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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Zeit-zu-Digital-Konverter.
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Hintergrund der Erfindung
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Die präzise Messung des Zeitintervalls zwischen zwei Ereignissen ist in vielen Bereichen der Technik, besonders in der experimentellen Physik von großer Bedeutung. Ein Beispiel ist die Bestimmung des Zeitpunkts eines elektrischen Impulses, den ein Teilchen-Detektor infolge des Auftreffens eines Teilchens erzeugt, wobei der Zeitpunkt relativ zu einem Referenzzeitpunkt bestimmt wird. Die Messung eines solches Zeitintervalls wird oft auch zur Bestimmung der Position eines auf einen Detektor treffenden Teilchens genutzt. So kann z. B. bei Detektoren mit Laufzeitanode (Delayline) aus der Verzögerungszeit, die ein elektrischer Impuls beim Durchlaufen eines Anodendrahtes erfährt, auf die Teilchenposition geschlossen werden.
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Zur Messung von Zeitintervallen eignen sich Zeit-zu-Digital-Konverter, welche auch als Time-to-Digital-Converter (TDC) bezeichnet werden. Unter einem TDC wird typischerweise ein elektronisches Gerät verstanden, welches das Zeitintervall zwischen zwei elektrischen Impulsen als Zahlenwert zu einer bestimmten Maßeinheit (z. B. Pikosekunden) bestimmen kann und diesen Zahlenwert in digitaler, genauer gesagt binärer Repräsentation ausgibt. Ein TDC empfängt in der Regel als Eingangssignale ein Start- und ein Stopp-Impuls und wandelt die dazwischen befindliche kontinuierliche Zeitspanne in eine diskrete Information um. Für die Praxis entscheidend ist dabei die Genauigkeit der Diskretisierung, mit anderen Worten die Zeit-Auflösung des Zeit-zu-Digital-Konverters.
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Zeit-zu-Digital-Konverter werden in der Literatur mitunter, je nach Art ihrer elektronischen Schaltung, in analoge und digitale TDCs eingeteilt. Bei einem analogen TDC wird in der einfachsten Form durch den Start- und Stoppimpuls eine konstante Stromquelle ein- bzw. ausgeschaltet, wodurch ein als Integrator fungierender Kondensator geladen wird. Die Kondensatorspannung enthält demnach die Zeitinformation entsprechend dem Prinzip eines Time to Amplitude Converters (TAC). Die Kondensatorspannung kann sodann mittels eines Analog-zu-Digital-Konverters (ADC) in einen digitalen/binären Wert übersetzt werden. Dieses einfache Konzept hat jedoch den Nachteil, dass Nichtlinearitäten der Bauteile und Rauschen zu Ungenauigkeiten führen, welche die Zeit-Auflösung stark limitieren können.
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Digitale TDCs vermessen ein Zeitintervall in der Regel durch Zählen von in das Zeitintervall passenden Zyklen eines Oszillators. Die praktisch realisierbaren Taktfrequenzen hochfrequenter Oszillatoren begrenzen demnach die Zeit-Auflösung digitaler TDCs. Reicht die Auflösung für den jeweiligen Einsatzzweck nicht aus, kann ein Oszillatorzyklus weiter unterteilt werden. Dazu kann die Schaltung um Delaylines erweitert werden, welche die Eingangssignale in Signalkaskaden mit Verzögerungen unterhalb der Taktperiode überführen. Eine solche Kaskade verzögerter Versionen des Ursprungssignals kann genutzt werden, um z. B. in einer Kette von Flip-Flops eine Zeitinformation zu kodieren, welche zur Erhöhung der Zeit-Auflösung des TDCs dient. Je nach Einsatzzweck kann eine digitale TDC-Schaltung jedoch aufwändiger und teurer sein, als dies notwendig wäre.
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Ferner ist es sowohl bei analogen als auch digitalen Zeit-zu-Digital-Konverter gängiger Bauart vorteilhaft, wenn die Start- und Stoppimpulse einheitlich sind, insbesondere auf standardisierten Logikpegeln beruhen. Die Eingangssignale weisen dann in der Regel wertdiskreten Charakter auf.
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Wenn hingegen Analogsignale als Eingangssignale für einen gängigen TDC verwendet werden, kann dies zu Problemen führen. Beispielsweise kann ein zu starkes Rauschen des Signals zu fehlerhaften Reaktionen des TDC führen. Zudem können Ungenauigkeiten entstehen, wenn die Eingangsimpulse durch einen relativ breiten und weichen zeitlichen Verlauf des Signalwerts, z. B. in Form einer Gaußkurve, gekennzeichnet sind. Typisch ist insbesondere ein zeitlich abweichendes Ansprechen auf Impulse gleicher Form aber abweichender Impulshöhe, was auf den unterschiedlich steilen Anstieg des Signalwerts der Impulse zurückzuführen ist. Ein solcher zeitlicher Fehler wird auch als „walk” bezeichnet.
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Grundsätzlich können die vorstehend beschriebenen Fehler dadurch minimiert werden, dass dem TDC ein sogenannter Constant Fraction Discriminator (CFD) vorgeschaltet wird. Ein CFD kann basierend auf einem Analogsignal mit einem breiten und weichen Eingangsimpuls mit unbestimmter Impulshöhe einen Ausgangsimpuls erzeugen, der zeitlich von der Impulshöhe des Eingangsimpulses unabhängig ist, d. h. nicht mit einem zeitlichen „walk” behaftet ist, und eine standardisierte Form aufweist. Ein CFD liefert demnach in der Regel als Zeitmarke einen wertdiskreten Standard-Impuls, welcher zum Ansteuern eines TDC besonders geeignet ist. Allerdings steigert das Vorschalten eines CFD naturgemäß die Komplexität und Kosten des Systems.
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Ein anderer Ansatz, ausgehend von einem Analogsignal, den Zeitpunkt eines Impulses zu bestimmen, besteht darin, das Analogsignal zunächst zu digitalisieren. Dazu kann mit einem geeigneten ADC eine schnelle zeitliche Abtastung des Signals bei gleichzeitig ausreichend genauer Quantisierung der Signalwerte durchgeführt werden. Im Anschluss kann das digitalisierte Signal per Software analysiert werden, insbesondere, um die Maxima des Signalwerts und zugehörige Zeiten zu ermitteln. Dieser Ansatz kann jedoch softwareseitig relativ aufwändig sein. Zudem können sich, insbesondere bei zu ungenauer Quantisierung der Signalwerte Fehler ergeben.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen aber dennoch präzisen und hochauflösenden Zeit-zu-Digital-Konverter bereitzustellen, welcher unmittelbar mit Analogsignalen umgehen kann und welcher mit geringer Anzahl elektronischer Bauteile und mit niedrigen Kosten realisierbar ist.
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Ein Aspekt der Aufgabe ist es, einen Zeit-zu-Digital-Konverter bereitzustellen, welcher auch zur Vermessung solcher Impulse imstande ist, die einen breiten und weichen zeitlichen Verlauf der Signalwerte mit unterschiedlichen Impulshöhen aufweisen, und dies ohne dass ein Constant Fraction Discriminator vorgeschaltet zu sein braucht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Es wird ein Zeit-zu-Digital-Konverter bereitgestellt, welcher den Zeitpunkt eines Schwellenübergangs eines Signals anhand eines aus dem Signal erzeugten Bitstroms bestimmt.
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Bei dem Signal kann es sich, ganz allgemein gesprochen, um eine nahezu beliebige zeitlich veränderliche physikalische Größe handeln. Dadurch, dass der Signalwert, d. h. die Signalstärke, zeitlich variabel ist, können mit dem Signal Informationen übertragen werden.
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Eine Information über einen Zeitpunkt kann insbesondere dadurch übertragen werden, dass der Signalwert zu einem bestimmten Zeitpunkt einen bestimmten Schwellenwert kreuzt, d. h. das Signal einen Schwellenübergang vollzieht. Der Signalwert kann dabei den Schwellenwert von unterhalb nach oberhalb des Schwellenwerts oder umgekehrt passieren.
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Ein Schwellenübergang kann insbesondere bei einem durch das Signal übertragenen Impuls auftreten. Von einem Impuls spricht man, wenn der Signalwert des Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. für eine beschränkte, relativ kurze Zeitspanne von seinem Durchschnittswert merklich ausschlägt.
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Mit dem Zeit-zu-Digital-Konverter kann demnach insbesondere der Zeitpunkt eines Schwellenübergangs eines Impulses ermittelt werden. Dies ermöglicht es somit insbesondere, den Zeitpunkt eines mit dem Signal übertragenen Impulses festzustellen.
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Grundsätzlich ist der Zeit-zu-Digital-Konverter geeignet, Zeitpunkte verschiedenartiger Impulse zu bestimmen. Wird etwa ein unipolarer Impuls erwartet, d. h. ein Impuls, bei welchem der Signalwert des Signals entweder lediglich ins Positive oder lediglich ins Negative ausschlägt, kann etwa der Schwellenwert außerhalb des Rauschpegels und innerhalb der erwarteten Impulshöhe festgelegt werden. Dann bewirkt der Impuls einen Schwellenübergang.
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Besonders geeignet ist der Zeit-zu-Digital-Konverter allerdings zur Bestimmung des Zeitpunkts bipolarer Impulse, d. h. solcher Impulse, bei denen das Signal sowohl positive als auch negative Signalwerte annimmt, so dass der Impuls etwa die Form eines Wechselimpulses annehmen kann. Der Schwellenwert kann dann auch auf den Durchschnittswert des Signalwerts eingestellt werden, also z. B. bei null liegen, so dass ein Schwellenübergang einem Nulldurchgang entspricht. Schlägt der bipolare Impuls zunächst ins Negative und danach ins Positive aus, wird der Schwellenwert von unten nach oben gekreuzt; umgekehrt wird der Schwellenwert von oben nach unten gekreuzt, wenn der Wechselimpuls zunächst ins Positive und danach ins Negative ausschlägt.
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Da der Zeit-zu-Digital-Konverter für bipolare Impulse besonders geeignet ist, umfasst der Zeit-zu-Digital-Konverter bevorzugt eine Signalvorverarbeitungseinrichtung, welche das Signal durch Vorverarbeitung aus einem Rohsignal erzeugt, wobei insbesondere Impulse des Rohsignals in bipolare Impulse des Signals überführt werden. Mit anderen Worten führt die optional umfasste Signalvorverarbeitungseinrichtung eine Vorverarbeitung des Rohsignals durch und gibt es als Signal aus, welches bipolare Impulse enthält.
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Sowohl bei dem Rohsignal als auch bei dem Signal handelt es sich jeweils bevorzugt um ein Analogsignal, wobei ein Analogsignal als zeitkontinuierlich und zugleich wertkontinuierlich verstanden wird. Ein zeitkontinuierliches Signal weist einen kontinuierlichen Definitionsbereich auf, hat also innerhalb des Definitionsbereichs zu jedem Zeitpunkt einen Signalwert. Das bedeutet, dass dem Signal zu jedem Zeitpunkt eine (relevante) Information beigemessen werden kann. Ein wertkontinuierliches Signal hat einen kontinuierlichen Wertebereich, kann also innerhalb des Wertebereichs jeden Signalwert annehmen. Jedem Signalwert kommt grundsätzlich ein eigener (relevanter) Informationsgehalt zu.
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Im Gegensatz dazu ist einem Digitalsignal nur zu diskreten Zeitpunkten ein (relevanter) Signalwert zugeordnet und der Signalwert repräsentiert lediglich eine endliche Zahl von Informationszuständen. Ein Digitalsignal wird daher auch als zeitdiskret und wertdiskret bezeichnet.
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Der Zeit-zu-Digital-Konverter kann insbesondere unmittelbar mit Analogsignalen umgehen. Dadurch können die Kosten gegenüber bisherigen Systemen reduziert werden, z. B. gegenüber einer Serienschaltung von CFD und TDC oder schnellen ADCs. Ein CFD zur Erzeugung von standardisierten, insbesondere wertdiskreten Signalen, z. B. NIM-Signalen, ist nicht mehr erforderlich.
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Das von der Signalvorverarbeitungseinrichtung empfangene Rohsignal ist insbesondere wertkontinuierlich, vorzugsweise analog. Es handelt sich demnach insbesondere um eine wertkontinuierliche, vorzugweise analoge, Signalvorverarbeitungseinrichtung, welche das Rohsignal empfängt, es wertkontinuierlich, vorzugweise analog, vorverarbeitet und als ein Signal ausgibt, welches wiederum wertkontinuierlichen, vorzugweise analogen Charakter hat. Die Vorverarbeitung des Signals erfolgt dabei insbesondere lediglich wertkontinuierlich, vorzugweise lediglich analog.
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Auch die Impulse, welche mit dem Rohsignal bzw. dem Signal übertragen werden sind insbesondere wertkontinuierlich, vorzugweise analog.
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Die Signalvorverarbeitungseinrichtung ist insbesondere dazu hergerichtet, die Impulsform von Impulsen zu verändern. Das heißt, die Signalvorverarbeitungseinrichtung empfängt Rohsignale mit Impulsen und gibt ein Signal mit entsprechenden, formveränderten Impulsen aus. Dabei basiert die Form der Impulse des Signals auf der Form der Impulse des Rohsignals. Die Form der Impulse des Rohsignals bleibt demnach jeweils zumindest teilweise erhalten. Mit anderen Worten werden lediglich modifizierte Impulse und keine neuen Impulse generiert. Auch der Zeitpunkt eines Impulses bleibt jeweils erhalten.
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Die Signalvorverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise hergerichtet, unipolare Impulse in bipolare Impulse zu überführen. Zur Formung bipolarer Impulse, welche insbesondere als Wechselimpulse ausgebildet sein können, umfasst die Signalvorverarbeitungseinrichtung vorzugsweise zumindest die folgenden vier Komponenten zur Signalverarbeitung, welche jeweils insbesondere lediglich wertkontinuierlich, vorzugsweise analog arbeiten und dementsprechende Signale empfangen sowie ausgeben.
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Erstens eine Vervielfältigungseinrichtung, welche das Rohsignal zu zwei Hilfssignalen vervielfältigt. Dabei kann es sich insbesondere um einen analogen Signalverteiler handeln.
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Zweitens eine Verzögerungseinrichtung, welche eines der Hilfssignale zeitlich verzögert. Dabei kann es sich z. B. um eine Delayline handeln. Die Verzögerungszeit ist zweckmäßig kleiner als das Zeitintervall, welches der Impulsbreite entspricht.
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Drittens eine Invertiereinrichtung, welche eines der Hilfssignale wertlich invertiert. Typischerweise kann dies ein Inverter sein, welcher das Vorzeichen des Signalwerts umkehrt. Das Hilfssignal, welches invertiert wird, kann dasselbe Hilfssignal sein, welches zeitlich verzögert wird oder es kann sich um das andere der beiden Hilfssignale handeln.
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Viertens eine Mischeinrichtung, welche die zwei Hilfssignale wieder vereinigt. Dabei kann es sich z. B. um einen analogen, additiven Signalmischer handeln, welcher die beiden Hilfssignale nach Verzögerung bzw. Inversion wieder zu einem Signal zusammenführt.
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Optional kann auch ein Verstärker vorgesehen sein, welcher das Signal, das Rohsignal und/oder zumindest eines der Hilfssignale verstärkt.
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Zur Erzeugung des Bitstroms umfasst der Zeit-zu-Digital-Konverter vorzugsweise eine Bitstromerzeugungseinrichtung. Die Bitstromerzeugungseinrichtung erzeugt den Bitstrom dabei insbesondere aus Bits, welche jeweils einen Bitwert annehmen, welcher von einem Signalwert des Signals abhängt, insbesondere davon abhängt, ob der Signalwert einen Schwellenwert unterschreitet bzw. überschreitet.
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Der Bitstrom umfasst demnach eine Vielzahl von Bits, d. h. Informationseinheiten, die lediglich zwei Zustände annehmen können, welche wie üblich als null oder eins bezeichnet sein sollen.
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Der Bitwert eines Bits wird typischerweise in Abhängigkeit von einem zugehörigen Signalwert des Signals gewählt. Dazu kann insbesondere ein Schwellenwert festgelegt sein, so dass die Bitstromerzeugungseinrichtung den Bitwert davon abhängig macht, ob der Signalwert unterhalb oder oberhalb des Schwellenwerts liegt.
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Der Schwellenwert kann z. B. dem Durchschnittswert des Signalwerts entsprechen, also im einfachsten Fall etwa den Wert null annehmen. Wenn der Schwellenwert null ist, kann der Bitwert z. B. als die Heaviside-Funktion des Signalwerts definiert sein. Die Bitstromerzeugungseinrichtung kann einen Komparator umfassen, um dies zu realisieren.
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Die Bitstromerzeugungseinrichtung erzeugt den Bitstrom vorzugsweise durch sukzessives Anreihen von Bits, insbesondere derart, dass das nächste angereihte Bit einen Bitwert annimmt, welcher von dem momentanen Signalwert des Signals abhängt.
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Das Signal wird somit insbesondere zeitlich abgetastet und es werden die Bitwerte der Bits bestimmt, welche Bit-an-Bit aneinandergereiht werden, um den Bitstrom zu erzeugen. Der Bitstrom ist somit vorzugsweise ausgebildet als eine zeitliche Abfolge von Bits entsprechend dem Zeitverlauf des Signals. Die Abtastung erfolgt dabei zeitdiskret, so dass der Bitstrom eine zeitdiskrete Information über den zeitlichen Verlauf des Signalwerts des insbesondere analogen Signals enthält.
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Erwähnenswert ist allerdings, dass bei der Erzeugung des Bitstroms in der Regel keine Informationen über den Betrag des Signalwerts, insbesondere unterhalb oder oberhalb des Schwellenwerts, erhalten bleibt. Es handelt sich demnach insbesondere nicht um eine Verarbeitung im typischen Sinne einer Quantisierung der Signalstärke, denn bei einer Quantisierung der Signalstärke soll in der Regel der Betrag des Signalwerts mit einer bestimmten Zahl von Stufen ausgedrückt werden, etwa in 65536 Stufen bei einem 16-Bit Sampling, um den Verlauf näherungsweise zu beschreiben.
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Der Zeit-zu-Digital-Konverter ist vorzugsweise hergerichtet, den Zeitpunkt des Schwellenübergangs in Ansprechen auf ein Umschlagen des Bitmusters des Bitstroms von null nach eins oder umgekehrt zu bestimmen.
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Um ein Umschlagen des Bitmusters des Bitstroms zu erkennen, umfasst der Zeit-zu-Digital-Konverter vorzugsweise eine Vergleichseinrichtung, welche einen Teil des Bitstroms mit einer vordefinierten Bitmaske vergleicht.
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Bei dem Teil des Bitstroms kann es sich insbesondere um einen zeitlich veränderlichen, momentanen Ausschnitt des Bitstroms handeln, d. h. um ein Bitfenster, welches kontinuierlich mit einer Bitmaske verglichen wird. Das Bitfenster hat dabei vorzugsweise eine bestimmte Länge, beispielsweise 16-Bit, welche mit der Länge der Bitmaske übereinstimmt. Um das Umschlagen des Bitmusters zuverlässig zu erkennen, ist es vorteilhaft, eine Bitmaske mit einer Länge von mindestens 16 Bit zu verwenden. Vorzugsweise ist eine Länge von mindestens 32, bevorzugt von mindestens 48 und noch bevorzugter von mindestens 64 Bit vorgesehen. Die Länge der Bitmaske kann aus Effizienzgründen andererseits nach oben begrenzt sein, d. h. es kann etwa eine Bitmaske mit einer Länge zwischen 48 und 128 Bit vorgesehen sein.
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Unter einem Umschlagen des Bitmusters ist zu verstehen, dass auf eine erste Bitsequenz mit einer Mindestanzahl aufeinander folgender erster Bits mit jeweils gleichem Bitwert eine zweite Bitsequenz mit einer Mindestanzahl aufeinander folgender zweiter Bits mit jeweils gleichem Bitwert folgt, wobei die Bitwerte der ersten Bits von den Bitwerten der zweiten Bits abweichen. Insbesondere kann die erste Bitsequenz eine Folge von Nullen und die zweite Bitsequenz eine Folge von Einsen sein oder umgekehrt.
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Die Vergleichseinrichtung kann ferner zweckmäßig eine Bitfolge des Bitstroms und eine der Bitfolge zugeordnete Zeitmarke bereitstellen, z. B. speichern und/oder ausgeben, wenn ein Umschlagen des Bitmusters erkannt wird.
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Mit anderen Worten kann die Vergleichseinrichtung, wenn eine Übereinstimmung des Bitfensters mit einer Bitmaske erkannt wird, ein Speichern und/oder Ausgeben einer Bitfolge auslösen. Die Bitfolge kann insbesondere das Bitfenster umfassen. Vorzugsweise ist die Bitfolge länger als das Bitfenster und umfasst zudem eine bestimmte Anzahl von Bits vor und/oder hinter dem Bitfenster.
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Die Vergleichseinrichtung stellt zudem eine Zeitmarke bereit, welche dem Zeitpunkt der Bitfolge entspricht, insbesondere dem Zeitpunkt eines bestimmten Bits der Bitfolge, also beispielsweise des ersten Bits der Bitfolge. Die Zeitmarke gibt demnach bereits eine grobe Information über den Zeitpunkt des Schwellenübergangs des Signals bzw. des Impulses.
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Der Zeit-zu-Digital-Konverter ist vorzugsweise hergerichtet, den Zeitpunkt des Schwellenübergangs aus der der Bitfolge zugeordneten Zeitmarke und einem Bitindex der Bitfolge zu bestimmen, wobei der Bitindex insbesondere einem Bit der Bitfolge an der Stelle des Umschlagens des Bitmusters von null nach eins oder umgekehrt entspricht.
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Der Zeit-zu-Digital-Konverter kann demnach den Zeitpunkt des Schwellenübergangs präzise bestimmen aus der Zeitmarke und dem Bitindex, bei welchem das Bitmuster der Bitfolge von einer Vielzahl aufeinander folgender Bits mit dem Bitwert null auf eine Vielzahl aufeinander folgender Bits mit dem Bitwert eins oder umgekehrt umschlägt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur präzisen Zeitmessung, wobei der Zeitpunkt eines Schwellenübergangs eines Signals anhand eines aus dem Signal erzeugten Bitstroms bestimmt wird.
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Bei dem Verfahren zur präzisen Zeitmessung wird das Signal vorzugsweise aus einem Rohsignal erzeugt, welches derart vorverarbeitet wird, dass Impulse des Rohsignals in bipolare Impulse des Signals überführt werden.
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Vorzugsweise wird bei der Vorverarbeitung das Rohsignal zunächst zu zwei Hilfssignalen vervielfältigt, danach eines der Hilfssignale zeitlich verzögert und ferner eines der Hilfssignale wertlich invertiert und danach die zwei Hilfssignale wieder vereinigt, um unipolare Impulse des Rohsignals in bipolare Impulse des Signals zu überführen.
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Der Bitstrom wird bevorzugt erzeugt aus Bits, welche jeweils einen Bitwert annehmen, welcher von einem Signalwert des Signals abhängt, insbesondere davon abhängt, ob der Signalwert einen Schwellenwert unterschreitet bzw. überschreitet.
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Vorzugsweise wird der Bitstrom erzeugt durch sukzessives Anreihen von Bits, insbesondere derart, dass das nächste angereihte Bit einen Bitwert annimmt, welcher von dem momentanen Signalwert des Signals abhängt.
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Der Zeitpunkt des Schwellenübergangs wird vorzugsweise in Ansprechen auf ein Umschlagen des Bitmusters von null nach eins oder umgekehrt bestimmt.
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Vorzugsweise wird ein Teil des Bitstroms mit einer vordefinierten Bitmaske verglichen, um ein Umschlagen des Bitmusters zu erkennen. Ferner wird vorzugsweise eine Bitfolge des Bitstroms und eine der Bitfolge zugeordnete Zeitmarke bereitgestellt, wenn ein Umschlagen des Bitmusters erkannt wird.
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Schließlich wird der Zeitpunkt des Schwellenübergangs vorzugsweise aus der der Bitfolge zugeordneten Zeitmarke und einem Bitindex der Bitfolge bestimmt, wobei der Bitindex insbesondere einem Bit der Bitfolge an der Stelle des Umschlagens des Bitmusters von null nach eins oder umgekehrt entspricht.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 Einen ersten Teil einer beispielhaften Ausführungsform eines Zeit-zu-Digital-Konverters,
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2 einen sich an den ersten Teil aus 1 anschließenden zweiten Teil der beispielhaften Ausführungsform des Zeit-zu-Digital-Konverters,
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3 einen sich an den zweiten Teil aus 2 anschließenden dritten Teil der beispielhaften Ausführungsform des Zeit-zu-Digital-Konverters,
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4 den Verlauf eines Signals mit einem bipolaren Impuls.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Bezugnehmend auf die 1 bis 3 umfasst eine beispielhafte Ausführungsform eines Zeit-zu-Digital-Konverters 10 eine Signalvorverarbeitungseinrichtung 12, welche ein Rohsignal 112 empfängt und ein Signal 114 ausgibt (1); eine Bitstromerzeugungseinrichtung 16, welche das Signal 114 empfängt und einen Bitstrom 116 ausgibt; eine Vergleichseinrichtung 18, welche den Bitstrom 116 empfängt und eine Bitfolge 118 sowie eine zugehörige Zeitmarke 120 liefert (2); und eine Zeitpunktbestimmungseinrichtung 22, welche die Bitfolge 118 sowie die zugehörige Zeitmarke 120 empfängt und einen Zeitpunkt 122 als gewünschtes Ergebnis liefert (3).
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In der dargestellten Ausführungsform ist das Rohsignal 112 ein analoges elektrisches Signal, beispielsweise eine zeitlich veränderliche Spannung. Das Rohsignal 112 liegt dauerhaft an dem Zeit-zu-Digital-Konverter 10 an, wobei der Signalwert des Rohsignals 112 zu einem bestimmten Zeitpunkt kurzzeitig von seinem Durchschnittswert ausschlägt und dabei das Grundrauschen über- bzw. unterschreitet. Dieser Ausschlag wird als Impuls 150 bezeichnet. Das Rohsignal 112 trägt und überträgt somit zumindest einen Impuls 150. Der Zeit-zu-Digital-Konverter 10 empfängt somit ein Rohsignal 112 mit zumindest einem Impuls 150 und bestimmt den Zeitpunkt 122, welcher dem Impuls 150 entspricht.
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Die Dauer des Impulses 150, insbesondere ausgedrückt als dessen Halbwertsbreite (FWHM), d. h. die Impulsbreite 152 kann z. B. im Bereich von 0,5 bis 50 Nanosekunden liegen. Dies sind Signalbreiten, welche etwa bei Anwendungen mit Delayline-Detektoren oder Mikrokanalplatten (MCPs) erwartet werden können.
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Bezugnehmend auf 1 wird das Rohsignal 112 von der Signalvorverarbeitungseinrichtung 12 empfangen und im Wesentlichen in Echtzeit vorverarbeitet. Zur Vorverarbeitung sind die nachfolgend beschriebenen Komponenten vorgesehen, welche ebenfalls jeweils im Wesentlichen in Echtzeit arbeiten.
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Zunächst umfasst die Signalvorverarbeitungseinrichtung 12 einen Verstärker 30, welcher das eingehende Rohsignal 112 verstärkt und als verstärktes Rohsignal 130 ausgibt. Eine solche Verstärkung des Signals 112 ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Impulse 150 schwach ausprägt sind. Sind die Signale hingegen ausreichend hoch, beispielsweise größer als ca. 10 mV, kann der Verstärkungsschritt ggf. entfallen.
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Das Rohsignal 112 bzw. hier das verstärkte Rohsignal 130 wird dann einer Vervielfältigungseinrichtung 32 zugeführt. Die Vervielfältigungseinrichtung 32 erzeugt zwei einander und dem zugeführten Signal gleichende Hilfssignale 132, 133. Die Vervielfältigungseinrichtung 32 kann insbesondere als analoger Signalteiler ausgebildet sein.
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Eines der Hilfssignale, hier das Hilfssignal 133, wird an eine Invertiereinrichtung 36 weitergereicht, welche den Signalwert des Hilfssignals umkehrt und ein invertiertes Hilfssignal 133' erzeugt. Die Invertiereinrichtung muss das Signal nicht zwingend mit dem Faktor –1 invertieren. Es sind z. B. auch Werte zwischen –0,05 und –40 denkbar. Der Inverter kann somit zugleich auch eine Verstärkung oder Abschwächung des Signals bewirken.
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Es kann vorgesehen sein, dass die vorstehend beschriebenen Komponenten der Signalvorverarbeitungseinrichtung 12, d. h. der Verstärker 30, die Vervielfältigungseinrichtung 32 und die Invertiereinrichtung 36 in einer Verstärkerschaltung zusammengefasst sind.
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Weiterhin wird eines der Hilfssignale, hier das Signal 132, mittels einer Verzögerungseinrichtung 34 verzögert und als verzögertes Hilfssignal 132' ausgegeben. Zur Verzögerung des Signals kann z. B. ein etwas längeres Kabel verwendet werden. Das verzögerte Hilfssignal 132' ist somit um ein Verzögerungsintervall 135 gegenüber dem anderen Hilfssignal, hier dem Signal 133', zeitlich verzögert.
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Das Verzögerungsintervall 135 ist an die Impulsbreite 152 des Impulses 150 des Rohsignals 112 angepasst, idealerweise auch flexibel anpassbar, und ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Impulsbreite 152, besonders bevorzugt kleiner als 90 Prozent der Impulsbreite 152. Besonders günstig kann eine Verzögerung sein, die zwischen 70 und 90 Prozent, d. h. bei ca. 80 Prozent der Halbwertsbreite (FWHM) des ursprünglichen Signals liegt. Auf diese Weise kann ein besonders steiler Nulldurchgang des späteren Mischsignals erhalten werden. Kleinere Verzögerungen führen demgegenüber zu einem kleineren Mischsignal (schwächere Impulse) und größere Verzögerungen können zu einem Plateau in der Mitte des Mischsignals führen. Beides kann schlechtere Zeitauflösungen zur Folge haben.
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Erwähnenswert ist, dass es für das Messprinzip unerheblich ist, welches der zwei Hilfssignale 132, 133 verzögert wird. Mit anderen Worten kann auch eines der Hilfssignale 132, 133 sowohl invertiert als auch verzögert werden.
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Die beiden Hilfssignale, hier also das verzögerte Hilfssignal 132' und das invertierte Hilfssignal 133', werden in einem nächsten Schritt mittels einer additiven Mischeinrichtung 38 gemischt. Mit anderen Worten werden die beiden Hilfssignale addiert und wieder zu einem Signal zusammengeführt. Hierbei kann nun ein bipolares Signal entstehen, genauer gesagt ein Signal 114 mit einem bipolaren Impuls 156.
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Der bipolare Impuls 156 ist als Wechselimpuls ausgebildet, wobei der Impuls 156 hier erst ins Positive und dann ins Negative ausschlägt. Dazwischen kreuzt der Signalwert des Signals 114 einen definierten Schwellenwert 17, es findet demnach ein Schwellenübergang 13 statt. Wie in 4 gezeigt ist, kann der bipolare Impuls 156 des Signals 114 natürlich umgekehrt auch erst ins Negative und dann ins Positive ausschlagen.
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Das von der Mischeinrichtung 38 ausgegebene gemischte Signal wird von der Signalvorverarbeitungseinrichtung 12 als Signal 114 ausgegeben. Ebenso wie das Rohsignal 112 ist auch das Signal 114 ein analoges, kontinuierliches Signal in Form einer zeitlich veränderlichen Spannung.
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Zweck der Signalvorverarbeitungseinrichtung 12 ist somit insbesondere, das Rohsignal 112 derart in ein Signal 114 zu überführen, dass unipolare Impulse 150 des Rohsignals in bipolare Impulse 156 des Signals 114 umgewandelt werden. Das analoge Rohsignal 112 wird dabei in analoger Weise, d. h. sowohl wert- als auch zeitkontinuierlich verarbeitet und wiederum als analoges Signal 114 ausgeben. Man kann sagen, dass die analogen Impulse 150 durch analoge Verarbeitung in wesensgleiche analoge bipolare Impulse 156 umgeformt werden. Die Form der umgeformten Impulse 156 entspricht zumindest teilweise der ursprünglichen Impulsform, d. h. die bipolaren Impulse 156 sind keine neu generierten Impulse.
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Der Schwellenübergang 13 des Signals 114, genauer gesagt des bipolaren Impulses 156, definiert den zu bestimmenden Zeitpunkt 122. Der Zeitpunkt des Schwellenübergangs 13 des Signals 114 entspricht dem Zeitpunkt des Impulses 150 des Rohsignals 112. Vorteilhaft ist, dass der Zeitpunkt des Schwellenübergangs 13 von der Impulshöhe des Impulses 150 unabhängig ist. Im Gegensatz zu dem Ausgangssignal eines Constant Fraction Discriminators (CFD) ist das Signal 114 wertkontinuierlich.
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Die Signalvorverarbeitungseinrichtung 12 ist eine Baugruppe, welche insbesondere wesentlich einfacher aufgebaut ist, als ein üblicher CFD. Ein typischer CFD liefert nämlich neu generierte, wertdiskrete Standard-Impulse, die dazu ausgelegt sind, weitere, unabhängige Geräte anzusteuern.
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Bezugnehmend auf 2 wird das Signal 114 einer Impulserkennungseinrichtung 40 zugeführt. Diese ist ausgebildet, bipolare Impulse 156 in dem Signal 114 zu erkennen und bei Erkennung eines solchen Impulses 156 eine dem Impuls 156 zugehörige Bitfolge 118 sowie eine dem Impuls 156 bzw. der Bitfolge 118 zugehörige Zeitmarke 120 bereitzustellen, wobei die Bereitstellung digital erfolgt. Die Impulserkennungseinrichtung 40 weist somit einen analogen Eingang und einen digitalen Ausgang bzw. eine digitale Ausgabe oder Speicherung auf. Eingangsseitig liegt das analoge Signal 114 kontinuierlich an und ausgangs- bzw. ausgabeseitig ist die Bitfolge 118 und die Zeitmarke 120 verfügbar bzw. abrufbar, wenn ein Impuls 156 in dem Signal erkannt wurde.
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Die Impulserkennungseinrichtung 40 umfasst zunächst eine Bitstromerzeugungseinrichtung 16. Diese empfängt das Signal 114 und generiert daraus einen Bitstrom 116. Dazu wird das Signal 114 zeitlich abgetastet und der jeweils abgetastete Signalwert mit einem Schwellenwert 17 verglichen, etwa mittels eines Komparators. Je nachdem, ob der Signalwert den Schwellenwert 17 unterschreitet (oder alternativ überschreitet) oder nicht, wird dem Bitstrom 116 ein Bit mit Bitwert 0 bzw. 1 oder umgekehrt angefügt. Der Bitstrom 116 entsteht somit durch Aneinanderreihung von Bits, welche jeweils dem letzten abgetasteten Signalwert des Signals 114 entsprechen.
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Mit anderen Worten wird der Signalpegel des bipolaren Signals mit einem einstellbaren Schwellenwert 17 verglichen, wobei der Signalpegel über oder unter der Schwelle liegen kann. Diese Zustände werden als 0 bzw. als 1 kodiert, wobei es unerheblich ist, welcher Zustand mit 0 und welcher mit 1 kodiert wird.
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Der Schwellenwert 17 sollte möglichst auf dem gleichen Pegel liegen wie das Rauschen der Signalleitung, also bei einem Spannungssignal etwa bei 0 V. Das führt gemäß dem Prinzip der Signalvorverarbeitungseinrichtung 12 in der Regel zu der besten Zeitauflösung.
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Dadurch, dass der Schwellenwert 17 einstellbar ist, können auf der Signalleitung aufgeprägte (leichte) DC-Offsets kompensiert werden. Der Prototyp, welcher dem illustrierten Ausführungsbeispiel zugrunde liegt, wurde z. B. so gebaut, dass die Schwelle per Software einstellbar ist. die Bitstromerzeugungseinrichtung 16 kann demnach per Software oder FPGA-Programmierung steuerbar ausgebildet sein. Insbesondere kann dadurch der Schwellenwert 17 und/oder das Abtastintervall einstellbar sein.
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Eine einstellbare Schwelle birgt den weiteren Vorteil, dass die Rate und die Breite der Signale bei einer eingestellten Schwelle gemessen werden können. Man kann etwa die Schwelle langsam durchfahren und viele Signale sampeln. Dadurch erhält man Statistik, die Information über Impulshöhe und Impulsbreite bei gegebener Schwelle enthält. Damit kann bspw. leicht erkannt werden, ob die Verstärker übersteuert sind, d. h. sättigen. Wenn man die Schwelle allerdings sehr weit anhebt, dann entspricht es nicht mehr dem CFD-Prinzip, sondern einem einfachen Leading-Edge-Disktriminator (LED). Ein LED bietet aber jedoch eine schlechtere Zeitauflösung, weil der Zeitpunkt der Schwellenüberschreitung dann auch von der Amplitude abhängt.
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Die durch die Bitstromerzeugungseinrichtung 16 erfolgte Abtastung des Signals 114 sollte mit einer hohen Abtastrate erfolgen, um eine möglichst gute Zeitauflösung zu erreichen. In dem konkreten Beispiel wird das Signal 114 in Abtastintervallen von 90 Pikosekunden abgetastet. Allgemein sollte eine Abtastung in Abtastintervallen von weniger als 5 Nanosekunden, vorzugsweise von weniger als 1 Nanosekunde, noch bevorzugter von weniger als 200 Pikosekunden und besonders bevorzugt von weniger als 100 Pikosekunden erfolgen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Abtastung mit Intervallen unter 90 oder sogar unter 50 Pikosekunden.
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Die Bestimmung des Zeitpunkts des Schwellenübergangs 13 und somit des Impulses 150 erfolgt somit vorzugsweise mit einem Fehler von weniger als 5 Nanosekunden, vorzugsweise von weniger als 1 Nanosekunde, noch bevorzugter von weniger als 200 Pikosekunden und besonders bevorzugt von weniger als 100 Pikosekunden. Ganz besonders bevorzugt liegt der Fehler unterhalb von 90 oder sogar unterhalb von 50 Pikosekunden.
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Der Zeit-zu-Digital-Konverters 10 kann z. B. dazu genutzt werden, eine präzise Zeitmessung von Impulsen in Signalen insbesondere von Laufzeitanoden-Detektoren oder Mikrokanalplatten vorzunehmen. Insbesondere für diese Anwendungen sind Abtastintervalle größer als 5 Nanosekunden in der Regel nicht mehr ausreichend.
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Die Impulserkennungseinrichtung 40 umfasst ferner eine Vergleichseinrichtung 18. Die Vergleichseinrichtung 18 vergleicht ein Bitfenster des Bitstroms 116 mit einer vordefinierten Bitmaske 117, wobei die Bitmaske 117 insbesondere eine Signatur enthält, welche auf einen bipolaren Impuls 156 mit einem Schwellenübergang 13 schließen lässt. Der Zeitpunkt des bipolaren Impulses 156 in dem Signal 114, genauer gesagt des zugehörigen Schwellenübergangs 13, entspricht dem des ursprünglichen Impulses 150. Somit kann auf diese Weise der Zeitpunkt des Impulses 150 in dem Rohsignal 112 festgestellt werden.
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Die Vergleichseinrichtung 18 vergleicht somit den Bitstrom 116, genauer gesagt ein Bitfenster des Bitstroms, kontinuierlich mit einer vorher definierten Bitmaske 117. Es sind verschiedene Bitmasken 117 bzw. Signaturen denkbar, beispielsweise „0000000000000001”, „1111111111111110”, „0000000011111111”, „1111111100000000”.
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Die Bitmaske sollte lang genug sein, damit ein zufälliges Triggern auf Rauschen möglichst unwahrscheinlich wird. Es können z. B. (mindestens) 16 Bit für die Bitmaske und das Bitfenster des Bitstroms 116 vorgesehen sein. Dies reicht häufig aus. Allgemein sollte die Bitmaske und/oder das Bitfenster des Bitstroms 116 größer sein als 4 Bit, vorzugsweise größer als 8 Bit, besonders bevorzugt größer als 12 Bit.
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Als Kriterium kann herangezogen werden, dass die Rate von zufälligem, falschem Triggern maximal 1/(2^16 × 90·10^–12) = ca. 170 kHz beträgt, insbesondere, falls hochfrequentes Rauschen auf dem Signal überlagert ist. Es kann auch ein weiterer Filter in der Software oder FPGA-Programmierung vorgesehen sein, um auf längere Bitmasken zu prüfen und somit zufällige Trigger herauszufiltern. In der Praxis hat sich aber gezeigt, dass die Rate von zufälligen Triggern nahe Null liegt.
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Wenn die Vergleichseinrichtung 18 eine Übereinstimmung des Bitstroms 116, genauer gesagt des Bitfensters des Bitstroms, mit der Bitmaske erkennt, wird eine Bitfolge 118 und eine zugehörige Zeitmarke 120 bereitgestellt. Die Zeitmarke 120 entspricht dabei insbesondere dem bei Übereinstimmung aktuellen Zeitpunkt des Signals 114.
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Die bereitgestellte Bitfolge 118 ist in diesem Beispiel länger als die Bitmaske 117 bzw. das Bitfenster und enthält das Bitfenster. Mit anderen Worten wird der Bitstrom 116 innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne vor und hinter dem Bitmuster gespeichert, wenn ein passendes Bitmuster erkannt wird.
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Auf diese Weise kann zusätzlich zum Zeitpunkt des von dem Analogsignal übertragenen Impulses auch eine Information über die Breite des Impulses erhalten werden. Das ist für viele Anwendungen ein Vorteil, weil damit die Signale bzw. Impulse gefiltert oder Korrekturen entsprechend der Breite angewendet werden können.
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Die ausgegebene Zeitmarke 120 entspricht hier dem Zeitpunkt des ersten Bits der Bitfolge 118 und liefert bereits einen groben Schätzwert des gesuchten Zeitpunkts des Schwellenübergangs 13. Der genaue Zeitpunkt des Schwellenübergangs 13 wird nun im nächsten Schritt anhand der Bitfolge 118 und der Zeitmarke 120 bestimmt.
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Bezugnehmend auf 3 werden die Bitfolge 118 und die Zeitmarke 120 einer Zeitpunktbestimmungseinrichtung 22, zugeführt. Mittels eines Bitfolgenanalysators 60 wird ein Bitindex 160 der Bitfolge 118 bestimmt, der demjenigen Bit der Bitfolge 118 entspricht, bei welchem das Bitmuster der Bitfolge 118 von null nach eins über umgekehrt umschlägt.
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Mit Bitindex ist die Nummer des Bits gemeint, wo das Mischsignal die Schwelle kreuzt, d. h. wo beispielsweise der Bitstrom von „...000” auf „111...” oder von „...111” auf „000...” umschlägt. Der Bitindex 160 entspricht somit dem Bit, welches durch Abtastung des Schwellenübergangs 13 erzeugt wurde. Die Erkennung dieses besonderen Bits ist in der Regel technisch unproblematisch und kann auch von der Impulserkennungseinrichtung 40 durchgeführt werden. Die Erkennung dieses Bits kann per Hardware, insbesondere mittels eines Field Programmable Gate Array (FPGA), oder per Software erfolgen. Im gezeigten Beispiel, welches einem Prototypen entspricht, wird das Bitmuster in einer Software auf dem PC analysiert. Der Bitfolgenanalysator 60 und/oder die Zeitpunktbestimmungseinrichtung 22 können demnach als Hardware, in einem FPGA, oder aber auch als Software ausgebildet sein.
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Der Bitindex 160 wird nun zusammen mit der Zeitmarke 120 einer Recheneinheit 62 zugeführt. Die Recheneinheit 62, welche wiederum als Hardware, FPGA oder Software ausgebildet sein kann, ermittelt aus dem Bitindex 160, der Zeitmarke 120 und einer Bitbreite 64 den Zeitpunkt 122.
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Rechnerisch ergibt sich der genaue Zeitpunkt 122 als Zeitmarke 120 + Bitindex 160·Bitbreite 64 (T = t + i·Δt).
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Die Bitbreite 64 ist zweckmäßig gleich dem Abtastintervall der Bitstromerzeugungseinrichtung 16. Die Bitbreite entspricht demnach dem Zeitabstand der Abtastungen, beim vorliegenden Prototypen also ca. 90 Pikosekunden. Im Prototypen werden schnelle Eingänge eines FPGA-Chips zum Sampeln des Signals verwendet.
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Bezugnehmend auf 4 extrahiert die beispielhafte Ausführungsform des Zeit-zu-Digital-Konverters 10 somit aus einem Analogsignal, hier dem Signal 114 mit dem bipolaren Impuls 156 den Zeitpunkt, wo das Bitmuster von „000...000” zu „111...111” oder umgekehrt umschlägt.
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Der Zeit-zu-Digital-Konverter 10 hat gegenüber bekannten Schaltungen (z. B. CFD/TDC-Schaltungen oder schnellen Digitizern) insbesondere den Vorteil, dass auf einen beträchtlichen Teil sonst erforderlicher Elektronik verzichtet werden kann. Dadurch werden insbesondere Kosten und die Anfälligkeit für Fehler reduziert.
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Gegenüber einer CFD/TDC-Schaltung mit einem typsichen CFD und einem üblichen TDC entfallen in vorteilhafter Weise wesentliche Teile. Dazu zählt auf CFD-Seite insbesondere die Triggerelektronik bzw. die Schaltung die ein Normimpuls wie etwa ein NIM-Signal erzeugt sowie auf TDC-Seite ggf. fast die gesamte TDC-Schaltung, weil alles, was benötigt wird, in heutigen FPGAs vorhanden ist.
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Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Es ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
