DE2912653C2

DE2912653C2 - Schaltanordnung zur Erzeugung von Signalen mit bestimmter Zeitlage

Info

Publication number: DE2912653C2
Application number: DE19792912653
Authority: DE
Inventors: Michael O. Concord Tenn. Bedwell
Original assignee: Ortec Inc
Current assignee: Ortec Inc
Priority date: 1979-03-30
Filing date: 1979-03-30
Publication date: 1983-02-03
Also published as: DE2912653A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zur Erzeugung von Signalen mit bestimmter Zeitlage, welche insbesondere in der Zeitspektroskopie, d. h. zur Messung der zeitlichen Beziehung des Auftretens von zwei nuklearen Vorgängen, eingesetzt wird.

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. Zum Beispiel können die von einem Strahlungsdetektor so 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 Trigger-Impulses sein.

Ein für derlei Zwecke vielfach benutztes Verfahren ist das sogenannte »Konstant-Bruchteilw-Verfahren. Da das zeitliche Auftreten der Vorgänge in Szintillator/Pho· toelektronenvervielfacher-Systemen wichtig ist, ist ein vorgesehener Zeitgeber so dimensioniert, daß er ein Ausgangssignal bei konstantem Bruchteil der Eingangsimpuls-Amplittidc auslöst, und zwar unabhängig von der Gesamt-Impulshöhe, Dieser Bruchteil der Impulshöhe wird so gewählt, daß die beste Zeitauflösung erreicht werden kann.

In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt (siehe US-PS 38 18 356), das »Konstant-Bruchteilw-Verfahren auf ein Eingangssignal anzuwenden, indem das Signal verzögert und ein Bruchteil des unverzögerten Impulssignals von ihm subtrahiert wird. Dadurch wird ein bipolarer Impuls erzeugt, dessen Nulldcchgang erfaßt und zur Abgabe des logischen Impulses als Ausgangsimpuls benutzt wird. Auf diese Weise ist es gelungen, die Nulldurchgangs-Zeit eines derartigen bipolaren Zeit-Signals gegenüber Amplituden- und Anstiegszeit-Schwankur.gen der Eingangssignale unempfindlich zu machen. Aus diesem Grund ist das »Konstant-Bruchteil«-Verfahren eines der am häufigsten in der Zeitspektroskopie angewendeten Verfahren.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schaltanordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sie bezüglich des Rauschabstandes, der Frequenzbandbreite und dem Dynamikbereich verbesserte Eigenschaften besitzt und somit in der Lage ist, Signale mit genauer festgelegter Zeitlage zu bilden.

Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht

Die erfindungsgemäße Schaltanordnung besitzt dabei die folgenden Eigenschaften:

a) Sie ist relativ rauschfrei, so daß die Nulldurchgangszeit genau erfaßt werden kann.

b) Sie ist keinen Beschränkungen in Bezug auf die Hochfrequenz-Bandbreite unterlegen, so daß ein Rackern (»time jitter«) und ein amplitudenabhängiges zeitliches Wandern des Nulldurchgangs vermieden bzw. verringert ist und

c) sie unterliegt nicht Beschränkungen aufgrund des Dynamikbereichs, was ebenfalls dazu führt, daß eine Verringerung des amplitudenabhängigen zeitlichen Wanderns auftritt

Die erfindungsgemäße Schaltanordnung arbeitet dabei wie folgt:

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

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 und 2 schematisch Blockschaltbilder von zwei bekannten Schaltungen,

F i g. 3 das vereinfachte Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsan-

ordnungzur Erzeugung eines bipolaren Konstant-Bruchteil-Signals,

Fig.4A-C und 5A-C graphische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltanordnung von F ig, 3,

Fig.6A, B schematise!) Schaltbilder des bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung, und

Fig.7A, B verschiedene Widerstands-Netzwerke, weiche als Signalteiler von. F i g· ⁶A. verwendbar sind.

Gemäß der bekannten Schaltung von F i g. 1 wird das Konstant-Bruthteil-Signal an einem niederohmigen, in Durchlaßrichtung vorgespannten Dioden-Obergang erzeugt Diese Schaltung unterliegt Beschränkungen aufgrund der Bandbreite und des Dynamikbereichs (Aussteuerbereichs) des aktiven elektronischen Summierglieds.

Die bekannte Schaltung von Fig.2 benutzt einen Differenzverstärker am Ausgang, der sowohl invertiert als auch summiert Das von einer derartigen Schaltung erzeugte Ausgangssignal unterliegt jedoch Beschränkungen hinsichtlich Rauschen, Bandbreite und Dynamikbereich der aktiven Bauteile.

Fig.3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung, wie sie grunceätzlich zur Erzeugung eines bipolaren Konstant-Bruchtcil-Signals verwendet wird. Ein Trigger-Signal, das hier eine stQckweise 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 Bauelement 18 verzögert 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-Bmchteil-Signal 28.

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 Diskriminator* 30 gibt daher ein logisches Signal ab, dessen Auftrittszeit genau ist, d. h. von der Amplitude des Eingangs-Triggersignals unabhängig ist

Zur weiteren Erläuterung des Betriebs der Schaltung von F i g. 3 sei nun auf die F i g. 4A bis C und 5A bis C Bezug genommen.

In Fig.4A bis 4C ist eine graphische Darstellung eines wahren Könstant-Bruchteil-Verfahrens (TCF' Verfahrens) zur Erzeugung eines Ausgangssignals zu sehea Das TCF-Verfahren zur Erzeugung eines bipolaren Signals beruht auf den folgenden Beziehungen für lineare Eingangssignal:

In Fi g,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 U verzögert Die Komponenten A", B"und C"eier einzelnen Eingangssignale sind invertiert und um einen Faktor /abgeschwächt

In Fig.4C sind die entsprechenden Signale von Fig.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 U \ haben, werden also von der Schaltung verarbeitet, um bipolare Signale mit demselben Nulldurchgangs-Zeitpunkt U \ zu bilden. Das Eingangssignal C mit der längeren Anstiegszeit t_ri hat jedoch einen anderen Nulldurchgangs-Zeitpunkt Ui-Der Nulldurchgangs-Zeitpunkt der. durch das wahre Konstant-Bruchteil-Verfahren erzeugten Signals ist daher nicht anstiegszeit-unabhängig.

In F i g. 5A bis 5C ist ein weitere? Verfahren gezeigt um ein amplituden- und anstiegEseit-kotnpensiertes Konstant-Bruchteil-Bipolarsignal (ARC-Verfahren) zu erzeugen. Die Anwendung des ARC-Konstant-Bruchteil-Verfahrens erfordert die folgenden zeitlichen Beziehungen für lineare Eingangssignale:

Drei gesonderte Eingnngssiguale unterschiedlicher Amplitude und Anstiegszeit sind über der Zeit t aufgetragen. Diese Signale seien mit A, B bzw. C bezeichnet

In Fig.4A hat das Eingangssignal A eine Amplitude E_A und eine Anstiegszeit t_r,. Das Eingangssignal B hat eine Amplitude Eb und dieselbe Anstiegszeit t, \. Das Eingangssignal C hat eine Gesamt-Amplitude Eb identisch der des Signals B, jedoch eine längere Anstiegszeit t_r j- .

tä< (1 -f) t_r
ti

ι-/

In F i g. 5A sind dieselben Eingangssignale A, B und C wie vorher in F i g. 4A gezeigt

In Fig.5B sind die abgeschwächten/invertierten Signale A", Ä"und C'sowie die verzögerten Signale A', B' und C als Funktion der Zeit f gezeigt Die verzögerten Signale A'. θ'und C sind bis zur Zeit U verzögert Die invertierten/abgeschwächten Signale A ", fl"und C'sind um einen Faktor /abgeschwächt

In Fig.5C sind die jeweiligen verzögerten Signale sowie die jeweiligen invertierten/abgeschwächten Sigrale summiert, um die ARC-Konstant-Bruchteil-Bipolar-Signale zu ergeben. Bei Verwendung des ARC-Kon-♦5 stant-Bruchteil-Verfahrens ist der Nulldurchgangs-Zeitpunkt te derselbe für die Signale A_Anc B_ARC und Card Der Nulldurchgangs-Zeitpunkt ist also unabhängig von sowohl Amplitude als auch Anstiegszeit des Eingangssignals, wenn dieses Verfahren verwendet wird, so In F i g. 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.

Ein Eingangssignal 40 wird einem Eingangsanschluß 42 zugeführt Das Signal 40 wird «on einem Sijnalteiler 44 verarbeitet der z. B. ein Widerstands-Δ- oder Y-Netzwerk sein kann, um die erste und die zweite Signalkomponente zu erzeugen (vgl. dazu F i g. 7 α und 7B). Ein Abschwächer 46, der typischerweiae ein Widerstands-Kettenleiter-Netzwerk sein kann, ist mit

einem Ausgangsanschluß des Signalteilers 44 verbunden und wirkt mit einem Widerstand 56 sowie der durch einen Differenzübertrager 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.

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 u verzögert wird, um ein verzögertes Signal 52 zu ergeben.

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 O/P\ bis OZP_n.

Der Konstant-Bruchteil-Differenzübertrager ist genauer in Fig.6B abgebildet. Die Eingangsanschlüsse62 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 N, _t Windungen angelegt. Das abgeschwächte Signal 52 wird an einer zweiten Primärwicklung 68 mit Nn Windungen angelegt, die entgegengesetzt zur Primärwicklung 66 gewickelt ist, wie durch die schwareen Punkte angedeutet ist. die die entsprechenden EnHen 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. L>ss Signa! an der Sekundärwicklung 72 mit

N₀ ,-Windungen ist proportional der Summe
Impulses 48 und des invertierten Impulses 52.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dienen mehrere Sekundärwicklungen O/P \ bis OZP_n zur Abgabe von Konstant-Bruchteil-Bipolar-Zeitsignalen. Die Konstant-Bruchteil-Bipolar-Zeitsignale sind auch an Anschlüssen 62 und 64 abnehmbar, was die Verwendung gesonderter Sekundärwicklungen wie bei 72 und 74 überflüssig macht.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltanordnung zur Erzeugung von eine bestimmte Zeitlage aufweisenden Signalen in Ab- s hängigkeit von eine unterschiedliche Form aufweisenden Eingangssignalen, bestehend aus einem Dämpfungsglied und einem parallel dazu angeordneten Verzögerungsglied, welche eingangsseitig mit einem Signal teiler und ausgangssei tig mit einem zwei Eingänge aufweisenden Signalverarbeitungselement verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalverarbeitungselement ein Summierglied (26) ist, welchem ein Differenz-Diskriminator (30) nachgeschaltet ist (F i g. 3).

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem aus Widerständen (22,24) bestehenden Dämpfungsglied ein Inverter (20) vorgeschaltet ist (F i g. 3).

3. SchaJlinordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Summierglied (26) ein Differenzübertrager (54) mit zwei gegensinnig gewickelten Primärwicklungen (66,68) ist (Fig.6A, B).

4. Schaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzübertrager (54) mehrere Sekundärwicklungen (72, 74) für die Abgabe mehrerer bipolarer Signale aufweist

5. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche

1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalteiler (t6) durch e'n Widersundsnetzwerk (44) in Y-Schaltung gebildet ist (F i g. 7A).

6. Schaltanordnung nach ---inem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalteiler (16) durch ein Widerstandsnetz'. erk(44)in Δ-Schaltung gebildet ist (F i g. 7B).