée à Cl via IS1 pendant la phase d'échantillonnage et est connectée au reste du CAN 15 pendant la phase d'évaluation via OS1. La commutation sera dans ce cas comme toujours commandée par le bloc de commande de 25 commutateur 28.

Le convertisseur analogique-numérique de remise en forme fonctionne dans deux modes: un mode économie de puissance selon lequel seulement l'échantillonnage est actif et le reste du CAN 15 est désactivé ou coupé et un mode reconstruction dans lequel le signal cardiaque a activé la reconstruction 30 du signal d'entrée tel qu'il existait immédiatement avant la génération d'un signal d'activation.

Dans le mode économie de puissance ou d'énergie, avant le démarrage de la partie restante du CAN 15, celui-ci est coupé afin d'économiser la puissance ou l'énergie et les commutateurs OS1 à OS8 sont 35 maintenus ouverts. Les commutateurs IS1 à iS8 sont commandés par le bloc de commande de commutateur 28 de telle sorte que le signal d'entrée IN1 est stocké en continu dans un seul condensateur après le condensateur précédent à la fréquence d'échantillonnage. Le signal d'entrée est tout d'abord stocké dans le premier condensateur Cl via le commutateur ISI puis dans le condensateur C2 via le commutateur IS2 etc... d'une façon cyclique.

Il sera apprécié que si le signal d'entrée filtré atteint le niveau de déclenchement lorsque par exemple le condensateur CI est chargé au niveau 5 de signal courant et que la fréquence d'échantillonnage vaut 2 kHz, alors le condensateur C2 contient le signal tel qu'il était 3,5 millisecondes avant puisque le temps pour chaque échantillonnage est de 0, 5 milliseconde (1/2000 kHz) et que le condensateur C2 bloquera l'échantillon tel qu'il était sept échantillons plus tôt (7 x 0,5 = 3,5).

Lorsque le signal de démarrage ou d'activation en provenance du comparateur 14 passe au niveau haut, ce qui se produit lorsque le signal d'entrée atteint le niveau de seuil ou de déclenchement, le convertisseur analogique-numérique passe du mode économie d'énergie au mode reconstruction. Il active alors la partie restante du CAN 15, et le bloc de 15 commande de commutateur 28 connecte le condensateur C2 au CAN 15 via le commutateur de sortie OS2 pendant la phase d'évaluation en lieu et place du condensateur Cl comme ce devrait être le cas dans un CAN normal. Par conséquent, il convertit la valeur 3,5 millisecondes plus tôt temporellement. Au niveau de la phase d'échantillonnage suivante, il connecte l'entrée dans le 20 condensateur C2 via le commutateur IS2 et pendant la phase d'évaluation qui suit, le condensateur C3 est connecté à la partie restante du CAN 15 via le commutateur OS3 etc... Le résultat est que la forme de signal 3,5 millisecondes avant l'événement de déclenchement est émise en sortie depuis le CAN moyennant un retard de 3, 5 miflisecondes et peut être stockée 25 dans une RAM 20 en vue d'une investigation ultérieure par le médecin. Le signal continue à être converti moyennant un retard de 3,5 millisecondes jusqu'à ce que le bloc revienne dans le mode économie d'énergie, mode dans lequel la partie restante du CAN 15 est coupée.

Le bloc de commande de commutateur/commutation peut de 30 préférence être constitué sous la forme d'une machine d'état avec les modes qui ont été mentionnés ci-avant. Cependant, pour l'homme de l'art, il est clair qu'un certain nombre de mises en oeuvre possibles existent, lesquelles s'inscrivent dans la plage qui va depuis des constructions relativement simples iusqu'à des structures de microcontrôleur/microprocesseur.

Le prix à payer en termes de courant pour stocker les échantillons tout en attendant le signal de déclenchement est inférieur à 100 nanoampères tandis que le fait de faire fonctionner en continu le CAN complet consomme quelque chose entre 0,5 microampère et 1 microampère. Pour que la forme du signal soit restaurée de façon précise, la fuite depuis les condensateurs doit de préférence être inférieure à 1 picoampére. Ceci est normal au niveau d'un processus faible puissance. Pour des demande en termes de précision de signal plus faible et/ou en termes de fréquence d'échantillonnage plus élevée, une fuite plus élevée peut être tolérée.

On verra que la présente invention permet de stocker la forme du signal avant l'activation du convertisseur analogique-numérique dans une RAM en vue d'une présentation ultérieure au médecin.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Convertisseur analogique-numérique caractérisé en ce qu'il comprend: un numériseur pour produire un signal de sortie numérique à partir d'un signal d'entrée analogique échantillonné (IN1); un circuit échantillonneur et bloqueur (20 à 27) pour stocker une pluralité d'échantillons successifs dudit signal d'entrée; et un élément de commande (28) pour commander des commutateurs (IS1 à IS8; OS1 à OS8) afin d'appliquer de façon séquentielle lesdits échantillons stockés sur ledit numériseur en réponse à un signal d'activation 10 de manière à émettre en sortie une version numérisée dudit signal d'entrée comme il existait avant ledit signal d'activation.

2. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit échantillonneur et bloqueur (20 à 27) comprend une pluralité de circuits d'échantillonnage qui sont connectés audit 15 numériseur par l'intermédiaire de commutateurs de sortie respectifs (OS1 à OS8) qui sont commandés par ledit élément de commande (28).

3. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les circuits d'échantillonnage (20 à 27) de ladite pluralité de circuits d'échantillonnage sont chacun connectés audit numériseur par 20 l'intermédiaire de commutateurs d'entrée respectifs (IS1 à IS8) qui sont commandés par ledit élément de commande (28).

4. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits circuits d'échantillonnage (20 à 27) comprennent chacun un condensateur (Ci à C8).

5. Convertisseur analogique-numérique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend huit dits condensateurs.

6. Convertisseur analogique-numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un comparateur (14) pour générer ledit signal d'activation en réponse au fait que 30 ledit signal d'entrée (INl) atteint un niveau de seuil.

7. Procédé de conversion d'un signal analogique selon un signal numérique, caractérisé en ce qu'il comprend: l'application dudit signal analogique (INI) sur un circuit échantillonneur et bloqueur (20 à 27); le stockage (Cl à C8) d'échantillons successifs dudit signal d'entrée (INl) dans ledit circuit échantillonneur et bloqueur (20 à 27); et l'application de façon séquentielle desdits échantillons stockés moyennant un retard d'au moins une période d'échantillon sur un numériseur en réponse à un signal d'activation, ledit numériseur produisant un signal de sortie numérique qui représente ledit signal d'entrée (INI) comme il existait avant ledit signal d'activation.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits échantillons sont stockés dans une série de circuits d'échantillonnage (20 à 27) dont chacun est connecté audit numériseur par l'intermédiaire de commutateurs de sortie respectifs (OS1 à OS8) et lesdits échantillons sont 10 appliqués de façon séquentielle sur ledit numériseur moyennant un retard au moyen de la commande (28) desdits commutateurs de sortie.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit signal d'activation est généré en comparant (14) ledit signal d'entrée à un seuil prédéterminé.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits circuits d'échantillonnage (20 à 27) comprennent chacun un condensateur (Cl à C8).

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits circuits d'échantillonnage (20 à 27) comprennent huit dits condensateurs. 20

12. Stimulateur cardiaque caractérisé en ce qu'il comprend: une entrée pour recevoir un signal d'entrée analogique (INl) qui inclut un comparateur (14) pour comparer ledit signal d'entrée à une valeur de seuil, ladite entrée générant un signal d'activation lorsque ledit signal d'entrée atteint ladite valeur de seuil; un circuit échantillonneur et bloqueur (20 à 27) pour stocker une pluralité d'échantillons successifs dudit signal d'entrée (INl) un numériseur; et un élément de commande (28) pour commander des commutateurs (IS1 à iS8; OS1 à OS8) afin d'appliquer de façon séquentielle lesdits 30 échantillons stockés sur ledit numériseur en réponse audit signal d'activation de manière à émettre en sortie une version numérisée dudit signal d'entrée (INI) tel qu'il existait avant ledit signal d'activation.

13. Stimulateur cardiaque selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit circuit échantillonneur et bloqueur (20 à 27) comprend une 35 pluralité de circuits d'échantillonnage qui sont connectés audit numériseur par l'intermédiaire de commutateurs de sortie respectifs (OS1 à OS8) qui sont commandés par ledit élément de commande (28).

14. Stimulateur cardiaque selon la revendication 13, caractérisé en ce que les circuits d'échantillonnage (20 à 27) de ladite pluralité de circuits d'échantillonnage sont chacun connectés audit numériseur par l'intermédiaire de commutateurs d'entrée respectifs (IS1 à IS8) qui sont commandés par ledit élément de commande (28).

15. Stimulateur cardiaque selon l'une quelconque des 5 revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une RAM (20) pour stocker ladite version numérisée dudit signal d'entrée (INI) tel qu'il existait avant ledit signal d'activation.

16. Stimulateur cardiaque selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que ledit élément de commande 10 (28) est une machine d'état.