DE2134160A1

DE2134160A1 - Zeitmarkengenerator

Info

Publication number: DE2134160A1
Application number: DE19712134160
Authority: DE
Inventors: Ronald Dr. Knoxville Tenn. Nutt (V.St.A.)
Original assignee: ORTEC INS
Current assignee: ORTEC INS
Priority date: 1970-07-09
Filing date: 1971-07-08
Publication date: 1972-01-20
Also published as: US3714464A; JPS5238376B1

Description

Patentanwälte O Λ Ο / 1 C Π

Dlpl.-lng. R. BEETZ sen. ^£" ^N4 ' ^{D U}

Dipl-Ing. K. LAWP.>aCHT
Dr.-Ing. R. B £ E T Z Jr.

8 München 22, Steinsdorfetr. 10

54>17.261P 8. 7. 1971

ORTEC Incorporated, Oak Ridge (Tennessee 37830), V.St.A.

eingegangen

Zeitmarkengenerator

Die Erfindung betrifft einen Zeitmarkengenerator oder -geber, kurz Zeitgeber genannt, insbesondere zur Bildung eines Zeitsignals, das aus einem konstanten Bruchteil der Hinterflanke eines Eingangssignals gewonnen wird.

Die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsschaltung unterscheidet sich in verschiedener Weise von anderen Anordnungen, die im Zusammenhang mit der Zeitsteuerung von Einkanalanalysatoren verwendet werden. Eine Anordnung, die von der Voraussetzung einer Zeitgabe auf Grund eines konstanten Bruchteils der Kinterflanke ausgeht, ist für alle Formen von Signalimpulsen geeignet, die uni- oder bipolar sind, indem der systematische Zeitfehler im wesentlichen auf Null für alle derartige Signalformen verringert werden kann, solange die Signalbandbreite konstant ist.

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Die Möglichkeit, den Bruchteil der Impulshöhe einzustellen, ergibt mindestens drei beträchtliche Vorteile. Erstens, eine: große Klasse von Signalen kann verwendet werden, die einen optimalen Ansteuer- oder Triggerpunkt hat, der gleich einem Bruchteil der Spitzenwertamplitude ist. Für derartige Signale kann der Zeitgabebruchteil eingestellt werden, um die Zeitauflösungen zu optimalisieren. Zweitens, bei vielen Anwendungen ist die Signalzählrate groß genug, daß Paare von Signalimpulsen sehr dicht hintereinander auftreten können.Für derartige Anwendungen kann der konstante Bruchteil so eingestellt werden, daß die Impulspaarauflösezeit minimalisiert wird. Der dritte Vorteil des variabelkonstanten Bruchteils besteht darin, daß die Zeitverzögerung vom Spitzenwert des Impulses für diejenigen Anwendungen minimalisiert werden kann, bei denen er ein wichtiger Parameter ist. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß es zum ersten Mal sein dürfte, daß ein einstellbar konstanter Bruchteil an der Hinterflanke des Signalimpulses verwendet wird.

Das beschriebene Zeitgewinnungsverfahren kann auf vielen Gebieten angewendet werden, wo ein elektrisches Signal in Form eines Spannungsimpulses sowohl hinsichtlich Zeit- als auch Amplitudeninformation zu untersuchen ist. Z.B. enthalten in der Kerntechnik die Signale, die von einem Szintillationsdetektor oder einem Festkörperdetektor abgegeben werden^ Information darüber,- wann einfallende Strahlung den Detektor erid.cht und wie groß die Strahlung ist bzw. welche Amplitude sie hat. Die erfindungsgemäße Schaltung liefert bei Verwendung mit einem Einkanalanalysator sowohl die Zeit- als auch die Amplitudeninformation. Die Benutzung einer Zeitgabe über einen konstanten Bruchteil auf der Grundlage der Hinterflanke derartiger Signale bietet alle oben angeführten Vorteile im Vergleich zum bekannten Stand der Technik.

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Der Zweck der Vornahme der/Zeitgabe an der Hinterflanke liegt darin, genügend Zeit für über Impulsspitzen zumachende Entscheidungen zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Zeitgabe über konstanten Bruchteil-eliminiert für alle praktischen Anwendungen fast vollständig systematische Zeitfehler infolge Imjpulshöhensehwankungen. Der Bruchteil der Impulshöhe, mittels dem die Zeitgabe vorgenommen wird, kann so eingestellt werden, daß eine optimale Zeitauflösung infolge Rausch- oder statistischen Beiträgen und eine minimale Zeitverzögerung vom Spitzenwert des P'ingangssignals erhalten wird.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird ein Signal gegebenen Vorzeichens und mit irgendeiner allgemeinen Form als Eingangssignal sowohl in einen Dehnerverstärker als auch in einen Vergleicher eingespeist. In seinem Anfangszustand, bei Fehlen eines Eingangssignals, befindet sich der Vergleicher z.B. in einem "hohen" Zustand. Wenn jedoch der -Signalpegel positiver als ein Referenzsignal wird, das.am Vergleicher anliegt, geht der Vergleicherausgang vom "hohen" Zustand in einen "niedrigen" Zustand über. Der "niedrige" Zustand des Vergleichers veranlaßt dann ein anderes Gatter, die Vergleicherbezugs spannung auf einen Spannungspegel zu schalten, der von der Dehnerschaltung gewonnen wird. Während dieses Zeitintervalls mißt die Dehnerschaltung die Spitzenamplitude des Eingangssignals und speichert diese Information an einem Kondensator. Daher ist die Information, die am Kondensator gespeichert ist, der zum Gatter geschaltet worden ist, gleich einem konstanten Bruchteil der F.ingangsimpulshöhe, Der Vergleicher verbleibt im "niedrigen" Zustand, bis das Signal weniger positiv als die vom Kondensator gespeicherte Spannung wird, in welchem Zeitpunkt das Ausgangssignal des Vergleichers in den "hohen" Zustand geschaltet und eine Zeitmarke erzeugt wird»

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Durch die Erfindung wird also eine Anordnung angegeben, die einen Zeitimpuls auf der Grundlage eines konstanten Bruchteils der Hinterflanke _;eines Eingangssignals erzeugen kann. Dabei, kann der systematische Zeitfehler im wesentlichen auf Null für alle Signalformen reduziert werden, die eine ungefähr konstante Bandbreite haben«

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Bs zeigen: ■

Fig. 1.ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltung; und

Fig. 2 das genaue Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Zeitmarkengenerators.

In Fig. 1 führt ein Eingang 10 zur Einspeisung eines Fingangssignals zu einem Pufferverstärker 42, dessen Ausgang gleichzeitig an ein Potentiometer 26 und an einen Vergleicher 14 angeschlossen ist. Die am Potentiometer 26 entwickelte Spannung wird als das eine Eingangssignal einer Dehnerschaltung zugeführt, die aus Verstärkern 20 und 22 besteht, die eine in Reihe liegende Diode 28 und einen parallel liegenden Kondensator 50 zwischen sich aufweisen. Der Kondensator 30 liegt parallel zu einem Gatter 38, wobei eine Leitung 44 von einem Ausgang.eines Gatters 46 zum Gatter 38 führt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 wird als ein Eingangssignal in den Verstärker 20 über eine Leitung 40 und auch als ein Eingangssignal in ein Gatter 16 über eine Leitung 36 eingespeist. Von einer Bezug,s Spannungsquelle 32 wird der andere Eingang des Gatters 16 über eine Leitung J4 versorgt.

In Fig. 2 ist das vollständige Schaltbild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels abgebildet* Beim Betrieb dieses

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Ausführungsbeispiels wird ein positiv verlaufendes Eingangssignal in einen Eingang 10 eingespeist und dann als Eingangs-Signal zu einem Pufferspeicher 42 weitergeleitet, der aus aktiven Bauelementen Ql - q4 Gesteht, die in typischer Pufferanordnung geschaltet sind. Das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 42 wird als Eingangssignal einem Anschluß 5 eines Vergleichers zugeführt, der als integrierte Schaltung vorliegt. Im vorliegenden Fall ist der Vergleicher das Bauelement zu A 710 IC der Firma Fairehild, es können aber auch entsprechend andere Schaltungen, d.h. mit gleicher Funktion, von anderen Herstellern genommen werden. Gleichzeitig mit seiner Einspeisung als Eingangssignal in den Vergleicher l4 gelangt das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 42 zu einem Potentiometer 26, und das dort entwickelte Signal wird als Eingangssignal einer Dehnerschaltung zugeführt, die aus einem Verstärker 20 und aus einem Verstärker 22 mit der Verstärkung Eins besteht. Der Verstärker 20 ist aus aktiven Bauelementen QIl - Q15 aufgebaut, wobei der Eingang aus zwei N-Kanal-Feldeffekttransistoren besteht. Obwohl die Feldeffekttransistoren QIl und Q12 in Differenzverstärkerschaltung gezeigt sind, versteht es sich, daß auch verschiedene andere Arten aktiver Bauelemente anstelle der Feldeffekttransistoren QIl und Q12 vorgesehen sein können.

Das Ausgangssignal des Vergleichers 14 wird dann als ein Eingangssignal in einen Verstärker 46 eingespeist, der aus aktiven Bauelementen Q5, Q6 und Q24 und dem kathodenseitigen Ende einer Zenerdiode Dl besteht, deren Anode direkt an einen Zeitausgang l8 angeschlossen ist.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 20 wird dann als Eingangssignal dem Verstärker 22 mit der Verstärkung Eins über eine in Reihe liegende Diode 28 zugeführt, die mit ihrer Anode an

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den Verstärker 20 und mit ihrer Kathode an den Verstärker 22 angeschlossen ist. Der Verstärker 22 besteht aus aktiven Bauelementen Ql8 - Q23. Zwischen der Kathode der Diode 28 und Erde liegt ein Kondensator 30, dessen Funktion noch erläutert werden wird.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 mit der Verstärkung Fins wird am Emitter des aktiven Bauelements Q23 abgenommen und in das Gatter des Feldeffekttransistors Q12 über eine Leitung 40 eingespeist, um eine Rückkopplungsschleife für die Dehnerschaltung zu bilden. Eine Leitung 36 ist mit dem Verbindungspunkt des Gatters des Feldeffekttransistors 0,12 und der RUckkopplungsschleife 40 verbunden, um den einen Eingang eines Gatters 16 darzustellen. Ein anderer Eingang des Gatters 16 wird durch ein Potentiometer 32 zwischen einer Arbeitspotentialquelle und Erde gebildet und ist über die Leitung 34 ^It der Basis des aktiven Bauelements QlO verbunden.

Eine Klemmschaltung 38 besteht aus aktiven Bauelementen QI6 und QI7, die parallel zum Kondensator 30 liegen, und hat einen Eingang, der über eine Leitung 44 zu einem Ausgang des Verstärkers 46 führt.

Die Gatterschaltung, die das spezielle Referenzsignal erfaßt, das dem Anschluß 2 des Vergleichers 14 zuzuführen ist, hat die aktiven Bauelemente Q5 - QlO (im Verstärker 46 und im Gatter 16), Wenn der Verstärker 14 sich im Ruhezustand befindet, d.h. kein Signal am Fingang 10 anliegt, kann man davon sprechen, daß er im "hohen" Zustand ist (ungefähr +2,5 V), in welchem Fall die Transistoren Q5, QQ und QlO eingeschaltet vorgespannt sind und eine Referenzspannung (E^) entsprechend der Vorderflanke des Fingangssignals (abgeleitet am Widerstand 32) dem Anschluß 2 über die aktiven Bauelemente

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010 und Q9 zugeführt wird. .Irgendein einlaufendes Signal am Eingang 10 schaltet.den Vergleicher 14 in einen "niedrigen" Zustand:(ungefähr - 0,5 V), in welchem Fall die aktiven Bauelemente Q5,Q9 und QlO ausgeschaltet und die aktiven Bauelemente Q6 - Q8 eingeschaltet werden. Wenn dieser letztere Zustand auftritt, wird die von der Leitung 36 abgenommene Referenzspannung dem Anschluß 2 über die aktiven Bauelemente Q7 und QS zugeführt. .

Diese letztere Referenzspannung (E-) wird vom Spitzendetektor und der DehnerschaItung (20, 22). erhalten. Das ankommende geschwächte Eingangssignal wird dem Differenzpaar der Bauelemente QIl und Q12 (über das Potentiometer 26) zugeführt, so daß die aktiven Bauelemente Q14 und Q15 eingeschaltet werden, was das Aufladen des Kondensators auf eine positive Spannung erlaubt. Der Kondensator 30 wird weiter aufgeladen, bis der Spitzenwert des Signals erreicht wird, zu welchem Zeitpunkt eine Spannung gleich der Kondsnsatorspannung am Ausgang des Verstärkers 22 mit der Verstärkung Fins auftritt und zum anderen Eingang (dem Gatter des aktiven Bauelements Q12) des Differenzpaars QIl und Q12 rückgekoppelt wird. Nachdem der Spitzenwert erreicht und das Signal etwas niedriger als die Spitzenspannung ist, wird die Diode 28 rückwärts vorgespannt, so daß die vom Kondensator 30 zu speichernde Ladung nicht langer einen AbfluSweg hat. Wenn dies auftritt, wird die Spannung am Ausgang des Verstärkers 22 mit der Verstärkung Eins größer als das in das Gatter des aktiven Bauelements QIl eingespeiste Signal, und das Differenzpaar (011 und Q12) wird ausgeschaltet. Wenn also die am Kondensator 30 gespeicherte Spannung am Emitter des aktiven Bauelements Q23 (im Verstärker 22 mit der Verstärkung Eins) auftritt, ist sie proportional dem Spitzenwert des Eingangssignals. Auf diese Weise wird das

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vorher rait Referenzsignal E„ bezeichnete Signal als das eine Eingangssignal dem Anschluß 2 des Vergleichers 14 zugeführt,-um ein Zeitsignal oder eine Zeitmarke zu erzeugen. Wenn so ein Zeitsignal erzeugt und an den Ausgang 18 abgegeben wird, wird der Zeitimpuls über die Leitung 44 als das eine Eingangssignal dem aktiven Bauelement Q17 der Klemmschaltung 58 zugeführt, um die Spannung am Kondensator j50 auf Null zurückzubringen, was die Beendigung der Signalverarbeitung anzeigt.

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Claims

j 1.J Zeitmarkengenerator, gekennzeichnet durch

einen Pufferverstärker (42), der einen Fingang und zwei Signalausgänge hat;

einen Vergleicher (14), der zwei Eingänge und einen Ausgang hat;

eine Einrichtung zur Verbindung des einen Signalausgangs des Pufferverstärkers mit dem einen Eingang des Vergleichers;

eine Signalverarbeitungsschaltung, die mindestens einen Eingang und einen Ausgang hat;

eine Einrichtung zur Verbindung des anderen Signalausgangs des Pufferverstärkers mit dem einen Eingang der Signalverarbeitungsschaltung;

wobei die Signalverarbeitungsschaltung

a) die Spitzenamplitude des an ihren Eingang auftretenden Signals mißt; und

b) daö gemessene Spitzenamplitudensignal speichert; und

eine Einrichtung, die das gespeicherte und gemessene Spitzenamplitudensignal am Ausgang der Signalverarbeitungsschaltung dem anderen Eingang des Vergleichers zuführt, um eine Zeitmarke am Ausgang (18) des Vergleichers zu erzeugen, wenn die Amplitude der Pufferverstärker-Ausgangssignale unter die Amplitude des gespeicherten Spitzenamplitudensignals fällt.

2, Zeitmarkengenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

f-ine Einrichtung, die den Ausgang (18) des Zeitmarkengenerators mit einem anderen Eingang der Signalverarbeitungsschaltung verbindet.

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3» Zeitmarkengenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungeschaltung aufweist:

eine Dehnerschaltung mit zwei Eingängen und einem Ausgang;

ein erstes Gatter (16) mit einer Betriebspotentialquelle (J2), einem Ausgang und zwei Eingängen;

ein zweites Gatter (46) mit einem Eingang und zwei Ausgängen; ein drittes Gatter (38) mit einem Eingang und einem Ausgang;

eine Einrichtung zur Verbindung des einen Ausgangs des Pufferverstärkers (42) mit dem einen Eingang der Dehnerschaltung;

eine Einrichtung zur Verbindung des Ausgangs der Dehnerschaltun^iit dem einen Eingang des ersten Gatters;

eine Einrichtung zur Verbindung des Ausgangs des ersten Gatters mit dem anderen Fingang des Vergleichers (14);

eine Einrichtung zur Einspeisung der erzeugten Zeitmarke in den Eingang des zweiten Gatters (46), dessen Ausgänge mit Eingängen des ersten und dritten Gatters verbunden sind; und

eine Einrichtung zur Verbindung des Ausgangs des dritten Gatters (38) mit dem anderen Eingang der Dehnerschaltung.

4. Zeitmarkengenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnerschaltung einen ersten Verstärker (20) und einen zweiten Verstärker (22) aufweist, zwischen denen in Reihe eine Diode (28) und dazu parallel ein Kondensator (j50) liegen.

5. Zeitmarkengenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der ersten Verstärker (20) zwei Eingänge und einen Ausgang

daß der zweite Verstärker (22) einen Eingang und zwei Aufgänge

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daß der eine- Ausgang des zweiten Verstärkers mit dem einen Eingang des ersten Gatters (16) verbunden ist, während der zweite Ausgang des zweiten Verstärkers mit dem einen Eingang des ersten Verstärkers verbunden ist;

daß eine Einrichtung (26) den einen Ausgangdes Pufferverstärkers (42) mit dem anderen Eingang des ersten Verstärkers (20) verbindet;

daß die Diode (28) in Reihe zwischen dem Ausgang des ersten Verstärkers (20) und dem Eingang des zweiten Verstärkers (22) liegt;

daß eine Einrichtung den Kondensator (JO) zwischen den Eingang des zweiten Verstärkers und eine Referenzpotentialquelle liegt; und

daß der Ausgang des dritten Gatters (JiQ) parallel zum Kondensator (30) liegt.

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