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Elektronischer Signalgenerator
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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Signalgenerator, der
insbesondere in der Zeitspektroskopie eingesetzt wird, d. h. zur Messung der zeitlichen
Beziehung des Auftretens von zwei nuklearen Vorgängen.
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Die Messung der zeitlichen Beziehung des Auftretens von zwei nuklearen
Vorgängen ist als äußerst schwierig bekannt, wenn ein genaues Signal zur Anzeige
des Auftretens jedes Vorgangs erhalten werden soll. Z. B. können die von einem Strahlungsdetektor
abgeleiteten Impulse unterschiedlich in Form und Amplitude je nach Art der erfaßten
Strahlungsteilchen, der Kenngrößen des Strahlungsdetektors und anderer für das Meßverfahren
typischer Parameter sein. Das durch geeignete Verstärkung des Detektor-Impulses
gewonnene Signal wird zum Auslösen eines Signalgenerators für ein
logisches
Signal verwendet, um die Zeit des Auftretens jedes Vorgangs festzulegen. Im Idealfall
sollte der Zeitpunkt der Abgabe des logischen Impulses unempfindlich gegenüber Form
und Amplitude des auslösenden oder Trgger-Im pulses seIn.
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Ein bereits benutztes Verfahren ist das sogenannte Konstant-Bruchteil'-Verfahren.
Da das zeitliche Auftreten der Vsrcjä~rlge in Szintillator/Photoelektronenvervielfacher-Systemen
wichtig ist, ist ein Zeitgeber so dimensioniert, daß er ein Ausgangssignal bei konstantem
Bruchteil der Eingangsimpuls-Amplitude auslöst, und zwar unabhängig von der Gesamt-Impulshöhe.
Dieser Bruchteil der Impulshöhe wird so gewählt, daß die beste Zeitauflösung erreicht
werden kann.
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Das konstant-Bruchteil -Verfahren wird auf ein Eingangssignal angewendet,
indem das Signal verzögert und ein Bruchteil des unverzögerten Impulssignals von
ihm subtrahiert wird. Dadurch wird ein bipolarer Impuls erzeugt, dessen Nulldurchgang
erfaßt und zur Abgabe des logischen Impulses als Ausgangsimpuls benutzt wird. Es
ist gelungen, die Nulldurchgangs-Zeit eines derartigen bipolaren Zeit-Signals unempfindlich
gegenüber Amplituden- und Anstiegszeit-Schwankungen der Eingangssignale dieser Schaltung
zu machen. Aus diesem Grund ist das "Konstant-Bruchteil"-Verfahren eines der am
häufigsten in der Zeitspektroskopie angewendeten Verfahren.
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Nach dem bekannten Stand der Technik gibt es verschiedene Signal-Formverfahren,
die hier in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt sind.
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Gemäß der Schaltung von Fig. 1 wird das Konstant-Bruchteil-Signal
an einem niederohmigen, in Durchlaßrichtung vorgespannten Dioden-Übergang erzeugt.
Diese Schaltung unterliegt Beschränkungen aufgrund der Bandbreite und des Dynamikbereichs
(Aussteuerbereichs) des aktiven elektronischen Summierglieds. Ein ähnliches Verfahren
und eine ähnliche Schaltung sind im einzelnen in der US-PS 3 818 356 beschrieben.
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Die Schaltung von Fig. 2 benutzt einen Differenzverstärker am Ausgang,
der sowohl invertiert als auch summiert. Das von einer derartigen Schaltung erzeugte
Ausgangssignal unterliegt Beschränkungen hinsichtlich Rauschen, Bandbreite und Dynamikbereich
der aktiven Bauteile. Eine der Schaltung von Fig. 2 nahekommende Schaltung ist in
der US-PS 3 763 436 gezeigt und beschrieben.
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Die Genauigkeit eines Konstant-Bruchteil-Zeitgebers hängt unmittelbar
von der Qualität des erzeugten bipolaren Zeitgabe-Impulses ab. Die zur Erzeugung
des bipolaren Konstant-Bruchteil-Signals verwendete Schaltung sollte die folgenden
Eigenschaften besitzen: 1. Relativ rauschfrei sein, um die Nulldurchgangs-Zeit genau
erfassen zu können; 2. keinen Beschränkungen in Bezug auf die Hochfrequenz-Bandbreite
unterliegen, um so ein Flackern (time jitter") und ein amplitudenabhängiges zeitliches
Wandern des Nulldurchgangs zu verringern oder zu vermeiden; und
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zum Verringern des amplitudenabhängigen zeitlichen Wanderns nicht Beschränkungen
aufgrund des Dynamikbereichs unterliegen.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die genannten Schwierigkeiten
des bekannten Stands der Technik zu überwinden, indem der Signalgenerator zur Erzeugung
eines bipolaren Konstant-Bruchteil-Zeit(gabe)-Signals nur passive Bauelemente aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe hat der erfindungsgemäße elektronische
Signalgenerator zur Erzeugung eines bipolaren Konstant-Bruchteil-Signals, das zeitlich
auf das Auftreten eines Vorgangs bezogen ist, der durch ein Trigger-Eingangssignal
identifiziert ist: Einen Signalteiler zum Aufteilen des Signals in eine erste und
eine zweite Signalkomponente, einen Abschwächer, dem die erste Signalkomponente
des Eingangssignals zugeführt wird, ein Verzögerungsglied, das mit der zweiten Signalkomponente
des Eingangssignals beaufschlagt wird, und ein passives Schaltungsglied, das die
eine Signalkomponente invertiert und mit der anderen Signalkomponente des Eingangssignals
summiert, um ein bipolares Konstant-Bruchteil-Zeitgabe-Signal (kurz Zeit-Signal
genannt) zu erzeugen. Das am Ausgang auftretende Zeit-Signal steht in genauer Korrelation
mit der Zeit des Auftretens des Vorgangs unabhängig von Form und Amplitude des Eingangs-Signals.
Das passive Schaltungsglied kann z.
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B. ein Differenzübertrager sein.
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Die Erfindung kann also wie folgt zusammengefaßt werden: Ein auslösender
oder Trigger-Impuls, der z. B. von einem Strahlungsdetektor abgeleitet wird, wird
einer Eingangsstufe zugeführt, die den Impuls in zwei Komponenten aufteilt. Die
beiden Signalkomponenten werden von zwei bestimmten Schaltungen verarbeitet, von
denen die eine die erste Signalkomponente abschwächt und die andere die zweite Signalkomponente
verzögert. Das abgeschwächte Signal und das verzögerte Signal werden in ein passives
Bauelement eingespeist, z. B. einen Differenzübertrager, um die eine Komponente
in Bezug auf die andere zu invertieren und die entstehenden Signale zu summieren.
Das Ausgangssignal des Differenzübertragers ist ein bipolares Konstant-Bruchteil-Zeitsignal,
das in genauer Korrelation zur Zeit des Auftretens des durch den Trigger-Impuls
identifizierten Vorgangs steht.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine bekannte Schaltung; Fig. 2 schematisch eine weitere bekannte
Schaltung; Fig. 3 das vereinfachte Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Signalgenerators zur Erzeugung eines bipolaren Konstant-Bruchteil-Signals;
Fig. 4A, B und C graphische Darstellungen des wahren Konstant-Bruchteil-Verfahrens
(TCF-Verfahrens) zur Erzeugung eines bipolaren Signals;
Fig. 5C?
B und C graphische Darstellungen des ampliuden- und anstiegszeit-kompensierten Ronstant-Bruchteil-Verfahrens
(ARC-Verfahrens) zu- Erzeugung eines bipolaren Signals; Fig. 6A und B schematisch
Schaltbilder des bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung,; und Fig.
7T und B ein Y- bzw. ein A-Netzwerk, die als der Signalteiler von Fig. 6A verwendet
werden können.
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Es sei nun im einzelnen das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung
erläutert.
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Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der Schaltung, wie
sie grundsätzlich zur Erzeugung eines bipolaren onstant-Bruchteil-Signals verwendet
wird. Ein Trigger-Signal, das hier eine stückweise lineare Funktion 12 ist, wird
in den Eingangsanschluß 14 der Schaltung eingespeist. Das Eingangssignal 12 wird
an einem Verbindungspunkt 16 aufgeteilt, wobei eine Signalkomponente durch ein Bauelementl8
verz und eine zweite Signalkomponente durch ein Invertierglied 20 invertiert sowie
durch Widerstände 22 und 24 abgeschwächt wird. Die resultierenden Komponenten des
Eingangssignals werden dann durch ein Summierglied 26 wieder zusammengeführt. Das
resultierende Ausgangssignal ist ein Konstant-Bruchteil-Signal 28.
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Das Konstant-Bruchteil-Signal wird dem Eingang eines Differenz-Diskriminators
30 zugeführt, der als Nulldurchgangs-Detektor arbeitet. Der positive Eingangsanschluß
des
Differenz-Diskriminators 30 wird auf einem Bezugspotential
gehalten, das hier Erde ist. Der Ausgang des Diskriminators 30 gibt daher ein logisches
Signal ab, dessen Auftrittszeit genau ist, d. h. von der Amplitude des Eingangs-Triggersignals
unabhängig ist.
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Zur weiteren Erläuterung des Betriebs der Schaltung von Fig. 3 sei
nun auf die Fig. 4A bis C und 5A bis C Bezug genommen.
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In Fig. 4A bis 4C ist eine graphische Darstellung eines wahren Konstant-Bruchteil-Verfahrens
(TCF-Verfahrens) zur Erzeugung eines Ausgangssignals zu sehen. Das TCF-Verfahren
zur Erzeugung eines bipolaren Signals beruht auf den folgenden Beziehungen für lineare
Eingangssignale: td > (1-f) tr t = t = td + ft c TCF d r Drei gesonderte Eingangssignale
unterschiedlicher Amplitude und Anstiegszeit sind über der Zeit t aufgetragen. Diese
Signale seien mit A, B bzw. C bezeichnet.
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In Fig. 4A hat das Eingangs signal A eine Amplitude EA und eine Anstiegszeit
tr1 Das Eingangssignal B hat eine Amplitude EB und dieselbe Anstiegszeit trl Das
Eingangssignal C hat eine Gesamt-Amplitude EB identisch der des Signals B, jedoch
eine längere Anstiegszeit tr2.
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In Fig. 4B sind die beiden Signalkomponenten jedes Eingangssignals
gezeigt, die verzögert bzw. invertiert/ abgeschwächt worden sind. Die Komponenten
A', B' und C' der betreffenden Eingangssignale sind um eine Zeit td verzögert. Die
Komponenten A'', B" und C'' der einzelnen Eingangssignale sind invertiert und um
einen Faktor f abgeschwächt.
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In Fig. 4C sind die entsprechenden Signale von Fig.
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4B summiert gezeigt, um die wahren Konstant-Bruchteil-Bipolarsignale
(TCF-Signale) entsprechend den jeweiligen Eingangssignalen zu bilden. Es ist deutlich
ersichtlich, daß die Nulldurchgangsstelle amplitudenunabhängig ist. Die Eingangssignale
A und B, die beide die Anstiegszeit trl haben, werden also von der Schaltung verarbeitet,
um bipolare Signale mit demselben Nulldurchgangs-Zeitpunkt tc1 zu bilden. Das Eingangssignal
C mit der längeren Anstiegszeit tr2 hat jedoch einen anderen Nulldurchgangs-Zeitpunkt
tC2. Der Nulldurchgangs-Zeitpunkt des durch das wahre Konstant-Bruchteil-Verfahren
erzeugten Signals ist daher nicht anstiegszeit-unabhängig.
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In Fig. 5A bis 5C ist ein weiteres Verfahren gezeigt, um ein amplituden-
und anstiegszeit-kompensiertes Konstant-Bruchteil-Bipolarsignal (ARC-Verfahren)
zu erzeugen. Die Anwendung des ARC-Konstant-Bruchteil-Verfahrens erfordert die folgenden
zeitlichen Beziehungen für lineare Eingangssignale:
In Fig. 5A sind dieselben Eingangssignale A, B und C wie vorher
in Fig. 4A gezeigt.
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In Fig. 5B sind die abgeschwächten/invertierten Signale A'', B''
und C'' sowie die verzögerten Signale A', B' und C' als Funktion der Zeit t gezeigt.
Die verzögerten Signale A', B' und C' sind bis zur Zeit td verzögert. Die invertierten/abgeschwächten
Signale A'', B" und C'' sind um einen Faktor f abgeschwächt.
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In Fig. 5C sind die jeweiligen verzögerten Signale sowie die jeweiligen
invertierten/abgeschwächten Signale summiert, um die ARC-Konstant-Bruchteil-Bipolar-Signale
zu ergeben. Bei Verwendung des ARC-Konstant-Bruchteil-Verfahrens ist der Nulldurchgangs-Zeitpunkt
t derselbe für die Signac le AARC, BARC und CARC Der Nulldurchgangs-Zeitpunkt ist
also unabhängig von sowohl Amplitude als auch Anstiegszeit des Eingangssignals,
wenn dieses Verfahren verwendet wird.
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In Fig. 6A und 6B ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung
abgebildet. Da eine passive Schaltung zum Invertieren und Summieren der Signale
verwendet wird, ist der entstehende Zeitgabe-Impuls frei von Rauschen, wie es normalerweise
durch aktive elektronische Bauelemente eingeführt wird. Ferner ist die Schaltung
von Fig. 6A nicht zwingend auf Dynamikbereich-Überlegungen wie bei aktiven elektronischen
Bauelementen beschränkt. Schließlich kann die Hochfrequenz-Bandbreite auf Frequenzen
beträchtlich über 350 MHz durch sorgfältige Werkstoffwahl und Bauweise ausgedehnt
werden.
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Ein Eingangssignal 40 wird einem Eingangsanschluß 42 zugeführt. Das
Signal 40 wird von einem Signalteiler 44 verarbe
Itet1 der z. B.
ein Widerstands- - oder Y-Netzwerk sein kann, um die erste und die zweite Signalkomponente
zu erzeugen (via. dazu Fig. 7A und 7B). Ein Abschwächer 46, der typischerweise ein
Wdderstands-Kettenleiter-Netzwerk sein kann, ist mit einem Ausgangsanschluß des
Signalteilers 44 verbunden und wirkt mit einem Widerstand 56 sowie der durch einen
Dw£=erenzübertrager 54 rückwirkenden Impedanz zusammen, um die erste Signalkomponente
abzuschwächen. Diese Abschwächung verursacht eine Verringerung der Amplitude des
Signals um irgendeinen konstanten Bruchteil f. Das abgeschwächte Signal tritt als
Signal 48 am Anschluß 62 auf.
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Eine Verzögerungsleitung 50, die typischerweise ein Koaxialkabel
sein kann, ist mit einem zweiten Ausgangsanschluß des Signalteilers 44 verbunden.
Die Verzögerungsleitung 50 wirkt so auf die zweite Signalkomponente ein, daß diese
um eine gewisse Zeit td verzögert wird, um ein verzögertes Signal 52 zu ergeben.
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Vorzugsweise werden das abgeschwächte Signal 48 und das verzögerte
Signal 52 an die Anschlüsse 62 bzw. 64 eines Konstant-Bruchteil-Differenzübertragers
54 gelegt. Das Signal 52 wird dem Anschluß 64 über einen Widerstand 58 zugeführt,
der irgendeinen Widerstandswert aufweisen kann, um eine Anpassung an den Wellenwiderstand
der Verzögerungsleitung 50 vorzunehmen. Mehrere Anschlüsse 60 am Ausgang des Konstant-Bruchteil-Differenzübertragers
54 gestatten die Abnahme mehrerer bipolarer Ausgangssignale °/P1 bis Der Konstant-Bruchteil-Differenzübertrager
ist genauer in Fig. 6B abgebildet. Die Eingangsanschlüsse 62 und 64 des Konstant-Bruchteil-Differenzübertragers
54 sind dieselben wie in Fig. 6A. Vorzugsweise ist der Differenzübertrager 54 mit
seinem
ersten Anschluß 62 an den Abschwächer 46 über den Widerstand 56 und mit seinem zweiten
Anschluß 64 an die Verzögerungsleitung 50 über den Widerstand 58 angeschlossen.
Das abgeschwächte Signal 48 wird zunächst an einer ersten Primärwicklung 66 mit
Nil Windungen angelegt. Das abgeschwächte Signal 52 wird an einer zweiten Primärwicklung
68 mit Ni2 Windungen angelegt, die entgegengesetzt zur Primärwicklung 66 gewickelt
ist, wie durch'die schwarzen Punkte angedeutet ist, die die entsprechenden Enden
der beiden Wicklungen bedeuten. Die Primärwicklungen 66 und 68 haben ein gemeinsames
Bezugspotential 70, sind aber gegensinnig zueinander gewickelt. Infolgedessen wird
das Signal 52, das durch die Verzögerungsleitung 50 verzögert worden ist, in Bezug
auf das Signal 48 invertiert und dann mit dem Signal 48 durch denselben Differenzübertrager
54 summiert. Das Signal an der Sekundärwicklung 72 mit N01-Windungen ist proportional
der Summe des Impulses 48 und des invertierten Impulses 52.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dienen mehrere Sekundärwicklungen
O/P1 bis °/Pn zur Abgabe von Konstant-Bruchteil-Bipolar-Zeitsignalen. Die Kontant-Bruchteil-Bipolar-Zeitsignale
sind auch an Anschlüssen 62 und 64 abnehmbar, was die Verwendung gesonderter Sekundärwicklungen
wie bei 7 und 74 überflüssig macht.