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Verfahren und Vorrichtung zum genauen Messen von beliebig aufeinanderfolgenden
Kurzzeitbereichen wechselnder Länge Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum genauen Messen von beliebig aufeinanderfolgenden sehr kurzen Zeitbereichen
im Nanosekundengebiet unter Verwendung von Oszillatoren und Zählwerken. Dabei sollen
Zeitabschnitte im Mikrosekundenbereich auf eine Nanosekunde genau gemessen werden.
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Die genaue Messung sehr kurzer Zeiten nach dem bekannten Prinzip,
die Schwingungen eines Oszillators zu zählen, die in das zu messende Zeitintervall
fallen, hat ihre Grenze in der Geschwindigkeit der Zähler und der Schaltgeschwindigkeit
von Torschaltungen. Sicher arbeitende Zählstufen lassen sich aber nur bis zu einer
Pulsfolgefrequenz von etwa 100 MHz bauen. Nach der bekannten Methode der Zeit- zu
Höhenkonversion und nachfolgender Impulshöhenanalyse lassen sich zwar Zeiten auf
10-i° Sekunden genau messen, da jedoch die Linearität der Zeit- zu Höhenkoversion
mit der geforderten Genauigkeit nicht über größere Bereiche gegeben ist, läßt sich
auf diesem Weg ein Zeitanalysator mit z. B. 1 Nanosekunde Kanalbreite und wesentlich
mehr als 500 Kanälen nicht bauen. Es konnten dementsprechend wohl sehr kurze Zeiten
hinreichend genau gemessen werden, die bekannten Verfahren und Vorrichtungen versagten
aber stets dann, wenn unterschiedliche Zeitbereiche in der Größenordnung von einer
oder mehreren Zehnerpotenzen Nanosekunden mit gleicher Genauigkeit gemessen werden
sollen.
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Es sind ferner Meßverfahren für sehr kleine Zeitbereiche bekannt,
die ebenfalls mit Oszillatoren und Zählwerken arbeiten. Alle diese Zählverfahren
(Zeitschrift für angew. Physik einschließlich Nukleonik, 1957, Heft 6, S. 282 bis
286), sind jedoch nur dann durchführbar, wenn die zu messenden Zeitintervalle periodisch
wiederkehren. Bekannt sind auch Meßverfahren, die mit Untersetzern arbeiten (Zeitschrift
Elektronik, 1957, Nr.11, S.321 bis 325). Hierbei werden jedoch günstigstenfalls
Zählfrequenzen von 100 KHz, neuerdings von etwa 200 MHz erreicht, während dem erfindungsgemäßen
Verfahren eine Zählfrequenz von 1000 MHz entsprechen würde.
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Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren
zu schaffen, das bei einer geforderten Zeitgenauigkeit dT Zeitintervalle im Bereich
von 4T bis zu einigen Zehnerpotenzen von 4T zu bestimmen erlaubt.
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Gemäß der Erfindung werden zunächst die zwischen »Start«- und »Stop«-befehl
von einem Hauptoszillator gegebenen Zeitmarkenimpulse gezählt, worauf die zwischen
letztem Zeitmarkenimpuls und »Stop«-befehl verbleibende Restzeit mittels eines durch
den »Stop«-befehl eingeschalteten Hilfsoszillators unterschiedlicher Frequenz und
eines zweiten Zählwerkes, das die vom Hilfsoszillator abgegebenen Zeitmarkenimpulse
bis zu einem durch einen Phasenvergleich zwischen Haupt-und Hilfsoszillator bestimmten
Zeitpunkt interpoliert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn nach dem Noniusprinzip interpoliert
wird, wobei zweckmäßig mit dem »Stop«-befehl nicht nur die Zeitmarkenimpulszählung
unterbrochen, sondern zugleich die Znterpoliereinrichtung eingeschaltet wird. Ein
Zähler, der gleichzeitig die erhaltenen Zählwerte speichert und der üblicherweise
aus hintereinandergeschalteten Flip-Flop-Stufen besteht, wird für die Zählung der
Zeitmarken und der Interpoliermarken vorteilhaft elektrisch in zwei Teile (für Grobablesung
und Interpolation) gespalten, ähnlich der Aufspaltung bei einem zweidimensionalen
Analysator. Jeder dieser beiden Teile wird sozusagen von einem eigenen Zeitanalysator
mit Zählimpulsen beliefert.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert In F i g.
1 bis 3 sind die Zeitdiagramme und in F i g. 4 und 5 zwei mögliche Blockschaltbilder
der Anordnung nach der Erfindung dargestellt; F i g. 6 und F i g. 7 a bis e zeigen
eine Weiterbildung der Erfindung mit einer Zusatzschaltung für das Eliminieren von
Fehlern, die durch enges Beieinanderliegen von Stopbefehl und letztem Zeitmarkenimpuls
verursacht werden könnten.
Die zu messende Zeit zwischen Startimpuls
und Stopimpuls sei t. Durch den Startimpuls wird der Oszillator 1 mit der Periode
T1 = v angestoßen. Über das zunächst geöffnete Tor 10 werden dann n, -Perioden des
Oszillators 1 im Teil 11 des Zählers gezählt bis der Stopimpuls nach Ablauf der
Zeit t das Tor 10 schließt. Dieser Stopimpuls, der zur Zeit t nach dem Startimpuls
und zur Zeitfit nach dem letzten Zeitmarkenimpuls des Oszillators 1 eintrifft, stößt
gleichzeitig auch den Oszillator 2 mit der Periode TZ = an. Über das geöffnete Tor
20 2 werden nun für die Interpolation n2-Perioden des Oszillators 2 im Teil 21 des
Zählers gezählt bis das Tor 20 geschlossen wird. Wie in F i g. 1 sichtbar,
hat der Oszillator 2 eine kleinere Periode als Oszillator 1, und zwar soll sein:
T1 - TZ =A T, wobei 4T die gewünschte Zeitgenauigkeit oder
die Kanalbreite ist. Schließt man das Tor 20 dann, wenn die Schwingungen der beiden
Oszillatoren z. B. gerade gleiche Phase haben, so gilt: fit = n24T, denn
die anfänglich vorhandene Phasendifferenz 4 t verringert sich nach jeder vollen
Periode T2 um den Betrag d T, bis sie nach der Zeit %J T
= fit verschwindet. Es ist also t=n1T1+dt=n1T1+n24T. Wenn man T1
= m d T wählt (in ganze Zahl), dann ist also die zu messende Zeit
t = (n1 nz + n@ d T.
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Die Kanalnummer (d. h. die Zeit in Einheiten 4 T) ist: n1
m -f- n..
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Das Signal, welches das Tor 20 wieder schließt und gleichzeitig die
beiden Oszillatoren wieder abschaltet, kann auf verschiedenen technischen Wegen
gewonnen werden, die aber prinzipiell äquivalent sind. Zwei der möglichen Verfahren
und Vorrichtungen werden im folgenden näher erläutert: In F i g. 2 und 4 werden
aus beiden Oszillatoren harmonische Schwingungen zu einem multiplikativen Mischer
3 mit nachgeschalteter Nulldurchgangsbestimmung 4 geführt. Die jeweilige
Phase der im Mischer entstehenden Differenzschwingung ist ein Maß für die sich zeitlich
stetig ändernde gegenseitige Phasendifferenz zwischen den beiden ursprünglichen
Schwingungen. Man kann z. B. die Phasen dieser beiden Schwingungen am Mischer 3
so wählen, daß der Zeitpunkt des Nulldurchganges der Differenzschwingung gerade
dem Zeitpunkt entspricht, in dem die beiden Schwingungen in Phase sind (s. Zeitdiagramm
F i g. 2). Die Mischung von sin w1 (T -[- t)
mit cos w2 T ergibt:
wo T die Zeit seit dem Eintreffen des Stopimpulses ist. Für den Nulldurchgang der
Differenzfrequenz gilt:
auf die Zeit To mögen n2-Perioden T2 entfallen, dann ist:
Ein aus dem Nulldurchgang abgeleiteter Impuls kann also zum Schließen des Tores
20 verwendet werden. Die bei der Mischung ebenfalls entstehende Summenschwingung
hat eine sehr viel höhere Frequenz als die Differenzschwingung und kann deshalb
leicht unterdrückt werden.
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In F i g. 3 und 5 wird die für die Interpolation benutzte Zeit
To = n2 T2 auf einem anderen vorteilhaften Wege gewonnen. Die schon für die
Periodenzählung benötigten, aus den harmonischen Schwingungen der Oszillatoren gewonnenen
Zeitmarkenimpulse werden einer schnellen Koinzidenzstufe 5 zugeführt. Wegen der
verschiedenen Abstände T1 und TZ der Zeitmarkenfolgen 1 und 2 rücken sich diese
bei jeder Periode um dT näher, bis nach n2 Impulsen aus dem Oszillator 2 n24
T = d t ist. Es tritt also nach der Zeit n2 T2 = To Koinzidenz ein,
d. h. also wieder bei Phasengleichheit der Oszillatoren. Mit dem Ausgangsimpuls
der Koinzidenzstufe 5 kann demnach ebenfalls das Tor 20 geschlossen werden. Bei
dieser Methode muß die schnelle Koinzidenzstufe 5 zwar mit einer Auflösung arbeiten,
die einer Kanalbreite 4T entspricht, jedoch sind solche Stufen mit einer Auflösung
von kleiner als einer Nanosekunde im Gegensatz zu Zählern mit einer Totzeit von
einer Nanosekunde heute durchaus realisierbar.
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Hohe Anforderungen bezüglich der Zeitgenauigkeit treten an den beiden
Oszillatoren auf, die vom Start-bzw. Stopimpuls angestoßen werden müssen. Die Schwankung
der Phasenanlage der Oszillatorschwingung zum anstoßenden Impuls, der sogenannte
»Einschalt-Jitter<c darf gegenüber der Kanalbreite nicht ins Gewicht fallen.
Früher durchgeführte, bekannte Versuche mit anstoßenden Oszillatoren zeigten, daß
diese Schwankungen kleiner als 10-1° Sekunden gehalten werden können.
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Für Zeiten t in der Nähe der Grobzeitintervallgrenzen könnte eine
sehr kleine Zeitungenauigkeit beim Abschalten des Tores 10, auch wenn sie klein
gegen die gewünschte endgültige Kanalbreite 4T wäre, einen Fehler der Zeitmessung
von ± m d T = T1 zur Folge haben. Dies beschränkt aber die Interpolation,
die ja die Verbesserung der Zeitauflösung von mdT auf 4T zum Ziele hat, in diesen
Bereichen.
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Ein Weg, diese Beschränkung zu umgehen, ist bei dem Verfahren und
der Vorrichtung nach der Erfindung gegeben, wenn der Zeitmarkenimpuls und der
Stopimpuls
um gleiche Zeiten verzögert, ferner die unverzögerten Impulse auf Koinzidenz innerhalb
einer vorgeschriebenen Breite überprüft werden, worauf bei Koinzidenz ein Schließbefehl
für die Zeitmarkenimpulszählung abgeleitet und ein Korrekturimpuls für die Zähleinrichtung
gewonnen wird. Gewöhnliche Zeitanalysatoren nach dem üblichen Prinzip haben, wenn
auch ein angestoßener Oszillator verwendet wird, einen Fehler von ± einem Kanal.
Das läßt sich leicht einsehen, wenn man bei der beschriebenen Vorrichtung den Fall
betrachtet, bei dem der Stopimpuls zeitlich sehr eng mit einem Zeitmarkenimpuls
zusammenfällt. Es ist dann unsicher, ob dieser Zeitmarkenimpuls noch mitgezählt
wird oder nicht.
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In Weiterbildung der Erfindung wird daher der durch die Interpolation
gewonnene Meßwert n, auch noch dazu benutzt, außer der Information, wie weit der
Stopimpuls vom letzten Grobzeitmarkenimpuls entfernt ist, auch noch die Entscheidung
zu liefern, ob ein Grobzeitmarkenimpuls, der mit dem Stopimpuls eng zusammenfiel,
mit gezählt werden muß oder nicht.
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Das Prinzip der vorgeschlagenen Zusatzschaltung zeigt F i g. 6, die
zugehörigen Zeitverhältnisse F i g. 7. Zunächt werden sowohl die Zeitmarkenimpulse
des Oszillators 1 als auch der ursprüngliche Stopimpuls gleich um
verzögert. Ihre zeitliche Lage wird dabei gegeneinander nicht verschoben. Das Schließen
des Tores 10 geht also weiterhin sicher vor sich, wenn der Stopimpuls weit genug
von einem Zeitmarkenimpuls entfernt ist. Die unverzögerten Zeitmarkenimpulse sowie
der unverzögerte Stopimpuls werden auf eine Koinzidenzstufe 6 gegeben. Der Koinzidenzimpuls
aus dieser Stufe, der das Tor 10 ohne Verzögerung schließt, liegt dann zeitlich
ebenfalls weit genug von einem Zeitmarkenimpuls entfernt. Dabei wird derjenige Zeitmarkenimpuls,
der die Koinzidenz ausgelöst hat, mit Sicherheit nicht mehr gezählt (F i g. 7, Fall
b und c). Fällt nun aber ein Stopimpuls zeitlich auf die Flanken der KoinzidenzkurvederStufe
6 (F i g. 7, Fall d und e) so ist es unsicher, ob dieses Ereignis als Koinzidenz
gewertet wird oder nicht. Die Breite 2 Ui der Koinzidenzkurve wird so gewählt, daß
dieser Unsicherheitsbereich so weit vor oder nach einem Zeitmarkenimpuls liegt,
daß hineinfallende Stopimpulse das Tor 10
sowohl beim Ansprechen der Koinzidenzstufe
(F i g. 7, Fall dl und e1) als auch bei Nichtansprechen (Fall d2 und e2) sicher
in genügend großem Abstand von einem Zeitmarkenimpuls schließen. Während in allen
Fällen außer bei c und e1 jeweils wie gewünscht der in der ursprünglichen Zeitfolge
dem Stopimpuls vorangehende letzte Zeitmarkenimpuls auch mitgezählt wird, wird dieser
in den Fällen c und e1 nicht mehr gezählt. Es wird deshalb gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung eine Schaltung angeschlossen, die dem Zähler einen zusätzlichen Impuls
liefert, wenn eine Koinzidenz mit einem Stopimpuls stattgefunden hat, der nach dem
Zeitmarkenimpuls eingetroffen ist (Fall c und e1). Diese Information liefert die
Zahl n2 der bei der Interpolation gezählten Feinzeitmarkenimpulse des Oszillators
2. Ist n2 groß, also nahe bei in, dann ging der Stopimpuls dem Grobzeitmarkenimpuls
kurz voraus. Ist n2 aber klein - der Stopimpuls lag dann also kurz nach dem Grobzeitmarkenimpuls-und
ist zusätzlich auch noch eine Koinzidenz bei 6 eingetreten, dann muß also dem Zähler
noch ein zusätzlicher Impuls zugeführt werden. Zu diesem Zweck wird der Abschaltimpuls
für das Tor 20, der nach der Zeit h2 T2 eintrifft, mit dem Ausgangsimpuls aus der
Koinzidenzstufe 6 auf eine zweite Koinzidenzstufe 7 gegeben, deren Ausgangsimpuls
wiederum den grundsätzlich zu zählenden Impuls liefert. Die Koinzidenzbreite 2 U2
dieser Stufe 7 wird so gewählt, daß der rechte Unsicherheitsbereich der Stufe 6
(Fall e) noch sicher überdeckt wird. Es muß dann also sein
Mit dieser besonders vorteilhaften Schaltung ist die Unsicherheit, ob ein Zeitmarkenimpuls
noch gezählt werden soll oder nicht, beseitigt. Die Zeitgenauigkeit der ganzen Anlage
ist damit wirklich ± d T.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß mit relativ einfachem Aufwand eine Messung von Zeitabschnitten im Mikrosekundenbereich
ermöglicht wird, wobei die Meßgenauigkeit eine Nanosekunde beträgt. Zeitmessungen
dieser hohen Genauigkeit werden z. B. bei kernphysikalischen Meßverfahren z. B.
zur Messung der Flugzeiten von Teilchen angewandt. Im Gegensatz zu bekannten Meßverfahren
dieser Art zeichnet sich das Verfahren nach der Erfindung dadurch aus, daß die Torschaltungen
und Flip-Flop-Schaltungen nicht mit einer Geschwindigkeit arbeiten müssen, die der
geforderten Zeitgenauigkeit, also der Kanalbreite entspricht. Ferner sind einige
der bekannten Meßverfahren nur dann anwendbar, wenn die zu messenden Zeitintervalle
periodisch wiederkehren. Demgegenüber wird durch die Erfindung die wesentlich schwierigere
Aufgabe gelöst, beliebig aufeinanderfolgende Zeitbereiche, insbesondere einmalig
auftretende, zu messen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren der Zeitanalyse hat den großen Vorteil,
daß mit relativ einfachen Mitteln ein 4096-Kanalzeitanalysator mit einer Nanosekunde
Kanalbreite realisiert werden kann, wenn 4T = 1 ns und in = 32, also T,.
= 32 ns und T2 = 31 ns gewählt wird. Der Teil 11 des Zählers muß dann aus
sieben, der Teil 21 aus fünf Flip-Flop-Stufen bestehen.