Conception d’un banc de mesure, De test et de caractérisation

Nom du tuteur : M. Fouillat Qualité : Nom du maître de stage : M. Yvernault Qualité : Directeur technique Caroline Chauvin Département : Electronique 08/09/05

Conception d’un banc de mesure,

De test et de caractérisation

Stage effectué à Femlight

Du 31/01/05 au 30/08/05

ENSEIRB Rapport de Stage de 3ème année FEMLIGHT

Caroline Chauvin 2/58

TABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS ............................................................................................................................................3

PARTIE N°1. INTRODUCTION..................................................................................................................4

PARTIE N°2. FEMLIGHT .............................................................................................................................5 2.1 CREATION DE FEMLIGHT ET PARTENARIAT..............................................................................................5 2.2 ACTIVITES .............................................................................................................................................6 2.3 CONCURRENCE ....................................................................................................................................6 2.4 RESSOURCES HUMAINES .......................................................................................................................7

2.4.1 Les fondateurs ............................................................................................................................7 2.4.2 Une équipe opérationnelle avec l’expérience des start-up........................................................7 2.4.3 Des partenaires / actionnaires impliqués ...................................................................................8

2.5 GESTION, PRODUCTION ET SOUS-TRAITANCE ........................................................................................8 PARTIE N°3. OBJECTIFS DE LA MISSION TECHNIQUE .......................................................................9

3.1 SUJET DE STAGE....................................................................................................................................9 3.2 CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL ....................................................................................................9 3.3 MOYENS MIS A DISPOSITION DU STAGIAIRE.........................................................................................11 3.4 PLANIFICATION DU PROJET..................................................................................................................11

PARTIE N°4. REALISATION DU PROJET ...............................................................................................13 4.1 FONCTIONNEMENT DU FEMSCAN .......................................................................................................13 4.2 MODELISATION DU BRUIT EN SORTIE DU FEMSCAN..............................................................................15

4.2.1 Objectif .....................................................................................................................................15 4.2.2 Modélisation du bruit avant traitement du signal....................................................................15 4.2.3 Traitement Numérique.............................................................................................................21 4.2.4 Traitement analogique .............................................................................................................23 4.2.5 Conclusion ................................................................................................................................24

4.3 PARTIE HARDWARE DU BANC DE MESURE.............................................................................................25 4.3.1 Recherche d’une carte de comptage .......................................................................................25 4.3.2 Conditionneur...........................................................................................................................27 4.3.3 Mise en place des cartes de traitement du signal ...................................................................30

4.4 PARTIE SOFTWARE DU BANC DE MESURE..............................................................................................32 4.4.1 Choix du langage pour l’interface de visualisation ..................................................................32 4.4.2 Définition de l’interface homme-machine................................................................................32 4.4.3 Résultats ....................................................................................................................................37

PARTIE N°5. CONCLUSION ...................................................................................................................41

PARTIE N°6. TABLE DES ILLUSTRATIONS ...........................................................................................42

PARTIE N°7. ANNEXES ............................................................................................................................43



Remerciements

Philippe Yvernault, mon maître de stage pendant ces sept mois, m’a fait confiance en me confiant ce sujet. Par la suite, il a su me guider et m’aider à avancer. Il m’a consacré du temps notamment pour me former sur le détecteur optique qu’il développait et le milieu qui l’entourait.

Lui et Philippe Métivier, le PDG de Femlight, ont rendu ce stage possible et ont fait en sorte qu’il se déroule le mieux possible.

Sébastien Ermeneux, Patrick Forget et François Salin m’ont accueillie chaleureusement dans leur équipe. Ils m’ont aidé dans ma mission en m’apportant de nombreux renseignements.

Laurent Godeau et Nicolas Garnier, stagiaires à Femlight, ont agrémenté mon stage. Toute l’équipe de la PALA m’a très bien reçu et m’a fait une place en son sein. Marie-

Caroline, Cécile, Marc, Ramatou et Martin notamment, m’ont tout de suite intégrée dans leur groupe.

Pierre, électronicien dans une start-up également, m’a beaucoup aidée dans mes débuts pour la réalisation de mon ampli large bande.

J’adresse donc un grand merci à toutes ces personnes, ainsi qu’à l’ADERA pour son

soutien financier.



PARTIE N°1. INTRODUCTION

Cette étude a été menée à Femlight, une start up dans le domaine de l’intrumentation

optique. L’équipe travaille actuellement sur le développement d’un détecteur optique ultrarapide qui doit permettre de visualiser des phénomènes de l’ordre de la picoseconde, grâce à un procédé complexe.

L’objectif du stage de 3ème année est de mettre en œuvre ses connaissances, de les

renforcer, d’avoir un projet type de ce qu’on peut être amené à rencontrer par la suite et surtout d’avoir une expérience valorisante dans la vie active. Ce stage doit être un tremplin pour l’avenir.

Philippe Yvernault, le directeur technique de la société, proposait un sujet intéressant,

alliant du traitement de signal et le pilotage d’un appareil de haute technologie. De plus, la société est innovante, elle a une équipe dynamique et un avenir prometteur.

La mission consistait à récupérer le signal en sortie du prototype et à le traiter de manière à ce que l’utilisateur puisse ensuite le visualiser le plus simplement possible. Le traitement doit optimiser le rapport signal à bruit. La mission s’est donc déroulée en quatre étapes successives.

Modélisation des deux modes de traitements envisagés et calcul du rapport signal

à bruit pour chaque. Recherche du hardware pour mettre en œuvre une solution de traitement. Définition et recherche du sofware pour piloter le matériel Mise en place des solutions.



PARTIE N°2. FEMLIGHT

Femlight est une toute nouvelle entreprise créée en 2004 dans le domaine de

l’instrumentation optique et laser ultrarapide. Cette start-up s’appuie sur des technologies développées au CELIA, unité mixte de recherche du CNRS, de l’université de Bordeaux 1 et du CEA. Elle propose aujourd’hui un détecteur optique ultrarapide permettant des mesures temporelles de très grande précision dans de nombreux domaines d'applications.

2.1 Création de Femlight et partenariat

Femlight est née de la rencontre, en mai 2003, de deux ingénieurs expérimentés :

Philippe Métivier et François Salin. François Salin voulait alors valoriser un système de détection optique réalisé au CELIA. Ils ont participé au concours l’ANVAR et ont été primés en juillet 2003 en catégorie Emergence puis en juillet 2004 en catégorie Création. Grâce à ces subventions et aux aides financières de la région, ils ont pu mener à bien une étude du marché détaillée puis le développement du prototype.

Afin d’être à la pointe de la technologie, Femlight a développé différents partenariats. Des

conventions établies avec certains laboratoires lui permettent de progresser dans la recherche et le développement de ses produits. C’est le cas avec :

- le CNRS qui produit du savoir et met ce savoir au service de la société, - le CELIA (CEntre Lasers Intenses et Applications), qui fournit une aide humaine et

matériel, - la PALA (Plateforme d’Application des Lasers en Aquitaine), qui met à disposition le

matériel nécessaire au développement et au test du prototype, - l’université de Bordeaux1 qui entretient des liens privilégiés avec de nombreux

partenaires publics, - le LBPA (Laboratoire de Biotechnologie et de Pharmacologie génétique Appliquée), qui

développe des applications en biologie, notamment sur l’étude des protéines. D’autres partenaires aident au lancement même de la société : - l’Anvar (« l’agence française de l’innovation ») qui soutient l'effort d'innovation des

créateurs d'entreprises,



- Bordeaux unitec qui favorise l’implantation de nouveaux laboratoires de recherche,

détecte et accompagne la création d’entreprises de technologies innovantes et facilite l’implantation d’unités de R&D, de PMI et filiales de grands groupes,

- L’IRA (Incubateur Régional d’Aquitaine) qui met en œuvre les moyens humains, techniques et financiers pour la création d’entreprises.

Femlight a ainsi vu le jour en Juillet 2004 en tant que Société Anonyme.

2.2 Activités

Les activités de l’entreprise s’organisent principalement autour de son unique produit : le

femscan (voir photo 1). Il s’agit d’un équipement de détection et de métrologie du rayonnement picoseconde et sub-picoseconde. Il fonctionne comme un oscilloscope à échantillonnage "tout optique" présentant une bande passante supérieure à 320GHz et permet :

- de réaliser des mesures à partir de signaux à faible flux de photons avec une grande résolution temporelle,

- de déterminer la distribution temporelle d'une impulsion très courte.

Photo 1 : Femscan

Le femscan est en fin de développement. Le femshift, prochain produit de Femlight, est actuellement à l’étude.

2.3 Concurrence

Le femscan n’a pas réellement d’équivalent, cependant on peut identifier deux types de concurrents dans le domaine de l’instrumentation scientifique :

- Hamamatsu qui est l’industriel de référence dans le domaine de l’instrumentation optique rapide, qui se focalise sur une offre standard et qui répond assez difficilement aux besoins spécifiques des divers laboratoires.

- des entreprises de petites tailles telles que Photonis et Axis, qui développe des solutions très haut de gamme sur mesure.

Femlight propose donc un intermédiaire entre l’offre de masse et l’offre spécifique.



2.4 Ressources humaines

L’équipe expérimentée et multi compétences de l’entreprise se compose de huit hommes,

présentés sur la photo 2.

2.4.1 Les fondateurs

Femlight est né de la rencontre de deux hommes : - Philippe METIVIER, 46 ans, ingénieur opticien et manageur général confirmé (SAGEM,

CILAS, Highwave Optical Technologies, Mondia Quartz), - François SALIN, 43 ans, ingénieur lasériste et directeur de recherche au CELIA (Centre

Lasers Intenses et Applications) à l’Université de Bordeaux 1

2.4.2 Une équipe opérationnelle avec l’expérience des start-up

L’entreprise emploie deux personnes, en plus de Philippe Métivier nommé au poste de

Président Directeur Général : - Philippe Yvernault, 31 ans, ingénieur physicien, ancien responsable de la R&D

composants chez Highwave, sur le projet depuis le printemps 2003 et directeur technique de Femlight depuis janvier 2005,

- Sébastien Ermeneux, 33 ans, chef de produits confirmé (Avanex, Alcatel, Highwave Optical) et directeur de projet chez Femlight.

Photo 2 : L’équipe dynamique de Femlight De gauche à droite : S.Ermeneux, J.C.Brochon, P.Houmault, P.Métivier, P.Benoit, P.Yvernault, F.Salin, B.Turluche



2.4.3 Des partenaires / actionnaires impliqués

Cette équipe est soutenue par quatre partenaires : - Patrice Benoit, 55 ans, co-dirigeant d’OPTOPRIM société de distribution internationale

dans le domaine de l’instrumentation optique, - Brieuc Turluche, 43 ans, business angel, fondateur de plusieurs start-up

technologiques, - Patrice Houmault, 43 ans, directeur commercial chez Bertin Technologies, fondateur

d’une société de marketing optique, - Jean Claude Brochon, 59 ans, directeur de recherche en biologie moléculaire au LBPA

(Laboratoire de Biotechnologie et de Pharmacologie génétique Appliquée) à l’ENS Cachan.

2.5 Gestion, Production et sous-traitance

Du fait de la taille de l’entreprise, celle-ci n’est pas structurée en service. Elle ne comprend

pas de service administratif ou production et ne justifie pas l’emploi d’un comptable à temps complet. Elle sous-traite donc toutes ces parties. La politique sur ce point, est que l’équipe doit se concentrer sur ce qu’elle sait faire le mieux et sous-traiter à l’extérieur pour le reste.



PARTIE N°3. OBJECTIFS DE LA MISSION TECHNIQUE

3.1 Sujet de stage

Le stage est directement lié au principal produit de l’entreprise : le femscan. Ce détecteur

optique ultrarapide, encore à l’état de prototype, délivre un signal analogique, modulé à 50Hz et échantillonné à 80MHz.

La mission consiste à « Réaliser un banc de mesure, de caractérisation et de test » de cet instrument optique. Il s’agit alors de proposer et de mettre en place un système d’acquisition afin d’optimiser le traitement de ce signal. Ce système sera ensuite utilisé pour tester et caractériser l’instrument et nécessitera une interface pour la représentation des résultats et le contrôle de l’instrument, dans lequel il sera finalement implanté.

3.2 Cahier des charges fonctionnel

Le femscan permet d’échantillonner l’enveloppe temporelle des impulsions lumineuses

avec une fréquence allant jusqu’à 100MHz. Il se compose, entre autre, d’une photocathode pour convertir les photons en électrons et d’un multiplicateur d’électrons. Ce dernier délivre un courant constitué d’un train d’impulsions de 100µA d’amplitude moyenne. C’est ce signal qu’il faut traiter.

Actuellement, le signal est visualisable sur un oscilloscope grâce à deux sorties différentes. La sortie haute impédance convertit le courant en tension via une résistance importante (100kΩ). La sortie faible impédance (50Ω) utilise un amplificateur transimpédance.

Le but de la mission technique est de proposer une solution qui permettra un traitement

informatique de ce signal. Il s’agit donc d’acquérir le signal via une carte et de le visualiser via un logiciel. En fait, il faut pouvoir traiter le signal de deux façons différentes, selon la quantité de photons qui arrivent sur la photocathode :

- en mode « comptage » lorsqu’il y a très peu de photons, - en mode « analogique » sinon. Le travail se divise donc en trois principales étapes. La première consiste à modéliser le

bruit généré par les deux traitements différents pour valider l’intérêt de la solution de comptage dans le cas d’une luminosité réduite. Cette modélisation est effectuée sur Matlab en tenant compte des caractéristiques du signal à traiter, notamment de son bruit, ainsi que des dispositifs qui seraient adoptés pour conditionner puis acquérir le signal.



La seconde étape est une recherche et mise en place du hardware. Il faut effectuer des démarches auprès d’éventuels fournisseurs pour établir une liste de cartes compatibles avec notre application puis sélectionner la plus adéquate. Il faudra probablement deux cartes, une pour chaque mode de traitement. La carte « analogique » doit permettre d’obtenir sur l’ordinateur l’affichage et la fonction d’un oscilloscope. Elle doit comprendre au moins 2 entrées analogiques, une possibilité de trigger en externe, un buffer et une bande passante assez importants pour restituer le signal aussi fidèlement que possible. La carte « comptage » doit permettre de compter à au moins 80MHz, fréquence maximale des impulsions. Elle doit permettre également un trigger en externe. Pour faciliter l’utilisation de l’appareil, un connecteur USB sur ces cartes serait apprécié. On pourrait ainsi les relier facilement à n’importe quel ordinateur. Une finalité serait bien sur d’avoir une seule carte qui fournirait les deux fonctions souhaitées.

Cette étape s’accompagne également de la recherche ou de la conception d’un conditionneur pour mettre en forme le signal de sortie de l’appareil avant acquisition par la carte de comptage. Il faut transformer le courant fourni en tension et l’amplifier en générant le moins de bruit possible. Il faut également le transformer en signal TTL pour la carte « comptage » avec une tension seuil ajustable afin de récupérer un maximum d’impulsions et un minimum de bruit. L’amplificateur transimpédance, présent dans l’appareil, permet déjà de convertir le courant en tension mais sa fréquence de coupure trop faible, provoque une déformation du signal et sera donc à améliorer.

La troisième étape est une recherche du software. L’appareil doit être accompagné d’un logiciel ergonomique correspondant aux besoins des clients. Pour cela il faut en premier lieu déterminer le logiciel de programmation adéquat. Il doit permettre une prise en main et des modifications rapides et faciles pour que le client puisse personnaliser notre programme selon son utilisation. Il faut également créer une API qui lui permettra de créer entièrement sa propre application si besoin est.

Les solutions choisies seront alors intégrées à l’appareil. Un schéma récapitulatif du cahier des charges est donné figure 1.

Figure 1 : Schéma récapitulatif du cahier des charges



3.3 Moyens mis à disposition du stagiaire

La mission comprend environ un tiers de théorie, au niveau de la modélisation du bruit et

de la recherche de solution, pour laquelle un ordinateur connecté à Internet et le logiciel Matlab suffisent. Pour le reste, la PALA met à disposition tout le matériel nécessaire à quelques montages : un poste de travail, un fer à souder, un générateur de fonction, un oscilloscope… Le femscan est régulièrement disponible pour effectuer les tests. Enfin, le matériel manquant (composants électroniques, cartes d’acquisitions) est fournis par la société.

3.4 Planification du projet

Le projet est axé autour des trois principales parties définies dans le cahier des charges :

modélisation du bruit, mise en place du hardware, mise en place du software. Le planning prévisionnel est joint en tableau 1.

Réf Actions Deadline

1 Modéliser le signal bruité en sortie du photomultiplicateur Fin février 2 Modéliser et comparer les signaux de la sortie analogique et du compteur Fin mars 3 Rechercher des fournisseurs de carte de comptage sur port USB 16 février

4 Comparer le développement en C et sous labview. Vérifier les passerelles entre les deux. Faire le choix de la solution software (qui peut être un mixe des deux)

Début mars

5 Faire le point sur la notion d’API et comment les mettre en œuvre. Mi mars 6 Définir l’interface homme machine Fin mars 7 Faire converger les interfaces : carte analogique, carte de comptage et RS232 Fin mars

8 Mettre en œuvre les compteurs Fin mars

9 Réaliser des histogrammes de la réponse à électron unique avec les compteurs Fin avril

10 Réaliser des API FEMSCAN pour l’interface avec la solution de comptage et la solution analogique

Fin mai

11 Mettre en œuvre les API FEMSCAN pour l’IHM Fin juin

Tableau 1 : Planning prévisionnel Le diagramme de Gantt des planifications prévisionnel et réel est donné sur la figure 2.

Les taches y sont représentées par leur numéro, définit dans le tableau 1. Les taches rajoutées en cours de stage sont inscrites en toutes lettres. Les différences sont assez importantes et sont dues en grande partie à la difficulté de trouver et de se procurer une carte de comptage correspondant à nos contraintes. De plus, toutes les cartes répertoriées nécessitaient une amplification du signal fourni par l’appareil voire une mise en forme. Il s’est donc rajouté la conception et la réalisation d’un conditionneur composé d’un amplificateur très large bande et d’un comparateur rapide.



Figure 2 : Diagrammes de Gantt prévisionnel et réel



PARTIE N°4. REALISATION DU PROJET

4.1 Fonctionnement du femscan

Le femscan est un échantillonneur optique ultra rapide qui prélève un échantillon

temporel avec une résolution allant jusqu’à la picoseconde, à l’intérieur d’un phénomène optique récurrent selon le principe suivant :

1- une photocathode converti les photons arrivant à l’entrée de l’appareil, en électron, 2- des plaques de déflexions permettent de projeter le signal temporel dans l’espace, 3- le signal spatial est filtré par une fente, 4- enfin, il est amplifié par un système de dynodes. Son schéma fonctionnel est donné sur la figure 3.

Figure 3 : Fonctionnement et photo du tube du femscan

Focusing Electrodes

Deflecting Electrodes

Dynode electrodesAnode

Photocathode

Photons e -

e-

e-

L’impulsion temporelle est projetée dans un

plan image Un échantillon temporel

a été prélevé sur l’impulsion

Signal électrique basse fréquence

Projection sur l’axe Z

Conversion photon/electron

par photocathode

Image électronique et déflexion ultra

rapide

Filtrage par un trou de prélèvement et amplification par

dynodes



Lorsque l’on analyse un signal périodique (voir figure 4) il suffit alors de synchroniser le

dispositif de prise d’échantillon sur la fréquence du signal optique et de déphaser progressivement le signal de déflexion électronique de manière à décaler progressivement l’image du phénomène dans le plan du trou d’analyse.

Figure 4 : Fonctionnement temporel du femscan

Ceci permet de reconstituer point par point l’enveloppe du signal testé et d’avoir accès à l’information temporelle de manière extrêmement simple en sortie analogique du tube FEMSCAN.

Figure 5 : Schéma fonctionnel de l'analyseur picoseconde

D’un point de vue fonctionnel, ce dispositif correspond à un photomultiplicateur devant lequel a été intégré un dispositif d’échantillonnage temporel permettant d’augmenter sa résolution temporelle dans un ratio 1 à 1000.

Convertisseur

optique/ électronique

Echantillonneur F ~ 100MHz

et de résolution ~ 1ps (10-12s)

Ampli G > 106 & intégrateur de

constante de temps ~1/F=5ns

Diode rapide (~1ns)

Oscillateur résonnant

(~100MHz)

Ampli RF

Tube femscan

Déphaseur programmable

Carte de traitement numérique et de

visualisation

Alimentation haute tension ~10kV

Signal optique fréquence

(ex : 100MHz) Sortie analogique



4.2 Modélisation du bruit en sortie du femscan

4.2.1 Objectif

La sortie du femscan est visualisable sur oscilloscope. On observe alors les impulsions de

courant dues à la source lumineuse à l’entrée de l’appareil. Ce signal n’est pas idéal, il est déformé par le bruit de la photocathode et le bruit électronique en générale. Le but de la mission est d’acquérir ce signal de deux façons : analogiquement et par comptage. Le traitement par comptage doit permettre un meilleur rapport signal à bruit dans le cas d’une luminosité restreinte.

L’objectif de cette modélisation est de pouvoir à terme comparer le bruit généré par ces deux méthodes de traitement du signal de sortie d’un photomultiplicateur, pour valider l’intérêt de la solution de comptage.

4.2.2 Modélisation du bruit avant traitement du signal

Pour comparer les deux méthodes de traitements du signal considérées, il ne suffit pas de

prendre en compte le bruit généré par chaque système. Il faut considérer l’effet des circuits correspondant sur le bruit initial du signal. Il faut donc reconstituer au plus juste le signal en sortie du photomultiplicateur. On se place dans le cas où la source lumineuse a une faible intensité et ne délivre donc qu’un photon par période de 80MHz.

4.2.2.1 Signal idéal

Le signal en sortie du photomultiplicateur est un train d’impulsions de courant comme

représenté en figure 6. Chaque impulsion est créée par un électron, lequel provient de la conversion d’un photon par la photocathode. On peut représenter ce signal par un nombre d’évènements généré par unité de temps. On fera trois hypothèses pour effectuer cette modélisation :

- on considère ici qu’on ne dépasse pas 80 millions d’impulsions par seconde (durée minimale de 12,5ns entre deux impulsions),

- de plus, la source lumineuse produit un rayonnement de forme gaussienne, permettant de considérer que le nombre d’évènements varie selon la loi normale (voir figure 7),

- la largeur des impulsions est d’environ 5ns, on considérera donc qu’elles représentent un tiers de la période du signal (voir figure 6).

En réalité, la fréquence d’arrivée des impulsions varie en fonction de l’intensité de la lumière. Leur amplitude n’est pas constante, mais nous tiendrons compte de ce fait plus loin dans la modélisation.

Figure 6 : Train temporel des impulsions de courant

5ns

12,5ns minimum

Nombre d’impulsions par seconde



Figure 7 : Répartition temporelle des impulsions en sortie du tube Pour modéliser ce signal sous Matlab, il a été découpé en histogrammes temporels

contenant chacun un nombre d’impulsions définit par sa position sur la courbe gaussienne (voir figure 8). Les histogrammes sont représentés par des vecteurs remplis de 0 et de 1. Le 1 représente un évènement, le 0 une absence d’évènement. L’algorithme est le suivant :

Figure 8 : Découpage du signal en histogrammes Pour chaque histogramme :

On crée un vecteur de zéros qui contiendra les échantillons de cet histogramme, Puis on prend la valeur de la courbe de gauss correspondant (voir figure 8), noté k, On remplace ensuite dans le vecteur précédent, k fois un 0 par un 1, à des index aléatoirement

choisit, (un 1 représente une impulsion) On complète le signal en intercalant 2 zéros entre chaque valeur du vecteur, pour modéliser la

largeur de l’impulsion dans le signal (car l’impulsion représente 1/3 de la période – voir figure 6). Par exemple, pour l’histogramme x, correspondant à la valeur 3 sur la courbe de Gauss,

on obtient : 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 ou 0 1 0 1 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0

On met alors bout à bout chaque vecteur formé, pour obtenir le train d’impulsions total. C’est ce que l’on observe sur la figure 9, chaque impulsion étant représenté par un trait.

Figure 9 : Allure du train d'impulsion avec application de la distribution de gauss

80 millions

Histogramme x

Valeur k de la courbe pour l’histogramme x en impulsions par seconde

Temps de balayage de l’appareil (unité arbitraire)

Temps (unité arbitraire)

Amplitude des impulsions (unité arbitraire)



4.2.2.2 Bruit de photons

Le bruit de photons est intrinsèque à tout système optique. C’est le premier bruit que nous

devons prendre en compte dans notre modélisation. Ce bruit est une incertitude sur le nombre de photon réellement émis. Lorsqu’on émet N

photons, il existe une incertitude en √N. L’émission est gouvernée par la statistique de Poisson. On applique donc cette loi de probabilité sur la courbe de répartition temporelle des impulsions. Dans l’algorithme précédent, elle influencera donc la valeur k du nombre d’impulsions par vecteur. On observe alors une déformation de la gaussienne de départ. La courbe de départ était donné figure 7, la courbe bruitée est donnée figure 10.

Figure 10 : Répartition temporelle des impulsions avec le bruit de photons

Pour vérifier que le bruit introduit en simulation correspond à notre bruit de photons, on

peut calculer le rapport signal à bruit (SNR) sur la courbe. Pour cela, on modélise plusieurs fois la courbe avec les mêmes paramètres et on calcule pour chaque point, la moyenne et la variance. Le rapport des deux nous donne le SNR. On obtient alors une courbe similaire à celle de la figure 10, sauf que l’axe des ordonnées donne le rapport signal à bruit en dB. Les valeurs sont cohérentes avec celles attendues, c'est-à-dire le SNR est bien la racine carrée du nombre d’impulsions par seconde.

Les effets de ce bruit sont visibles sur l’exemple du vecteur précédent. Pour un

histogramme x qui correspondrait à la valeur 4 sur la courbe de Gauss, on peut alors obtenir entre 2 et 6 impulsions :

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 ou 0 1 0 0 0 1 0 1

1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0

80 millions





4.2.2.3 Bruit d’amplitude

La photocathode transforme chaque photon en un électron puis chaque électron en

produit des milliers d’autres dans le photomultiplicateur. Cependant, le gain du photomultiplicateur n’est pas constant et produit plus ou moins d’électrons. Le courant résultant, proportionnel au nombre d’électrons, varie donc d’autant. Ainsi, l’amplitude des impulsions n’est pas constante. Elle varie aléatoirement selon une distribution connue, représentée figure 11. On parle de bruit d’amplitude.

Figure 11 : Distribution d'amplitudes Nous ne connaissons pas de fonction simple pour représenter cette distribution. Il est

toutefois possible de trouver un artifice pour avoir un résultat approchant. La courbe se sépare en deux parties distinctes, comme le montre la figure 12 : une forme

de gaussienne, coupée aux basses amplitudes par ce qu’on appelle le bruit d’obscurité. Il faut donc reproduire une gaussienne donc le centre est décalé de 1 sur l’axe des abscisses. On élimine toutes les abscisses négatives puisque l’amplitude est toujours positive. Il reste alors à reproduire le bruit d’obscurité, qui tend vers l’infini quand les amplitudes tendent vers zéros. Pour cela, l’astuce consiste à récupérer les amplitudes négatives de la gaussienne et à les multiplier par -0,1. Ainsi, toutes les amplitudes sont bien positives, et un maximum d’amplitudes se situe près de l’abscisse zéro.

Figure 12 : Distribution d'amplitudes détaillée

1

Nombre d’impulsions/amplitude (unité arbitraire)

Amplitude d’une impulsion(unité arbitraire)

Amplitude d’une impulsion(unité arbitraire)

Nombre d’impulsions/amplitude (unité arbitraire)

Bruit d’obscurité

Gaussienne décalée



A présent, on peut tenir compte de l’amplitude de l’impulsion et plus seulement de sa

présence ou non. On modifie donc le vecteur précédent en remplaçant les 1 par l’amplitude probable des impulsions :

0 0 0 0 0 0 00000 0 0 0,95 0 1,11 0 00000 1,02 0 1,13 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0,95 0 0 0 0 0 1,11 0 0 0 0 0 En pratique, on crée un nouveau vecteur obéissant à la distribution d’amplitude et on

prend comme amplitude de l‘impulsion une valeur prise au hasard dans ce vecteur. On obtient alors, en mettant les vecteurs bout à bout de la même façon que pour la figure 9, un train d’impulsions semblable à celui de la figure 13.

Figure 13 : Allure du train d'impulsion bruité en amplitude

4.2.2.4 Bruit blanc

La photocathode est suivi par tout un système électronique : un multiplicateur d’électrons

composé de dynodes, puis un circuit de traitement du signal. Les systèmes électroniques rajoutent du bruit et on observe en effet un bruit blanc au niveau du train d’impulsions. Ce bruit, réparti sur toutes les fréquences, est représenté sur le train d’impulsions de la figure 14. En comparant avec la figure précédente, on voit apparaître un niveau de bruit.

Figure 14 : Allure du train d'impulsions bruité

Bruit blanc





ou



Pour modéliser ce bruit, on ajoute un chiffre aléatoirement choisit entre 0 et 0,1, à chaque

valeur du vecteur. On obtient :

0 0 0 0 0 0 00000 0 0 0,95 0 1,11 0 00000 1,02 0 1,13 0 0 0 0,01 0,05 0,09 0,1 0,07 0,1 0,96 0,03 0,09 0,01 0 0,04 1,09 0,1 0,06 0,07 0,01 0

4.2.2.5 Signal bruité en sortie du tube

Nous avons donc pris en compte les principaux bruits intervenant dans notre système

optique : bruit de photon, bruit de photocathode et bruit électronique. En prenant en compte ces bruits dans notre modélisation, nous parvenons à un résultat assez proche de la réalité. Si ce signal était visualisable avec un détecteur parfait, on obtiendrait alors la courbe de la figure 15. Toutefois, notre dispositif de visualisation n’est pas idéal et crée une déformation du signal. Il faut donc appliqué l’équivalent d’un traitement du signal pour avoir le bruit généré en sortie de l’appareil. Les modélisations qui suivent s’appuient sur ce signal de départ.

Figure 15 : Répartition temporelle du nombre d’impulsions en sortie du photomultiplicateur

80 millions

ou





4.2.3 Traitement Numérique

Le principe du traitement numérique est de compter le nombre d’impulsions du signal par

unité de temps afin de déterminer sa fréquence à chaque instant t et de reconstituer ainsi la répartition temporelle des impulsions.

En pratique, on prend le train d’impulsions obtenu sur la figure 14 et on le divise en vecteur d’amplitudes, chaque vecteur ayant la même taille. On compare chaque valeur du vecteur avec une tension seuil pour écarter le bruit blanc. Chaque valeur supérieure au seuil donne un 1, chaque valeur inférieure donne un 0. On compte alors le nombre de 1 dans le vecteur, c'est-à-dire le nombre d’impulsions qui ont eu lieu dans cette unité de temps. En reprenant notre vecteur d’exemple, nous obtenons pour un seuil de 0,5 :

0,01 0,05 0,09 0,1 0,07 0,1 0,96 0,03 0,09 0,01 0 0,04 1,09 0,1 0,06 0,07 0,01 0

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

Pour ce vecteur nous obtenons deux impulsions par unité de temps. En procédant de

même sur l’ensemble du train d’impulsion, on peut reconstituer la répartition temporelle des impulsions de la même façon que sur la figure 16.

Figure 16 : Répartition temporelle des impulsions par comptage

Pour chaque nouveau traitement, il faut donc définir l’unité de temps de comptage sur

laquelle on déterminera la fréquence, ainsi que la valeur seuil à partir de laquelle on décidera avoir réellement affaire à une impulsion, due à la lumière en entrée du détecteur, et non à du bruit.

80 millions





En réalité, on compare donc le niveau des impulsions de courant en sortie du

photomultiplicateur avec une valeur seuil réglable et on incrémente un compteur à chaque dépassement de ce seuil. Une fois l’unité de temps atteinte, on stocke la valeur obtenue dans un tableau et on remet le compteur à zéro. En traçant sur une courbe les points du tableau, on retrouve la répartition temporelle de la figure 16. L’algorithme est le suivant :

On divise le train d’impulsion en sortie du tube, en histogrammes temporels contenant les échantillons, On initialise la variable de comptage à zéro, Pour chaque histogramme, On compare la valeur de l’échantillon avec le seuil fixé par l’utilisateur, Si cette valeur est supérieure au seuil, on incrémente la variable de comptage Une fois l’histogramme parcouru, on mémorise la variable de comptage dans un vecteur et on la remet à zéro, On trace le vecteur pour obtenir la courbe de variation de fréquence par comptage.

On calcule alors le rapport signal à bruit obtenu, suivant la méthode décrite au paragraphe

4.2.2.2 : - on modélise plusieurs fois la courbe avec les mêmes paramètres, - on calcule pour chaque point, la moyenne et la variance, - le rapport des deux donne le SNR. On obtient une courbe similaire à celle de la figure 16, sauf que l’axe des ordonnées

donne le rapport signal à bruit en dB. Cette valeur varie en fonction de l’unité de temps du traitement. La figure 17 fournit le SNR maximum de la courbe en fonction de l’unité temporelle.

Figure 17 : Courbe du rapport signal à bruit en fonction de l'unité temporelle de comptage Cette figure correspond à l’application du traitement par comptage à une courbe de sortie

du PMT. Le SNR varie avec la courbe d’entrée mais les résultats restent sensiblement les mêmes et l’allure de la courbe reste identique.

Le rapport signal à bruit continue de croître avec l’unité de temps pendant laquelle on compte les impulsions. Cependant, si cette valeur est trop importante le nombre de point composant la courbe est trop petit pour la restituer fidèlement. Un bon compromis dans notre cas est de prendre 10µs comme unité, avec laquelle on obtient un SNR de 20dB.

35

30

25

20

15

10

5

0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Unité de tempsdu comptage (µs)

SNR (dB)



4.2.4 Traitement analogique

En analogique, le courant est transformé en tension via une résistance R placée en sortie

du tube, considéré comme un générateur de courant. Le tube est imparfait et génère une capacité parasite C entre la sortie et la masse. Le filtre RC formé agit comme un passe bas qui intègre notre signal en haute fréquence. On considère donc que notre signal subit une décroissance exponentielle fonction des valeurs des composants, de la forme y=exp(-t/(R*C)). Pour simuler cette décroissance, on convolue notre signal avec la fonction précédente et à partir d’un signal impulsionnel donné figure 18, nous obtenons, après le filtre, le signal de la figure 19.

Figure 18 : Signal impulsionnel avant filtrage

Figure 19 : Signal impulsionnel après filtrage



Amplitude du signal (unité arbitraire)

Amplitude du signal (unité arbitraire)



La résistance d’entrée des circuits analogiques peut varier. Plus elle sera grande, plus le

signal sera important en sortie et plus il sera facile de le traiter (on rappelle que le signal en sortie du tube est très faible, avoisinant les 100µA). Cependant, elle est inversement proportionnelle à la valeur de la bande passante et entraîne une déformation du signal. Il faut considérer aussi le fait que plus il y aura de photons en entrée, plus il y aura de signal en sortie du photomultiplicateur et plus le signal sera important en sortie du filtre pour la même résistance. Mais nous ne considérons que les cas où la luminosité est réduite, cas les plus difficile à traiter.

Ainsi, de la même façon que pour le comptage, on calcule le rapport signal à bruit obtenu. La capacité parasite est estimée à 17pF. On fait alors varier la résistance d’entrée du circuit et on trace le SNR maximum en fonction de la résistance. On obtient la courbe de la figure 20.

Figure 20 : Courbe du rapport signal à bruit en fonction de la résistance

On observe que le rapport signal à bruit stagne au-delà d’une résistance de 2MΩ, à

25dB. Cependant, dans notre cas nous considérons les résistances plus faibles car la bande passante doit être supérieure ou égale à 1MHz et donc R doit être inférieure ou égale à 10kΩ. Ainsi, pour les valeurs de résistances considérées, le SNR est inférieur à 5dB.

4.2.5 Conclusion Les résultats de cette modélisation montrent que le traitement par comptage peut donner

de meilleurs résultats pour une luminosité réduite que le traitement analogique. Lors de plusieurs manipulations par la suite, nous avons pu constater qu’un signal à peine

visible sur oscilloscope, était clairement retracé par logiciel à l’aide d’une carte de comptage. Le traitement par comptage fournit une meilleure sensibilité au faible signal.

Résistance du filtre formé (Ω).

SNR (dB)



4.3 Partie hardware du banc de mesure

Le traitement analogique du signal a fait l’objet d’une étude préalable. Il est possible de

brancher un oscilloscope sur la sortie du femscan. Pour un traitement informatique, il existe maintenant des boîtiers oscilloscopes, peu encombrant, qui se branche sur le port USB de l’ordinateur. La plupart sont fournis avec tous les logiciels nécessaires. Le picoscope est un bon exemple. Il s’agit d’un oscilloscope haute vitesse sur PC, entièrement compatible USB 2.0, utilisable comme analyseur de spectre et enregistreur de données, via son logiciel. Sa bande passante est de 200MHz. C’est probablement la solution qui sera choisie pour le mode analogique.

Il faut donc trouver à présent la meilleure solution pour le mode comptage. Pour cela, nous étudions les produits existant sur le marché.

4.3.1 Recherche d’une carte de comptage Il existe différentes catégories d’entreprises pouvant proposer une carte pour notre

application : des généralistes comme National Instruments qui fabrique tous types de carte, des spécialistes du photon comme Electron Tubes ou encore des spécialistes des faibles signaux comme Signal Recovery.

Le cahier des charges pour notre carte est assez simple. Elle doit au minimum avoir un compteur 24 bits capable de suivre une fréquence de 80MHz. Certaines options supplémentaires peuvent être appréciables, comme :

- pouvoir trigger en externe, - pouvoir générer un signal de sortie, - se connecter en USB, - être associé à un logiciel facile à adapter pour notre cas d’utilisation. Il faut bien sur que l’entrée de la carte soit compatible avec le signal que l’appareil fourni

et on considérera le délai de livraison qui pourrait retarder le projet. Le trig en externe peut limiter le bruit pris en compte par le compteur ; le signal de sortie

permettrait de piloter la phase de l’appareil sans passer par le port RS232 comme actuellement. Des recherches sur Internet ont permis d’établir un tableau comparatif des principales

cartes de comptages, disponibles sur le marché (voir tableau 2). On s’aperçoit alors qu’il existe peu de cartes correspondant à nos besoins et la seule qui satisfait tous les points précédents est beaucoup plus chère. Les cartes de comptages ne sont pas très nombreuses mais il est surtout rare qu’elles soient sur USB et qu’elles comptent jusqu’à 80MHz. Une carte PCI est moins pratique pour nous car elle impose que l’utilisateur possède un ordinateur de bureau avec un emplacement PCI libre. Tandis qu’une carte USB peut se relier à n’importe quel PC via le port USB. Les cartes sont fournies, pour la plupart, avec des drivers permettant de développer rapidement un logiciel adapté à notre application. On retrouve toujours des drivers pour Labview, logiciel très apprécié dans l’instrumentation et celui qu’on utilisera pour piloter les cartes.



National instrument Hamamatsu Hamamatsu Electron tubes Electron tubes Acquitek Signal recovery

NI PCI-6259 M8784 C8855 CT1 CT2 PCI / USB 385 SR3820

Compteur 2x32 bits 1x32 bits 1x32 bits 1x32 + 1x24 bits 1x32 bits 1x32 bits 2x32 bits

Format du signal d'entrée > 1V TTL (8ns width) TTL (8ns width) ECL ou TTL TTL (5ns width) niveau de trigger

programmable Seuil réglable

Fréquence max de comptage 80 MHz 50 MHz 50 MHz 50 MHz 100 MHz 100MHz 160MHz

Trigger externe oui (±10V) oui (TTL) oui (TTL) oui oui non non

Type de bus PCI PCI USB (1.1) 9 way D RS232 PCI / USB USB

Signal de sortie oui (2,86 MS/s) 8 bits 5V / 200mA oui oui non non

Prix 1 195 € 1792,80 € (HT) 2988 € (HT) 1 757 € 1 148 € 2015 / 2645 € 1286,66 € (HT)

Support VI, drivers et exemple divers fournis Drivers, DLL et VI d'exemple fournis Soft sous DOS Drivers et soft

fournis

Drivers pour Labview et

Labwindows

Soft et drivers fournis

Délai 1 semaine 1 mois 6/8 semaines 4 semaines 6/8 semaines

Extra Conditionneur à designer

Conditionneur C3866 à 10MHz, 1424,28€ (optionnel) Conditionneur ADIF1 optionnel 900 €

Tableau 2 : Tableau comparatif des cartes de comptages disponibles sur le marché



Cette étude souligne que la plupart des cartes nécessitent un conditionnement préalable du signal de sortie de tube. Les conditionneurs proposés étant un peu chers, il est préférable de réaliser notre propre circuit, adapté à notre signal.

4.3.2 Conditionneur

4.3.2.1 Cahier des charges

Ce conditionneur sera donc situé entre le tube et la carte de comptage. Il doit permettre

d’adapter le signal de sortie du PMT aux exigences des différentes cartes de comptage que nous avons sélectionnées. Pour cela, il faut convertir le courant négatif fourni en tension positive et l’amplifier en limitant le bruit généré. Dans la plupart des cas il faut ensuite le transformer en signal TTL.

La carte de conditionnement sera donc séparée en deux parties : un amplificateur inverseur trans-impédance et un comparateur. La sortie de l’amplificateur pourra être reliée directement à la sortie de la carte ou au comparateur à l’aide d’un switch ou d’un cavalier.

Le courant de sortie du PMT est composé d’impulsions négatives de 100µA d’amplitude

moyenne. Cependant, la carte doit permettre le traitement d’impulsions allant de 10µA à 1mA pour pouvoir couvrir tous les cas d’utilisation. La tension en sortie de l’amplificateur doit être assez importante, au minimum quelques dizaines de millivolts, pour avoir une marge de réglage sur la tension seuil du comparateur. De plus, pour restituer correctement nos impulsions de 2ns de largeur, la bande passante ne doit pas descendre en dessous de 500MHz.

Etant donné ces contraintes, nous avons choisis d’effectuer une amplification de -1000V/A, pour que le courant typique (-100µA) nous donne une tension d’environ 100mV et que le courant maximum envisagé (-1mA) ne fournisse pas beaucoup plus de 1V. Un gain plus petit rendrait difficile la détection des amplitudes par le comparateur, un gain plus fort limiterait la bande passante, déjà difficile à obtenir pour un gain aussi élevé.

Le circuit sera relié au photomultiplicateur via un câble coaxial d’impédance 50Ω. Pour éviter la réflexion des ondes à la sortie du coaxial, il faudra adapter l’impédance en sortie. Les amplificateurs opérationnels utilisés devront être faible bruit et avoir un slew rate supérieur à 350V/µs pour suivre la fréquence des impulsions (80MHz). Les valeurs des résistances devront être les plus faibles possibles, pour limiter le bruit résistif. Les alimentations seront soigneusement découplées.

Le cahier des charges de l’amplificateur est récapitulé dans le tableau 3.

Paramètres Caractéristiques Unité Min/Max

Gain -1000 V/A Typ Bande passante 500 MHz Min Impédance d’entrée 50 Ω Typ Impédance de sortie 50 Ω Typ Slew rate 350 V/µs Min Alimentation 5 V Typ

Tableau 3 : Spécifications de l'amplificateur



De plus, la tension seuil du comparateur doit être réglable entre 10mV et 1V pour s’adapter à la plage de variation du courant d’entrée considérée.

Le schéma retenu est donné figure 21:

Figure 21 : Schéma détaillé retenu pour l'amplificateur

4.3.2.2 Réalisation La réalisation du conditionneur a été plus longue que prévu. Des difficultés sont apparues,

dues principalement aux hautes fréquences utilisées. Il est difficile en particulier de trouver un amplificateur opérationnel pouvant fonctionner à

200MHz tout en fournissant un gain suffisant. Un gain trop faible impliquerait de rajouter plusieurs étages d’amplification pour parvenir au gain donné par le cahier des charges. L’amplificateur choisit permet une amplification par 5 du signal, à notre fréquence. Il suffit donc de mettre deux amplificateurs pour obtenir un gain de 25V/V et donc un gain de 1250V/A, avec la résistance de 50Ohm à l’entrée du montage.

Ensuite, à ces fréquences, l’amplificateur oscille facilement. Il faut choisir judicieusement les résistances de la boucle de contre-réaction. La datasheet fournit heureusement une liste de combinaisons de résistances recommandées.

Le bruit est également un problème à ne pas négliger. Les pistes doivent être les plus courtes possibles. Le circuit doit être propre, les soudures soignées et il doit y avoir un plan de masse. Toute imperfection crée une capacité parasite qui rajoute du bruit et peut faire osciller l’amplificateur. Pour réduire le bruit au niveau des amplificateurs opérationnels, il est recommandé de mettre sur l’entrée (+), la résistance vue à l’entrée (-).

+-

50Ω

51Ω

560Ω

+ -

OPA695

OPA695

390Ω 43Ω

100n 50Ω

+ -

AD8611

5V

2,4kΩ

2,2kΩ

Adaptation d’impédance sur 50Ω et amplification du signal par 50V/A

Amplification du signal par 4,5V/V (13dB) avec une bande passante de 600MHz et un slew rate de 1700V/µs

Amplification du signal par -5,6V/V (15dB) avec une bande passante de 700MHz et un slew rate de 1700V/µs

Suppression de la composante continue et adaptation d’impédance sur 50Ω

50Ω

Cavalier

Passage en TTL sur comparaison avec un seuil réglable. Un petit potentiomètre en série avec celui de la figure permet un réglage fin.

Adaptation d’impédance sur 50Ω.



Par exemple : R= 51Ω // 560 L’alimentation du circuit doit être stabilisée. Une modulation à 50Hz est apparue en sortie,

il faut alors ajouter un condensateur en sortie pour éliminer les basses fréquences. De plus, les alimentations doivent être soigneusement découplées par des condensateurs de différentes valeurs pour couper toutes les fréquences parasites, sinon l’amplificateur oscille très facilement.

Le conditionneur final est divisé en 3 parties (voir figure 22) : l’alimentation, un amplificateur 5V/V et un second amplificateur suivi d’un comparateur. Les deux amplificateurs ont été séparés pour les régler plus facilement. Le mauvais réglage de l’un peut entraîner l’oscillation de l’autre. Les trois cartes sont fixées dans une boite en métal qui se branche sur le secteur. Elle est munie d’un interrupteur et de 4 BNC :

- 2 entrées : une sur chaque amplificateur, - 2 sorties : en sortie du deuxième amplificateur et du comparateur.

Figure 22 : Schéma final du conditionneur

L’entrée du deuxième amplificateur est reliée à l’entrée de la boite et à la sortie du premier amplificateur via un T. On peut ainsi amplifier le signal par 5V/V en passant seulement par le second amplificateur ou par 25V/V en se connectant au premier. Dans les deux cas, on transforme le signal en TTL grâce au comparateur. Les deux BNC de sortie permettent alors d’observer la sortie amplifiée ou comparée.

+ -

560Ω

51Ω

R=?

+-

51Ω

51Ω

560Ω

+ -

OPA695

OPA695

390Ω

43Ω

100n 51Ω

51Ω

100n 51Ω

51Ω

AD8611

50Ω

Alimentation ±5V

3 - Sortie amplificateur

4 - Sortie comparateur

1 – Entrée Amplificateur ~20V/V ou 1000V/A

2 – Entrée amplificateur ~5V/V

5V

2,2kΩ

+ -

2,4kΩ

100Ω

2,4kΩ



4.3.3 Mise en place des cartes de traitement du signal

Une étude a été menée sur les oscilloscopes pour PC, par un expert. Ses résultats sont

consignés dans le tableau suivant 5.

Modèle Acute DS1002 Acute DS2012 Acute DS2052 PicoScope

Référence Price US$ 700 US$ 950 US$ 1150 US$ 1528.94

Format PC-based (Pocket size)

PC-based (Pocket size)



Display PC monitor Size adjustable

PC monitor Size adjustable

PC monitor Size adjustable PC monitor

Signal Acquisition System Bandwidth 60MHz 100MHz 100MHz 200MHz Single shot ability 10ns 10ns 10ns buffer memory 1MB Real Time Sampling Rate 100MS @ 2CH

200MS @ 1CH 100MS @ 2CH 200MS @ 1CH

100MS @ 2CH 200MS @ 1CH

Equivalent Sampling Rate 5GS/s 5GS/s 5GS/s 10GS/s Channels-

2 2 (Stack up to 6 channels)

2 (Stack up to 6 channels) 2+Ext trigger

External Trigger Input 1(TTL) 1(TTL) 1(TTL) 1 Trigger Output (Expand Func.)

N/A 1 (TTL 3.3V) 1 (TTL 3.3V)

Vertical Résolution 8-bits 8-bits 8-bits 8 bits Vertical Sensitivity 50 mV-2 V/div

@1X probe 10 mV-2 V/div @1X probe

10 mV-5 V/div @1X probe

10 mV to 2 V/div

timebases 5 ns/div to 5 s/div 5 ns/div to 5 s/div

5 ns/div to 5 s/div

1 ns/div to 50 s/div

Timebase accuracy 200ps 200ps 200ps 50ppm Input Coupling AC, DC,

GND(S/W) AC, DC, GND(S/W)

AC, DC, GND(S/W)

AC, DC, GND

Tableau 4 : Comparatif des oscilloscope pour PC sur le marché Le picoscope apparaît comme l’oscilloscope pour PC le plus performant. Sa bande

passante est large (200MHz) et les sensibilités verticales et horizontales sont excellentes (10mV/div et 1ns/div). De plus, il se connecte sur un port USB et donc à n’importe quel ordinateur.

Pour la carte de comptage, la SR3820 de Signal Recovery remplit les principales conditions. Il s’agit d’une carte USB, avec 2 compteurs 32 bit, capable de compter jusqu’à 160MHz. Elle n’impose pas de caractéristiques particulières au signal d’entrée grâce à son seuil réglable mais ne permet pas de trigger avec un signal externe et de générer un signal.

Le pilotage de l’appareil devra donc continuer à se faire par la liaison RS232. De plus, une étude sur le fonctionnement du trigger montre qu’il faudrait un signal dont la synchronisation soit de l’ordre de 6ns, pour être efficace.



En effet, le trigger agit en créant une fenêtre temporelle pendant laquelle le compteur peut être incrémenté. La fréquence maximale du compteur est de 160MHz, on sait donc qu’il a besoin de 6,25ns après une impulsion pour en détecter une autre. La fréquence maximale de notre signal est 80MHz, chaque impulsion est donc séparée au minimum de 12,5ns. Ainsi, le compteur détecte forcément les deux impulsions et ne peut pas les confondre.

Compteur enable Impulsions Temps pendant lequel le compteur ne peut pas s’incrémenter (~6ns) Si un bruit génère un compte trop près d’une impulsion, alors le signal ne sera pas

détecté. Cependant, en sortie du compteur, on obtient bien un compte pour une impulsion, il n’y a donc pas de perte des données.

Compteur enable Impulsions Dans le pire des cas, le bruit crée trop de comptes, c’est à ce niveau que le trigger peut

améliorer le rapport signal à bruit. Compteur enable Impulsions Pour que le bruit ne puisse pas rajouter de compte, il faudrait que le trigger ouvre une

fenêtre temporelle de compte, au moment où une impulsion est susceptible de se produire. Si cette fenêtre est trop grande, elle peut laisser passer du bruit. Elle peut donner lieu à deux incrémentations au lieu d’une si elle est plus grande que la fenêtre naturelle du compteur.

Trigger enable Compteur enable Impulsions Le signal de trig doit donc avoir une largeur maximale de 6ns et être synchrone avec le

signal lumineux d’entrée, pour être efficace. On se passera ici de signal de trig externe. Ces deux cartes sont fournies avec un soft propriétaire ainsi qu’avec des drivers pour

Labview et Visual basic. A partir de ces drivers, on peut donc proposer un programme type à l’utilisateur, qu’il pourra modifier au besoin.

12,5ns min



4.4 Partie software du banc de mesure

4.4.1 Choix du langage pour l’interface de visualisation

Le logiciel qui commandera les cartes peut être programmé avec différents langages. Les

cartes sélectionnées sont fournies avec des drivers pour Labview, pour les langages C et C++ et pour Visual Basic. Il faut donc choisir parmi ces langages celui que nous utiliserons.

Le logiciel Labview est apprécié dans le domaine de l’instrumentation. Il permet de faire facilement de l’acquisition de données, d’afficher les résultats sous forme de courbes ou de tableaux, puis de les enregistrer. Il permet également de coder tout un programme mais de manière graphique. Ainsi, la boucle FOR est un carré dans lequel on met les actions qui se répètent le nombre de fois voulu, la fonction + est un triangle avec deux entrées et une sortie, etc. Il est donc facile de faire un programme, il n’est pas nécessaire d’avoir appris toute une syntaxe avant. A l’opposé, il faut connaître une bonne base du C, du C++ ou de visual basic avant d’écrire un programme dans ces langages. Leur syntaxe est particulière.

D’autre part, un programme écrit sur Labview est difficilement commentable. Il est possible de rajouter du texte explicatif mais cela prend vite trop de place. De plus, si le l’application est trop lourde ou mal organisée, il devient compliqué de suivre la logique du programme et donc de le comprendre. Tandis que pour les autres langages, il suffit de rajouter des commentaires en face de la ligne à expliquer.

La meilleure solution est de suivre l’exemple de nos fournisseurs de cartes : créer un

locigiel type de l’application de notre matériel et fournir avec les drivers nécessaires à la réalisation d’un programme spécifique.

Dans un premier temps, nous allons donc mettre en place une interface faite avec Labview, dont le fonctionnement sera détaillé dans une documentation de maintenance (voir annexe 2).

4.4.2 Définition de l’interface homme-machine

Le logiciel doit pouvoir communiquer avec le femscan pour changer ses principaux

paramètres : les tensions d’alimentations du tube, la haute fréquence, la rampe, etc. Il doit également permettre de régler certains points du montage comme le seuil optimal du compteur. Mais sa fonction principale reste de régler la mesure et d’afficher le résultat.

L’interface est donc répartie sur 4 onglets, représentés figure 23.



Figure 23 : Les 4 onglets de l’interface du logiciel

Le premier onglet, donné figure 24, permet de communiquer avec le femscan. L’utilisateur doit définir le port utilisé (généralement com1) et le logiciel peut afficher la configuration actuelle de l’appareil ou en envoyer une nouvelle. Il permet aussi d’enregistrer une configuration dans un fichier et de la recharger plus tard.

Figure 24 : Interface de configuration du femscan



Le second onglet, donné figure 25, permet de régler les paramètres du compteur : le

mode, le seuil, le temps de comptage. Il permet également de faire varier la phase du femscan et donc de repérer le maximum du signal.

Figure 25 : Interface de réglage du compteur

Le paragraphe 4.1. sur le fonctionnement du femscan, explique que pour analyser un signal périodique, on se synchronise sur la fréquence du signal optique et on se déphase progressivement pour parcourir tout le signal (voir figure 4). Le troisième onglet, figure 26, paramètre la mesure, c’est à dire que l’utilisateur précise, ici, la plage de phases qu’il souhaite parcourir et le nombre de points à mesurer. Il fournit également les paramètres du compteur à utiliser.

Enfin, le dernier onglet permet enfin de visualiser le signal. Cet interface, figure 27, permet

de lancer la mesure, de la visualiser en direct à l’écran et d’enregistrer les points de la courbe ainsi que les paramètres d’acquisition du femscan et du compteur. On peut également visualiser les anciennes courbes, qui sont toutes archivées avec la configuration correspondante, jusqu’à l’arrêt du programme.



Figure 26 : Interface de paramétrage de la mesure

Figure 27 : Interface de visualisation du signal



Dans un deuxième temps, le picoscope a été également intégré au soft. Son onglet, donné figure 28, devait être le plus proche possible de l’aspect d’un oscilloscope classique.

C’est la partie du programme la plus complexe. Le picoscope fonctionne suivant deux modes : le 200MSample/s, et le 10GSample/s, qui ne fonctionne qu’avec un signal périodique. Le 200MS/s est assez simple d’utilisation mais ne permet pas la visualisation de nos signaux à 80MHz. Le 10GS/s, appelé aussi mode ETS, pose des problèmes de trigger et ne permet pas le monitoring de nos signaux.

En effet, en visualisant le signal haute fréquence de l’appareil, on peut détecter une instabilité du coté du laser ou un problème de fonctionnement de la manipulation. Or, en mode ETS, l’oscilloscope considère que le signal à l’entrée est toujours périodique donc il ne détectera pas une anomalie.

Enfin, le programme pour utiliser les deux modes indifféremment selon le cas d’utilisation, était devenu très lourd et le taux de rafraîchissement de la courbe à l’écran était trop lent. Nous avons donc supprimé cette partie du soft.

Figure 28 : Interface de l'oscilloscope pour PC



4.4.3 Résultats

Le logiciel de comptage est maintenant utilisé depuis plusieurs semaines. Au début, il

s’agissait principalement de test pour corriger le programme et pour identifier les besoins de l’utilisateur au niveau de l’interface. Après quelques corrections, et des ajouts de contrôles sur certains onglets, le programme est à présent utilisé comme étant partie intégrante de l’appareil.

Les manipulations classiques effectuées sont les suivantes : - Le générateur d’impulsions lumineuses est un laser femtoseconde, - Un montage optique permet d’amener le faisceau jusqu’à une fibre reliée à l’appareil, - Avant la fibre, le faisceau est divisé en deux parties et qui sont renvoyées vers la fibre

par deux miroirs placés à des distances différentes par rapport à la séparatrice. Le femscan permet d’obtenir l’image des deux impulsions séparées. La distance entre les

deux impulsions sur la courbe dépend de la distance des miroirs dans le montage optique (voir figure 29 et 30).

Figure 29 : Montage optique utilisé pour les tests

Figure 30 : Chemin du faisceau au niveau de la séparatrice

Laser

OCF

Faisceau lumineux

Miroir 0 Lame de verre. Elle réfléchit 4% du faisceau vers l’OCF

Signal électrique synchronisé sur le signal optique

Miroir 1

Miroir 2

Lame séparatrice 50/50

Fibre

Lentille

d1

d2

1 2 3

laser

fibre



Le montage est réalisé de manière à ce qu’un trou situé entre la lame de verre et la séparatrice (voir figure 29) laisse passer le laser entrant mais bloque les faisceaux réfléchis par les miroirs 1 et 2. Si les faisceaux parvenaient à rentrer dans le laser, cela créerait une instabilité.

Les figures 31 à 34 sont des captures d’écran du programme avec des courbes typiques.

Figure 31 : Visualisation des deux impulsions

Sur la figure 31, on voit apparaître les deux impulsions attendues. La première se situe à

70ps et son amplitude est de 26kHz. La seconde est à 95ps et monte à 18kHz. La manipulation suivante consiste à enlever une impulsion puis l’autre (en obstruant les miroirs). On démontre ainsi qu’elles sont indépendantes et stables.

Figure 32 : Visualisation de la première impulsion seulement



On observe la première impulsion seule sur la figure 32. Celle-ci se situe toujours à 70ps et monte à 27kHz. Sur la figure 33, la seconde impulsion, seule également, est toujours à 95ps et atteint 15kHz.

Figure 33 : Visualisation de la seconde impulsion seulement

Les impulsions se situent donc à la même place. La différence entre les maximums est due

à l’erreur de traitement du signal. Ici la mesure est faite avec un temps de comptage de 100ms seulement. Il est possible d’obtenir de meilleurs résultats avec des temps plus importants. A présent, on éloigne le miroir 2 de 1mm (voir figure 29) pour séparer d’avantage les deux impulsions. Le résultat est donné figure 34.

Figure 34 : Visualisation des deux impulsions éloignées



La seconde impulsion est toujours à 95ps mais la première a reculé et se trouve à présent

à 65ps. Les deux impulsions se sont donc éloignées de 5ps pour un éloignement des miroirs de 1mm. En réalité, des mesures plus précises donne un déplacement de 6,6ps/mm, ce qui correspond à la théorie.

En effet, la lumière se déplace à la vitesse de v = 3.108 m.s-1. Or :

v1

= 810.31

s/m = 3,3.10-9 s/m = 3,3.10-12 s/mm = 3,3 ps/mm. Et il faut considérer que lorsqu’on

déplace le miroir de 1mm, la lumière parcours 1mm de plus à l’aller et 1mm de plus au retour, soit 2mm. On obtient ainsi nos 6,6ps/mm de déplacement du miroir. Le logiciel et la manipulation sont à présent réglés et opérationnels. Il serait possible de mesurer le rapport signal à bruit de notre signal pour comparer avec les résultats de la partie modélisation. Cependant, nous ne l’avons pas encore fait, par manque de temps.



PARTIE N°5. CONCLUSION

Ce travail, qui s’est réparti sur deux mois de modélisation, deux mois de fabrication d’un

amplificateur et deux mois de conception du logiciel, a apporté une plus-value importante à l’appareil. En plus de visualiser le signal sur un oscilloscope classique, l’utilisateur peut acquérir le signal sur ordinateur, le visualiser, l’enregistrer dans un fichier et le traiter ultérieurement.

Le logiciel est ergonomique. En outre, il permet de commander le prototype, de régler le seuil du compteur et éventuellement le montage optique en amont, de programmer la mesure et d’afficher le résultat. Les objectifs de la mission sont pleinement atteints. Le système mis en place est déjà utilisé et permet de faire d’avantage de mesures qu’auparavant.

Le logiciel peut ensuite être adapté aux besoins des clients, en ajoutant des fonctions ou au contraire en simplifiant l’interface. On peut par exemple bloquer certains paramètres si l’utilisation est toujours la même.

Une solution utilisant un oscilloscope pour PC a été essayée puis rejetée, le matériel n’étant

pas assez performant. D’autres traitements du signal ont été envisagé mais ne seront pas développés. Le produit n’évoluera donc plus vraiment.

Ce sujet était intéressant techniquement. J’ai eu à réaliser un amplificateur avec 500MHz

de bande passante. J’ai pu voir les différents problèmes que posaient les hautes fréquences. Mais cette période m’a surtout servi à faire face à un projet important, à prendre mes

premières responsabilités d’ingénieur et à valoriser ma formation en effectuant une mission professionnelle concrète. J’ai également connu le travail dans une start up, avec ses avantages et ses inconvénients. Comme l’équipe est restreinte, on apprend vite à connaître chacun. Je suis la seule à avoir une formation en électronique, on me confie donc tout ce qui concerne ce domaine et j’ai probablement plus de responsabilité que si j’étais dans une grande société, ce que j’apprécie. D’un autre côté, si je me pose des questions, si j’ai besoin d’une aide technique, je dois trouver mes informations à l’extérieur, sur Internet notamment.

Les projets sont variés et j’ai ainsi l’occasion de voir différentes choses. Je me suis beaucoup plut à Femlight et je suis contente d’y rester encore pendant quelques temps.



PARTIE N°6. TABLE DES ILLUSTRATIONS Tableau 1 : Planning prévisionnel ____________________________________________________________ 11 Tableau 2 : Tableau comparatif des cartes de comptages disponibles sur le marché _____________________ 26 Tableau 3 : Spécifications de l'amplificateur ____________________________________________________ 27 Tableau 4 : Comparatif des oscilloscope pour PC sur le marché ____________________________________ 30 Figure 1 : Schéma récapitulatif du cahier des charges ____________________________________________ 10 Figure 2 : Diagrammes de Gantt prévisionnel et réel _____________________________________________ 12 Figure 3 : Fonctionnement et photo du tube du femscan ___________________________________________ 13 Figure 4 : Fonctionnement temporel du Femscan ________________________________________________ 14 Figure 5 : Schéma fonctionnel de l'analyseur picoseconde _________________________________________ 14 Figure 6 : Allure des impulsions _____________________________________________________________ 15 Figure 7 : Répartition temporelle des impulsions en sortie du tube __________________________________ 16 Figure 8 : Découpage du signal en histogrammes________________________________________________ 16 Figure 9 : Allure du train d'impulsion avec application de la distribution de gauss______________________ 16 Figure 10 : Répartition temporelle des impulsions avec le bruit de photons____________________________ 17 Figure 11 : Distribution d'amplitudes _________________________________________________________ 18 Figure 12 : Distribution d'amplitudes détaillée __________________________________________________ 18 Figure 13 : Allure du train d'impulsion bruité en amplitude ________________________________________ 19 Figure 14 : Allure du train d'impulsions bruité __________________________________________________ 19 Figure 15 : Répartition temporelle des impulsions en sortie du photomultiplicateur _____________________ 20 Figure 16 : Répartition temporelle des impulsions par comptage ____________________________________ 21 Figure 17 : Courbe du rapport signal à bruit en fonction de l'unité temporelle de comptage ______________ 22 Figure 18 : Signal impulsionnel avant filtrage___________________________________________________ 23 Figure 19 : Signal impulsionnel après filtrage___________________________________________________ 23 Figure 20 : Courbe du rapport signal à bruit en fonction de la résistance _____________________________ 24 Figure 21 : Schéma détaillé retenu pour l'amplificateur ___________________________________________ 28 Figure 22 : Schéma final du conditionneur _____________________________________________________ 29 Figure 23 : Les 4 onglets de l’interface du logiciel _______________________________________________ 33 Figure 24 : Interface de configuration du femscan _______________________________________________ 33 Figure 25 : Interface de réglage du compteur ___________________________________________________ 34 Figure 26 : Interface de paramétrage de la mesure_______________________________________________ 35 Figure 27 : Interface de visualisation du signal__________________________________________________ 35 Figure 28 : Interface de l'oscilloscope pour PC _________________________________________________ 36 Figure 29 : Montage optique utilisé pour les tests ________________________________________________ 37 Figure 30 : Chemin du faisceau au niveau de la séparatrice________________________________________ 37 Figure 31 : Visualisation des deux impulsions___________________________________________________ 38 Figure 32 : Visualisation de la première impulsion seulement ______________________________________ 38 Figure 33 : Visualisation de la seconde impulsion seulement _______________________________________ 39 Figure 34 : Visualisation des deux impulsions éloignées___________________________________________ 39



PARTIE N°7. ANNEXES

Annexe 1 : Fiche entreprise. Annexe 2 : Manuel de maintenance du logiciel

ENSEIRB Annexe 1 FEMLIGHT


Fiche entreprise :

Fiche Entreprise Nom Entreprise Femlight Unitec 2 – Domaine du haut Carré Adresse Siège 351 Cours de la libération Code postal 33405 Localité Talence Adresse Etablissement Code postal Localité Téléphone 05 40 00 34 29 Télécopie 05 40 00 34 44 Site WEB http://femlight.com/ Activités Chiffre 2001 2002 2003 2004 d'Affaire (MF) Managers Ingénieurs Administratifs Techniciens Effectifs 4 1 0 0 Commerciaux Autres Total 5 Nom Philippe Métivier Fonction Président Directeur Général Nom François Salin Fonction Directeur Général Dirigeants Nom Fonction Nom Fonction Anciens Elèves Nom Tél Nom Tél de l'ENSEIRB Nom Tél Futur stage ? Oui Pièces jointes : Nom Visiteur Chauvin Caroline Date 05/09/05



Rapport de maintenance du Femsoft

Août 2005 Caroline Chauvin



Table des matières

1. INTRODUCTION .........................................................................................................................47

2. STRUCTURE GLOBALE DU PROGRAMME .......................................................................................48

3. CONFIGURATION DU FEMSCAN...................................................................................................49

3.1. ENVOI D’UNE CONFIGURATION ...............................................................................................49

3.2. LECTURE DE LA CONFIGURATION ACTUELLE .............................................................................50

3.3. SAUVEGARDE OU CHARGEMENT D’UNE CONFIGURATION .........................................................51

4. REGLAGE DU COMPTEUR ............................................................................................................51

5. PARAMETRAGE DE LA MESURE.....................................................................................................53

6. AFFICHAGE DU RESULTAT DE LA MESURE .....................................................................................54

6.1. ACQUISITION DU SIGNAL ........................................................................................................54

6.2. VISUALISATION DU SIGNAL .....................................................................................................56

6.3. ENREGISTREMENT D’UNE COURBE............................................................................................57

7. CONCLUSION ............................................................................................................................57

8. TABLE DES ILLUSTRATIONS..........................................................................................................58



1. Introduction Le femscan est un détecteur optique ultrarapide qui fonctionne suivant deux modes

distincts : le mode analogique et le mode comptage. Le femsoft est un programme écrit avec Labview pour le mode comptage. Il permet de piloter le femscan et d’afficher les résultats.

L’interface graphique est composée de 4 onglets, voir figure 1.

Figure 35 : Composition de l'interface graphique du Femsoft

Le premier onglet permet de configurer le femscan, le second permet de régler le compteur, le troisième paramètre la mesure et le dernier affiche le résultat. Sur chaque onglet, des boutons actionnent une partie du programme, représenté figure 2.



Figure 36 : Vu d'ensemble du programme du femsoft

2. Structure globale du programme

Le programme tourne dans une boucle infinie en attendant une instruction. A l’appui sur

un bouton, il stoppe la boucle et rentre dans la phase correspondante du programme. L’interface graphique comprend ainsi huit boutons provoquant une nouvelle instruction : 4

sur le premier onglet, 1 sur le second, 1 sur le troisième et 2 sur le dernier. Sur la figure 3, une variable dépendant de l’état de chaque bouton (0 ou 1) indique l’étape du programme à exécuter.

Figure 37 : Définition de l'étape à exécuter

Cette variable commande une boucle « if » et active la bonne partie du programme.



3. Configuration du femscan

L’onglet de configuration du femscan est donné figure 4. Il comprend 9 contrôles, pour déterminer le port de communication utilisé et les variables de l’appareil, et 4 boutons qui déclenchent une instruction.

Figure 38 : Interface de configuration du femscan

3.1. Envoi d’une configuration Le bouton « ok » permet d’envoyer la valeur des huit variables de l’interface au femscan

par le port défini dans le premier contrôle. Le programme est donné figure 5.

Figure 39 : Programme d'envoi d'une configuration



3.2. Lecture de la configuration actuelle

Le bouton « status » permet d’afficher la valeur actuelle du femscan pour les huit variables de l’interface, via le port défini dans le premier contrôle. Le programme est donné figure 6.

Figure 40 : Programme de lecture d’une configuration

Le programme se divise en deux étapes, chacune contenue dans un carré gris, numéroté

0 et 1 (en haut). La première étape lit la configuration actuelle du femscan et l’affiche à l’écran, la seconde gère l’apparition du bouton ok (voir chapitre précédent). Pour lire une donnée du femscan, on lui envoie le nom d’une variable et il nous retourne sa valeur.

C’est le sous VI « Femsoft_config » qui envoie les données à l’appareil. Les autres éléments de la figure 5 contrôlent le bouton ok qui apparaît seulement si on change une variable sur l’onglet, pour rappeler à l’utilisateur de valider.

« Femsoft_config » contient le sous-VI « Femscan_config » qui a la même fonction mais diffère un peu au niveau des entrées-sorties. Contrairement au VI précédent, il gère les erreurs : il prévient lorsqu’une étape s’est mal passée et indique à quel moment l’erreur s’est produite.

« Femscan_config » fait appel au sous-VI « Femscan_w » pour communiquer avec l’appareil. Celui-ci, gère l’envoi des commandes.

C’est le VI « Femscan_status » qui lit les données sur l’appareil. Il fonctionne de la même façon que femscan_config, en utilisant le port indiqué par le premier contrôle de l’interface.

Les données en sortie du ce VI ne sont pas compatibles avec les contrôles de l’interface, il faut donc utiliser un VI d’interprétation pour afficher les valeurs de l’appareil sur le logiciel. Ce VI s’appelle « String_dec » car il permet de transformer les chaînes de caractères en valeurs décimales.

« Femscan_status » fait appel au sous-VI « Femscan_read » pour communiquer avec l’appareil. Celui-ci, gère la récupération des données envoyées par l’appareil.



3.3. Sauvegarde ou chargement d’une configuration

La sauvegarde et le chargement d’une configuration sont indépendants du femscan. Il s’agit simplement d’un enregistrement ou de la restitution des valeurs de l’interface. Les valeurs sont stockées par l’utilisateur sur le disque dur de l’ordinateur, dans le fichier choisi par l’utilisateur. Les programmes correspondants sont donnés figure 7.

Figure 41 : Chargement puis sauvegarde d'une configuration

Le VI « Save_config », représenté ci-dessus, enregistre les données de l’interface dans un

fichier et « Load_config », lit le fichier pointé par l’utilisateur et affiche les données correspondantes.

4. Réglage du compteur L’onglet de réglage du seuil du compteur est donné figure 9. Il comprend 5 contrôles et 3

boutons dont un qui déclenche une instruction.

Figure 42 : Interface de réglage du compteur



Le bouton « GO » lance le programme de réglage du seuil en entrant dans une boucle qui

s’arrête uniquement si on appuie sur le bouton « STOP ». Le bouton « RESET » efface l’historique de la courbe. Le programme est donné figure 10.

Figure 43 : Programme de réglage du compteur

Ce programme, plus complexe que les précédents, fait appel à plusieurs VI, lesquels

utilisent la librairie ActiveX du compteur.

« Counter_init » comme son nom l’indique, permet d’initialiser le compteur. Grâce aux DLL fournies, il le connecte, vérifie l’entrée utilisée et fixe le seuil de détection à 0V.

« Fix_threshold » prend en compte le nouveau seuil, fourni par l’utilisateur. Il transmet la valeur de l’interface à chaque nouvelle mesure.

« Count_measure » fournit le résultat du compteur. Il le remet à zéro, attend le temps demandé, puis relève la fréquence ou le nombre de comptes obtenu.

Le VI « Count_bug » a du être rajouté lors des tests du soft. En effet, le compteur donnait parfois des pics de valeurs ne correspondant à rien de concret. Pour ne pas fausser les résultats, nous supprimons donc les valeurs qui ne nous paraissent pas cohérentes.

Le VI « Femscan_phase » permet de changer la phase sur l’appareil, c'est-à-dire de se déplacer sur le signal à analyser.



5. Paramétrage de la mesure L’onglet de paramétrage de la mesure est donné figure 11. Il comprend 7 contrôles et 1

bouton de validation.

Figure 44 : Interface de paramétrage de la mesure

Le bouton « OK » initialise tous les paramètres pour la mesure du signal à l’entrée du

compteur. Il configure le femscan et le compteur qui sont alors prêt pour effectuer la mesure. Le programme correspondant est donné figure 12.

Figure 45 : Programme de paramètrage de la mesure

« Femsoft_init » transmet toutes les valeurs de l’interface au système, via deux sous VI : « Counter_init » (voir chapitre précédent) et « Init_phase »

« Init_phase » permet simplement de calculer la hauteur de pas de phase entre chaque point en connaissant les phases minimum et maximum, et le nombre de pas pour la mesure (données fournies par l’utilisateur).



6. Affichage du résultat de la mesure

Le dernier onglet permet enfin de visualiser le signal. L’interface est donnée figure 13. Il comprend 3 boutons, 1 contrôle et 5 indicateurs.

Figure 46 : Interface de visualisation du signal

Cet interface gère deux fonctions différentes : calcul point par point du signal en sortie du

femscan et affichage, et enregistrement des données dans un fichier.

6.1. Acquisition du signal

Figure 47 : Programme d’acquisition du signal



Le bouton « GO » de la figure 13, lance le calcul et l’affichage du signal. Le programme

est représenté figure 14. C’est la partie la plus complexe du logiciel. Elle comprend un certain nombre de VI mais

nous en avons déjà rencontré la plupart. Le programme se déroule de la manière suivante : - le compteur a été initialisé à l’étape précédente, - on transmet la valeur du seuil de détection avec le VI « Fix_threshold » (cf §3.), - on lance une première mesure avec « Count_measure » (cf §3.). Cette étape a été

rajoutée après avoir constaté que la première valeur de la mesure était souvent plus importante que les suivantes. Le compteur semble stocker des comptes et oublier de les remettre à zéro.

Ensuite, le programme rentre dans une boucle qui s’effectue autant de fois qu’on a

demandé de pas pour la mesure. Cette boucle se déroule en trois étapes, représenté figure 15.

Figure 48 : Programme de mesure du signal point par point

La première étape permet de positionner le femscan au bon endroit sur le signal. Pour cela on change la phase avec « Femscan_phase » (cf §3.). Ensuite, on prélève le nombre de count (ou la fréquence) obtenu sur le compteur, avec « Count_measure ». Enfin, on stocke les données dans un tableau.

« Count_values » stocke dans un tableau les valeurs successives fournies par le compteur et la phase correspondante. C’est ce tableau qu’on affiche par la suite.

Ce VI, appelé « Calibra_phase » converti la valeur de la phase du femscan en temps. En effet, on observe un signal temporel grâce à un changement de phase et pour caractériser notre signal, nous devons remettre une échelle temporelle sur l’abscisse.

Le VI « Calibra_phase_inv » fait la conversion inverse. Ce programme ne devrait pas se trouver dans la version finale, il sert uniquement d’aide à la transition, tout le système étant à l’origine basé sur l’échelle de phase de l’appareil.



6.2. Visualisation du signal

Le contrôle de l’interface « view curve » permet de visualiser toutes les courbes acquises depuis le lancement du programme. Pour cela, on stocke chaque tableau A issu d’une mesure dans un autre tableau B qui s’agrandit au fur et à mesure. Ensuite, l’utilisateur indique quelle courbe il souhaite voir et on prélève dans le tableau B le tableau A’ correspondant à la demande. Le programme est donné figure 16 et 17.

Figure 49 : Construction du tableau contenant l’historique des courbes

Sur la figure 16, on observe la construction du tableau B. Le cadre extérieur est la boucle principale du programme. En (4), on initialise le tableau B par un tableau vide, puis à chaque nouveau passage dans la boucle, on rajoute un tableau A dans B si on a fait une mesure, sinon on recopie simplement B. En (1), le tableau A vient s’ajouter au tableau B, en (2) nous avons donc le tableau B sans le tableau A et en (3) le tableau B comprenant le tableau A.

Figure 50 : Visualisation d'une ancienne courbe

Sur la figure 17, on rentre le tableau B obtenu en (3) sur la figure 16 dans une boucle conditionnelle, ce qui permet de voir une ancienne courbe si l’utilisateur change la valeur du contrôle « view curve ».

On peut observer sur le programme qu’en plus du tableau de mesure du signal, on stocke 3 variables dans le tableau A. Il s’agit des variables des trois indicateurs du bas sur l’interface, ce qui permet de savoir quels sont les paramètres de mesure correspondant à une courbe donnée.

(1)

(3) (2)

(4)



6.3. Enregistrement d’une courbe Il est possible d’enregistrer une courbe dans un fichier pour pouvoir l’analyser plus tard. Le

programme permet d’enregistrer la courbe à l’écran, que ce soit la dernière tracée ou une ancienne. Le fichier contient la date, la configuration du femscan ainsi que le paramétrage de la mesure en plus des données du tableau. On connaît ainsi toutes les conditions d’acquisition du signal. Le programme est donné figure 18.

Figure 51 : Programme d'enregistrement des données

C’est le VI « Save_data » qui gère l’écriture dans le fichier.

7. Conclusion Le soft n’en est pas encore à sa version finale. Actuellement, pour le paramétrage de la

mesure, l’utilisateur doit rentrer la plage de phase qu’il veut parcourir. Par la suite, il devra pouvoir rentrer une notion temporelle, par exemple en fournissant une phase d’origine et le temps qu’il veut voir de part et d’autre de cette origine. De plus, l’onglet de configuration du femscan devra être revu pour expliciter les différents contrôles. Il pourra être envisagé, dans le cas d’une application fixe et connue de l’appareil, de bloquer ses réglages et de supprimer cet onglet.

Un cahier des charges spécifique à l’utilisateur permettra de personnaliser le logiciel dans ce sens.



8. Table des illustrations

Figure 1 : Composition de l'interface graphique du Femsoft _________________________47 Figure 2 : Vu d'ensemble du programme du femsoft________________________________48 Figure 3 : Définition de l'étape à exécuter _______________________________________48 Figure 4 : Interface de configuration du femscan __________________________________49 Figure 5 : Programme d'envoi d'une configuration ________________________________49 Figure 6 : Programme de lecture d’une configuration ______________________________50 Figure 7 : Chargement puis sauvegarde d'une configuration_________________________51 Figure 8 : Interface de réglage du compteur______________________________________51 Figure 9 : Programme de réglage du compteur ___________________________________52 Figure 10 : Interface de paramétrage de la mesure ________________________________53 Figure 11 : Programme de paramètrage de la mesure _____________________________53 Figure 12 : Interface de visualisation du signal ___________________________________54 Figure 13 : Programme d’acquisition du signal ___________________________________54 Figure 14 : Programme de mesure du signal point par point _________________________55 Figure 15 : Construction du tableau contenant l’historique des courbes________________56 Figure 16 : Visualisation d'une ancienne courbe __________________________________56 Figure 17 : Programme d'enregistrement des données______________________________57

Documents

Conception d’un banc de mesure, De test et de caractérisation