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L'invention a pour objet une méthode dlamplification de signaux
analogiques multiplexés à grande dynamique, c'est-à-dire dont le niveau est
susceptible de grandes variations, ainsi qu'un dispositif de mise en oeuvre.
La méthode d'amplification est particulièrement adaptée à amplifier
des signaux analogiques fournis par des géophones disposés à la surface du
sul en réponse à des échos d'ébranlements sismiques transmis dans une couche
de terrain à explorer et réfléchis par des couches réfléchissantes ou miroirs
du saus-sol.
Suivant un procédé connu, les signaux fournis par chaque géophone
sont amplifiés par un préamplificateur puis par un amplificateur à gain
variable constitué d'une cascade d'unités d'amplification connectées en
séries, chacune d'elles ayant un gain fixe choisi de préf~rPnce égal à une
puissance entière du nombre 2 (système d'amplification à gain binaire). Un
organe de sélection détectant la valeur moyenne de l'ampiitude du signal issu
de la chaine d'unités d'amplification commute en série un nombre croissant
de celles-ci pour compenser la décroissance progressive des signaux d'entrée
en fonction du temps. les signaux amplifiés sont ensuite dirigés vers une
chaîne constituée d'un multiplexeur, d'un convertisseur analogique-numérique
et d'un dispositif d'enregistrement numérique.
Un tel système est décrit par exemple dans le brevet fran~cais
n~ 1 321 516.
Suivant un autre procédé connu, les signaux sismiques provenant de
chaque géophone ou groupe de géophones sont directement acheminés jusqu'aux
entrées d'un multiplexeur analogique après une amplification préalable éven-
tuelle dans un préamplificateur à gain fixe. La sortie du multiplexeur où
sont disponibleq une succession de signaux est connectée à un amplificateur
unique,lui aussi constitué d'une chaîne d'éléments amplificateurs disposés
en série~ la sortie de chacun d'eux étant connectée à l'entrée du suivant.
La gain de chaque élément amplificateur est fixe et choisi de préférence
égal ~ une puissance entière du nombre deux.
Comme la variation d'amplitude de deux échantillons successifs
quelconques peut être très grande, un organe de sélec-tion choisit le nombre
d'unités d'amplification que doit traverser chaque signal pour atteindre un
niveau optimal et commute la sortie de l'élément amplificateur où ce signal
~ .
1~3~63~
est disponible sur l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique, lequel
est connecté à un système d'enregistrement. Un tel procédé est décrit, par
exemple, dans le brevet fran~cais n 2 110 758.
Les amplificateurs constitués d'une série d'éléments amplificateurs
interconnectés en série présentent des inconvénients.
Ils sont~ en effet, relativement lents car les retards apportés
par les différents éléments amplificateurs travsrsés par les signaux sont
cumulatifs. De la même manière, les effets de la lenteur reLative de la
réponse de chaque élément amplificateur en régime impulsionnel, caractérisée
par son temps de montée, cumulés sur toute la chaîne d'éléments connectés en
série, contribuent à limiter la rapidité globale de réponse de l'amplificateur.
On peut mentionner également la saturation des éléments amplifica-
teurs qui risque de se produire lors du passage d'un échantillon d'amplitude
faible à un autre dont la valeur est nettement supérieure.
Un inconvénient inhérent aux chaines d'acquisition de données
comportant un multiplexeur en tête, réside en outre dans le fait que, pour
mémoriser la valeur de l'échantillon pendant la durée de l'opération rlu choix
du gain, on doit utiliser un élément de mémorisation COUIamment désigné par
échantillonneur_bloqueur disposé en amont de l'amplificateur et, par consé-
quent, opérant sur des signaux à grande dynamique, donc pouvant mémoriseraussi bien des signaux forts que des signaux faibles. Comme on le rappellera
dans le cours de la description qui va suivre, un échantillonneur-bloqueur
est technologiquement plus difficile à mettre en oeuvre lorsqu'il doit
opérer sur des signaux faibles.
La méthode selon l'invention permet d'éviter les inconvénients
ci-dessus mentionnés.
Suivant cette méthode, on engendre par amplification de chaque
signal analogique multiplexé, plusieurs signaux amplifiés correspondant à
des gains d'amplification fixes et différents, et on sélectionne parmi les
signaux amplifiés celui possédant le niveau optimal en utilisant systémati-
quement comme référence la valeur numérisée du signal amplifié avec un gain
fixe prédéterminé.
` 2
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,
L'amplification est réalisée simultanément par
plusieurs éléments d'ampllficatlon distincts de gains fixes et
différents les uns des autres, et connectés en parallèle et la
sélection est opérée parml les signaux lssus de ces éléments
d'ampllficatlon de galns dlfférents.
Le slgnal de nlveau optlmal qui sera effectlvement
enreglstré n'aura traversé qu'un seul amplificateur au lleu de
la cascade d'ampllflcateurs utilisés antérieurement.
Une autre caractéris~lque de la méthode réside dans
le falt que la sélection du signal de niveau optimal est effec-
tuée par un traitement préalable du slgnal numérisé issu du con-
vertisseur analogique-numérique et correspondant au slgnal issu
systématiquement d'un meme élément d'ampllfication consldéré
comme élément de référence.
~ e convertisseur, outre ses fonctions principales de
numérisation du signal optlmal qul est enreglstré, partlcipe a
l'opératlon préalabie de sélectlon dudit slgnal. Il en résulte
une slmpliflcatlon de structure~ .
Plus particulierement, la présente inVention décrlt
20 une méthode d'ampllfication de signaux analogiques multiplexés
: dont l'ampl1tude est susceptible de grandes variations, pour
appllquer a ces slgnaux une amplification optlmale avant leur
numerisatlon par un convertisseur analogique-numérique et leur
enregistrement, comportant:
l'application a chaque slgnal de plusieurs galns
. d~'ampllficatlon déterminés dlfférents les uns des autres pour
obtenir plusieurs slgnaux amplifiés,
: ~
: - la numérisation de l'un des signaux auquel a été
app11qua un~gain prédéterminé e~ la production, a partir de
:3~0~ 1a~va1~eur numérisée, d'un signal.spéciique de codage de gain,
; - la sélectlon parmi les signaux analogiques amplifi~s
- ~
~ de celui ayant un gain optimal compatible avec les limites
. , .
~ ~ - 3 -
::
~: ~ .. . . ...
.. . :.- . -: :
~3763~
operatoires du con~ertisseur analogique-numerique, en fonction
du signal specifique de codage de gain produ~t, et
- la transmission du signal analogique sélectionné
au convertisseur analogique-numérique, pour sa numérisation
avant son enregistrement.
La presente invention decrit egalement un dispositif
d'amplification pour la mise en oeuvre de la méthode décrite
plus haut pour amplifier les signaux analogiques dont l'amplitude
est susceptible de grandes variations, pour appliquer à ces
signaux une amplification optimale avant leur numérisation par
un convertisseur analogique-numérique et leur enregistrement,
ces signaux étant transmis par des moyens de multiplexage à une
pluralité d'éléments d'amplification dont les entrées sont con-
nectées en parall81e et ayant chacun un gain fixe prédéterminé
différent de celui des autres éléments d'amplification, le dis-
positif d'amplificati.on comportant:
- des moyens de commutation connectés aux sorties
des éléments d'amplification pour transmettre un slgnal analo-
gique amplifié sélectlonné à l'entrée du convertisseur analogique-
numérique, et
- des moyens de sélection connectés aux sorties du
convertisseur analogique-numérique pour engendrerun signal
spéciflque de codage de gain correspondant à la valeur numérisée
d'un signal lssu d'un élément d'amplification prédéterminé et
commander les moyens de commutation, de manière à connecter à
l'entrée du convertisseur analogique-numérique un signal amplifié
de gain optimum choisi parmi les signaux issus des différents
elements d'amplification.
D'autres caractéristiques et avantages appara~tront
à la lecture d'un mode de réalisation décrit à titre d'exemple
et en se référant aux dessins annexés sur lesquels:
- la figure 1 represente schematiquement une structure
connue d'amplification,
- 3a -
.
11~7~3~
- la figure 2 represente schematiquement le dispo-
sitif d'amplification selon l'invention,
- la figure 3 représente schématiquement l'organe
de sélec~ion du signal de niveau optimal.
La atructure d'un type connu lllu9tr~e ~ la flgure
1 comporte un ampllficateur 1 constitue d'une chaine de n étages
ou éléments ampllflcateurs la, lb, lc ... ln connectés en série,
la sortie de l'un étant connectée a l'entrée de l'étage suivant.
L'amplificateur reçoit des échantillons de signaux d'un multi-
plexeur 2 ~ travers un échantillonneur-bloqueur a bas niveau 3.
Les sorties des étages successifs ainsi que l'entrée du premier
étage sont connectés à un commutateur electronique 4. Celui-ci
est adapté a commuter sur l'entrée d'un convertisseur analogique-
numérique S le signal de -
- ' ~ . . '' '' :
.
~137~3~
niveau optimal produit par un des étages de l'amplificateur sur commande
d'un organe sélecteur 6.
Comme on l'a déjà indiqué, il sst très difficile d'obtenir des
performances techniques satisfaisantes d'un échantillonneur-bloqueur tel que
3 lorsqu'il est placé en amont de l'amplificateur et fonctionne avec une
grande vitesse d'échantillonnage en utilisant des signaux qui possèdent une
grande dynamique car des effets de diaphonie se produisent entre un échan_
tillon de signal mémorisé et celui qui le suit. On rappelle, en effet, qu'un
phénomènE d'ionisation du diélectrique du condensateur, qui constitue la
1n "mémoire" de l'échantillonneur-bloqueur, se produit en présence d'un échan_
tillon ; la décharge électrique du condensateur à la fin de la mémorisation
d'un échantillon n'élimine pas complètement cette ionisation et une inter-
action sur le signal suivant intervient, d'autant plus grande qùe l'écart
de niveau entre deux signaux successifs mémorisés est grand.
Le dispositif selon l'invention comporte (figure 2~ un amplifi-
cateur 7 constitué d'un nombre n d'étages amplificateurs 7a, 7b Ø 7n dont
les gains respectifs go~ g1 ...gn varient en raison géométrique. De préfé-
rence~ les gains respectifs 90~ g1 ... g des étages 7a, 7b ... 7n sont
respectivement égaux à 2, 2 , 2 ... 2n.
A titre d'exemple, le nombre n est choisi égal à huit. Les entrées
de tous les ~léments d'amplification sont reliées à la sortie d'un multi-
plexeur 18 par l'intermédiai-e d'un étage séparateur 19 dont le gain est
égal à l'unité. Les sorties des éléments amplificateurs 7a, 7b ... 7n sont
connsctées respectivement aux entrées de n échantillonneurs_bloqueurs ~a,
8b ... 8n.
On peut utiliser des échantillonneurs-bloqueurs fabriqués par
exemple par DATEL ou HARRIS sous les références respectives SHM-IC ou
. A 1-2425-S, ces exemples n'étant, bien entendu, pas limitatifs.
Les sorties de ces derniers sont connectées respectivement aux
entrées de n commutateurs 9a, 9b ... 9n d'un élément de commutation 9 d'un
type connu, de préférence électronique.
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Toutes les sorties de l'élément 9 sont intercnnnectées à l'entrée
d'un convertisseur analogique-numérique 10 par l'intermédiaire d'un étage
séparateur 11. Le convertisseur lO comporte, dans le mode de réalisation
décrit, onze sorties parallèlessur lesquelles sont disponibles des signaux
représentatifs de la valeur en code binaire de l'amplitude des échantillons
successifs, affectée de son signe ("mots" binaires). Les sorties du conver-
tisseur 10 sont connectées,d'une part,aux entrées d'un enregistreur numé-
rique 12 (à bande magnétique, par exemple) et, dlautre part, aux entrées
d'un organe de décodage 13 adapté à engendrer des signaux de commande de
l'~lément de commutation 9, par des connexions 21a, 21b ... 21j.
Selon la valeur du "mot" binaire disponible sur les sorties en
parallèle du convertisseur 10, l'organe de décodage 13 engendre un signal
qui se présente sous la forme d'un mot de trois bits Go~ G1, G2 adapté à
fsrmer le commutateur approprié de l'élément de commutation 9. Ce signal
est transmis d'une part à l'élément de commutation par l'intermédiaire d'une
porte de validation 22 et, d'autre part, à l'enregistreur 12.
Le fonctionnement des éléments précédents est synchronisé par un
~ élément de synchronisation 20 connecté aux entrées de commande respectivss
; du multiplexeur 1B par une connexion 51~ des échantillonneurs-bloqueurs 3a,
8b ,.. 8n par une connexion 52~ de la porte de validation 22 par une con-
nexion 53 et du convertisseur analogique-numérique 10 par une connexion 54.
L'élément de synchronisation 20 est constitué de manière connue par un
registre à décalage dont l'entrée de comptage est connectée à un élément-
horloge produisant des impulsions H à une fréquence de référence et de portes
logiques permettant de sélectionner à chaque cycle de fonctionnement du
~yst~me d'amplification, plusieurs impulsions de commande décalées dans le
temps.
Le choix entre les signaux amplifiés par les différents étages
de l'amplificateur 7 et mémorisés dans les échantillonneurs_bloqueurs cor-
respondants 8a, 8b ... 8n est effectué selon le cycle de fonctionnementsuivant :
- L'élément de synchronisation 20 produit une première impulsion qui est
transmise par 51~ 52 et 53 respectivement au multiplexeur 13 pour fermer
une de ses portes et permettre le transfert d'un échantillon dans les
éléments amplificateurs 7a, 7b ... 7n, aux échantillonneurs-bloqueurs
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pour commander la mémorisation des signaux issus des éléments amplifica-
teurs avec 1BS gains correspondants, et à la porte de validation Z2 pour
autoriser la fermeture du commutateur 9a.
- L'élément de synchronisation 20 produit une seconde impulsion qui esttransmise au convertisseur analogique-numérique 10 par la connexion 54 et
commande une premiere conversion numérique du signal issu de l'amplifi-
cateur 7a de gain unité (gO) en un "mot" binaire qui est traité par
l'organe de décodage 13.
Selon son amplitude, l'argane 13 choisit de fermer le commuta-
teur approprié pour que le signal transmis au convertisseur analogique-
numérique ait une amplitude optimale compatible avec l'amplitude maximale
admissible par ce dernier. Il transmet également la valeur binaire du
gain choisi à l'enregistreur 12.
- L'élément de synchronisation produit sur le conducteur 53 une troisième
impulsion qui valide le signal de commande engendré par l'organe de déco-
dage et transmis par la connexion D pour autoriser l'ouverture du com-
mutateur choisi. Le convertisseur analogique-numérique effectue alors
une seconde conversion numérique sur le même échantillon mais cette
fois-ci, amplifié avec un gain convenable.
Le résultat de cette seconde conversion est un mot binaire repré-
sentatif de la valeur binaire de l'échantillon, de snn signe et du gain
de l'étage amplificateur dont il provient. Ce mot est transmis à l'en-
registreur 12.
On voit qu'avec une telle structure :
- le signal échantillonné ne traversequ'un seul étage amplificateur ;
- le signal converti en mot binaire par le canvertisseur, lors de la
seconde conversion numérique de chaque cycle et effectivement enregistré,
a une amplitude importante indispensable au bon fonctionnement de
l'échantillonneur-bloqueur qui l'a mémorisé. En outre, la dynamique des
signaux mémorisés par un échantillonneur_bloqueur et transférés dans le
convertisseur 10 est faible. De ce fait, la diaphonie, qui intervient
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dans les structures connues sur des échantillonneurs-bloqueurs fonction-
nant avec des signaux de grande dynamique, est ici très faible.
La multiplication du nombre d'échantillonneurs-bloqueurs n'est
pas un inconvénient. Le co~t d'un échantillonneur-bloqueur de signal à
haut niveau est, en effet, peu élevé actuellement alors que celui d'un tel
élément adapté à fonctionner correctement sur des signaux faibles et, par
conséquent, très difficile à réaliser, est nécessairement beaucoup plus cher
comparativement.
L'organe de décodage 13 comporte, à titre d'exemple, (figure 3)
9 portes du type "OU exclusif" 141, 142 ... 149 à deux entrées. La sortie S
du cnnvertisseur analogique-numérique affectée au digit binaire de signe
est connectée à une première entrée de chaque porte 141 à 149. Les sorties
de rangs binaires ou poids 2 à 10 du convertisseur où sont disponibles
respectivement les digits binaires (bits~ correspondant aux puissances 2
à 2 de la numération binaire sont connectées à la seconde entrée des
portes OU 141 à 149 respectivement.
Des portes du type ET ~ deux entrées 151, 152, 153 ... 157 ont
leurs entrées respectives connectées à la sortie des portes OU (142 et 143~,
(143 et 144)~ (144 et 145), (145 et 146), (146 et 147), (147 et 148)7
(148 et 149). Les sorties des portes 141 et 151 sont connectées aux entrées
d'une porte ûU à deux entrées 161. De même, les sorties des portes (142 et
152), (143 et 153), ~144 et 154~, (145 et 155), (146 et 156~ et (147 et 157
sont connectées respectivement aux entrées de portes OU 162, 163, 164, 165~
166 et 167 du m8me type que la porte OU 16i. Les sorties des portes OU 161,
162 ... 167 sont connectées à un : "encodeur prioritaire" 17 réalisé sous
la forme d'un circuit intégré par exemple du type 74148 et comportant trois
sorties binaires de rangs binaires ou poids 0, 1 et 2. Les ~orties de rangs
0 et 1 ne sont pas connectées, ce qui fait que l'encodeur prioritaire 17 ne
prend en compte que les signaux numérisés pour lesquels les sorties de poids
supérieur ou égal à deux du convertisseur sont actionnées.
Avec une telle strusture, si la sortie de poids 10 du convertis-
seur est activée ou la réunion des sorties de poids ou rangs binaires 9
et 8, l'entrée nD 7 de l'encodeur prioritaire sera également activée ; si
la porte de poids ou rang binaire 9 du convertisseur est activée ou la
réunion des sorties de poids ou rangs binaires 8 et 7, ce sera l'entrée n 6
763~e
de l'encodeur qui sera activée9 etc. . Ce dernier sélectionne prioritaire-
ment parmi toutes ses entrées activées celle dont le numéro est le plus
élevé et l'indique en code binaire à trois bits sur ses sorties.
C'est ce mot binaire de 3 bits qui commande l'ouverture ds l'un
des huit commutateurs 9a, 9b..o 9h de l'organe de commutation 9.
Si l'entrée n 7 de l'encodeur est activée, cela signifie que
llamplitude du signal issu de l'amplificateur 7a est optimale et compa-
tible avec le niveau requis par le convertisseur 10, et le mot binaire de
trois bits engsendré par l'encodeur 17 va maintenir l'organe de commutation
dans son état initial (commutateur 9a fermé) pour la seconde conversion
numériyue. Mais si l'entrée nD 7 n'est pas activée, cela signifie que l'am-
plitude du signal issu cle 7a est inférieure au niveau optimal et qu'il est
nécessaire de lui appliquer un certain gain d'amplifica-tion. A cet effet,
l'encodeur 13 commande, par ce mot binaire à ~ bits, le commutateur associé
à llamplificateur dont le gain permet d'obtenir à l'entrée du convertisseur
lO un signal d'amplitude optimale, ce gain etant dlautant olus élevé que
le numéro de l'entrée activée de l'encodeur, qui correspond au niveau dlam-
plitude du signal transmis sans amplification, (rapport d'amplification de
1~, est plus petit. Ainsi, la sélection du gain permet de compenser automa-
tiquement les niveaux d'amplitude insuffisants de certains signaux.
Les portes du type OU exclusif 141 à 149 permettent de rendre lenuméro de sortie indiqué par l'encodeur prioritaire 17 indépendant du signe
de l'amplitude de l'échantillon car les portes ou type "OU exclusif" étant
également commandées par le bit affecté au signe permettant d'inverser les
signaux binaires aux sorties du convertisseur analogique-numérique 10 lors-
que les chifFres codés par ce dernier sont représentés sous la forme de :
"complément à cleux".
