DE1462664A1 - Verfahren zur Schaffung gleich grosser Kanalbreiten bei der Klassifizierung von mittels eines Analog-Digital-Umsetzers ermittelten Impulshoehen bei der Impulshoehenanalyse - Google Patents

Description

Patentanwalt Dipi.-Phys. Gerhard Liedl 8 München 22 Steinsdorfstr. 21-22 Tel. 29 84 62

JAPAN ATOMIC ENERGY RESEARCH INSTITUTE No. 1-13, Shlnbashi 1-chome, Minato-ku, Tokyo / JAPAN

Verfahren zur Schaffung gleich großer Kanalbreiten bei der Klassifizierung von mittels eines Analog-Digital-Umsetzers ermittelten Impulshöhen bei der Impulshöhenanalyse.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaffung gleich großer Kanalbreiten bei der Klassifizierung von mittels eines Analog-Digital-Umsetzers ermittelten Impulshöhen bei der Impulshöhenanalyse.

Beim experimentellen Arbeiten mit Strahlungen ist es oft erforderlich, die Größe von Impulsen zu messen, die einem nuklearen Detektor, z. B. einem Fotoverstärker oder einem Szintillator, entnommen werden können. Dabei müssen die Impulse entsprechend ihrer Größe geordnet wer-

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den, um die Untersuchung eines Energiespektrums einer bestimmten radioaktiven Substanz zu ermöglichen. Zum Messen und Ordnen der Impulse wird ein Impulshöhenanalysator benutzt. Die Impulse werden entsprechend ihrer Größe in einzelne Gruppen und Kanäle aufgeteilt, wobei die Zahl der Impulse eines jeden Kanales durch den Impulshöhenanalysator bestimmt wird. Es ist somit für einen Impulshöhen-" analysator ein Analog-Digital-Umsetzer - nachfolgend AD-Umsetzer

genannt - notwendig, um eine digitale Wiedergabe der Größen der einzelnen in jeder Kanalbreite angeschlossenen Impulse zu erreichen.

Im allgemeinen erfordert ein AD-Umsetzer, der in einem Impulshöhenanalysator benutzt wird, eine große Anzahl von Kanälen, eine hohe Umsetzgeschwindigkeit sowie eine hohe Gleichförmigkeit der Kanalbreiten, in welche die Impulse eingegeben werden und die nachstehend als Spaltbreiten bezeichnet sind, damit ein genaues Energiespektrum erhalten wird. Je größer die Zahl der Kanäle ist, desto genauer lassen sich die einzelnen Impulse aufteilen. Je höher die Umsetzgeschwindigkeit ist, desto schneller ist die Analyse des Spektrums der Impulse, wobei gleichzeitig die statistische Unbestimmtheit absinkt. Weiterhin haben die Stabilität der Lage der einzelnen Kanäle und die Gleichförmigkeit der Spaltbreiten einen starken Einfluß auf die Genauigkeit des Impulshöhenanalysator s.

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Bekanntermaßen wird bei der Umwandlung analoger Größen in digitale Größen das analoge Signal in einzelne Stufen quantisiert und anschließend kodiert. Die Genauigkeit der erreichten Umsetzung hängt von der Anzahl der gewählten Quantisierungseinheiten ab. Durch die Unterteilung der analogen Größe in einzelne Einheiten werden also Intervalle geschaffen, deren Breite im vorliegenden Fall als "Spaltbreite" bezeichnet worden ist. Zutreffender wäre wohl in diesem Fall der Ausdruck "Stufenhöhe". Die Unterteilung wird beispielsweise bei parallel vergleichenden Analog-Digital-Wandlern, bei denen die analoge Größe in Form einer Spannung vorliegt, durch äquidistante Abgriffe auf Widerständen durchgeführt.

Wie auch nachfolgend ausgeführt, besteht aufgrund ungleichmäßiger Abgriffe die Gefahr, daß die einzelnen Stufen in welche die analoge Größe unterteilt wird, sich voneinander unterscheiden. Daraus resultiert jedoch eine nicht geradlinige Wandlercharakteristik, wie sie übertrieben in Figur 13 dargestellt ist. Zur Kennzeichnung der Gleichmäßigkeit ^ev Unterteilung wird der Begriff der "Differentiallinearität" benutzt. Diese ist definiert als das Verhältnis der tatsächlichen Stufenhöhen bzw. Kanalbreiten oder Spaltbreiten zu einer mittleren Stufenhöhe. Es ist auch gebräuchlich, die Differentiallinearität als Verhältnis der Abweichungen der tatsächlichen Stufenhöhen von der mittleren Stufenhöhe zur mittleren Stufenhöhe zu definieren. Beide Definitionen unterscheiden sich lediglich durch eine Koordinatenverschiebung um den Wert 1.

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Im allgemeinen wird ein AD-Umsetzer für einen Impulshöhenanalysator wegen seiner guten "Differentiallinearität" benutzt. Wie schon vorstehend angedeutet, entspricht die Differentiallinearität (zwischen zwei beliebigen benachbarten Kanälen) dem Verhältnis der Differenz zwischen der tatsächlichen und der idealen Spaltbreite zur idealen Spaltbreite. Unter dem nachstehend benutzten Ausdruck Integrallinearität ist die tatsächliche Umsetzungscharakteristik des Umsetzers, d.h. der digitale Ausgang in Abhängigkeit des analogen Einganges zu verstehen. Es ist bekannt, daß bei einem als Zähler benutzten AD-Umsetzer ein analoger Eingangs wert in einen digitalen Wert umgeformt wird, indem der Eingangs wert zuerst in einen Zeitwert umgeformt wird, der dem Eingangswert proportional ist. Dann wird die Zahl der Impulse, die in einem Oszillator während des Zeitintervalles des Eingangswertes er- ^v zeugt werden, als kodierter Digitalwert gezählt.

Weiterhin ist es bekannt, daß eine relativ lange Umsetzzeit bei einem derartigen AD-Umsetzer benötigt wird, da die Umsetzungszeit proportiona zur Zahl der Kanäle ist. D.h. wenn die Kanäle eines digitalen Kodes vermehrt werden, um ein genaueres Impulsspektrum zu erzielen, so wachsen die Zählstufen im Verhältnis zur Zunahme der Kanäle an und die Umsetzgeschwindigkeit wird hierdurch verringert.

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Andererseits entstehen bei einem Folgevergleich-AD-Umsetzer digitale Ausgangswerte von der höchsten Ziffer (MSD) bis zur niedrigsten Ziffer (LSD). Dies erfolgt durch einen Digital-Analog-Umsetzer (DA-Umsetzer) in dem AD-Umsetzer der eine analoge Bezugsspannung oder einen Strom erzeugt, der einem bestimmten Digitalwert entspricht. D.h. der digitale Ausgangs wert und der analoge Bezugs wert werden mit einem Eingangsanalogwert in einem Vergleichsgerät (Komparator) verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs bestimmt, ob der digitale Ausgangs wert "wirksam" ist oder nicht.

Die Bezeichnungen MSD und LSD stellen Abkürzungen für die englisphen Begriffe "Most significant digit" und "Least significant digit" dar und bezeichnen die höchste und niedrigste Ziffer, d. h. die Ziffer mit der höchsten bzw. niedrigsten Kennzeichnungskraft des gewählten Ziffernkodes.

Ein derartiger Umsetzer weist eine hohe Umsetzgeschwindigkeit auf, da, enn die Zahl der Kanäle des digitalen Kodes zur Erzielung eines genaueren Spektrums vermehrt wird, die zusätzlich benötigte Umsetzzeit einer Stufenzahl entspricht, die gleich der Zahl der Kanäle ist.

Bei einem AD-Umsetzer mit Parallelvergleich werden analoge Bezugswerte mit den Eingangsanalogwerten parallel verglichen, während die

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Bezugswerte mit den Eingangswerten in ihrer Folge in einem AD-Umsetzer verglichen werden. Bei einem derartigen Parallelvergleich ist deshalb lediglich eine Vergleichsstufe notwendig, um digitale Ausgangswerte zu erhalten, so daß eine sehr schnelle Umsetzung von analogen Eingangswerten in digitale Ausgangswerte möglich ist.

Obwohl diese AD-Umsetzer, die auf dem Vergleichsprinzip beruhen, eine Umsetzgeschwindigkeit aufweisen, die im Vergleich zu einem AD-Umsetzer, der auf dem Zählprinzip arbeitet, sehr hoch ist, werden sie nicht für einen Impulshöhenanalysator eingesetzt, da die "DtECerentiallinearität" schlecht ist.

Die Differentiallinearität hängt von der Gleichmäßigkeit und Gleichförmigkeit der Spaltbreite und dem Produkt aus der Zahl der Kanäle und der "Integrallinearität" ab.

Unter dem Ausdruck "Integrallinearität" ist die Wandlercharakteristik zu verstehen.

Wie schon erwähnt, ist eine große Zahl von Kanälen erforderlich, um ein genaues Spektrum zu erhalten, und eine Verbesserung der Integrallinearität ist sehr schwierig. Es ist deshalb unbedingt erforderlich, die Gleichförmigkeit und Einheitlichkeit der Spaltbreite zu verbessern. Es ist möglich, die Spaltbreite unabhängig von der mitt-

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leren Spaltbreite zu machen und die Spaltbreite immer konstant zu halten. Die Differentiallinearitäten der beiden Vergleichsumsetzer können verbessert werden, und die Umsetzgeschwindigkeit wird gesteigert. Der Einsatz für einen Impulshöhenanalysator ist möglich.

Ausgehend von der eingangs genannten Problemstellung und dem vorgenannten Stand der Technik ist es nun Aufgäbe der Erfindung, den genannten Nachteilen der bekannten Anordnungen abzuhelfen und insbesondere die Differentiallinearität konstant zu halten, wobei es aus den eingangs erwähnten Gründen nicht so sehr darauf ankommt, die Stufenhöhe absolut genau in Übereinstimmung mit den quantisierten Stufenhöhen zu halten, sondern vielmehr darauf, eine Gleichmäßigkeit der Stufenhöhen zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jedem Kanalschwellenwert eines Impulshöhenanalysators ein gemeinsamer, gleichbleibender Zusatz wert (ÄV) überlagert wird.

Geronß der Erfindung wird die Umsetzgeschwindigkeit gesteigert und die Differentiallinearität verbessert. Außerdem ist die Spaltbreite unabhängig angeordnet und eingestellt (located). Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verbesserung eines Folgevergleichumsetzers und eines Parallelvergleichumsetzers, beide vom AD-Typ, gelingt.

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Während erfindungsgemäß die Differentiallinearität konstant gehalten wird und eine Gleichmäßigkeit der Stufenhöhen gewährleistet ist, ist dies bei den bekannten Analog-Digital-Wandlern, die entweder mit Folgevergleich oder mit Parallelvergleich in einem oder mehreren . Komparatoren arbeiten, nicht der Fall, weil die Bezugsspannung für den Komparator für jedes Bit durch eine eigene Einheit geliefert wird. Erfindungsgemäß wird deshalb eine von diesen Einheiten unabhängige Stufenhöhenfestlegung getroffen, die für sämtliche Bits des gewählten Ziffernkodes dieselbe ist und deshalb zwangsläufig konstant sein muß. Die hierfür erfindungsgemäß vorgeschlagenen und nachfolgend im einzelnen erläuterten Schaltungen sind sowohl für Analog-Digital-Wandler mit Folgevergleich als auch mit Parallelvergleich geeignet.

Wenn auch die Erfindung vor allem für die Impulsanalyse von Kernstrahlungsenergien benutzt wird, so ist jedoch gleichwohl ein Einsatz für die Impulsanalyse auf medizinischem Gebiet ohne weiteres möglich. Sehr häufig kommt es bei der Darstellung von Spektren weniger auf die absolute Genauigkeit der Komponenten als vielmehr auf die Genauigkeit des Verlaufes, d.h. auf die Verteilung des Spektrums, an. Diese Forderung wird erfindungsgemäß in sehr einfacher Weise mit Sicherheit erfüllt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und anhand der beiliegenden Zeichnung ersichtlich.

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Es zeigen:'

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines üblichen AD-Umsetzers mit Folgevergleich;

Fig. 2 eine zeichnerische Hilfsdarstellung der Differentiallinearität des Umsetzers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße, verbesserte Ausführungsform des Umsetzer»:; nach Fig. 1;

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 3;

Fig. 5 eine Modifizierung der Ausführungsform nach Fig. 3; Fig. 6 eine weitere Modifizierung der Ausführungsform nach Fig. 3;

Fig. 7 ein Blockdiagramm eines üblichen AD-Umsetzers mit Parallel vergleich;

Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Umsetzers nach Fig. 7;

.Fig. 9 eine weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform

des Umsetzers nach Fig. 7;

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Fig. 10 eine Modifizierung der Ausführungsform nach Fig. 9;

Fig. 11 eine weitere Modifizierung der Ausführungsform nach Fig. 9;

Fig. 12 eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 11^

Fig. 13 eine Wandlercharakteristik in übertriebener Darstellung;

Fig. 14 die Darstellung eines typischen Beispieles der Beziehung zwischen dem Kanalniveau und der Kanalbreite in einem gewöhnlichen Folgevergleich-Analog-Digital-Wandler mit 16 Kanälen;

Fig. 15 eine Skizze zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 16 die Darstellung einer Kanalbreite zwischen zwei Kanälen N und N+l;

Fig. 17 eine. Gegenüberstellung zwischen einem bekannten und dem und 18 erfindungsgemäßen Verfahren.

Bei einem üblichen AD-Umsetzer nach Fig. 1 werden eine Eingangsanalogspannung oder ein Strom an den Eingang eines Vergleichsgerä-

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tes, nachfolgend Komparator genannt, gelegt. Ein Impulsgenerator 12 erzeugt eine Reihe von Impulsen, wenn ein Zeitimpuls dem Eingang hinzuaddiert wird. Die Zahl der Impulse entspricht der Zahl der Stufen eines Digitalzählers 14. Der Ausgang des Generators 12 ist mit dem Eingang eines Folgeverteilers 13 verbunden, der nachfolgend kurz Distributor genannt wird.

Der Distributor 13 weist mehrere Ausgänge auf, die der Zahl der Stufen des Zählers 14 entsprechen. Der Zähler 14 weist mehrere Zählstufen auf, die z.B. mit Flip-Flop-Kreisen und UND-Gattern versehen sind. Der Einfachheit halber wird jedoch von einem Ausgang und nur einem Paar Zählstufen ausgegangen.

Der Ausgang des Distributors 13 ist mit der einen Seite des Digitalzählers 14 verbunden und liegt parallel zu einem der Eingänge des UND-Gatters. Der andere Eingang des UND-Gatters ist mit dem Ausgang des !Comparators 11 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters ist mit dem Zähler 14 verbunden. Ein digitaler Ausgangs wert entsteht am Ausgang des Zählers 14 und wird gleichzeitig an den Eingang eines DA-Umsetzers 15 gelegt. Ein in dem Generator 12 erzeugter und durch den Distributor 13 an den Zähler 14 weitergeleiteter Impuls setzt die Flip-Flop-Schaltung von MSD nach LSD, und das Ausgangssignal, des

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UND-Gatters setzt die Flip-Flop-Schaltung wieder zurück.

Durch den DA-Umsetzer wird eine Analogspannung entsprechend dem Ausgangsdigital wert des Zählers 14, wie vorstehend beschrieben, erzeugt. Die Analogspannung wird dem anderen Eingang des Komparator s 11 als Bezugsspannung zugeführt und mit der erstgenannten analogen Eingangsspannung darin verglichen. In dem Komparator 11 wird jedesmal, wenn der Zähler 14 gesetzt wird, der Eingangsanalogspannungswert mit dem Bezugsanalogwert verglichen, was unabhängig von der Größe der analogen Eingangs spannung erfolgt.

Bei einer Einstellung von MSD im Zähler 14 und einem Wert der analogen Eingangsspannung, der größer ist als die Bezugsspannung, ent- ' steht am Ausgang des Komparators 11 kein Ausgangssignal, weshalb das UND-Gatter geschlossen bleibt und die Einstellung des Zählers sich nicht ändert. Wenn der analoge Eingangsspannungswert kleiner ist als die Bezugs spannung, so entsteht durch den Komparator 11 ein Ausgangs signal zum Öffnen des UND-Gatters und zum Zurücksetzen der Flip-Flop-Schaltung des Zählers 14. Derselbe Vergleich findet bei jeder Stufe des Zählers 14 von der nächsten Ziffer bis zu LSD statt, und die Umsetzung ist vollständig und abgeschlossen, wenn dies bei LSD durchgeführt wird.

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In Fig. 2 der Zeichnung ist die Differentiallinearität eines AD-Umsetzers nach Fig. 1 dargestellt, woraus zu entnehmen ist, daß ein digitaler Ausgange wert "7" entsprechend einer analogen Bezugsspannung des DA-Umformers 15 als analoge Eingangsspannung 20 erhalten wird.

In diesem Fall erhält man die analoge Eingangsspannung, die zwischen der Bezugsspannung 21 entsprechend dem Kanal 23, d. h. einem digitalen Ausgangs wert von "7" und der Bezugsspannung 25, entsprechend dem Kanal 24, d.h. einem digitalen Ausgangswert von "8" liegt, im Kanal 23, was einen digitalen Ausgangswert von "7" bedeutet. Im allgemeinen ist die Spaltbreite genau linear (siehe Gerade 28). Inder , Praxis liegt jedoch keine genaue Linearität vor (siehe Linie 26), da der DA-Umsetzer 15 aus mehreren, von einander unabhängigen Einheiten besteht. Die Charakteristiken der einzelnen Kanäle, die durch die Charakteristiken der Einheit bestimmt sind, sind deshalb unregelmäßig. Eine Gleichmäßigkeit und Gleichförmigkeit der einzelnen Kanäle ist somit nur sehr schwierig zu erzielen.

Wie schon vorstehend beschrieben, ist der wichtigste Faktor, der die Genauigkeit des AD-Umsetzers eines Impulshöhenanalysators bestimmt, die Differentiallinearität. Obgleich die analoge, digitale Ausgangscharakteristik (siehe Linie 26) des AD-Umsetzers von der idealen Integral -

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linie 28 nur sehr wenig abweicht, ist die Differentiallinearität beträchtlichen Schwankungen unterworfen (siehe Linie 27 in Fig. 2). Aufgrund dieser starken Schwankungen war es bisher praktisch kaum möglich, einen üblichen Komparator, d.h. einen AD-Umsetzer, für einen Impulshöhenanalysator zu benutzen. Um die Schwankungen vernachlässigbar klein zu machen, muß die Linearität des DA-Umsetzers 15 verbessert werden.

Erfindungsgemäß wird ein Kreis für die Anordnung und Einstellung (location) der Kanalbreite an einer geeigneten Stelle in dem AD-Umsetzer, unabhängig von den anderen Elementen, angeordnet. Dieser Kreis bestimmt unabhängig von den anderen Teilen die Spaltbreite, wodurch es gelingt, die Gleichförmigkeit der Spaltbreite zu verbessern.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der die Bezugszeichen entsprechend dem AD-Umsetzer nach Fig. 1 gewählt wurden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird eine analoge Eingangsspannung einem Eingang eines Komparators 11 zugeführt sowie einem Eingang eines Spaltbreiten-Komparators 31. Ein Digitalbauelement 10, das in an sich bekannter Weise aufgebaut ist, (siehe Fig. 1) liefert digitale Ausgangswerte und analoge Bezugsspannungen, die den digitalen Ausgangswerten des DA-Umsetzers 15 entsprechen. Die ana-

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logen Bezugsspannungen des digitalen Bauelementes 10 werden dem anderen Eingang des !Comparators 11 und einem Superposer 30 für die Spaltbreitenspannung AV zugeführt, der die Spaltbreitenspannung Δ V mit der analogen Bezugsspannung überlagert. Die mit der Spaltbreitenspannung Δ V überlagerten Bezugsspannungen werden dem anderen Anschluß des Komparators 31 zugegeben. Wie noch nachstehend näher beschrieben wird, erhält man zwei oder mehr digitale Ausgangswerte oder keinen digitalen Ausgangs wert bei einer analogen Eingangsspannung entsprechend dem Wert der Spannungsbreite AV. Deshalb werden die digitalen Ausgangswerte in Speichern eines Digitalkreises gespeichert. Der Ausgang des !Comparators 31 ist mit dem digitalen Bauelement 10 verbunden.

Die mit der Spannung AV überlagerte Bezugsspannung wird mit der analogen Eingangsspannung in dem Kanalbreitenkomparator 31 verglichen, wobei an dem Ausgang desselben ein wirksamer oder ein unwirksamer Impuls entsteht. Hierdurch wird bestimmt, ob der digitale Ausgangswert des Elementes 10 wirksam ist oder nicht. Der vorgenannte Ablauf wird durch die nachstehende Beschreibung im Zusammenhang mit Fig. 4 der Zeichnung noch näher erläutert.

Es wird angenommen, daß, wenn eine analoge Eingangs spannung 40 einem Eingang des Komparators 11 zugeführt wird, sowie einem Ein-

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gang des Komparators 31, der Komparator 11 anfänglich zusammen mit dem digitalen Bauelement 10 in derselben Art und Weise wie der AD-Umsetzer arbeitet. Weiterhin wird angenommen, daß das Ergebnis des Vergleichs in dem Komparator 11 einenu digitalen Ausgangswert 8 an dem Ausgang des Digitalzählers 14 erzeugt, wobei die analoge Bezugsspannung, die einem digitalen Ausgang 8 entspricht, mit dem Bezugszeichen 41 bezeichnet wird. Die analoge Bezugsspannung 41 wird mit der Spannung Δ V in dem Super poser 30 überlagert. Die resultierende Spannung wird mit der analogen Eingangsspannung 40 in dem Komparator 31 verglichen. Wenn der analoge Eingangs wert 40 innerhalb der Breite von λV liegt, d.h. wenn der Eingang 40 größer als die Bezugsspannung und kleiner als die resultierende Spannung ist, liefert der Komparator 31 einen wirksamen Ausgangsimpuls. Wenn der Eingang 40 außerhalb der Spaltbreite Δ V liegt, d.h. wenn der Eingang 40 kleiner als die Bezugsspannung oder größer als die addierte Spannung ist, dann liefert der Komparator 31 einen unwirksamen Ausgangsimpuls.

In Fig. 4 der Zeichnung ist dieser Sachverhalt näher dargestellt. Die analoge Eingangsspannung 40 entspricht dem Punkt 44 innerhalb der Spaltbreitenspannung δ V. Hierbei entsteht am Ausgang des Komparators 31 ein wirksamer Impuls. D.h. der digitale Ausgangswert 8 wird

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als wirksamer Ausgangswert in den Digitalkreis 32 weiter geleitet. Der Ausgangsimpuls des Komparators 31 wird weiterhin dem digitalen Bauelement 10 zugeführt, wodurch der Digitalzähler 14 nach geeigneter Periode zurückgesetzt wird. Die nächst niedrigere Stufe wird gesetzt, um den digitalen Ausgangs wert zu "7" zu machen, sowie die analoge B ezugsspannung entsprechend einem digitalen Ausgangswert von "7" zu40. Bei dieser Einstellung bzw. bei diesem Setzen findet derselbe Vergleich statt wie bei der vorhergehenden und der Betriebspunkt kommt auf den Punkt 45 innerhalb der Breite AV zu liegen. In diesem Fall liefert der Komparator 31 einen zu dem der vorhergehenden Einstellung identischen, wirksamen Ausgangsimpuls und der digitale Ausgangswert "7" wird als wirksamer Ausgangswert an den Kreis 32 weitergeleitet.

Der Digitalzähler 14 im Element wird durch den wirksamen Ausgangswert des Komparators 31 zurückgesetzt und der nächst niedrigere Kanal wird so angeordnet bzw. eingestellt (located), daß der digitale Ausgangs wert gleich "6" ist. Hierbei ist der analoge Eingang 40 größer als die Summe aus dem analogen Bezugs wert 43 und der Spaltbreite AV. Aufgrund der Tatsache, daß der Betriebspunkt gleich dem Punkt 46 ist, ist der Ausgang des Komparators 31 unwirksam. Deshalb wird der digitale Ausgangs wert β als wirksamer Ausgangsimpuls nicht weitergeleitet in dem Kreis 32 und die Umformung ist beendet.

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Wenn ein digitaler Ausgangs wert durch einen gewöhnlichen Folgevergleich erzeugt wird, so wird der nächst niedrigere Digitalwert an seine Stelle gebracht und die Bezugsgröße, die dem niedrigeren Digitalwert entspricht, wird mit dem analogen Eingangswert in dem Komparator 31 verglichen, bis kein wirksames Ausgangssignaides Komparators 31 erhalten wird. Da der digitale Ausgangswert als wirksamer Ausgangswert fortschreitet, während die Ausgangswerte wirksam sind, können bei einem analogen Eingangswert bei geeigneter Wahl der Spannung AV zwei oder mehrere digitale Ausgangswerte erhalten werden. Wenn die Spaltbreite klein gewählt wird, ist es möglich, daß kein digitaler Ausgangswert erhalten wird.

Fig. 4 ist zu entnehmen, daß zwei digitale Ausgangswerte "7" und "8" erhalten werden. Da zwei oder mehrere digitale Ausgangswerte oder kein digitaler Ausgangswert bei einem analogen Eingangswert erhalten werden können, ist eine Verwendung eines AD-Umsetzers in einem Digitalvoltmeter unerwünschenswert.

Bei einem Impulshöhenanalysator ist dieser Sachverhalt jedoch weniger hinderlich, da es hierbei nicht so wichtig ist, ob die Spaltbreite kleiner oder größer ist als der Mittelwert der Kanalbreite.

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In einem besonderen Fall, wenn die Spaltbreite Δ V immer kleiner ist als die mittlere Breite, wird nur ein wirksamer oder ein nichtwirksamer digitaler Alisgangswert bei einem analogen Eingangswert erhalten. Es ist deshalb nicht notwendig, den digitalen Ausgangswert in dem Speicher 32 zu speichern und daß der Digitalzähler zählt.

Erfindungsgemäß ist es möglich, daß die Größe der Spaltbreite unabhängig von der mittleren Spaltbreite gewählt werden kann. Deshalb hängt die Gleichförmigkeit der Spaltbreite von den Eigenschaften der Komparatoren 11 und 31 und des Superposers 30 ab. Diese Elemente sind jedoch über sämtliche Kanäle gleichförmig, weshalb die Gleichförmigkeit und Gleichmäßigkeit der Spaltbreite nahezu ideal ist.

Die Polarität der Spaltbreitenspannung AV ist dieselbe wie die der Betriebsspannung. Bei geeigneter Wahl der Betriebsbedingungen kann jedoch auch die Polarität der Spaltbreitenspannung umgekehrt werden. Der Superposer kann an anderer Stelle, z.B. zwischen dem analogen Eingang und dem Eingang des !Comparators 31 angeordnet werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 der Zeichnung ist gegenüber der nach Fig. 3 znin Teil geändert. Die beiden Komparatoren, d. h. der Komparator 11 und der Spaltbreitenkomparator 31, sind durch einen

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Komparator 16 ersetzt. Der Komparator 16 ist mit dem Superposer 30 für die Spaltbreitenspannung AV über einen Schalter S verbunden. Anfänglich ist der Schalter S bei a geschlossen, so daß der analoge Bezugswert von dem digitalen Bauelement 10 an den Eingang des Komparator s 16 weiter geleitet wird. Der analoge Eingangs wert wird dem Komparator 16 zugeführt und mit der Bezugsspannung in derselben Weise wie bei dem AD-Umsetzer nach Fig. 1 verglichen, um einen digitalen Ausgangswert zu erzeugen. Der Schalter S wird sodann zu dem Kontakt b umgelegt, um den Bezugswert und die Spaltbreitenspannung zu summieren und die Summe mit dem analogen Eingangswert zu vergleichen. Dieser Vergleich und die anderen Schritte sind dieselben wie bei der Ausführungsform nach Fl g. 3.

In Fig. 6 der Zeichnung ist ein weiteres abgeämfertes Aueführungsbeispiel dargestellt, wobei der Superposer 30 durch einen Wechselspannungs-Superposer 50 ersetzt ist Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die Genauigkeit des AD-Umsetzeres höher ist, da ein Wechselspannungsschalter benutzt werden kann und die Trennung dund Auswahl des wirksamen Ausgangswertes des Komparators verbessert wird.

In Fig. 7 der Zeichnung ist ein Blockdiagramm eines üblichen AD-Umsetzers mit Parallelvergleich dargestellt, wobei der analoge Bezugswert

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durch die gleichen Widerstände 61 in gleiche und voneinander unabhängige Teile aufgespalten wird. Jeder Teil der Bezugsspannung wird einem Anschluß eines Komparators 62 zugeführt. Eine analoge Eingangsspannung wird dem anderen Anschluß eines jeden der Komparatoren 62 zugeführt und mit der Bezugsspannung verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird der logischen Schaltung 63 zugeleitet.

In Fig. 8 der Zeichnung ist die Arbeitsweise des Umsetzers nach Fig. dargestellt. Es wird angenommen, daß die Ausgangs werte des !Comparators durch einen Vergleich der analogen Eingangsspannung mit der analogen Bezugsspannung in den einzelnen Komparatoren 62 erhalten werden. Durch die Kreuze ist hierbei angedeutet, daß die analoge Eingangsspannung kleiner ist als die Bezugsspannung. Durch die Kreise ist angedeutet, daß die Eingangsspannung größer ist als die Bezugsspannung. Diese Ausgangs werte des Komparator s werden der logischen Schaltung zugeführt und die von Kreuzen zu Kreisen wechselnden Punkte, z.B. die Punkte c und d, werden als digitaler Ausgang ausgewählt.

Hierbei wird die Spaltbreite durch die Genauigkeit der Widerstände 61 bestimmt, wodurch die Bezugsspannungen und die Genauigkeit der Komparatoren 62 bestimmt ist. Zur Erzielung einer möglichst guten Differentiallinearität müssen die Widerstände 61 und die Komparatoren 62 sehr stabil und genau sein.

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Fig. 9 der Zeichnung zeigt einen AD-Umsetzer mit Parallelvergleich, bei dem die Spaltbreitenanordnung gemäß der Erfindung vorgenommen ist.

In Fig. 10 ist die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 9 dargestellt. Anfänglich ist der Schalter S geschlossen und mit dem Kontakt e in Berührung. Eine analoge Eingangsspannung wird somit über den Schalter S jedem Komparator 62 zugeführt. Gleichzeitig wird die analoge Bezugsspannung auch dem anderen Anschluß eines jeden Komparators zugeführt und die beiden Analogspannungen werden hierbei verglichen.

Es wird angenommen, daß sämtliche Komparatoren einen Ausgang liefern, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Diese Ausgangswerte werden der logischen Schältung 68 zugeführt und hierin gespeichert.

Der Schalter S wird anschließend auf den Kontakt f umgelegt, um den Kanalbreiten-Superposer 64 mit den Komparatoren zu verbinden. Der analoge Eingangs wert wird mit der Kanalbreite δ V durch den Superposer 64 überlagert, worauf die addierte Spannung den Komparatoren zugeführt und in diesen mit der Bezugsspannung verglichen wird. Es wird weiterhin angenommen, daß als Ergebnis dieses Vergleichs Ausgangswerte, wie in Fig. 10 der Zeichnung dargestellt, erhalten werden.

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Die logische Schaltung 68 zeigt voneinander verschiedene Ausgangswerte in den Kanälen g und h an. und bewirkt einen digitalen Ausgang an diesen Kanälen. Mehr als ein Ausgang kann in diesem Fall für einen beliebigen Analogen Eingang erhalten werden.

Wie schon vorstehend beschrieben, w-ist bei der Ausführungsform nach Fig. 9 jeder Kanal eine konstante Breite AV auf und die Spaltbreite ist unabhängig von der mittleren Kanalbreite. Die Genauigkeit der Breite hängt in diesem Fall ab von der Stabilität der Spannung AV und dem Schalter S sowie von der Differenz zwischen der Genauigkeit der analogen Eingangsspannung und der Kanalbreitenspannung AV in jedem Komparator. Die Gleichförmigkeit und Gleichmäßigkeit der Kanäle entspricht im wesentlichen einem Ideal wert, da die Breite AV und der Schalter allen Kanälen gemeinsam sind. Etwaige Differenzen sind deshalb vernachlässigbar klein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 ist der Superposer 65 nach Fig. 9 durch einen Wechselspannungs-Superposer 65 ersetzt und die logische Schaltung 68 durch eine logische und Impulsformer schaltung

Fig. 12 ist die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 11 zu entnehmen. Den Komparatoren 62 werden Wechselspannungs werte entnom-

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men. Diese Ausgangswerte werden dem Kreis 67 zugeführt, von dem ein digitaler Ausgangs wert erhalten wird. Wenn demzufolge die Spaltbreitenspannung AV konstant ist, ist auch die Spaltbreite konstant.

Die Polarität der Kanalbreite λ V und die Anordnung und Lage des Superposers (siehe Fig. 3, 5, 6, 9, 11) können durch geeignete Wahl der anderen Bauelemente gewählt werden.

Wenn ein Wechselspannungs-Superposer benutzt wird, kann die Wellenform der Wechselspannung frei bestimmt werden, Gebräuchliche Formen sind z. B. Sinus wellen, Rechteckwellen, Sägezahnwellen usw.

Die Erfindung wird nachstehend noch näher anhand von Fig. 13 der Zeichnung erläutert.

In Fig. 13 ist die Wandlercharakteristik eines Analog-Digital-Wandlers übertrieben dargestellt, die Figur 2 entspricht. Auf der Abszisse sind mit Xj bis Xg die Ziffernstufen aufgetragen, von denen jede einem bestimmten Digital wert entspricht, ,während auf der Ordinate mit Y- bis Y- die Stufeneinheiten der analogen Größe aufgetragen sind.

Ein idealer Analog-Digital-Wandler besitzt beispielsweise eine Wandlercharakteristik A, derzufolge ein eingegebener Analogwert innerhalb

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des Bereiches zwischen O und Y. in den entsprechenden kodierten Ziffernwert des Kanals X- umgewandelt wird. Bei praktisch ausgeführten Folgevergleich-Analog-Digital-Wandlern läßt sich eine derartige Charakteristik nicht erreichen, da die in einen Komparator eingespeiste analoge Bezugsspannung, die als Vergleichsbasis durch einen Digital-Analog-Wandler aus der bereite erfolgten Analog-Digital-Wandlung erzeugt wird, aus einer Zusammensetzung einzelner Digitalwerte in jeder Stufe des Digitalzählers entsteht und deshalb eine übertrieben dargestellte Charakteristik B besitzt. In diesem Fall wird beispielsweise eine analoge Größe innerhalb des Bereiches von 0 und y. in den entsprechenden Ziffernwert X« umgewandelt, während eine weitere Größe innerhalb des engeren Bereichs zwischen y. und y„ dem nächsten Ziffernwert X» entsprechend gewandelt wird. Da beispielsweise bei der Analyse eines Strahlungsenergiespektrums die Verteilung durch sukzessive Messung der eingehenden Impulshöhen ermittelt wird, beeinträchtigt die Ungleichförmigkeit der einzelnen Stufenhöhen die gemessene Verteilung unmittelbar. Wie bereits vorstehend ausgeführt worden ist, ist deshalb insbesondere für eine Messung in Impulshöhenanalysatoren eine erhöhte Gleichförmigkeit der Stufenhöhen, d.h. der Quantisierungsunterteilung erforderlich. Je genauer demzufolge die Differehtiallinearität konstant bleibt, desto genauer wird die Spektral verteilung durch den Analog-Digital-Wandler gemessen.

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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird ferner auf die Skizzen gemäß Fig. 14 bis 18 der Zeichnung verwiesen, die nachstehend wie folgt erläutert werden.

Fig. 14 der Skizzen zeigt ein typisches Beispiel der Beziehung zwischen dem Kanalniveau und der Kanalbreite in eine m gewöhnlichen Folgeyergleich-Analog-Digital-Wandler mit z.B. 16 Kanälen. Die Niveauhöhen hängen ab von der Genauigkeit des Digital-Analog-Wandlers, der in dem Analog-Digital-Wandler eine Bezugs- oder Vergleichsspannung schafft, d. h. vom Reziprok-Wert der Widerstände in diesem Digital-Analog-Wandler entsprechend der jedem Kanal zugeordneten Impuls -Amplitude.

Außer den Einflüssen der Widerstände gehen noch die Bezugsspannun-' gen und weitere Komponenteneinflüsse bei der Konvertierung der Digitalwerte in die entsprechenden Analogwerte mit in die Genauigkeit ein. Da letzten Endes der als Ergebnis erhaltene Analogwert aus einer Kombination von Schaltelementen erzielt wird, ist selbstverständlich für die Genauigkeit der Niveauhöhe in jedem Kanal eine bestimmte Grenze gegeben. Bei Verwendung in einem relativ schnellen Impulshöhenanalysator liegt diese Grenze etwa bei 0,1 %. Die Grenze unter diesen Wert abzusenken ist außerordentlich schwierig.

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Im allgemeinen ist die Genauigkeit der resultierenden Kanalbreiten umgekehrt proportional zur Kanalanzahl. Nimmt man deshalb eine Genauigkeitsgrenze von 0,1 % an, dann erhält man bei 16 Kanälen eine Fehlermöglichkeit von 1, 6 % in der Kanalbreite. Da im allgemeinen die Kanalanzahl nicht unter 100 beträgt, sind Gesamtfehler von über 10 % möglich. Diese gesamte Fehlermöglichkeit ist die sog. Differ ent iallinearität.

Nimmt man an, daß dem Analysator ein weißes Spektrum zugeführt wird, dann erhält man im Idealfall die in Fig. 14 eingezeichnete geradlinige Verteilung. Wenn die Kanalbreitentoleranz ·+ 10% beträgt, wird in Kanälen mit zu großer Kanalbreite eine zu große Anzahl von Impulsen und in Kanälen mit zu kleiner Kanalbreite eine zu kleine Anzahl von Impulsen gezählt, so daß als Ergebnis die ebenfalls in Fig. 1 angegebene, von der Ideallinie des weißen Spektrums abweichende Verteilung entsteht.

Fig. 15 der Skizzen erläutert die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Verfahren ist der Schwellenwert jedes Kanals auf die bekannte Weise festgelegt. Jedoch ist darüberhinaus jedem Schwellenwert gemeinsam eine konstante Spannung AV überlagert. Es ist angenommen, daß jeder Schwellenwert mit einer Genauigkeit von

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+ 0,1% vorliegt sowie als resultierender Schwellenwert, dieser Ausgangswert plus die Spannung Δ V, wobei AV kleiner als der Abstand aufeinanderfolgender Kanalgrenzen ist. In diesem Fall werden lediglich Impulse gezählt, deren Höhen in den Bereich AV fallen, so daß dadurch die gesamte Zählrate etwas absinkt. Dieser Abfall in der Zählrate ist jedoch bei der Impulshöhenanalyse nicht weiter störend, da be-

kanntermaßen die Messungen von Strahlungsvorgängen Relativmessungen sind und ohnehin in dem Analysator nicht alle Eingangsimpulse gezählt werden können und müssen. Zur Festlegung der Impulshöhenverteilung genügt demzufolge eine relative Zählung.

In Fig. 16 ist eine Kanalbreite zwischen den Kanälen N und N+l herausgezeichnet. Hierbei stellt sich die Frage, ob der Spalt, der als Differenz zwischen dem Kanal N+l und dem Schwellenwert des Kanals N + AV • . entsteht, aufgrund der Anzahl von Eingangsimpulsen, die in den Spalt

fallen, eine physikalische Bedeutung hat. Wenn z.B. eine Impulshöhenverteilung gemäß der Darstellung in Fig. 17a durch einen gewöhnlichen Analysator ohne überlagerte Spannung AV ermittelt wird, erhält man ein Ergebnis gemäß Fig. 17b. Wenn die gleiche Verteilung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gemessen wird, erhält man ein Ergebnis gemäß Fig. 17c. Da beide Verteilungen voneinander abweichen, hat es den Anschein, als ob. der entstehende Spalt das Ergebnis nachteilig

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beeinflußt. Da jedoch die tatsächliche Kanalanzahl sehr groß ist und im allgemeinen über 100 liegt, kommt es praktisch nicht vor, daß ein Peak eines Verteilungsspektrums in einen Bereich zwischen aufeinanderfolgenden Kanälen fällt, sondern wie in Fig. 18 erläutert ist, mehreren Kanälen zugeordnet sein wird. Bei einer großen Kanalanzahl werden also wie in den Figuren 18b und 18c dargestellt ist, die resultierenden Verteilungen einander sehr ähnlich werden, so daß das vorstehend angesproc hene Problem als beseitigt bezeichnet werden kann.

Wenn die Überlagerungsspannung AV sehr klein gewählt wird, wird die Zählrate um einen bestimmten Betrag absinken. Auf jeden Fall . sollte die Spannung AV in der Größenordnung von einer bis einem Mehrfachen einer vorbestimmten Kanalbreite je nach den Eigenschaften des Eingangsimpulsspektrums sein.

Wie vorstehend beschrieben, gelingt es, erfindungsgemäß eine gleichförmige und gleichmäßige Spaltbreite in dem AD-Umsetzer zu erzielen, indem die Spaltbreite unabhängig von den anderen Elementen des AD-Umsetzers gemacht wird. Demzufolge ist es möglich, eine ausgezeichnete Differentiallinearität in sehr einfacher Art und Weise zu erhalten, weshalb ein erfindungsgemäß ausgebildeter AD-Umsetzer eine hohe Umformgeschwindigkeit mit guter Differentiallinearität aufweist und sehr gut geeignet ist für einen Impulshöhenanalysator.

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Claims (6)

U62664 Patentansprüche

1. Verfahren zur Schaffung gleich großer Kanalbreiten bei der Klassifizierung von mittels eines Analog-Digital-Umsetzers ermittelten Impulshöhen bei der Impulshöhenanalyse, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kanalschwellenwert eines Impulshöhen-

analysators ein gemeinsamer gleichbleibender Zusatzwert (Δ V) überlagert wird.

2. Analog-Digital-Umsetzer mit Folgevergleich zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schaltkreis eine analoge Bezugsspannung mit einer konstanten, unabhängigen Spaltbreitenspannung überlagert wird, daß ein Komparator einen wirksamen oder unwirksamen Impuls entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs der analogen Eingangsspannung und der Bezugsspannung, die mit der Spaltbreitenspannung überlagert ist, erzeugt, daß nach der analogdigitalen Umformung die analoge Eingangs spannung mit der durch die Spaltbreitenspannung überlagerten Bezugsgröße in dem Komparator verglichen wird, wobei ausgewertet wird, ob die Eingangsspannung innerhalb der Spaltbreitenspannung liegt oder nicht, daß, wenn die Eingangsspannung inner-

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halb der Spaltbreitenspannung liegt, ein digitaler Ausgangswert des AD-Umsetzers als wirksamer Impuls entsteht und daß, wenn die Eingangsspannung außerhalb der Spaltbreite liegt, der digitale Ausgangswert nicht als unwirksamer Impuls weitergeleitet wird, so daß ein oder mehrere digitale Ausgangswerte für einen analogen Eingangswert entstehen.

3. Analog-Digital-Umsetzer mit Folgevergleich zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Bezugsspannung mit einer konstanten, unabhängig erzeugten Spaltbreitenspannung überlagert wird, daß über einen Schalter die resultierende, überlagerte Spannung einem Komparator zugeführt wird, daß nach der analogdigitalen Umformung der analoge Eingangswert mit der überlagerten, resultierten Spannung verglichen wird, daß, wenn der analoge Eingangswert innerhalb der Spaltbreite liegt, ein digitaler Ausgangs wert erhalten und als wirksamer Impuls weitergeleitet wird und daß, wenn der analoge Eingangswert außerhalb der Spaltbreite liegt, der erhaltene digitale Ausgangswert nicht als unwirksamer Impuls weitergeleitet wird, so daß ein oder mehrere digitale Ausgangswerte durch einen analogen Eingangswert erhalten werden.

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4. Analog-Digital-Umsetzer gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Eingangsspannung mit einer Spaltbreite überlagert wird, die eine Wechselspannung konstanter Amplitude ist.

5. Analog-Digital-Umsetzer mit Parallelvergleich zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein analoger Eingangswert und die Summe aus diesem Wert und einer konstanten Spaltbreitenspannung an Komparatoren angelegt werden und daß, wenn bei zweistufigem Vergleich in jedem Komparator die zwei Ausgangswerte eines der Komparatoren verschieden sind, der Ausgangswert nur eines Kanals, der einem Komparator entspricht, als wirksamer Impuls weitergeleitet wird.

6. Analog-Digital-Umsetzer mit Parallelvergleich zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein analoger Eingangswert mit einer Wechselspannung konstanter Amplitude überlagert und jedem Komparator zugeführt wird und daß nur der Kanal, der einen Wechselspannungsausgangswert aufweist, als Kanal mit digitalem Ausgangswert dient.

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