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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Frequenzmessung
und Frequenzspektrumanalysatoren mit Einrichtungen zur Messung von Klirrverzerrungen,
insbesondere auf Impuisparametermesser und kann in Einrichtungen und Systemen der
Funkmesstechnik benutzt werden.
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Von solchen Impulsmessern wird gefordert, die Messung der auf Amplitude,
Zeit und Impulsenergie bezogenen Parameter von periodischen und einzelnen Impulsen
mit kleinen Pegeln und einer Piko- und Nanosekundendauer zu gewährleisten.
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Derartige Impulsmesser enthalten eingangsseitig Hochfrequenzwandler
zur nichtlinearen Umwandlung und Verbreiterung der zu untersuchenden Impulse (zur
Spektrumübertragung in ein niedrigeres Srequenzgebiet) sowie ein System zur Verarbeitung
der umgewandelten Impulse, mit dessen Hilfe die erforderlichen matematischen und
logischen Operationen durchgefuhrt werden.
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In einer Sitzung des Internationalen Ausschusses fur Elektrotechnik
(IEC) wurde die praktische Benutzung der Integralparameter von Impulsen als am besten
begrundet und zweckmässig anerkannt, weswegen diese Parameter Bur die Untersuchung
von Impulssignalen empfohlen wurden (Pulsetechniques and apparatus. Part 2: Pulse
measurement and analysis, General considerations Publication 469-2, Geneve, 1974).
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Es ist ein Impulsparametermesser bekannt (vgl.
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M.I.Gryaznov "Iategralmethode der Impulamessung", Sov* Radio, 1975,
> S 226-232), der mit Integralimpuiswandlern ausgestattet ist, von denen z.B.
zwei Wandler nichtlineare Amplitudenkennlinien und ein Wandler eine lineare Amplitudenkennlinie
aufweisen. Die Eingange dieser Integralimpulswandler sind zusammengeschaltet und
dienen als Eingang des Impulsparametermessers, während ihre Ausgang mit einem System
zur Verarbeitung der umgewandeltn Impulse verbunden sind, in dem logarithmische
Verstärker benutzt werden.
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Der erwähnte Impulsparametermesser enthält ein analoges System zur
Verarbeitung von umgewandelten Impulsen sowie Integralimpulwandler mit nichtoptimalen
Amplitudenkennlinien.
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Die gedehnten Impulse gelangen von den Ausgängen der Integralwandler
über Vorverstärker zum System zur Verarbeitung der umgewandelten Impulse, das mit
logarithmischen Verstarkern aufgebaut ist. Hierbei ist das Ausgangssignal eines
logarithmischen Verstärkers den Werten -in Ucm1 proportional, während das Ausgangssignal
des anderen logarithmischen Verstarkers den Werten -ln Ucm2 proportional ist. Dabei
bedeuten Uch1, Ucm2 die Amplituden der verbreiterten Impulse an den Ausgangen der
Integralwandler mit nichtlinearen Kennlinien. Bei . :3erscheunz von In Ucm2 - in
Ucmi
U0 erhält man eine Gr6sse, die der verallgemeinerten Impülsamplitude U@ proportional
ist.
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Bei Messung der Impulsdauer wird das vom Ausgang des Integralwandlers
mit linearer Amp ii tudenkenn linie gelieferte Exponentialsignal logarithmiert.
Von dem erhaltenen Signal wird der Logarithmus der verallgemeinerten Amplitude Uo
subtrahiert. Im Ergebnis wird der Anzeigeeinrichtung eine Grösse zugeführt, die
dem Wert in t1 proportional ist, wobei t1 die Impulsdauer ist.
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In dem bekannten Impuisparametermesser entstehen aber grosse Messfehler,
die durch die anwendung der logarithmischen Verstärker im System zur Verarbeitung
der umgewandelten Impulse bedingt sind. Infolge der Benutzung des analogen Systems
zur Signalverarbeitung sind die Funktionsmöglichkeiten dieses Impulsparametermessers
begrenzt. Ausserdem kann er in Meßsystemen nicht benutzt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Impulsparametermesser
zu entwickeln, dessen Struktur einen Mikroprozessor einschliesst und die Möglichkeit
gibt, die Messgenauigkeit bei Parametermessungen an Impulsen, besonders an Einzelimpulsen,
zu erhöhen, die Funktionsmöglich keiten des Impulsparametermessers durch Gewährleistung
der Messung der Impulsenergie, der Impulsfläche und des
Elektrizitätsinhalts
des Impulses zu erweitern, die Bestimmung von Impulsamplitudengrössen Um auf Grund
der gemessenen verallgemeinerten Amplitude UO bei der Informationseingabe über die
Form von Impulsen vorzunehmen, den Betrieb des Impulsparametermessers in MelDsystemen
bei Untersuchungen in der Kernphysik und in der Lasertechnik zu gewährleisten und
den Arbeitsaufwand beim Abgleich der Impuisparametermesser in der Serienproduktion
bedeutend herabzusetzen.
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Das Wesen der Erfindung liegt darin, dass im Impulsparametermesser
mit n Integralimpuiswand lern mit nichtlinearen Amplitudenkennlinien sowie mit einem
Integralimpulswandler mit linearer Amplitudenkennlinie, deren Eingänge zusammengeschaltet
sind und den Eingang des Impulsparametermessers bilden und deren Ausgange mit einem
System zur Verarbeitung der umgewandelten Impulse verbunden sind,- das System zur
Verarbeitung der umgewandelten Impulse erfindungsgemass eine Subtraktionsschaltung
entgålt, bei welcher der erste und der zweite Eingang mit den ersten Ausgängen von
zwei ersten Integralimpulswandlern verbunden sind, sowie n Analogspeicherschaltungen
aufweist, wobei der erste Eingang der ersten Analogspeicherschaltung mit dem Ausgang
der Subtraktionsschaltung elektrisch verbunden ist, wa'hrend die ersten Eingänge
der darauffolgenden n - 1 Analogspeicherschaltungen an die entsprechenden Ausgänge
von n -2 Integralwandlern mit nichtlinearer Amplitudenkennlinie sowie an den Ausgang
des Integralwandlers mit linearer Amplitudenkennlinie angeschlossen sind, und eine
Synchronisationseinheit beinhaltet, bei welcher der erste Eingang an den zweiten
Ausgang des Integralimpulswandlers mit linearer Amplitudenkennlinie geschaltet ist,
während der erste Ausgang mit den zusammengeschalteten Eingangen von n Analogspeicherschaltungen
verbunden ist, wobei die Auægänge von n Analogspeicherschaltungen an n Eingänge
eines Eanalumschalters angeschlossen sind, der Ausgang des Kanalumschalters mit
dem ersten Eingang eines Analog-Digital-W«nilers verbunden ist, der seiaerseits
mit
dem ersten Eingang eines Mikroprozessors Verbindung hat, dessen erster und zweiter
Eingang über Informationsbusse mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden sind und dessen
dritter Ausgang mittels eines Informationsbusses an den gemeinsamen Bus angeschlossen
ist, wahrend die Ein- und Ausgabe des Mikroprozessors über den Informationsbus mit
der Ausgangs- und Eingangsschaltung des Analog-Digital-Wandlers verbunden ist, dessen
zweiter Eingang mittels des Tnformationsbusses an den zweiten Ausgang der Synchronisationseinheit
geschaltet ist, wobei der Eingang des Mikroprozessors über den Informationsbus mit
den dritten Ausgängen der Integralimpulswandler verbunden ist.
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In dem Ispulsparametermesser ist es zweckmassig, in den elektrischen
Verbindungsweg zwischen den Integralimpulswandlern und den Analogspeicherschaltungen
BandBilter einzufugen, wobei der erste Eingang des ersten Bandfilters an den Ausgang
der Subtraktionsschaltung angeschlossen wird, der zweite Eingang des ersten Bandfilters
an die zusainmengeschalteten zweiten Ausgänge des ersten und des zweiten In te gralimpulswan
dlers mit nichtlinearer Amplitudenkennlinie geschaltet wird, die ersten Ausgang
von n-2 Integralimpulswandlern mit nichtlinearer Amplitudenkennlinie und der erste
Ausgang des Integralimpulswandlers mit linearer Amplitudenkennlinie mit den ersten
Einlängen der n-1-Bandfilter verbunden werden, deren zweite Eingang an die zweiten
Ausgang der n-2 Integralimpulswandler mit nichtlinearen Amplitudenkennlinien und
an den zweiten Ausgang des Impulswandlers mit linearer Amplitudenkeanlinie geschaltet
werden, wahrend die Ausgange der Bandfilter an die ersten Eingänge der Analogspeicherschaltungen
angeschlossen werden.
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Auch zweckmässig wird der Impulsparametermesser durch eine Eingabeeinheit
zur die Information über die Impulsformklasse erweitert, deren Eingang als Eingang
für die Information über die Impulsformklasse im Impulsparametermesser dient, sowie
durch einen Eingabeinformationswandler ergänzt , bei dem der Eingang über den Infor-
mationsbus
mit dem Ausgang der Eingabeeinheit fr die Information weber die Impulsformklasse
verbunden wird, der erste Ausgang an den dritten Eingang des Mikroprozessors geschaltet
wird und der zweite Ausgang an den n+2-Eingang des Kanalumschalters angeschlossen
wird.
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Im Impulsparametermesser ist es ausserdem zweckmässig, in der Synchronisationseinheit
einen Eingang zur externen Synchronisation vorzusehen.
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Die Erfindung ermöglicht die Realisierung eines durch erhöhte ltessgenauigkeit
gekennzeichneten nichtoszillografischen Impulsparametermessers, der die Durchführung
der Parametermessung an Impulsen von Piko- und Nanosekundendauer gestattet.
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Die Benutzung eines Mikroprozessors im Impulsparametermesser fubrte
zu einer bedeutenden Erweiterung des Funktionsbereichs des genannten Impulsparametermessers
und gab die Möglichkeit auf der Basis einer schaltungstechnischen und konstruktiven
Lösung mehrere modifizierte Ausf\:ihr'ungen zur Bewältigung einer ganzen Reihe von
Aufgaben der Kernphysik und der Lasertechnik zu bauen.
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Im folgenden wird die Erfindung an einem konkreten Ausf'uhr*ungsbeispiel
und anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Herbei zeigen Fig. 1 ein
Strukturschema des Impulsparametermessers gemäss der Erfindung ; Fig. 2 ein Funktions-
und Prinzipschaltbild des Impulsparametermessers gemäss der Erfindung ; Fig 3 a,
b, c - Zeitdiagramme von Impulsamplitudenanderungen Die Erfindungsidee wurde mittels
eines rechnenden Impulsparametermessers realisiert, in dem zwei i Integralimpulswandler
mit nichtlinearer Anplitudenkennlinie und ein Inte gralimpuiswandler mit line arer
Amp litudenkenn linie benutzt werden (vgl. R.M.Musin, M.I.Gryaznov, D.Ä.Timofeev
aufbau des Impulsparametermessers fur Nanosekundenimpulse mit Mikroprozessoren",
Tekhnika sredstv svyazi, Folge Hochfrequenz-Messtechnik, 1981, Moskau, Heft 1 (3),
5. 38-45).
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Die Struktur des Impulsparametermessers (Fig. 1) erlaubt einen größeren
Funktionsbereich und weitere technische Möglichkeiten dieses Gerätes bei seiner
Anwendung fur Untersuchungen in der Kernphysik (bei gesteuerten thermonuklearen
Reaktionen) oder in der Lasertechnik (bei der Analyse von optischen Signalen).
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Der Impulsparametermesser enthält Integralimpulswandler 1< (Fig.1),
12, 13,...1n mit nichtlinearen Amp litudenkenn linien und einen #ntegralimpulswandler
2 mit linearer Amplitudenkennlinie, wobei die Eingänge aller Integralimpulwandler
zusammengeschaltet sind und den Eingang 3 des Impulsparametermessers bilden, wahren
die Ausgang der Integralimpulswandler mit einem System zur Verarbeitung der umgewandelten
Impulse verbunden sind.
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Das System zur Verarbeitung der umgewandelten Impulse umfasst eine
Subtraktionsschaltung 4, deren Eingange 5, 6 mit den ersten Auslangen von zwei Integralwandlern
11, 12 verbunden sind, sowie eine n-Zahl von Analogspeicherschaltungen 71...7n-1,
7n. Der Eingang 81 der Schaltung 71 ist mit dem Ausgang der Subtraktionsschaltung
4 elektrisch verbunden, während die Eingänge 82.. 8 der Schaltungen 720007n an die
entsprechenden Ausgang von n-2 Integralimpulswandlern 13.001 n und an den Ausgang
des Integralimpulswandlers 2 angeschlossen sind.
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Der Impulsparametermesser enthält auch eine Synchronisationseinheit
9, bei welcher der Eingang IO mit dem zweiten Ausgang des Integralimpulswandlers
2 und der erste Ausgang mit den zusammengeschalteten Eing0a0ngen 111...11n der Analogspeicherschaltungen
71...7n verbunsind, deren Ausgänge an die Eingänge 121...12n eines Kanalumschalters
13 angeschlossen sind. Der Ausgang des Kanalumschalters 13 liegt am Eingang 14 eines
Analog-Digtal-Wandlers 15, dessen Ausgang über einen Informationsbus an den Eingang
16 eines Mikroprozessors 17 geschaltet ist. Beim letzteren sind der erste und der
zweite Ausgang über Informationsbusse mit den Eingangen 18, 19 einer Anzeigeeinrichtung
20 und der dritte Aus-
gang mit Hilfe eines Informationsbusses
21 mit dem gemeinsamen Bus verbunden.
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Die Ein- und Ausgabe 22 des Mikroprozessors 17 ist über einen Informationsbus
an die Ausgangs- und Eingangsschaltung des Analog-Digital-Wandlers 15 angeschlossen,
dessen Eingang 23 mittels eines Informationsbusses an den Ausgang der Synchronisationseinheit
9 geschaltet ist. Der Eingang 24 des Mikroprozessors 17 ist über den Informationsbus
mit den dritten Ausgängen der Integralimpulswandler 11...1n und 2 verbunden.
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Eine Erhöhung der Messgenaugkeit des Impulsparametermessers ergibt
die Anwendung von Bandfiltern 251...25n die alle gleich ausgeführt sind. Der Eingang
261 des Bandfilters 251 liegt am Ausgang der Subtraktionsschaltung 4, die Eingänge
262...26n 1 der Bandfilter 252...25n-1 sind an die Ausgang der Integralimpuiswandler
13...1n angeschlossen, und der Eingang 26n des Bandfilters 25n ist mit dem Ausgang
des Integralimpulswandlers 2 verbunden.
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Der Eingang 271 des Bandfilters 25i ist an den zusammengeschalteten
Ausgang der Integralimpulswandler 11, 12 angeschlossen, die Eingange 272...27n-1
der Bandfilter 252...25n liegen an den Auslangen der Integralwandler 13...1n, während
der Eingang 27n des Bandfilters 25n an den Ausgang des Integralwandlers 2 geschaltet
ist. Die Ausgange der Bandfilter 251...25n haben mit den Eingangen 81...8 der Analogspeicherschaltungen
71...7n Verbindung.
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Zur Messung des Maximalwertes der Impulsamplitude bei vorhandener
Information uber die ImpulsSorm ist in den Impulsparametermesser eine Eingabeeinheit
28 fur die Information über die Impulsformklasse eingebaut, deren Eingang ein.en
Eingang 29 des Impulsparametermessers bildet, sowie ein Eingabeinformationswandler
30 eingefWhrt, dessen Eineinen gang 31 uber v Informationsbus mit dem Ausgang der
Eingabeeinheit 28 verbunden ist. Der erste Ausgang des Wandlers 30 ist über @@ Informationsbus
mit dem Eingang 32 des Mikroprozessors 17 gekoppelt, und der zweite Ein gang des
Wandlers 30 ist an den Eingang 33 des Kanalumschalters 13 angeschlossen.
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In der Synchronisationseinheit 9 ist ein Eingang 34 zur externen
Synchronisation vorgesehen.
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Zur Gewahrleistung der Parametermessung an Piko- und Nanosekunden
impulsen mit kleinen Pegeln (von 2 mV bis 100mV) sind die Integralwandler 11, ,
12,... 1n mit nichtlinearen Bauelementen aufgebaut, die unterschiedliche Formen
der Nichtlinearitat haben.
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Dabei ist der Eingang 3 des Impulsparametermessers aber ein RC-Glied
mit einem Kondensator 35 und einem Widerstand 36 an die Basis des Transistors 37
z.B. im Integralwandler 11 angeschlossen. Die Belastung des Wandlers 11 bilden ein
Widerstand 38 und ein Kondensator 39. Der Kollektor des Transistors 37 ist über
den Widerstand 38 mit einer Speisequelle 40 verbunden, wahrend sein Emitter an Gehäusemasse
41 liegt. Der Kollektor des Transistors 37 hat auch mit e einem Mehrfachumschalter
42 Verbindung. Mit Hilfe eines Umschalters 43 werden die Widerstände 441 442Z...44m
an Masse 41 geschaltet, wobei die zweiten Anschleusse der Widerstande 441, 442,...44m
zusammengeschaltet und mit einer Speisequelle 45 verbunden sind. Die ersten Anschlüsse
der Widerstande 441, 442,...
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...44m der Integralimpulswandler 11, 12,...1n sind über den Informationsbus
an die Eingange 271, 272,...27n der Bandfilter 251, 252,...25n angeschlossen. Die
m Ausgang des ähnlich dem Umschalter 43 ausgeführten Umschalters 42 sowie aller
Integralimpulswandler 11,12,...
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...1n mit nichtlinearer Amplitudenkennlinie und die m Ausgange des
Umschalters 42 des Integralimpulswandlers 2 mit linearer Amplitudenkennlinie sind
zusammengeschaltet und mit dem Eingang 24 des Mikroprozessors 17 verbunden.
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Der Eingang 7 des Impulsparametermessers ist auch ueber den Kondensator
35 und den mit dem zweiten Anschluss an Masse 41 liegenden Widerstand 36 auf die
Basis des Transistors 37 geführt, dessen Emitter über einen Widerstand 46 an Masse
41 liegt und dessen Kollektor an den Umschalter 43 des Integralwandlers 2 und über
den Widerstand 38 an die Speisequelle 40 sowie über den Kondensator
39
an klasse 41 angeschlossen ist.
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Der Ausgang der Subtraktionsschaltung 4 ist mit dem hochohnigen Eingang
einer Sntkopplungsschaltung 47 verbunden, deren Ausgang über Filterelemente - die
Kondensatoren 48, 49, die widerstände 501... 59m, 51, 52, 53-an den Eingang einer
Verstärkerstufe 54 gekoppelt ist.
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Dabei ist der Kondensator 48 mit dem Kondensator 49 und mit den 7Jiderständen
51, 501,...50m verbunden, der zweite Anschluss des Widerstandes 51 liegt an Masse
41, während der Kondensator 49 an den Widerstand 53 geschaltet ist, dessen zweiter
Anschluss an Ausgang der Verstärkerstufe 54 liegt. Der Ausgang der Verstärkerstufe
54 steht über die Entkopplungsschaltung 55 mit einem zweiten Glied in Verbindung,
das ähnlich dem ersten Glied des Bandfilters 251 ausgeführt ist. Der Ausgang der
im zweiten Glied des Bandfilters 251 liegenden Verstärkerstufe 54 ist über einen
Widerstand 56 an eine Gruppe von Teilern angeschlossen, zu denen Feldeffekttransistoren
57m und Widerstände 581, ...58m gehören. Dabei sind die Anschlüsse der ',Ziderstände
581,...58 zusammengeschaltet und mit der Speisequelle +E verbunden. Die Sources
der zu den Teilern gehörenden Feldeffekttransistoren ...57m liegen an Masse 41,
während ihre Drains zusazmengeschaltet und an den Anschluss des Widerstandes 56
sowie an den Eingang 81 der Analogspeicherschaltung 71 angeschlossen sind. Die zweiten
Anschlüsse der Widerstände 501,.. 50m und die Gates 591,...59m der Feldeffekttransistoren
571,...57 sind an den Informationsbus geschaltet, der rnit den zusammengeschalteten
Ausgängen der Integralimpulswandler 11 und 12 verbunden ist.
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Der Ausgang des Integralimpulswandlers 2 mit linearer Amplitudenkennlinie
steht mit dem Eingang 60 eines Vorverstärkers 61 in Verbindung,dessen zweiter Eingang
62 an Gehausemasse der Synchronisationseinheit 9 liegt. Der Ausgang des Vorverstärkers
61 ist über einen Kondensator 63 und eine Widerstand 64ldessen anderer Anschluss
an Masse 41 liegt zusammengeschaltet und an den ersten Eingang des Endverstärkers
65 angeschlossen, dessen zweiter Eingang an
Masse liegt und dessen
Ausgang mit dem ersten Eingang 66 eines SynchronsignalSormers 67 verbunden ist,
bei dem der zweite Eingang am Eingang 34 des Impulsparameters liegt, der erste Ausgang
68 an die Eingange 111s...11 der Analogspeicherschaltungen 71,...7n angeschlossen
ist und der zweite Ausgang 69 uber den Informationsbus mit dem Eingang 23 des Analog-Digital-Wandlers
15 in Verbindung steht.
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Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Impulsparametermesser funktioniert
wie folgt. Die zu untersuchenden Impulse gelangen vom Eingang 3 des Impulsparametermessers
zu den n Integralimpulswandlern Ii, 12, 13, ...1n mit nichtlinearer Amplitudenkennlinie
und zum Integralimpulswandler 2 mit linearer Amplitudenkennlinie.
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Die Integraliinpulswandler 11, 12, 13,...1n und 2 bewirken eine nichtlineare
und lineare Umwandlung der BlSgangsimpulse und ihre lineare Verbreiterung (Integrierung).
Bei der letzten Operation wird das hochfrequente Spektrum des Eingangsimpulssignals
in ein niedrigeres Frequenzgebiet übertragen. Dadurch ergibt sich eine wesentliche
Erleichterung beider Projektierung des Systems zur Verarbeitung der umgewandelten
Impulse.
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Dabei ergibt sich am Ausgang des Integralimpulswandlers 1 p die Impulsamplitude
P4 zu Hierbei sind
ein konstanter Koeffizient, der durch den SchaltungsauSbau und die Betriebsart des
Integralimpulwandlers bestimmt wird, t1 die Dauer des Eingangsimpulses, U1(t) =
Um # (t) # (t) die Punktion, welche die Impulsform beschreibt die Funktion, die
die Kennlinie des nichtlinearen Elements des Integralimpulswandlers 1e beschreibt,
t2 die Integrierungszeit, Um die Eingangs impuls amplitude.
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Bur den Integralîmpulswandler 2 gilt:
Die Gleichungen (1) und (2), welche die Ausgangssignale dor nsl Integralimpulswandler
beschreiben, bilden also ein System von n + 1 Gleichungen, in denen die Information
huber die Amplitude, die Dauer und die Form der Eingangsimpulse enthalten ist.
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Wenn die Amplitudenkennlinien der Integralimpulswandler dabei durch
Funktionen des ersten, zweiten, dritten, vierten usw. Grades beschrieben werden,
erhöht sich die Genauigkeit der Impulsparame terme ssung.
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Im vorligenden Fall hat der Integralimpulwandler 2 eine lineare Amplitudenkennlinie.
Die Kennlinien der Integralimpulswanler 11 und 12 werden durch Exponentialfunktionen
beschrieben. Das Ausgangssignal der Subtraktionsschaltung 4 ändert sich proportional
dem Quadrat der Eingangsimpulsamplitude Um. . Die Integralimpiilswandler Ii 1 12
und die Subtraktionsschaltung 4 bilden also einen synthetisierten Integralimpulswandler
mit quadratischer Amplitudenkennlinie.
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Die Integralimpulswandler 1 314.oe1 n können mit synthetisierten
Bauelementen aufgebaut sein und Amplitudenkennlinien haben, die durch Funktionen
dritten oder vierten Grades beschrieben werden. Die erwähnten Impulse (Fig.3a) gelangen
vom Ausgang der Subtraktionsschaltung 4 (Fig. 1) und von den Ausgängen der Integralimpulswandler
13114100 ...1n und 2 zu den Bandfilterm 251, 252,...25n.
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Die Bandfilter 251,252s...25n sind hautpsächlich zur Beseitigung
von induzierten Niederfrequenzstörungen aus dem Kanal zur Übertragung der verbreiterten
Impulse bestimmt. Dies ist notwendig, weil die Integralimpulswandler als klassische
Integrationsschaltungen eine Anhebung der Amplituden-Frequenz-Eennlinie im Niederfrequenzgebiet
bewirken, d.h. das Nutzsignal abschwachen, wahrend die induzierten Niederfrequenzstörungen
(Geräusch) von ihnen verstarkt werden.
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Je nach der Dauer der am Eingang 7 erscheinenden Impulse werden die
Bandfilter 251, 252, ... 25n durch Änderung
der Werte der RC-Glieder
dieser Filter abgeglichen.Mit grosser werdender Impulsdauer wird die Durchlassbandbreite
dieser Bandfilter erweitert, während bei Verringerung der Impulsdauer der Ubertragungsfaktor
der Bandfilter 251, 252,...25n erhoht wird. Dadurch wird nicht nur die Beseitigung
von niederfrequenten Einstrahlungen und somit eine Erhohung der Messgenauigkeit
erreicht, sondern auch die Abschwächung des Signals im Piko- und Nanosekundenbereicht
von Impulslängen kompensiert, wobei letzten Endes auch eine höhere Genauigkeit bei
der Impulsparametermessung erzielt wird.
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Die Signalabschwächung ist durch begrenzte Schnellwirkung der hinter
den Integralimpulswandlern 11...1n liegenden Schaltungselemente bedingt (vgl. A.E.Znamensky,
I.N. Tepljuk "Aktive RC-Filter", Verlag "Svyaz", Moskau, 1970, S. 88-98).
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Durch die Benutzung der Bandfilter 251...25n und die Verwendung des
Mikroprozessors 17 wurde die Lösung der Aufgabe möglich, die Genauigkeit der Impulsparametermessung,
besonders bei Einzelimpulsen zu erhöhen.
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Die verbreiterten Impulse werden von den Ausgängen der Bandfilter
251, 252... 25n den Analogspeichersclialtungen 71 72,...7n zugeführt. Diese Schaltungen
tasten den verbreiterten Impuls wahrend seines Amplitudenmaximums U cm (Fig. 3a)
in der Zeit t tmaxab und speichern den abgetasteten Wert U4 (Fig. 3d) eine Zeit
lang. Diese t'Probenahme" erfolgt mittels der in der Synchronisationseinheit 9 (Fig.
1) erzeugten Steuerimpulse U3 (Fig. 3c). Die starre zeitliche Anpassung des in der
Synchronisationseinheit 9 erzeugten Steuer impulses ans Amplitudenmaximum des verbreiterten
Impulses wird mittels eines Differenziergliedes in der Einheit 9 erreicht (vgl.
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Musin R.M., Gryaznov M.I., Jurtaev W.E., Andreeva T.S., SU-Erfinderschein
Nr. 639134 vom 28. August 1978).
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Ausserdem werden in der Synchronisationseinheit 9 Hilfssignale zur
Steuerung des Betriebs des Analog-Digital-Wandlers 15 erzeugt.
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Von den Ausgängen der Analogspeicherschaltungen 71
(Fig.
1), 72,...7n werden die Gleichspannungen U4 (Fig.3d) den n Eingängeb 121,...12n
des Kanalumschalters 13 zugefubrt, der ein System von n schnellen elektronischen
Schaltern darstellt, welche die Stromkreise entweder nach Ablauf einer bestimmten
Zeit oder gemass dem vorgegebenen Algorithmus beim Anlegen des Steuersignals vom
Ausgang des Analog-Digltal-Wandlers 15 oder vom Eingabeinformationswandler 30 umschalten
(vgl. Gryaznov M.I.
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"Integralimpulsmessung", Verlag So .Badio1- 1975, S. 170-173).
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Der stellenweise kodierende Analog-Digital-Wandler 15 verwandelt
die analoge Information in den Binärkode (vgl. S.I. Gitis, E.A. Piskunov Analog-Digital-Wandler",
Moskau, Verlag Energoizdat, 1981, S. 233-241), erfordert aber eine konstante Amplitude
des umzusetzenden Signals U4 (Fig. 3d), um die gewünschte Genauigkeit zu gewahrt
leisten.
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Der Analog-Digital-Wandler 15 (Fig. 1) wird in Betrieb gesetzt, nachdem
seinem Eingang 23 über den Informationsbus ein in der Synchronisationseinheit 9
erzeugter Anstossimpuls zugeführt wird. Ausserdem erhält er von der Synchronisationseinheit
9 über den Informationsbus Hilfsimpülse, die den Analog-Digital-Wandler 15 bei Änderungen
von Signalen im Kanal des Verarbeitungssystems wiederholt anstossen. Seinerseits
erzeugt der Analog-Digital-Wandler 15 folgende Signale, die er an den Mikroprozessor
17 ausgibt: - Kodewerte des Hauptsignals (10 Stellen); - einen Impuls zur Markierung
der Betriebsunterbrechung im Analog-Digital-Wandler 15; - einen Impuls zur Kennzeichnung
des vollen Betriebszyklus im Analog-Digital-Wandler 15; - Signale zur Zeichenanzeige
von Dimensionen der zu messenden Grössen.
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Der Mikroprozessor 17 gibt an den Analog-Digital-Wandler 15 seinerseits
ein Signal ab, das die Bereitschaft des Mikroprozessors 17 zum Empfang einer neuen
Information kennzeichnet.
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Zum Eingang des Analog-Digital-Wandlers 15 gelangt also von den Ausgängen
der Analogspeicherschaltungen 71, über den Kanalumschalter 13 die Information über
die Parameter der zu messenden Impulse, die nun näher betrachtet werden sollen.
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Hierbe
(3) und E (t) die Funktion, welche die Impulsform beschreibt.
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Die an den Eingangen der Analog-Digital-Wandler 15 (Fig. 1) wirksamen
Gleichspannungen U4 enthalten die Information über die Amplitude, die Dauer und
die Form der zu messenden Impulse Diese Information ist vollkommen ausreichend zur
eindeutigen Bestimmung der ImpulsparameterO Zu diesem Zweck werden die kodierten
Signale (U4)1 (U4)12,... (U4)1 und (U4)2 über den Informationsbus 1 dem MIkroprozessor
17 (Fig. 1) zugefWhrt. In diesem Mikroprozessor 17 werden neben den logischen Operationen
zur Umwandlung des Binarkodes in den Binar-Dezimal-Kode auch arithmetische Operationen
aneiignalen durchgeführt. Dabei werden folgende Beziehungen ermittelt:
(U0 ist die verallgemeinerte Impulsamplitude und K1 der Formfaktor der ersten Art
der ersten Ordnung, vgl. M.I.
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Gryaznov "Integralimpulsmesaung", Moskau, Verlag Sov.
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Radio, 1975, 5. 2-0);
wobei t10e die verallgemeinerte Impulsdauer ist, die auf einem durch die Beziehung
S1 = S2 gegebenen Niveau gemessen wird;
wobei #1 der Integralformfaktor der zweiten Art der ersten Ordnung
ist (vgl. RwM. Eosin "Formfaktormesser für Impulssignalet', sowJetische Erfinderschein
Nr. 813 520 vom 14. November 1980).
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Verschiedene Kombinationen von Werten U1 , U1 ,...
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...U1, U2, U0 ermöglichen also die Bestimmung1 von 1Formfaktoren#n
der Impulse höherer Ordnungen. die Kenntnis dieser Faktoren gestattet es, eine vollständigere
Impulscharaktoristik mit Einzelheiten von Impulsformen (Dauer von Vorder-und Hinterflanken,
Dachschrägen, Uberschwinger und Flankenwelligkeit) zu erhalten.
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Der Mikroprozessor 17 enthält: - eine nich-t gezeigte Steuerschaltung,
welche die Abarbei-tung des vorgegebenen Algorithmus des Betriebsablaufs ermöglicht
(vgl. R.M. Musin, M.I. Gryaznov, D.A. Timofeev "Aufbau des Nanosekunden-Impulsmessers
mit Mikroprozessoren", Nachrichtentechnik, Folge Hochfrequenz-Messtechnik, Moskau,
1981, Heft 1 (33), 5. 38-45; - den eigentlichen Mikroprozessor, der den Ablauf der
erforderlichen logischen und mathematischen Operationen an den Signalen auf Mikrobefehle
der Steuerschaltung gewährleistet (vgl. A*I. Berezenko, L.N. oryagin, A.R.
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Nazaryan "Mikroprozessorsätze höherer Arbeitsgeschwindigkeit", Moskau,
Verlag Radio i swyaz, 1981, S. 28-35, 60-62, 15-25).
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Die Anwendung von n Integralimpulswandlern 11... 1 2 sowie des Mikroprozessors
17 ergibt eine Erweiterung des Funktionsbereichs des Impulsparametermessers durch
Ge währleistung der Messung der Impulsenergie, der Impulsfläche und des Elektrizitätsinhalts
des Impulses.
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Von den Ausgangen der Integralimpulswandler Ii, 12,...
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und und 2 gelangen zum Mikroprozessor 17 uber den Informationsbus
die logischen Eins- und Nullsignale, welche die Anzeige von Dimensionen der zu messenden
Grössen bewirken.
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Der Betrieb des Mikroprozessors 17 beginnt mit der Ankunft des Impulses
zur Markierung der Betriebsunter-
brechung im Analog-Digital-Wandler
15. Seinerseits gibt der MiRroproz :«.sor 17 ein Signal über den Betriebsabschluss
aus, welches das Verbot des Empfanges und der Verarbeitung der nåchstfolgenden Information
durch den Analog-Digital-Wandler 15 aufhebt.
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Über den Informationsbus 21 gelangen die Messergebnisse in den gemeinsamen
Kanal. Ausserdem werden die Messergebnisse über Informationsbusse und die Singånge
18, 19 der Anzeigeeinrichtung 20 an zwei in der Zeichnung nicht gezeigte Anzeigetafeln
ausgegeben.
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Die Ausgabe der Messergebnisse in den gemeinsamen Kanal ermöglicht
die Anwendung des Impulsparametermessers in Meßsystemen bei Untersuchungen in der
Kernphysik und in der Lasertechnik.
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Bei Untersuchungen von nichtperiodischen Impulsen oder bei Parametermessung
eines Impulses vom Impulspaket wird der Impulsparametermesser extern synchronisiert.
Zu diesem Zweck weruen dem Eingang 34 des Impulsparametermessers Impulse zugeführt,
die mit dem zu messenden Impuls zeitlich übereinstimmen. Im übrigen funktioniert
der Impulsparanetermesser wie oben beschrieben wurde.
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Anhand der gemessenen verallgemeinerten Impulsamplitude kann man
mittels des Impulsparametermessers die Amplitude (den Maximalwert ) eines Impulses
bestimmen. Zu diesem Zweck wird dem Eingang 29 der Eingabeeinheit 28 die Information
über die Impulsformklasse von einem Rechner oder von einer anderen Einrichtung zugeführt.
Am besten sind dazu die Werte des Formfaktors K1 geeignet.
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Die Eingabeeinheit 28, die im einfachsten Falle als Kodeumschalter
oder als Digital-Analog-Wandler ausgeführt wird, dient zur Eingabe der Infortaation
über die Impulsform (des Formfaktors K1 der ersten Art) in den Mikroprozessor. Dabei
wird im Mikroprozessor 17 auf Grund der gemessenen verallgemeinerten Amplitude die
Amplitude von Impulsen einer beliebigen Form aus der Beziehung
errechnet. Die Information über die Formfaktoren K1 oder kann
dem Eingang 29 des Impulsparametermessers entweder von Hand (mittels der Bedienungselemente
an der Vorderplatte des Impulsparametermessers) oder nach einem Programm (über den
gemeinsamen Kanal) von einem Rechner oder einem Formfaktormesser zugeführt werden,
die nicht gezeigt sind. Vom Ausgang der Einheit 28, die zur Eingabe der Information
über die Impulsformklasse im Zahlenkode oder in der Art einer Gleichspannung dient,
gelangt die Information zum Eingang 31 des Eingabeinformationswandlers 30.
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Dieser Wandler 30 hat die Aufgabe, die von der Eingabeeinheit 28
gelieferte Information in den Binärkode umzuwandeln und diesen an den Eingang 32
des Mikroprozessors 17 über die Informationsleitung auszugeben.
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Auf diese Weise wird die Aufgabe gelost, die Impulsamplitude Um anhand
der gemessenen verallgemeinerten Amplitude UO zu ermitteln.
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Bei der Benutzung des Impulsparametermessers in der Lasertechnik
oder in der Kernphysik wird oftmals die Aufgabe gestellt, die Parameter eines Impulses
von einer nichtperiodischen Impulsfolge sowie die Parameter von zufälligen Impulsen
zu messen.
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Fur den ersten Fall benutzt man den Eingang 34 des Impulsparametermessers.
Die Messung der Parameter des erwähnten Einzelimpulses erfolgt, nachdem auf den
Eingang 34 der Synchronisationseinheit 9 ein externer Synchronisationsimpuis gegeben
wird, der mit dem zu messenden Impuls zeitlich übereinstimmt.
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Die durch die Anwendung des Mikroprozessors erreichte Verringerung
von Abmessungen des Analogteils des Impulsparametermessers fuhrt zu einem wesentlich
geringeren Arbeitsaufwand bei Montage- und Abgleichvorgangen wa'hrend der Serienfertigung
von Impulsparametermessern.
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Zusätzlich zur vorstehenden Beschreibung soll im folgenden der Betrieb
einzelner Baueinheiten des Impulsparametermessers nach Fig. 2 naher betrachtet werden.
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Die Integralimpulswandler 11 und 12 können mit nichtlinearen Bauelementen
(Dioden, ransistoren) aufgebaut
werden die Exponential-Stromspannungs-Kennlinien
von der Art 21 # (e 1) und F2 # # (1 - e ) aufweisen, wobei ## , 12 der Krümmungskennwert
der Charakteristik des nichtlinearen Bauelements und U1 die Amplitude der Eingangsimpulse
sind. Man stellt die Punktionen F1 und F2 als MacLaurin-Reihen dar und ermittelt
die Differenz dieser Funktionen (dies erfolgt in der Subtraktionsschaltung 4) Die
Signalamplitude am Ausgang der Subtraktionsschaltung 4 ist dem Quadrat der Impulsamplitude
a am Ein-3 des Impulsparametermessers proportional. d.h
wobei A ein konstanter Koeffizient ist (vgl. R.M.Musin, M.I. Gryaznov, N.Ju. Pilatov
aufbau eines Pormfaktormessers fur Videoimpulse", Nachrichtentechnik, Folge Hochfreouenzmesstechnik,
Moskau, 1981, Heft 2 (34), S. 15-20).
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Die Integralimpulswandler 13, 14...1n werten mit nichtlinearen Bauelementen
aufgebaut, deren Strom--Spannungs-Kennlinien durch Punktionen der dritten, vierten
usw. Potenz beschrieben werden. Zu diesem Zweck kann man sogenannte synthetisierte
nichtlineare Elemente mit optimalen Charakteristiken benutzen (vgl. M.I. Gryaznov
"Integralimpulsmessung", Moskau, Verlag Sov. Radio, 1975, S. 103-114).
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Die Möglichkeit der Impulsparametermessung werden durch die am Eingang
des Integralimpulswandlers 11 vorgesehenen RO-Glieder 35, 36 bestimmt.
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Die Werte der Belastungen (des Widerstandes 38 und des Kondensators
39) werden ausgehend von der Bedingung gewählt. die lineare Abhangigkeit der Amplitude
von umgewandelten Impulsen von der Eingangsimpulsdauer, d.h.
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zu gewährleisten.
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Im Integralimpulswandler 2 liegt ausserdem im Strom-Gegenkopplungszweig
ein Widerstand 46, und infolgedessen hängt die Signalamplitude an seinem Ausgang
sowohl von der Dauer, als auch von der Eingangsimpulsamplitude linear ab.
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Der vorgegebene Impulsdauerbereich von Eingang impulsen ist in Teilbereiche
aufgeteilt, die mit Hilfe der Umschalter 42 (für die Wandler 11, 12,...1n) und 43
(für den Wandler 2) gewahlt werden. In jedem Teilbereich der Impulsdauerwerte unterscheidet
sich der Wert des Belastungskondensators 39 des Transistors 37 von dem des vorhergehenden
Teilbereichs um so viel, um wieviel mal die Maximaldauer des betreffenden Teilbereichs
von der Maximaldauer des vorhergehenden Teilbereichs verschieden ist.
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Gleichzeitig mit der Umschaltung der Impulsdauer--Teilbereiche werden
mit Hilfe der Umschalter 42 der Integralimpulswandler 11, 12,...1n und des Umschalters
43 des Integralimpulswandlers 2 die Signale im Kode 1-2-4-8 kommutiert, die den
vorgegebenen Dimensionen entsprechen.
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Diese den Dimensionen von Impulsen entsprechenden kodierten Signale
werden über den Informationsbus dem Eingang 24 des Mikroprozessors 17 zugefuhrt,
wobei mit Hilfe dieser Information die Dimension (ps, ns, µs) der einzustellenden
Impulsdauer bestimmt wird.
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Von den Umschaltern 43 der Integralimpulswandler 11, 2...n und 2
gelangen die Signale im Kode 1-2-4-8 über einen anderen Informationsbus zu den Feldeffekt-Transistoren
571,...57m und zu den Teilern 581,..58m zwecks ihrer Ansteuerung.
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Die Feldeffekttransistoren 571...57m sind im Anfangszustand gesperrt.
Die in bestimmten Kombinationen (je nach dem Teilbereich der Impuledauer) ankommenden
Signale ändern die Teilerwerte und folglich die Impulsgrösse an den Eingängen 81,
82...8n der Analogspeicherschaltungen 71, 72...7n. Somit kann in allen Teilbereichen
der Impulsdauer die Gleichheit von Impulsamplituden an den Eingängen 81,82...8n
der Schaltungen 71,72...7n erreicht werden. Mit Hilfe der Umschalter 42 werden dabei
die zweiten Anschlüsse der Widerstände 30100050m in den Bandfiltern 25100 025n mechanisch
kommutiert.
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Je nach dem Teilbereich der Impulsdauer, d.h. in Abhängigkeit von
der Zeitkonstante des Impulsabfalls an
den Ausgangen der Subtraktionsschaltung
4 und-der Integralimpulswandler 13, 14...1n und 2 wird die Durchlassbandbreite der
Bandfilter 251...25n geandert. Dadurch erreicht man eine bessere Filtrierung von
induzierten niederfrequenten Störungen (Geräuschanteilen). Ftr die kürzesten Messimpulse
ist also die Zeitkonstante # des Abfalls eines verbreiterten Exponentialimpulses
am kleinsten, da in allen Teilbereichen der Impulsdauer die Verbreiterungsbedingung
# # (30...40) t1 max eingehalten wird.
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Zur verzerrungsfreien nbertragung von kurzen (Piko-und Nanosekunden-)
Impulsen, bei denen der Einfluss von niederfrequenten Störungen besonders zu spuren
ist, kann man somit die Bandbreite der Sandfilter bedeutend verringern, mit Verlängerung
der Dauer der Eingangsimpulseauch erweitern.
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Bei der Parametermessung an kurzen Impulsen wird auf diese Weise
eine effektivere Filtrierung von niederfrequenten Störungen durch Verschmälerung
der Bandbreite der Bandfilter 251...25n erreicht.
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An den Eingangen 81,82...8n der Analogspeicherschaltungen 71, 72...7n
liegen Exponentialimpulse.
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Zur Erreichung der Maximalempfindlichkeit und minimaler Messfehler
des Impulsparametermessers ist die zeitliche "Ankopplung" des Steuerimpulses an
das Maximum des verbreiterten Exponentialimpulses sowie ihre Konstanthaltung bei
der Messung der Dauer von Eingangsimpulsen erforderlich. Dies wird mit Hilfe der
Synchronisationseinheit 9 erreicht.
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Die verbreiterten Exponentialimpulse werden dem Eingang 10 der Synchronisationseinheit
9 zugeführt. Der Verstärker 61 der Synchronisationseinheit 9 gewahrleistet die vorgegebene
Empfindlichkeit der Synchronisation. Das verstärkte Exponentialsignal gelangt zu
einem Differenzierglied 63, 64, ag dessen Ausgang ein negativ gerichteter Impuls
erscheint. Durch die Hinterflanke dieses vorher im Verstärker 65 verstärkten und
amplitudenmässig normalisierten Impulses wird ein Synchronsignalformer 67 ausgelost
Kurze (einige Nanosekunden lange) Steuerimpulse
gelangen vom Ausgang
8 des Synchronsignalformers 67 zu den Eingangen 111...11n der Analogspeicherschaltungen
urmd uns bewirken die lineare Umwandlung der verbreiterten Impulse in eine Gleichspannung
U4 Von ihrem Ausgang liefert die Synchronisationseinheit 9 zur Auslösung und zur
wiederholten Inbetriebsetzung des Analog-Digital-Wandlers 15, zur Signalisierung
der Betriebsbereitschaft dieses Wandlers 15 sowie andere Signale, die für den normalen
Betrieb des Analog-Digital-lVandlers 15, des Mikroprozessors 17 und der Anzeigeeinrichtung
20 erforderlich sind.
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Der vorgeschlagene Impulsparame terme sser ist für Untersuchungen
von Xmpulsvorgangen in der Lasertechnik, in der Kernphysik (bei Erforschung der
Kernfusion), in der Technik der Impulserzeugung sowie für Anwendungen auf anderen
Gebieten bestimmt.
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Die vorgeschlagene Struktur des Impulsparametermessers ermöglicht
den Bau von Geräten zur Kodierung und zur Messung der Amplituden-, Zeit-, Energie-
und Formkennwerte (Formfaktoren) von Piko-, Nano- und Mikrosekundenimpulsen, auch
von Einzelimpulsen, mit kleinen Pegeln (von 2 mV bis 100 mV) bei grossen Änderungsbereichen
ihrer Form und olgefrequenz.
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Der Impulsparametermesser gestattet die Kodierung und Messung der
verallgemeinerten Amplitude und Dauer, der Fläche, des Elektrizitätsinhalts und
der Energie von Impulsen sowie der die Impulsform kennzeichnenden Koeffizienten
und der Impulsflankendauer (beim Vorhandensein einer eingangsseitigen Differenziereinrichtung)
wie auch die Durchführung von Berechnungen anhand der gemessenen verallgemeinerten
Impulsamplitude, also die bis in Einzelheiten gehende Bewertung der Parameter von
Impulsen komplizierter Formen, besonders von Einzelimpulsen.
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Neben einer Erhöhung der Genauigkeit der Impulsparametermessung um
das 3 bis 4-fache wird im Impulsparametermesser eine IO-fache Erweiterung der Amplituden-
und Impulsdauermessbereiche sowie eine Erweiterung des Funktionsbereiches des Gerätes
durch folgende Möglichkeiten erreicht:
- die Möglichkeit, neben
der Messung der verallgemeinerten Amplitude und Dauer von Impulsen auch ihre Flache,
ihren Elektrizitätsinhalt und ihre Energie zu messen - sowie die Koeffizienten zu
erfassen, welche die Impulsform charakterisieren, - Erweiterung von Amplituden-
und Impulsdauer-Messbere ichen - die Möglichkeit, die Impulsamplitude nach der gemessenen
verallgemeinerten Amplitude bei bekanntem Formfaktor zu bestimmen, - die Möglichkeit
der Benutzung des Gerätes in Meßsystemen mit Rechnern.
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Somit wird im vorgeschlagenen Impulsparametermesser eine Exhohung
der Genauigkeit bei der Messung von Amplituden-, Zeit- und Energiekennwerten von
Impulsen sowie eine Erweiterung der Funktionsmöglichkeiten des Gerätes erreicht.
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