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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung,
bei dem in einem ersten Verfahrensschritt die Anzahl von in der Meßpannung enthaltenen
Einheitsspannungen gezählt und die Restspannung zwischen der Summe der Einheitsspannungen
und der Meßspannung gebildet wird und in einem weiteren Verfahrensschritt die Anzahl
von in der Restspannung enthaltenen kleineren Einheitsspannungen mit entsprechend
geringerem Gewicht gezählt wird. Ein derartiges Verfahren ist bekannt. Mit diesem
Verfahren, das den Vorteil einer kurzen Verschlüsselungszeit hat,, wird die Meßspannung
zu dem Zeitpunkt verschlüsselt, in dem die letzte Einheitsspannung angelegt wird
und die Summe der Einzelspannungen die Meßspannung übersteigt. Dieser Zeitpunkt
ist wegen der je nach Höhe der Meßspannung verschiedenen Zeitdauer des Verschlüsselungsvorganges
unbestimmt, so daß dieses Verfahren nicht gestattet, die Meßspannung zu einem bestimmten
Zeitpunkt oder Impulshöhen zu messen.
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Es ist ferner bekannt, z. B. aus dem Buch »Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung«
von Steinbuch, 1962, die Meßspannung nicht mit einer sich stufenförmig ändernden
Spannung, sondern mit einer zeitlinear ansteigenden Spannung, einer sogenannten
Sägezahnspannung zu vergleichen. Auf einen Startimpuls hin beginnt die Sägezahnspannung
anzusteigen. Sobald die Sägezahnspannung die Meßspannung erreicht hat, gibt ein
Spannungsvergleicher an seinem Ausgang einen Impuls ab, der das Ende des Meßzeitintervalls
bezeichnet. Das Meßzeitintervall wird durch Abzählen von Taktimpulsen gemessen,
welche von einem ständig laufenden Impulsgenerator nur während des Zeitintervalls
zu einem Zähler gelangen. Derartige Verfahren wurden zur Impulshöhenanalyse vorgeschlagen.
Hierzu kann mit dem Eingangsimpuls ein Speicher bis auf die Impulsspitzenspannung
aufgeladen werden und der Speicher zeitlinear entladen werden oder die Speicherspannung
mit einer zeitlinear ansteigenden Spannung verglichen werden. Die Anzahl der in
den Zähler eingelaufenen Taktimpulse ist dann ein Maß für die Impulshöhe, und es
kann jeder Anzahl ein Kanal zugeordnet werden. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Sägezahnspannung
und das Zeitintervall zwischen zwei Taktimpulsen bestimmen die Kanalbreite. Derartige
Verfahren haben den Vorteil, daß mit ihnen eine besonders konstante und gleichmäßige
Kanalbreite erreicht werden kann. Ihr Nachteil liegt darin, das die Verschlüsselungszeiten
größer als bei anderen Verfahren sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit welchem die Meßspannung zu einem
bestimmten. Zeitpunkt oder Impulshöhen gemessen werden können und das nur eine kurze
Verschlüsselungszeit benötigt, mit dem aber trotzdem eine hohe Genauigkeit bzw.
bei der Impulshöhenanalyse eine gute Konstanz und Gleichmäßigkeit der Kanalbreiten
erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßspannung
einen Speicher auflädt, daß der Speicher während des ersten Verfahrensschrittes
zeitlinear während einer ganzen Zahl von Taktimpulsen bis auf die Restspannung entladen
wird und daß während des zweiten Verfahrensschrittes der Speicher um die Restspannung
entladen wird, wobei die Taktimpulse mit den Entladegeschwindigkeiten entsprechenden
Gewichten belegt werden. Durch den Einsatz eines Speichers kann die Meßspannung
in einem bestimmten Zeitpunkt gespeichert und anschließend gemessen werden. Wird
der Analog-Digital-Umstzer nach der Erfindung zur digitalen Messung von Impulshöhen
verwendet, so wird der Speicher auf die Impulsspitzenspannung aufgeladen. Dadurch,
daß nicht die Speicherspannung konstant gehalten und mit einer veränderlichen Spannung
verglichen wird, sondern daß der Speicher während des ersten Verfahrensschrittes
rasch entladen wird, ergeben sich praktisch keine Fehler infolge von Leckströmen
des Speichers. Es können zwei oder mehr Verfahrensschritte angewandt werden. Wird
der Meßwert in zwei Verfahrensschritte verschlüsselt, so wird dann eine besonders
kurze Verschlüsselungszeit erzielt, wenn beim ersten Verfahrensschritt der Gewichtsfaktor
gleich der Quadratwurzel aus der größten im Zähler vorkommenden Zahl gewählt wird.
In diesem Falle wird die Verschlüsselungszeit um den Faktor
kleiner als bei einem normalen Sägezahnverschlüsseler, wobei die Zah1N die größte
im Zähler vorkommende Zahl ist. Hat beispielsweise ein Impulshöhenanalysator 1024
Kanäle, so beträgt dieser Faktor 16. Mit einer Taktfrequenz von 5 MHz ist dann die
längste Verschlüsselungszeit 12,8 ,sec. Die Verschlüsselungszeit ändert sich hierbei
aber im Gegensatz zu einem reinen Sägezahnverschlüsseler nicht linear mit der analogen
Eingangsgröße.
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Vorteilhaft werden die Taktimpulse dadurch mit einem höheren Gewicht
belegt, daß sie während vorangehender Verfahrensschritte höheren, den größeren Gewichten
entsprechenden Stellen des Zählers zugeführt werden als in den nachfolgenden Verfahrensschritten.
Wird beispielsweise die Verschlüsselung in zwei Verfahrensschritten durchgeführt
und wird ein Dualzähler verwendet, so werden die Taktimpulse vorzugsweise einer
mittleren Stufe zugeführt. Bei einem zehnstufigen Zähler wird demgemäß die fünfte
Stufe, bei einem elfstufigen Zähler die fünfte oder sechste Stufe angesteuert. In
diesem Falle ist der Gewichtsfaktor gleich der auf eine ganze Zahl abgerundeten
Quadratwurzel aus der größten im Zähler vorkommenden Zahl.
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Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß im ersten Verfahrensschritt
der Speicher vollständig entladen und bis zum Eintreffen des nächsten auf den Nulldurchgang
folgenden Taktimpulses mit zur Meßspannung entgegengesetzter Polarität aufgeladen
wird und daß im nächsten Verfahrensschritt der Speicher wieder entladen wird, wobei
während des zweiten Verfahrensschrittes die Taktimpulse in umgekehrter Richtung
wie beim ersten Verfahrensschritt gezählt werden. Vorzugsweise wird so vorgegangen,
daß beim Nulldurchgang der Speicherspannung Schalter vorbereitet werden, die beim
Eintreffen des nächsten Taktimpulses betätigt werden und dann den jeweils betriebsbereiten
Eingang des Zählers sperren, die Änderungsrichtung der Speicherspannung und die
Geschwindigkeit der Änderung umschalten und den Eingang des Zählers mit der entsprechend
niedrigen Wertigkeit öffnen. Zweckmäßig wird als Zähler ein sogenannter Vorwärts-Rückwärts-Zähler
verwendet, dem während des ersten Verfahrensschrittes die Taktimpulse über einen
Vorwärtseingang und in den folgenden Verfahrensschritten abwechselnd Rückwärts-
Von
nun an läuft der Meßvorgang synchron mit den Tastimpulsen ab. Die Kippstufe F2 schaltet
eine Stromquelle S1 an den Speicher SP, so daß dieser mit einem konstanten Strom
entladen wird. Das Verzögerungsglied VZ sorgt dafür, daß die Entladung erst dann
einsetzt, wenn der Speicher durch die Kippstufe F1 für weitere Meßimpulse gesperrt
ist.
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Bis zum Beginn der Entladung wird die Ausgangsspannung des Speichers
SP durch einen Speicherkondensator festgehalten. Infolge unvermeidlicherParallelwiderstände
zu diesem Kondensator nimmt die Ausgangspannung des Speichers SP nach Erreichen
dieses Maximums, das dem Spitzenwert des Meßimpulses I entspricht, langsam ab. Die
Spannungsabnahme während der Zeit vom Erreichen des Maximums bis zum Umschalten
der Kippstufe F1 verursacht keinen Fehler, weil diese Zeit wegen der konstanten
Dauer der Ausgangsimpulse der Differentiationsstufe DF für alle Meßimpulse konstant
ist. Nach dem Entladungsgesetz eines Kondensators bleibt das Verhältnis der Spannungsabnahme
des Speichers SP zu den gespeicherten Spitzenwerten der Meßimpulse I während
dieser Zeit konstant. Aus und Vorwärtseingängen mit jeweils niedrigeren Stellenwerten
zugeführt werden.
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An Hand der Zeichnung, in der als Ausführungsbeispiel eine Anordnung
zur digitalen Messung von Impulshöhen dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung
sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.
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F i g. 1 zeigt im Blockschaltbild eine Anordnung nach der Erfindung;
in F i g. 2 ist an Hand von Impulsdiagrammen die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung
nach F i g. 1 verdeutlicht. Die einzelnen Impulsdiagramme sind mit denselben, jedoch
kleinen Buchstaben bezeichnet wie die zugehörigen Stufen in F i g. 1.
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Ein Impuls 1, der dem Eingang E des Analog-Digital-Umsetzers zugeführt
wird, lädt einen Speicher SP bis auf die Impulsspitzenspannung auf. Der Speicher
SP behält diese Ladung über eine bestimmte Zeit bei, wie aus dem Diagramm Sp in
F i g. 2 zu ersehen ist. Der Impuls 1 wird ferner einem Differentiationsglied DF
zugeführt, mit dem das Maximum des Impulses zeitlich festgestellt wird. Dieses Differentiationsglied
liefert einen Impuls, dessen Dauer konstant und etwas größer als das Intervall zwischen
zwei Taktimpulsen ist. Die Vorderflanke dieses Impulses fällt mit dem Maximum des
Meßimpulses 1 zeitlich zusammen. Mit der Rückflanke wird eine Kippstufe F1, die
immer vorbereitet ist, getriggert. Der Ausgang dieser Kippstufe F1 wird über ein
ODER-Gatter G4 an einen Eingang der Impulsspeicherstufe SP angeschlossen, über den
durch Zuführen eines Signals der ImpulsspeicherSP für weitere Meßimpulse 1 gesperrt
werden kann. Das Vorschalten der Differentiationsstufe DF vor die Kippstufe F1 ist
eine besonders zweckmäßige Anordnung. Jedoch kann auch auf das Differentiationsglied
DF verzichtet werden, isnbesondere dann, wenn nicht Impulshöhen, sondern konstante
Meßspannungen verschlüsselt werden. Mit dem Ausgangsimpuls der Kippstufe F1 wird
eine Kippstufe F2 vorbreitet. Vorteilhaft ist zwischen die beiden Kippstufen ein
Verzögerungsglied VZ geschaltet. Die Kippstufe F2 wird nach Vorbereitung durch die
Rückflanke eines Taktimpulses, der von einem Taktgenerator TG geliefert wird,
getriggert. demselben Grunde hat auch die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes
VZ keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Dagegen ist die Zeit, die vom Auftreten des
Ausgangsimpulses des Verzögerungsgliedes bis zum Umschalten der Kippstufe F2 vergeht,
nicht konstant, daß die Meßimpulse keine zeitliche Beziehung zu den Taktimpulsen
besitzen. Diese Zeit schwankt um den zeitlichen Abstand von zwei Taktimpulsen. Wenn
zwei Meßimpulse, die dieselbe Impulshöhe besitzen und von denen der eine am Eingang
des Analog-Digital-Umsetzers kurz vor und der andere kurz nach der Rückflanke eines
Taktimpulses eintrifft, nach der Verschlüsselung am Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers
die gleiche digitale Größe bewirken sollen, muß die Ausgangsspannung des Speichers
SP innerhalb der Zeit zwischen zwei Taktimpulsen sehr konstant bleiben. Hat z. B.
ein Impulshöhenanalysator eine Kennzahl von 1024 und sollen die Kanalbreiten nicht
mehr als 1 D/o voneinander abweichen, so muß die Ausgangsspannung des Speichers
SP in dem Intervall zwischen zwei Taktimpulsen auf 10-5 der größten Meßimpulse konstant
bleiben. Wie aus dem Diagramm Sp der F i g. 2 hervorgeht, wird diese Anforderung
dadurch erfüllt, daß mit dem Ausgangsimpuls der KippstufeFi nicht nur der SpeicherSP
für weitere Meßimpulse gesperrt wird, sondern daß man auch dafür sorgt, daß die
Zeitkonstante des Speicherkondensatorkreises nach Auftreten der Vorderflanke des
Ausgangsimpulses der Kippstufe F1 extrem groß wird.
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Mit dem Auftreten des Ausgangsimpulses der Kippstufe F2 wird gleichzeitig
die Stromquelle S1 an den Speicher SP geschaltet und das UND-Gatter G2 freigegeben,
so daß die Impulse aus dem Taktgenerator GT, der eine sehr konsante Taktfrequenz
besitzt, über das UND-Gatter G2 auf den Eingang V
eines Zählers Z gelangt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Zähler Z, der ein sogenannter Vor-Rückwärts-Zähler
ist, zwei Zähleingänge. Impulse, die über den Eingang V zugeführt werden, werden
im Zähler aufsummiert, und Impulse, die über den Eingang R zugeführt werden, werden
von der im Zähler stehenden Zahl subtrahiert. Die Taktimpulse, die über den Eingang
V zugeführt werden, haben aber einen anderen Gewichtsfaktor als die über den Eingang
R zugeführten. Ist die größte im Zähler vorkommende Zahl N, so ist der Gewichtsfaktor
beim Zählen über den Eingang V um den Faktor größer als der bei der Zählung über
den Eingang R. Für einen Binärzähler bedeutet dies, daß der Eingang V an eine mittlere
Stufe des Zählers angeschlossen werden soll.
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Die Vorwärtszählung mit dem höheren Gewichtsfaktor, die nach dem Umschalten
der Kippstufe F2 begonnen hat, wird so lange fortgesetzt, bis die Ausgangsspannung
des Speichers SP, die durch die Entladung seines Speicherkondensators mit dem konstanten
Strom aus der Stromquelle S1 linear abnimmt, einen negativen Wert erreicht hat.
Beim Nulldurchgang der Spannung am Speicherkondensator wird nämlich eine Kippstufe
F3 vorbereitet, die durch die Rückflanke des nächsten Taktimpulses nach der Vorbereitung
umgeschaltet wird. Mit dem Ausgangsimpuls dieser dritten Kippstufe F3 wird über
ein ODER-Gatter G1 die zweite Kippstufe F2 zurückgesetzt, so daß das UND-Gatter
G2 gesperrt wird und der Entladungsstrom des Speichers SP aus der Stromquelle S1
abgeschaltet wird. Nach dem Impulsdiagramm G2 der F i g. 2 ist die Zahl der eingezählten
Impulse
3, die, mit dem Gewichtsfaktor multipliziert, im Zähler steht. Dieses Zahl ist jedoch
zu groß, in Wirklichkeit liegt sie zwischen 2 und 3, jeweils mit dem Gewichtsfaktor
multipliziert. Der Zählerstand muß daher noch durch Rückwärtszählen erniedrigt werden,
wobei die Taktimpulse mit geringeren Gewichten belegt werden.
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Nach lern Abschalten der Stromquelle S1 steht am Ausgang des Speichers
SP eine konstante negative Spannung. Diese Spannung ist ein Maß für eine Zahl, um
die der Inhalt des Zählers erniedrigt werden muß. Hierzu ist ein zweiter Verfahrensschritt
erforderlich.
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Mit dem Umschalten der dritten Kippstufe F3 wird nicht nur die zweite
Kippstufe F2 zurückgesetzt, sondern auch eine vierte Kippstufe F4 vorbereitet. Mit
der Rückdanke des ersten Taktimpulses nach dem Vorbereiten schaltet die Kippstufe
F4 um, wodurch die Stromquelle S2 an den Speicher geschaltet und über ein UND-Gatter
G3 Taktimpulse in den Eingang R des Zählers durchgeschaltet werden. Der Strom aus
der Stromquelle S2 lädt den Speicherkondensator in entgegengesetzter Richtung wie
der Strom aus der Quelle S1 um und ist um den Gewichtsfaktor kleiner als der Strom
aus der Quelle S1. Die Ströme aus den beiden Stromquellen S1 und S2 werden über
einen Nullindikator miteinander verglichen, und die Differenz wird so ausgeregelt,
daß eventuelle Änderungen der beiden Stromquellen dieselbe Tendenz aufweisen und
ihr Verhältnis stets gleich dem Gewichtsfaktor bleibt.
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Über das UND-Gatter G3 wird der Inhalt des Zählers durch die Taktimpulse
zurückgezählt. Diese Rückwärtszählung dauert so lange, bis die Ausgangsspannung
des Speichers SP wieder positiv ist. Der Nulldurchgang der Spannung wird mittels
eines Nullindikators NL festgestellt. Bei anderen Anordnungen, bei denen
die Meßspannung mit einer Sägezahuspannung verglichen wird und bei denen daher die
Gleichheit von zwei Spannungen, die nicht Null sind, festgestellt werden muß, wird
an Stelle des. Nullverstärkers ein Differenzverstärker verwendet.
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Mit dem Nulldurchgang der Spannung am Speicherkondensator wird durch
die Vorderflanke des vom Nullindikator gelieferten positiven Impulses eine fünfte
bistabile Kippstufe F" getriggert, die durch die Ausgangsspannung des Verzögerungsgliedes
vorbereitet ist und die mit der Vorderflanke ihres Ausgangsimpulses die Kippstufen
Fl, F2, F3 und F4 zurücksetzt, den Speicher entlädt, über das Gatter G4 den Speicher
für weitere Meßimpulse sperrt und die Ausgabe des Meßergebnisses veranlaßt. Mit
dem Rücksetzen der Kippstufe F4 wird das UND-Gatter G3 für weitere Zählimpulse gesperrt
und die Stromquelle S2 abgeschaltet. Zweckmäßig ist zwischen die Kippstufe F5 und
die Kippstufe F3 und F4 ein ODER-Gatter G, geschaltet, dessen anderer Eingang von
der Verzögerungsstufe VZ bzw. der ersten Kippstufe F1 gespeist wird. In dem Ausführungsbeispiel
steuert die Kippstufe FS eine immer vorbereitete monostabile Kippstufe MF an, die
vom Ausgangsimpuls der Kippstufe F, getriggert wird und die Ausgabe des Zählergebnisses
und die Löschung des Zählers bewirkt. Damit ist der Verschlüsselungsvorgang für
einen Meßimpuls I beendet und der Analog-Digital-Umsetzer für die Bearbeitung des
nächsten Impulses vorbereitet.
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Beim nächsten Meßimpuls muß zuerst die Kippstufe F, die den Analog-Digital-Umsetzer
über das Gatter G4 in seinem Sperrzustand hält, zurückgesetzt werden. Dies wird
durch den Eingangsimpuls I, der in einem Verstärker VS verstärkt wird, über ein
NOR-Gatter GJ erreicht. Die Kippstufe F5 muß zurückgesetzt werden, bevor der Meßimpuls
seinen Spitzenwert erreicht hat, damit nach dem öffnen der Speicherstufe noch so
viel Zeit zur Verfügung steht, daß der Speicher noch auf den Spitzenwert des Meßimpulses
aufgeladen werden kann.