DE3329516A1 - Vorsatzgeraet fuer einen vielkanalanalysator - Google Patents

Vorsatzgeraet fuer einen vielkanalanalysator

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DE19833329516
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Karl-Heinz 2000 Hamburg Silke
Eberhard Dipl.-Phys. Stark
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SILKE KARL HEINZ
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SILKE KARL HEINZ
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    • G01R29/00Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/02Measuring characteristics of individual pulses, e.g. deviation from pulse flatness, rise time or duration
    • G01R29/027Indicating that a pulse characteristic is either above or below a predetermined value or within or beyond a predetermined range of values
    • G01R29/033Indicating that a pulse characteristic is either above or below a predetermined value or within or beyond a predetermined range of values giving an indication of the number of times this occurs, i.e. multi-channel analysers (the characteristic being frequency)
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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Description

  • Beschreibun:
  • Die Erfindung betrifft ein Vorsatzgerät für einen Vielkanalanalysator, der den zeitlichen Verlauf eines unter Teilchenemission ablaufenden, regelmäßig wiederholten physikalischen Prozesses dadurch erfaßt, daß er bei jeder Wiederholung die Zeit durch Fortschaltimpulse in einzeln numerierte Intervalle einteilt, die während jedes Intervalls emittierten Teilchen zählt und über alle Wiederholungen aufsummiert.
  • Derartige Vielkanalanalysatoren, die zur Steuerung aller Funktionsabläufe in der Regel einen Mikroprozessor enthalten, sind bekannt. (D. M. Santos, A. S. Pereira, J. S. Lopes: A Microprocessor Controlled Multichannel Analyser. Nuclear Insruments and Methods, Bd. 196, S. 435 - 439, Amsterdam 1982).
  • Als Beispiel eines physikalischen Prozesses sei die optische Fluoreszenz genannt, bei der z. B. nach Anregung mit einem Laserpuls angeregte elektronische Zustände unter Emission von Photonen wieder in den Grundzustand übergehen. Die Abklingzeit der Fluoreszenz kann am präzisesten durch Photonenzählverfahren mit Hilfe eines Vielkanalanalysators gemessen werden.
  • Der schnellste bekannte Vielkanalanalysator liefert Fortschaltimpulse von 1 MHz Folgefrequenz, teilt also die Zeit in Intervalle einer minimalen Breite von 1 vs ein. (Le Croy Research Systems Co., 700 South Main Street, Spring Valley, N. Y.10977, USA, Prospekt vom März 1982: System 3500 Multichannel Analyzer).
  • Damit lassen sich Fluoreszenzlebensdauern bis etwa minimal 5 us ausmessen.
  • Will man schneller abklingende Prozesse erfassen, so muß man auf ein anderes Meßverfahren übergehen, nämlich die Zeit -Pulshöhen - Wandlung, die dann wieder von einem Vielkanalanalysator weiterverarbeitet werden kann (G. Faraci, S. Notarrigo, A. R. Penrisi: Comparison of Theoretical and Experimental Spectra in a Time - to - Pulse - Height Converter, Nucl. Instrom. and Meth. Bd. 174, Ss 253 - 256, 1980).
  • Bei diesem Verfahren lassen sich Zeitauflösungen unter 1 ns realisieren. Allerdings kann man bei jeder Wiederholung des Prozesses nur ein Teilchen erfassen, während beim eingangs genannten Verfahren bei jeder Wiederholung mehrere tausend Teilchen gezählt werden. Entsprechend muß man bei der Zeit-Pulshöhen - Wandlung den Prozess mindestens 1000 mal häufiger wiederholen, um das gleiche Signal - Rausch - Verhältnis zu erzielen. Dadurch steigt die gesamte Meßzeit erheblich, insbesondere wenn man die Wiederholrate des Prozesses nicht steigern kann, wie es beim genannten Beispiel des gepulsten Anregungslasers der Fall ist.
  • Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Vorsatzgerät zu schaffen, welches das normale Vielkanalanalysator -Prinzip mit der Erfassung vieler Teilchen bei jedem einzelnen Prozess bei möglichst geringem Schaltungsaufwand zu wesentlich kleineren Kanalfortschaltzeiten hin ausdehnt.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die niedrigsten m Bit eines mindestens m + 1 Bit umfassenden Zählers an die Adresseneingänge eines n x 2ffi- Bit RAM angeschlossen sind und daß das (m+1) te Bit des Zählers den Takteingang des Zählers und den Schreib - Lese - Steuerungseingang des RAM derart steuert, daß bei jeder Wiederholung in einem ersten m-Bit- Zählzyklus eine eigene Taktfrequenz des Vorsatzgeräts gezählt und die Zahl der Teilchen in das RAM geschrieben wird, während im zweiten m - Bit - Zählzyklus die Fortschaltimpulse gestartet und gezählt sowie die gespeicherten Zahlen aus dem RAM gelesen und in den Vielkanalanalysator übertragen werden.
  • Mit heute marktüblichen TTL - RAM läßt sich damit eine minimale Kanalfortschaltzeit des Vorsatzgerätes von 50 ns erzielen. Dieser Wert liegt um einen Faktor 20 niedriger als der genannte beste Wert eines bekannten Vielkanalanalysators.
  • Gleichzeitig ist der Schaltungsaufwand sehr gering, weil der Zähler sowohl die gesamte Zeitablaufsteuerung als auch die Adressenerzeugung - beim Ausführungsbeispiel für m = 10 Bit -übernimmt. Die eigene Taktfrequenz des Vorsatzgeräts kann, muß aber nicht, intern im Vorsatzgerät erzeugt werden. So wurde das Vorsatzgerät auch mit der vervielfachten Umlauffrequenz von 1,04 MHz des Deutschen Elektronen - Synchrotrons in Hamburg synchronisiert (D. Pruss: Dissertation Universität Hamburg, 1983, noch unveröffentlicht).
  • Der gesamte Meßaufbau des Photonenzählverfahrens kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch vereinfacht werden, daß der Zähler m+2 Bit umfaßt und daß das (m+2) te Bit das Vorsatzgerät in den Ausgangszustand zurücksetzt. Dadurch übernimmt das Vorsatzgerät auch Start und Stop des Vielkanalanalysators, und man kann es zusammen mit jedem auf dem Markt befindlichen Vielkanalanalysator einsetzen.
  • Zusätzlich übernimmt das Vorsatzgerät auch die Steuerung der Prozesswiederholung, z. B. die Auslösung des gepulsten Anregungslasers, durch eine in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an die eigene Taktfrequenz angeschlossene Frequenzteilerkette, die eine niederfrequente Impulsfolge zur Auslösung der Wiederholungen des physikalischen Prozesses abgibt.
  • Bei den bis jetzt beschriebenen Ausführungsformen des Vorsatzgerätes lassen sich, wenn die eigene Taktfrequenz - wie üblich - ein Tastverhältnis von 0,5 hat, nur 50 % der gesamten Meßzeit zur Erfassung von Teilchen ausnützen. In die Nähe von 100 % Zeitausnützung kommt man in noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung durch zwei vor den Dateneingang des RAM geschaltete Zwischenspeicher, die, gesteuert vom niedrigsten Bit des Zählers, abwechselnd zur Erfassung von Teilchen aktiviert werden und während ihrer nicht aktiven Zeit Daten auf das RAM übertragen.
  • Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung werden nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
  • Es zeigen: Fig. 1 eine herkömmliche Meßanordnung mit Vielkanalanalysator, Fig. 2 ein Impulsdiagramm zu Fig. 1 Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 4 ein Detailschaltbild einer Auffangsschaltung zu Fig. 3 und Fig. 5 ein Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels.
  • Die Meßanordnung nach Fig. 1 zeigt einen Impulsgeber, der Zündimpulse für einen Pulslaser und Startimpulse für einen Vielkanalanalysator abgibt. Der Pulslaser kann z.B. ein Stickstofflaser sein, der maximal 100 Pulse pro Sekunde abgibt, die mit einer Linse L1 auf einen zu untersuchenden Kristall fokussiert werden. Das Fluoreszenzlicht des Kristalls wird mit einer Linse L2 auf den Eintrittspalt eines Spektrometers abgebildet, an dessen Austrittspalt ein Photomultiplier (Elektronenröhre mit Photokathode und Sekundärelektronenvervielfacher) PM angeflanscht ist. Ein Verstärker V mit Impulshöhendiskriminator liefert Datenimpulse für den Vielkanalanalysator. Wenn der Photomultiplier PN mit 50 Q abgeschlossen ist, haben diese Datenimpulse eine Breite von etwa 5 ns.
  • Rauschimpulse werden durch den Impulshöhendiskriminator soweit möglich unterdrückt. Der Vielkanalanalysator stellt den Inhalt der einzelnen Zeitkanäle, d. h. die Zahl der jeweils insgesamt erfaßten Photonen in Histogrammdarstellung auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre dar.
  • Fig. 2 zeigt die vom Vielkanalanalysator erzeugten Fortschaltimpulse F, welche die einzelnen, mit Nummern 1 bis 1024 bezeichneten Kanäle voneinander trennen. Die mit TA bezeichnete Kanalbreite ist einstellbar und beträgt - wie erkennt - bei handelsüblichen Geräten minimal 1 us. Die während der einzelnen Kanalfortschaltseiten anfallenden, vom Photomultiplier PM kommenden und aufzusummierenden Datenimpulse sind in Fig. 2 ebenfalls angedeutet.
  • Das in Fig. 3 dargestellte Prinzipschaltbild eines Vorsatzgerätes nach der Erfindung zeigt einen Impulsgeber 20 mit einem Taktfrequenzgenerator 21, von dessen Ausgang eine Taktfrequenzleitung 22 zu einer Frequenzteilerkette 23 führt. Am Ausgang der Frequenzteilerkette 23 liegt eine erste monostabile Kippstufe 24, an deren Ausgang eine Prozeßsteuerleitung 25 angeschlossen ist.
  • An den Impulsgeber 20 schließt sich eine Ablaufsteuerschaltung 30 an, die als zentrale Baugruppe einen binär organisierten Zähler 31 mit einem Umfang von 12 Bit enthält. Im Ausführungsbeispiel sind dafür in bekannter Weise drei 4-Bit-Zähler 74161 zusammengeschaltet. Die Ausgänge des Zählers 31 sind mit 1 bis 12 (1 für das niedrigste, 12 für das höchste Bit) bezeichnet.
  • Am Ausgang 12 des Zählers 31 liegt der Rücksetzeingang R eines ersten RS - Flipflops 32, dessen Setzeingang S mit dem Ausgang der Frequenzteilerkette 23 und dessen Ausgang mit dem Rücksetzeingang R des Zählers 31 verbunden ist. Dem Takteingang T des Zählers 31 ist ein erster elektronischer Umschalter 33 vorgeschaltet, dessen beide Eingänge mit einer Taktfrequenzleitung 22 und mit einer Fortschaltimpulsleitung 34 verbunden sind. Die Steuerung des Umschalters 33 liegt am Ausgang 11 des Zählers 31. Weiterhin ist eine erste Verknüpfungsschaltung 35 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel als NOR - Gatter ausgebildet ist. Sie liegt mit ihren beiden Eingängen an der Taktfrequenzleitung 22 und am Ausgang 11 des Zählers 31.
  • Außerhalb der Ablaufsteuerschaltung 30 ist in Fig. 3 ein RAIT 40 eingezeichnet. Als RAM (Random Access Memory) bezeichnet man einen Schreib - Lese - Speicher. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein 1 x 1024 Bit RAM Typ MCM 93425 DC (Motorola) mit einer Zugriffszeit von 35 ns. Seine 10 Adresseneingänge sind mit den Ausgängen 1 bis 10 des Zählers 31 verbunden, während der Schreib - Lese - Steuerungseingang WE am Ausgang der ersten Verknüpfungsschaltung 35 liegt.
  • Eine zweite monostabile Kippstufe 41 ist an die Fortschaltimpulsleitung 34 angeschlossen. Ihr Ausgang und der Datenausgang DO des RAM sind zu Eingangen einer zweiten Verknüpfungsschaltung 42 geführt (im Ausführungsbeispiel ein UND- Gatter), deren Ausgang an eine Datenübertragungsleitung 43 angeschlossen ist.
  • DieLeitungen 34,43 und 45 des Vorsatzgerätes sind mit. dem Vielkanalanalysator nach Fig0 1 verbunden.
  • Schließlich enthält das Vorsatzgerät eine Auffangschaltung 50 mit einem an den Ausgang des Photomultpliers PM bzw. des Impulshöhendiskriminators nach Fig. 1 angeschlossenen Verstärker 51, dessen Ausgang mit den Takteingängen eines ersten und eines zweiten D - Flipflops 52, 53 verbunden ist. Die Rücksetzeingänge R der D - Flipflops 52, 53 liegen an den Ausgängen eines zweiten elektronischen Umschalters 54, dessen Eingang über einen ersten Nadelimpulsformer 55 mit der Taktfrequenzleitung verbunden ist. Realisierungsmöglichkeiten für Nadelimpulsformer werden unten anhand von Fig. 4 beschrieben. Der Steuereingang des zweiten elektronischen Umschalters 54 ist ebenso wie der D - Eingang des ersten D - Flipflops 52 an den Ausgang 1 des Zählers 31 angeschlossen. Zwischen den beiden D - Eingängen der Flipflops 52 und 53 liegt ein Inverter 56. Die Ausgänge der beiden D - Flipflops 52, 53 sind über ein ODER - Gatter 57 zum Dateneingang DI des RAM 40 geführt.
  • Für die Funktionsbeschreibung des Prinzipschaltbildes nach Fig. 3 sei jetzt angenommen, daß der Taktfrequenzgenerator 21 Rechteckimpulse mit einer Frequenz von 10 MHz und der Vielkanalanalysator über die Leitung 34 Fortschaltimpulse mit einer Frequenz von 200 KHz liefert. Die Frequenzteilerkette möge ein Teilerverhältnis 100 000 : 1 aufweisen. Dann wird der Pulslaser nach Fig. 1 mit einer Folgefrequenz von 100 Hz ausgelöst, d. h. der physikalische Prozess wird pro Sekunde 100 mal wiederholt.
  • Ebenfalls 100 mal pro Sekunde wird das erste RS - Flipflop 32 gleichzeitig mit der Zündung des Lasers gesetzt, sein Ausgang geht auf logisch 1 und gibt den zuvor rückgesetzten Zähler 31 frei. Der erste Umschalter 33 befindet sich in der dargestellten Stellung und führt dem Takteingang T des Zählers 31 die 10 MRz - Impulse von der Taktfrequenzleitung 22 zu. Der Ausgang 1 des Zählers 31 gibt 5 MHz - Impulse ab, die jeweils für 100 ns auf logisch O und dann für 100 ns auf logisch 1 sind.
  • Der zweite Umschalter 54 befindet sich in seiner eingezeichneten Stellung, wenn der Ausgang 1 des Zählers 31 auf logisch 0 liegt. Wegen der Verzögerungszeit in den Flipflops des Zählers 31 kommt der aus der Taktfrequenz abgeleitete Nadelimpuls aus dem Wadelimpulsformer 55 einige ns vor dem Umschalten des Ausgangs 1 des Zählers 31. Dadurch wird zunächst das erste D - Flipflop 52 zurückgesetzt, dann geht sein D - Eingang auf logisch 1. Wenn während der dann folgenden 100 ns der Photomultiplier PN ein Photon erfaßt und der Verstärker 51 deshalb einen Nadelimpuls abgibt, dann wird das erste D - Flipflop gesetzt, andernfalls bleibt es im Ruhezustand, in dem sein Ausgang auf logisch 0 liegt. Das erste D - Flipflop 52 bildet also einen Zwischenspeicher, der zur Erfassung höchstens eines Photons aktiviert ist, solange der Ausgang 1 des Zählers 31 auf logisch 1 liegt.
  • Während dieser Zeit ist das zweite D - Flipflop 53 inaktiv, weil sein D - Eingang auf 0 liegt. Es kann aber, falls es im vorhergehenden Zyklus gesetzt wurde, seine Information (logisch 1 am Ausgang) über das ODER - Gatter 57 in das RAN 40 schreiben, wie unten noch erläutert wird.
  • Die beiden D - Flipflops 52, 53 arbeiten also abwechselnd als Zwischenspeicher: Während das eine Daten erfaßt9 überträgt das andere Daten an das RAM 40 und wird am Ende der Ubertragungszeit durch den Nadelimpulsformer 55 zurückgesetzt, um dann wieder für die Datenerfassung vorbereitet zu sein.
  • Die Datenerfassungszeiten der beiden Flipflops schließen nahtlos aneinander anp so daß praktisch 100 % der zur Verfügung stehenden Zeit für die Datenerfassung ausgenützt werden.
  • Wäre nur ein Zwischenspeicher vorgesehen, dann käme man nur auf 50 % Zeitausnützung.
  • Es sei angenommen, daß das RAM 40 zum Einschreiben von Daten vorbereitet istt wenn sein Schreib - Lese - Steuerungseingang WE auf 1 liegt. Das ist infolge des NOR - Gatters 35 immer dann der Fall, wenn sowohl der Ausgang 11 des Zählers 31 als auch die Taktfrequenzleitung 22 auf logisch 0 liegen. Solange im Zähler 31 die niedrigsten 10 Bit noch nicht vollständig durchgezählt sind, wird also immer dann ins RAM 40 beschrieben, wenn der Takt auf 0 liegt, und zwar eine 1 oder eine 0 je nachdem, ob eines der D - Flipflops 52, 53 vorher gesetzt war oder nicht. Die Adressen der Speicherzellen, in die geschrieben werden soll, werden dabei von den Ausgängen 1 bis 10 des Zählers 31 erzeugt. Daraus folgt, daß das erste D - Flipflop 52 die Daten für ungeradezahlige Speicherzellen erfaßt, während das zweite D - Flipflop für die geradezahligen zuständig ist.
  • Wenn der erste Zählzyklus der niedrigsten 10 Bit des Zählers 31 durchlaufen ist, sind alle 1024 Speicherzellen des RAM einmal angesprochen und es ist eine Gesamtzeit von 1024x 100ns = 102,4 Us abgelaufen. Mit dem nächstfolgenden Taktimpuls springt der Ausgang 11 des Zählers 31 auf logisch 1 und es passiert dreierlei: Erstens wird der erste Umschalter 33 umgeschaltet, so daß keine Impulse mehr vom Taktfrequenzgenerator 21 zum Zähler 31 gelangen können. Dieser zählt also zunächst nicht weiter.
  • Zweitens kann das NOR - Gatter 35 das RAM 40 nicht mehr auf Schreiben steuern; aus dem RAM kann nur noch gelesen werden.
  • Drittens wird die dritte monostabile Kippstufe 44 ausgelöst.
  • Sie startet über die Leitung 45 den Vielkanalanalysator, der jetzt seinerseits anfängt, Fortschaltimpulse nach Fig. 2 auszusenden und über die Datenleitung 43 Daten aufzunehmen.
  • Der Zähler 31 führt jetzt, ausgelöst von den an seinem Takteingang T liegenden Fortschaltimpulsen (Folgefrequenz auf 200 KIIz eingestellt), einen zweiten Zählzyklus der niedrigsten 10 Bit durch. Alle Adressen des RAN werden nochmals in derselben Reihenfolge wie vorhin angesprochen. Nach jedem Fortschaltimpuls erzeugt die zweite mono stabile Kippstufe 41 einen kurzen Impuls (z. B. 1 us) und das UND - Gatter 42 erzeugt auf der Datenleitung 43 eine 0 oder eine 1, je nach dem Inhalt der angesprochenen Speicherstelle des RAM 40.
  • Dadurch wird der Inhalt des RAM 40 auf den Vielkanalanalysator überschrieben.
  • Nach 1024 x 5 ps = 5,12 ms ist der zweite Zählzyklus der niedrigsten 10 Bit des Zählers 31 durchlaufen. Der Ausgang 11 springt wieder auf 0 und der Ausgang 12 auf 1. Dadurch wird das RS - Flipflop 32 und damit auch der gesamte Zähler 31 auf 0 zurückgesetzt. Die gesamte Schaltung nach Fig. 3 befindet sich wieder im Ausgangszustand. Für die beiden genannten Zählzyklen wurden etwa 5,3 ms verbraucht. Nach 10 ms startet die Frequenzteilerkette 23 den physikalischen Prozess und den beschriebenen Datenerfassungsvorgang neu.
  • Durch das beschriebene Vorsatzgerät ist also ein Vielkanalanalysator mit einer Kanalfortschaltzeit von 100 ns, also zehnmal schneller als bisher bekannt, realisiert. Das ganze Gerät ist gleichzeitig so einfach und so schnell9 weil der aus drei Vier - Bit - Zählern aufgebaute Zähler 31 drei verschiedene Aufgaben übernimmt: Erstens mit den zehn niedrigsten Bits die Adressenerzeugung für das RAM 40, zweitens mit dem niedrigsten Bit die Umschaltung der D - Flipflops 52, 53 in der Auffangschaltung 50 und drittens mit den zwei höchsten Bits die Umschaltung von Schreiben auf Lesen-und die Datenübertragung im Handshaking - Verfahren zum Vielkanalanalysator.
  • Im Gegensatz zum üblichen Vielkanalanalysator kann das erste Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 nur ein Teilchen pro Kanal erfassen, da ein D - Flipflop nur 1 Bit speichert. Mehrere Teilchen pro Kanal erfaßt das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 5. Außerdem wünscht man üblicherweise, die Kanalfortschaltzeit einstellen zu können. Das läßt sich bei beiden Ausführungsbeispielen durch eine Erweiterung des Impulsgebers erreichen: Anstelle des Taktfrequenzgenerators 21 wird ein bekannter Phasenregelkreis (PLL, Phase - locked loop) eingesetzt mit einem 1 MHz - Quarzoszillator, einem Phasenvergleicher mit Tiefpaß, einem auf 20 MHz schwingenden spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, Voltage - Controlled - Oscillator) und mit einer Frequenzteilerkette 20 : 10 : 5 : 1 MHz.
  • Der Phasenvergleich findet bei der geteilten Frequenz 1 MHz statt, während die Taktfrequenzleitung 22 durch einen Umschalter mit jeder der genannten, eventuell auch mit anderen einzusetzenden Teilerstufen verbunden werden kann. Dadurch lassen sich Teilfrequenzen zwischen 1 und 20 MHz realisieren, die Kanalfortschaltzeiten zwischen 1 ps und 50 ns ergeben.
  • Die Kanalfortschaltzeit 50 ns läßt sich beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 nur mit ausgesuchten Exemplaren des RAM CM 93425 erzielen, weil das NOR - Gatter 35 nur noch einen Schreib - Steuerungsimpuls ( Write - Enable - Pulse) von 25 ns Dauer liefert, während der Hersteller eine einwandfreie Funktion des RAM nur bei einer Mindestdauer des Schreib -Steuerungsimpulses von 30 ns garantiert. Auch die übrige Schaltung nach Fig. 1 ist bei der schnellsten möglichen Kanalfortschaltzeit von 50 ns nur noch bedingt funktionsfähig.
  • Zum Ausgleich von Gatterlaufzeiten sind an verschiedenen Stellen Verzögerungsglieder erforderlich. Ein Beispiel für die geschickte Anordnung von Gattern, die gleichzeitig als Verzögerungsglieder wirken, zeigt der Detailschaltplan einer Auffangschaltung nach Fig. 4.
  • Dem Takteingang T des Zählers 31 ist wieder der erste elektronische Umschalter 33 vorgeschaltet, der in bekannter Weise aus einem den Ausgang bildenden ODER - Gatter 331 und zwei die Eingänge bildenden UND - Gattern 332, 333 besteht. Je ein Eingang der UND - Gatter 332, 333 liegt am Ausgang 11 des Zählers 31, und zwar beim Gatter 333 direkt und beim Gatter 332 über einen Inverter 334. Der zweite Eingang des UND-Gatters 332 ist mit der Taktfrequenzleitung 22 und der zweite Eingang des UND - Gatters 333 mit der Fortschaltimpulsleitung 34 verbunden. Der Eingang der zweiten monostabilen Kippstufe 41 liegt nicht direkt an der Leitung 34 sondern am Ausgang des UND - Gatters 333.
  • An den Ausgang 1 des Zählers 31 sind der D - Eingang des ersten D - Flipflops 52 über ein als Treiber beschaltetes UND -Gatter 58 und der D - Eingang des zweiten D - Flipflops 53 über ein als Inverter 56 beschaltetes NAND - Gatter angeschlossen.
  • Weiterhin liegt am Ausgang 1 des Zählers 31 der Eingang des ersten Nadelimpulsformers 55, der gleichzeitig die Funktion des zweiten elektronischen Umschalters 54 nach Fig. 3 übernimmt, so daß seine beiden Ausgänge mit den Rücksetzeingängen R der D - Flipflops 52, 53 verbunden sind. Vor den Ausgängen liegen Treiber 551, 552, die gleich wie der Treiber 58 realisiert sein können.
  • Dem Treiber 551 ist ein NAND ¢ Gatter 553 und dem Treiber 552 ein ODER - Gatter 554 vorgeschaltet. Von den beiden Gattern 553, 554 liegt je ein erster Eingang direkt und ein zweiter Eingang über einen Inverter 555 am Ausgang 1 des Zählers 31.
  • Die Takteingänge der D ¢ Flipflops 52, 53 sind an den Ausgang eines NAND - Gatters 511 angeschlossen, das den Ausgang des Verstärkers 51 bildet. Die beiden Eingänge des NAND-Gatters 511 sind über Widerstände 512, 513 mit einer + 5V - Versorgungsleitung 514 verbunden. Außerdem ist der eine Eingang des NAND - Gatters direkt an eine TTL - Eingangsbuchse 515 und der andere Eingang über die Kollektor - Emitterstrecke eines in Basisschaltung betriebenen npn -Hochfrequenztransistors 516 und einen Widerstand 517 an eine NIM - Eingangsbuchse 518 angeschlossen0 An die invertierten Ausgänge der D - Flipflops 52, 53 schließt sich eine Abfrageschaltung 59 an, die eingangsseitig zwei Nadelimpulsformer enthält. Diese enthalten in bekannter Weise je ein NAND - Gatter 591 bzw. 592, dessen einer Eingang direkt und dessen anderer Eingang über einen Inverter 593 bzw. 594 an den Ausgang des zugehörigen D - Flipflops 52 bzw. 53 angeschlossen ist. An die beiden NAND - Gatter 591, 592 ist ein UND - Gatter 595 angeschlossen, dessen Ausgang auch den Ausgang der Abfrageschaltung 59 bildet und mit dem Setzeingang S eines zweiten RS - Flipflops 60 verbunden ist.
  • Das RS - Flipflop 60 besteht in bekannter Weise aus zwei über Kreuz rückgekoppelten NAND - Gattern 601, 602. Sein Rücksetzeingang R ist mit dem Ausgang eines UND - Gatters 61 verbunden, dessen Eingänge an die beiden Treiber 551, 552 im ersten Nadelimpulsformer 55 angeschlossen sind.
  • Die erste Verknüpfungsschaltung 35 ( nach Fig. 3 ein NOR -Gatter) ist in der Schaltung nach Fig. 4 als RS - Flipflop aus zwei NAND - Gattern 351, 352 ausgebildet. Sein Setzeingang S ist über rinnen Inverter 62 mit dem Ausgang des UND - Gatters 332 und sein Rücksetzeingang direkt mit dem Ausgang des UND -Gatters 61 verbunden.
  • Der Dateneingang DI des RAM 40 ist an den Ausgang des zweiten RS - Flipflops 60 und der Schreib - Lese - Steuerungseingang WE an den Ausgang der ersten Verknüpfungsschaltung 35 angeschlossen.
  • Die Funktionsweise der Auffangschaltung nach Fig. 4 ist grundsätzlich sehr ähnlich wie bei der Schaltung 50 nach Fig. 3.
  • Deshalb werden hier nur die zusätzlichen Einzelheiten erläutert. Durch die beiden Gatter 56 und 58 wird sichergestellt, daß die Signallaufzeiten zwischen dem Ausgang 1 des Zählers 31 und den beiden D - Flipflops exakt gleich lang sind. Dadurch kann es keine Uberlappung der beiden Aktivierungszeiten geben, wie das bei der Prinzipschaltung nach Fig. 3 möglich. ist.
  • Im Verstärker 51 liegt der Ausgang des NAND - Gatters 511 wegen der beiden Widerstände 512, 513 ständig auf logisch 0, es sei denn, daß entweder an der TTL - Eingangsbuchse 515 ein negativer TTL - Impuls oder an der NIM - Eingangsbuchse 510 ein negativer ìsIM - Impuls auftritt, der dann einen positiven Impuls am Ausgang des NAND - Gatters 511 erzeugt.
  • NIN ist eine spezielle Norm für schnelle Meßverstärker und Diskriminatoren. Die logische 1 wird durch einen Strom von - 14 mA, die 0 durch einen Strom 0 dargestellt. Der Strom von - 14 mA wird aus dem Emitter des Transistors 516 gezogen, der dadurch leitet, so daß sein Kollektor auf etwa 0 V zu liegen kommt. Der Transistor 516 wandelt also die NIM - Impulse in TTL - Impulse um. Er kann auch sehr schnelle Impulse von ungefähr 5 ns Dauer verarbeiten, weil er in Basisschaltung betrieben wird.
  • Beim ersten elektronischen Umschalter 33 läßt das UND - Gatter 332Taktimpulse von der Leitung 22 durch, solange der erste 10-Bit - Zählzyklus noch andauert, solange also der Ausgang 11 des Zählers 31 noch auf 0 liegt. Im zweiten Zählzyklus sperrt das UND - Gatter 332 und das UND - Gatter 333 läßt die Fortschaltimpulse von der Leitung 34 zum Takteingang T durch.
  • Im Nadelimpulsformer 55 haben das ODER - Gatter 554 und das NAND - Gatter 553 je einen Eingang auf 1 und einen auf 0. Deshalb liegen die Ausgänge beider Gatter auf 1. Wenn aber der Ausgang 1 des Zählers 31 von 1 auf 0 springt, dann liegen während der Gatterlaufzeit des Inverters 555, die einige ns beträgt, beide Eingänge des ODER - Gatters 554 auf 0, so daß auch sein Ausgang für diese einigen ns auf 0 springt. Dieser negative Nadelimpuls setzt das zweite D- Flipflop 53 zurück.
  • Umgekehrt erzeugt das NAND - Gatter 553 einen negativen Nadelimpuls, wenn der Ausgang 1 des Zählers 31 von 0 auf 1 springt.
  • Dann wird das erste D - Flipflop 52 zurückgesetzt.
  • Sowohl Rücksetz - als auch D - Eingänge der D - Flipflops 52, 53 werden vom Ausgang 1 des Zählers 31 gesteuert. Vor den Rücksetzeingängen R liegen aber in Serie mehrere Gatter mit entsprechenden Laufzeiten, so daß das Rücksetzen erst kurz nach dem Ansprechen des D - Eingangs erfolgt, also schon während der aktiven Zeit des D - Flipflops, die dadurch etwas verkürzt wird. Wie unten noch erklärt wird, ist bei einer Kanalfortschaltzeit von 50 ns der Vorgang der Ubertragung ins RAM 40 sehr kritisch bezüglich der zur Verfügung stehenden Zeit, so daß man den Rücksetzvorgang tatsächlich erst zu Beginn der der aktiven Zeit einleiten darf. Der Zeitverlust kann aber sehr gering gehalten werden, wenn man für die Gatter 56 und 58 normale TTL - Bausteine mit etwas größerer Laufzeit und für die Gatter 551 bis 555 Bausteine in Schottky - TTL - Technik mit sehr kleiner Laufzeit einsetzt.
  • Für die D - Flipflops 52, 53 ist auf jeden Fall die Schottky -TTL - Ausführung SN 74 S 74 zu verwenden.
  • Beim UND - Gatter 61 liegen normalerweise beide Eingänge auf 1. Nur wenn eines der Gatter 553, 554 einen negativen Nadelimpuls abgibt, dann geht auch der Ausgang des UND - Gatters 61 kurzzeitig auf 0 und setzt dann die beiden NAND - RS -Flipflops 35 und 60 zurück, also bei jedem Taktimpuls einmal.
  • Die beiden Nadelimpulsformer 591, 592 bzw. 593, 594 in der Abfrageschaltung 59 erkennen jeweils einen Ubergang von 0 auf 1, wie es oben beim NAND - Gatter 553 beschrieben ist. Dieser Ubergang findet beim Rücksetzen der D - Flipflops 52, 53 statt, aber nur, falls das betreffende D - Flipflop überhaupt infolge eines Taktinpulses, also infolge eines registrierten Teilchens gesetzt war. Auch hier überträgt das UND - Gatter 595 (wie oben das UND - Gatter 61) negative Nadelimpulse von beiden Nadelimpulsformern und setzt damit das zweite RS - Flipflop 60.
  • Das zweite RS - Flipflop 60 wird also um eine Gatterlaufzeit (UND - Gatter 61) nach den D - Flipflpps 52, 53 zurückgesetzt und noch zwei Gatterlaufzeiten später (Gatter 591, 595) wieder gesetzt, falls im betreffenden D - Flipflop ein Teilchen registriert war. Dadurch ist das zweite RS - Flipflop 60 länger gesetzt als das die Verknüpfungsschaltung 35 bildende Flipflop. Das fordert der Hersteller für das RAM, um eine einwandfreie Schreibfunktion zu gewährleisten.
  • Das Flipflop in der ersten Verknüpfungsschaltung wird mit jeder positiven, durch 62 invertierten, Taktimpulsflanke gesetzt und mehrere Gatterlaufzeiten (wegen der Laufzeiten im Zähler 31, im Nadelimpulsformer 55 und im UND - Gatter 61) nach der nächstfolgenden negativen Taktimpulsflanke zurückgesetzt. Dadurch erreicht man auch bei einer Taktfrequenz von 20 NfIz und damit einer Kanalfortschaltzeit von 50 ns, daß der Schreib - Steuerungsimpuls am Eingang WE des RAM 40 etwa 35 ns dauert. Den oben erläuterten Datenimpuls am Eingang DI des RAM 40 kann man auf 40 bis 45 ns einstellen.
  • Damit ist ein sicherer Schreibvorgang bei allen RAM -- Exemplaren gewährleistet.
  • Im Prinzipschaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 erkennt man den Zähler 31, den Verstärker 51 und das RAM 40, die auch in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt sind. An den Ausgang des Verstärkers 51 sind ein erstes und ein zweites UND - Gatter 71, 72 angeschlossen. Der jeweils zweite Eingang liegt beim ersten UND - Gatter 71 direkt und beim zweiten UND - Gatter 72 über einen Inverter 73 (der genau die Funktion des Inverters56 nach Fig. 3 übernimmt) am Ausgang 1 des Zählers 31.
  • An den Ausgang des ersten UND - Gatters 71 ist der Takteingang eines ersten Zwischenspeicherzählers 74 und an den Ausgang des zweiten UND - Gatters 72 der Takteingang eines zweiten Zwischenspeicherzählers 75 angeschlossew. Als Zwischenspeicherzähler 74, 75 sind beim Ausführungsbeispiel 4- Bit -Zähler SN 74 S 197 verwendet. Ihre Ausgänge sind mit Eingängen eines 4 - Bit - 1 aus 2 - Multiplexers (im Ausführungsbeispiel SN 74 S 157) verbunden, dessen Ausgang des Inverters 73 angeschlossen ist.
  • Die vier Ausgänge des Multiplexers 76 liegen an vier Dateneingängen DI des RAM 40. Das RAM 40 braucht hier also einen Speicherumfang von 4 x 2m Bit. Im zweiten Ausführungsbeispiel wurden dafür, um die schnelle Kanalfortschaltzeit von 50 ns beihalten zu können, 4 RAM des Typs MCM 93425 parallel geschaltet, wie das in Fig. 5 mit RAM 1 bis RAM 4 angedeutet ist. Die Datenausgänge des RAM 40 sind zu Dateneingängen eines Auslesezählers 77 geführt (im Ausführungsbeispiel SN74 191, beschaltet als Rückwärtszähler).
  • Der Ladeeingang L des Auslesezählers 77 ist mit der Fortschaltimpulsleitung 34 verbunden. Der mit der Datenübertragungsleitung 43 verbundene Ausgang des UND - Gatters 42 ist außerdem an den Takteingang des Auslesezählers angeschlossen.
  • Der erste Eingang des UND - Gatters 42 ist über einen Inverter 78 an den Minimalvertausgang MIN des Auslesezählers 77 angeschlossen, während der zweite Eingang an einer Auslesetaktleitung 79 liegt, die beim Ausführungsbeispiel eine Frequenz von 5 MHz führt. Eine solche Frequenz kann aus dem oben beschriebenen PLL - Impulsgeber entnommen werden, so daß keine zusätzlichen Schaltungsmaßnahmen erforderlich sind.
  • Die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 5 ist leicht zu verstehen, wenn man sich vergegenwärtigt, daß die beiden Zwischenspeicherzähler 74, 75 die Funktion der Flipflops 52, 53 und der Multiplexer 76 die Funktion des ODER - Gatters 57 übernehmen. Die Beschaltung des Schreib - Lese - Steuerungseingangs WE des RAM 40 kann nach Fig. 3 oder nach Fig. 4 vorgenommen werden.
  • In Abhängigkeit vom Signal am Ausgang 1 des Zählers 31 werden die Takteingänge der Zwischenspeicherzähler 74, 75 über die UND - Gatter 71, 72 abwechselnd zur Zählung von aus dem Verstärker 51 kommenden Impulsen, d. h. von Teilchen, freigegeben. Als 4 - Bit - Zähler können sie während einer Kanalfortschaltzeit bis zu 15 Teilchen zählen. Die Zählerstände werden über den Multiplexer 76,gesteuert vom Auswahleingang SE, abwechselnd parallel in das RAM 40 geschrieben, bis der erste m - Bit - Zählzyklus des Zählers 31 durchlaufen ist.
  • Dann kommen - wie bei Fig. 3 beschrieben - auf der Fortschaltimpulsleitung 34 vom Vielkapalanalysator die Fortschaltimpulse, die den zweiten m - Bit - Zählerzyklus des Zählers 31 verursachen. Mit jedem Fortschaltiinpuls wird der Inhalt der betreffenden Speicherzelle des RAM 40 parallel in den Auslesezähler 77 übernommen, weil der Ladeeingang L angesteuert wird.
  • Danach wird der Zwischenspeicherzähler 74 oder 75, der gerade seine Daten in das RAM 40 übertragen hat, zurückgesetzt. Das Rücksetzsignal kann gleich erzeugt werden, wie es in Fig. 3 oder Fig. 4 für die D - Flipflops 52,53 dargestellt ist.
  • Falls der Auslesezähler 77 auf eine von 0 verschiedene Zahl gesetzt wird, springt der Minimalwertausgang MIN auf logisch O und die Auslesetaktfrequenz gelangt über das UND - Gatter 42 an den Takteingang des Auslesezählers 77 und auf die Datenübertragungsleitung 43. Der Zähler 77 zählt jetzt von dem Stand, auf den er gesetzt wurde, bis auf 0, der Minimalwertausgang MIN springt dann wieder auf 1 und sperrt das UND - Gatter 42.
  • Dadurch gelangt genau die Zahl, auf die der Auslesezähler 77 gesetzt war, als Zahl serieller Impulse auf die Datenübertragungsleitung und zum Vielkanalanalysator. Die Auslesefrequenz von 5 MHz ist so gewählt, daß sie ausreicht, um maximal 15 Impulse innerhalb der Kanalfortschaltzeit des Vielkanalanalysators von z. B. 5 ps zu übertragen.
  • Im Grundprinzip wandelt also das zweite Ausführungsbeispel nach Fig. 5 die seriell und unregelmäßig vom Verstärker 51 kommende Impulsfolge mit den Zwischenspeicherzählern 74, 75 in eine Parallelzahl um, die gleich der mittleren Impulszahl (Teilchenzahl) pro Kanalfortschaltzeit ist und in dem 4 Bit breiten RAM 40 gespeichert wird. Danach wird mit dem Auslesezähler 77 wieder eine Parallel - Serien - Wandlung vorgenommen, so daß der Vielkanalanalysator die Impulszahl pro Kanalfortschaltzeit wieder seriell zugeführt bekommt, wie es nach Fig. 1 und Fig. 2 oben dargestelltist.
  • Ein grundsätzliches Problem des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 besteht darin, daß die aus dem Verstärker 51 kommenden Impulse nicht wesentlich kürzer als 5 ns gemacht werden dürfen. weil sonst die TTL - Gatter nicht mehr sicher ansprechen. Kämen die Impulse regelmäßig, so könnte man auch in der kürzesten Kanalfortschaltzeit von 50 ns noch 5 bis 8 Impulse zählen. Da die Impulse aber statistisch verteilt sind, kommt es zu Überschneidungen, die die Zähler 74, 75 nicht mehr als getrennte Taktimpulse erkennt.
  • In der Praxis kann man bei Kanalfortschaltzeiten von 50, 100 bzw. 200 ns Zählraten von 2, 4 bzw. 8 Teilchen je Kanal zulassen, ohne daß merkliche Fehler durch Impulskoinzidenzen auftreten. Aus diesem Grund ist es auch nicht sinnvoll, die Zwischenspeicherzähler 74, 75 für mehr als 4 Bit auszulegen.
  • Trotz diesem grundsätzlich zu beachtenden Problem kann man auch bei 50 ns Kanalfortschaltzeit die Zählrate gegenüber dem 1 - Bit - Zwischenspeicher (D - Flipflop) des ersten Ausführungsbeispiels verdoppeln und damit die gesamte meBzeit halbieren. Bei größeren Kanalfortschaltzeiten werden die Verhältnisse noch günstiger.
  • Beide Ausführungsbeispiele sind in TTL - Technik ausgeführt.
  • Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik lassen sich bei Einsatz der 1405 - Technik höher integrierte Bausteine verwenden, so daß der Schaltungsaufwand etwas geringer wird, allerdings auf Kosten der Kanalfortschaltzeit, die nicht unter 100 ns gedrückt werden kann. Umgekehrt kann man bei höherem Schaltungsaufwand in ECL - Technik Kanalfortschaltzeiten von 25 ns erreichen.
  • - Leerseite -

Claims (11)

  1. Vorsatzgerät für einen Vielkanalanalysator.
    P a t e n t a n s p r ü c h e : orsatzgerät für einen Vielkanalanalysator, der den zeitlichen Verlauf eines unter Teilchenemission ablaufenden, regelmäßig wiederholten physikalischen Prozesses dadurch erfaßt, daß er bei jeder Wiederholung die Zeit durch Fortschaltimpulse in einzeln numerierte Intervalle einteilt, die während jedes Intervalls emittierten Teilchen zählt und über alle iederholungen aufsummiert, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigsten m Bit eines mindestens m + 1 Bit umfassenden Zählers (31) an die Adresseneingänge eines n x 2m - Bit RAM (40) angeschlossen sind und daß das (m + 1)te Bit des Zählers (31) den Takteingang (T) des Zählers (31) und den Schreib - Lese - Steuerungseingang (WE) des RAM (40) derart steuert, daß bei jeder Wiederholung in einem ersten m - Bit - Zählzyklus eine eigene Taktfrequenz des Vorsatzgerätes gezählt und die Zahl der Teilchen für jedes Intervall in das RAM (40) geschrieben wird, während im zweiten m - Bit Zählzyklus die Fortschlatimpulse gestartet und gezählt sowie die die gespeicherten Zahlen aus dem RAM gelesen und in den Vielkanalanalysator übertragen werden.
  2. 2. Vorsatzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (m + 2) Bit umfaßt und daß das (m +2)te Bit das Vorsatzgerät in den Ausgangszustand zurücksetzt.
  3. 3. Vorsatzgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine an die eigene Taktfrequenz angeschlossene Frequenzteilerkette (23), die eine niederfrequente Impulsfolge zur Auslösung der Wiederholungen des physikalischen Prozesses abgibt.
  4. 4. Vorsatzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei vor den Dateneingang (DI) des RA,s (40) geschaltete Zwischenspeicher (52, 53), die, gesteuert vom niedrigsten Bit des Zählers (31), abwechselnd zur Erfassung von Teilchen aktiviert werden und während ihrer nichtaktiven Zeit Daten auf das RAM' (40) übertragen.
  5. 5. Vorsatzgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenspeicher Flipflops (52, 53) vorgesehen sind.
  6. 6. Vorsatzgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flipflops (52, 53) als D - Flipflops ausgebildet sind, deren D - Eingänge in Abhängigkeit vom niedrigsten Bit des Zählers (31) abwechselnd auf logisch 1 gelegt werden, und deren Takteingängen die von den Teilchen erzeugten Impulse zugeführt werden.
  7. 7. Vorsatzgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenspeicher zwei Zwischenspeicherzähler (74, 75) vorgesehen sind, deren Takteingängen über zwei vom niedrigsten Bit des Zählers (31) gesteuerte UND - Gatter (71, 72) die von den Teilchen erzeugten Impulse abwechselnd zugeführt werden.
  8. 8. Vorsatzgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen der Zwischenspeicherzähler (74, 75) und dem Dateneingang des RAM (40) ein vom niedrigsten Bit des Zählers (31) gesteuerter Multiplexer (76) vorgesehen ist.
  9. 9. Vorsatzgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des RAM (40) als Parallel-Serienwandler ein Auslesezähler (77) vorgesehen ist, dessen Ladeeingang (L) die Fortschaltimpulse des Vielkanalanalysators zugeführt werden.
  10. 10.Vorsatzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der eigenen Taktfrequenz des Vorsatzgerätes eine frequenzvervielfachende PLL - Schaltung vorgesehen ist.
  11. 11.Vorsatzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine dem Schreib - Lese - Steuerungseingang (WE) des RAM (40) vorgeschaltete Verknüpfungsschaltung (35), die als RS - Flipflop ausgebildet ist, das von der positiven und der negativen Flanke der eigenen Taktfrequenz des Vorsatzgerätes nach voneinander verschiedennen Gatterlaufzeiten gesetzt und wieder rückgesetzt wird.
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DE19647428A1 (de) * 1995-11-15 1997-06-12 Lab Molecular Biophotonics Lichtmessvorrichtung zur Quantifizierung von Photonen
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