DE69829769T2

DE69829769T2 - Zeitmessschaltung

Info

Publication number: DE69829769T2
Application number: DE69829769T
Authority: DE
Inventors: James Christopher LLOYD; John David CLARKE
Original assignee: University of Manchester
Current assignee: University of Manchester
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2018-10-17
Also published as: EP1023644A1; IL135642A0; WO1999021063A1; EP1023644B1; AU757820B2; CA2306689A1; ES2241167T3; AU9547798A; DE69829769D1; JP2001521156A; US6434211B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zeitmeßschaltung zur Zeitmessung einer Verzögerung zwischen Ereignissen. Die Erfindung eignet sich für die Analyse von Ankunftszeiten zwischen Ereignispaaren und zur Analyse und Speicherung von kontinuierlichen Datenströmen. Die Erfindung ist besonders geeignet für Photonenkorrelationsspektroskopiemessungen.
Die Analyse von Signalen, die in charakteristischer Weise variieren, kann durch verschiedene Verfahren ausgeführt werden, zu denen die folgenden gehören: digitale elektronische Echtzeit-Korrelation, Speicherung eines Signaldatenstromes (mit neuerer Analyse nach Hardware/software), Single-stop-Verfahren, Multistop-Verfahren, Torschaltungen und Fourier-Transformation des Signals.
Ein einfaches Verfahren zur Analyse eines Photonenstroms benutzt den Koinzidenznachweis, wobei zwei Detektoren angeordnet werden, um die Ankunft einer vorgegebenen festen Verzögerung nachzuweisen (Oliver C. J., 1973, Correlation Techniques, Photon Correlation and Light Beating Spectroscopy (Korrelationsverfahren, Photonenkorrelation und Lichtschwebungsspektroskopie), S. 41–74, Hrsg. Cummins H. Z., Pike E. R., Plenium Press NY, ISBN 0-306-35703-8). Dieses Verfahren erlaubt den Nachweis von Photonen mit einer Bandbreite in der Größenordnung von 1 GHz (Moreno F., Gonzalez F., Lopez R. J., Lavin A., 1988, Time-interval statistics through a Laplace tranform method in quasi-elastic light-scattering experiments for low-intensity levels (Zeitintervall-Statistik mittels Laplace-Transformation bei quasi-elastischen Lichtstreuungsexperimenten für niedrige Intensitätsniveaus), Opt. Soc. Am., Bd. 13, S. 637–639). Die Verzögerung zwischen Detektoren und die Intensität einer Quelle der Photonen müssen so eingestellt werden, daß eine vernachlässigbare Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß zwei Photonen mit einem Zeitabstand ankommen, der kleiner ist als die Verzögerungszeit zwischen den Detektoren. Dieses Verfahren ergibt effektiv einen Photonenkorrelationswert für eine einzelne Verzögerungszeit und erfordert langdauernde Experimente. Eine gewisse Verbesserung der Arbeitsgeschwindigkeit kann durch Verwendung von mehreren Kanälen erzielt werden, um ein Zeitintervall zwischen Photonenpaaren zu messen, obwohl dies zu einer Verzerrung der Korrelation führt.
Die durch Mehrkanal-Single-stop-Messungen eingebrachte Verzerrung kann durch Anwendung von Multistop-Techniken verringert werden, wodurch eine Anzahl gleichzeitig auftretender Photonen erfaßt werden kann. Die Datenerfassung ist besonders effektiv, wenn eine Aufzeichnungsperiode durch ein einfallendes Photon eingeleitet wird. Die Verzerrung von Daten wird nur beseitigt, wenn Gaußsche Lichtquellen verwendet werden.
Die Multistop-Vorrichtung enthält herkömmlicherweise Zeit-Amplitude-Wandler und Impulsspeichergeräte, die für ein sehr schnelles Ansprechen sorgen, aber teuer sind. Es sind Versuche unternommen worden, diese Komponenten durch normale Mikroprozessoren zu ersetzen. Es ist eine auf einem festverdrahteten Computer basierende Multistop-Vorrichtung hergestellt worden, welche die Speicherung von 3500 aufeinanderfolgenden Abtastintervallen vor der Analyse ermöglicht, allerdings mit einer auf 0,1 MHz begrenzten Abtastrate (Hallet F. R., Gray A. L., Rybakowski A., Hunt J. L., Stevens J. R., 1972, Photon correlation spectroscopy using a digital PDP-9 computer (Photonenkorrelationsspektroskopie unter Verwendung eines digitalen PDP-9-Computers), Canada J. of Phys., Bd. 50, S. 2368–2372). Eine spätere Version dieser Vorrichtung speicherte nur Ankunftszeiten unter Verwendung eines 8085er Prozessors und konnte mit 1 MHz betrieben werden (Subrahmanyam V. R., Devraj B., Chopra S., 1987, Microprocessor based photon correlator for intensity fluctuation studies (Mikroprozessorgestützter Photonenkorrelator für Intensitätsschwankungsuntersuchungen), J. Phys. E, Sci. Instru., Bd. 20, S. 340–343).
Ein wesentlicher Nachteil von Multistop- oder Single-stop-Zeitmeßschaltungen, wenn diese zur hochauflösenden Analyse eingesetzt werden, ist der Umfang der erzeugten Rohdaten. Nimmt man beispielsweise ein Signal von 10⁴ Ereignissen pro Sekunde und eine erforderliche Auflösung von 1 ns an, dann ist die mittlere Anzahl von Taktimpulsen zwischen Ereignissen gleich 10⁵. Selbst wenn Ereignisse mit Abständen von mehr als 2000 ns ignoriert werden, beträgt die Taktzyklusrate pro Sekunde 20 × 10⁶. Bei vielen Anwendungen liegen die Versuchsdauern im Bereich von 30 Sekunden bis zu einigen Minuten, und wegen des Umfangs der zu speichernden Daten und der Verarbeitungsleistung und/oder -zeit, die zur Verarbeitung von Ergebnissen erforderlich sind, entstehen wahrscheinlich Probleme. Diese Einschränkung wird durch Echtzeitkorrelations- und Impulsankunftsverteilungs-Analyseverfahren vermieden.
Korrelatoren zeichnen nicht die Zeit auf, die jeweils zwischen den Ereignissen einer Ereignisfolge verstrichen ist, sondern liefern statt dessen eine Aufzeichnung der Verteilung von Zeiten, die aufeinanderfolgende Ereignisse voneinander trennen. Dies erfolgt durch Definition einer Anzahl von Kanälen für verschiedene Trennzeiten, anschließend Inkrementieren eines an einem entsprechenden Kanal angeordneten Zählers, sobald ein Ereignis registriert wird, das von einem früheren Ereignis durch eine gegebene Zeit getrennt ist. Da Korrelatoren die Abfolge der Ereignisse nicht speichern, wird eine erhebliche Verringerung der zu speichernden Daten erreicht. Ein Nachteil von Korrelatoren ist, daß eine spätere erneute Analyse und/oder weitere digitale Signalverarbeitung der Ereignisfolge nicht möglich ist, da die Folge selbst nicht gespeichert wird.
Falls die Korrelation ein Signal mißt, das einen mit der Verzögerungszeit des Korrelators abnehmenden Gradienten ergibt (d. h. eine Exponentialgröße oder ein Gemisch von Exponentialgrößen, wie es oft bei Lichtstreuung der Fall ist), dann werden den Korrelatorkanälen gewöhnlich logarithmisch oder auf ähnliche Weise veränderliche Abstände zugeordnet (eine bequeme Implementierung in der Elektronik ist häufig, daß jeder Kanalabstand doppelt so groß wie der vorhergehende ist). Die Datenpunkte bei längeren Verzögerungszeiten weisen im allgemeinen größere relative Fehler auf und erhalten bei der Endanpassung eine geringere Gewichtung, obwohl alle Datenpunkte vor der Übertragung zu einem Kanal mit gleicher Auflösung gemessen werden.
Elektronische Echtzeit-Digitalkorrelatoren leiden unter erheblichen Nachteilen. All Teile der Schaltungsanordnung eines Korrelators müssen mit der kürzesten Korrelator-Verzögerungszeit betrieben werden, da an dem Datenstrom keine Datenkompression auftritt. Dadurch wird im allgemeinen eine Hochgeschwindigkeitskorrelation verteuert, und praktische Beschränkungen lassen darauf schließen, daß festverdrahtete elektronische Korrelatoren, die oberhalb 50 MHz arbeiten, für die meisten Anwendungen nicht wirtschaftlich machbar sind.
Bei der Initialisierung muß der Korrelator eine Datenprobe laden, die der Anzahl von Kanälen vor dem Rücksetzen der Akkumulatoren (die diese Informationen effektiv ablegen) äquivalent ist, um mit minimaler Verzerrung/minimalem Fehler zu arbeiten. Dies ist eine Beschränkung der Korrelatorgeschwindigkeit (um ein Rücksetzen der Akkumulatoren während einer einzigen Abtastzeit zuzulassen) sowie der endgültigen Länge des Korrelators und/oder der minimalen Versuchsdauer. Falls der Akkumulator nicht in einer einzigen Abtastzeit nach dem Vorfüllen zurückgesetzt wird, können signifikante Fehler oder systematische Fehler eingebracht werden, besonders für kurze Experimente und/oder Korrelatoren mit vielen Kanälen.
Ein Burst- bzw. Impulsfolgenkorrelator kann ermöglichen, daß pro Versuch nur Impulsankünfte innerhalb einer Anzahl von Verzögerungszeiten erfaßt werden, wobei die Anzahl der Verzögerungszeiten durch die Anzahl verfügbarer Kanäle bestimmt wird. Diese vereinfachte Anordnung ermöglicht die Herstellung schneller Korrelatoren, die mit Geschwindigkeiten von etwa 100 MHz arbeiten. Während Burstkorrelatoren nahezu in Echtzeit arbeiten, ist ein Mittelwert über viele Ergebnisse erforderlich, um eine einigermaßen genaue Messung durchzuführen. Burstkorrelatoren ermöglichen die Messung schneller Abklingvorgänge, die allerdings immer noch kostspielige Hardware erfordert, und ihre Arbeitsgeschwindigkeit wird grundsätzlich durch die Zeit begrenzt, die für auszuführende Multiplikations-/Additionsprozesse benötigt wird.
Burstkorrelatoren können erheblich unter dem oben diskutierten Vorfüllfehler leiden. Die Burstkorrelation ist hinsichtlich der Datenerfassung sehr ineffizient, da nach einer Anzahl von Abtastperioden, die der Anzahl der erfaßten Kanäle äquivalent ist, Daten ausgelesen werden müssen und der Korrelator zurückgesetzt werden muß.
Es ist ein auf Parallelverarbeitung mit Verwendung von Standard-Transputerplatinen basierender Korrelator entwickelt worden (Bruge, Biagio, Fornili, 1989, New photon correlator design based on transputer array concurrency (Neue Photonenkorrelatorkonstruktion, basierend auf dem Parallelbetrieb einer Transputeranordnung), Rev. Sci. Instrum., Bd. 60, Nr. 11, S. 3425), der ähnliche Betriebseigenschaften aufweist wie handelsübliche spezialisierte festverdrahtete Geräte. Die elektronische Echtzeit-Korrelation ist jedoch hinsichtlich der Geschwindigkeit und der Kosten immer noch begrenzt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obigen Nachteile zu überwinden oder weitgehend abzumildern und dadurch eine Vorrichtung bereitzustellen, die Zeitintervalle zwischen Impulsen auf effiziente Weise messen kann.
Erfindungsgemäß wird eine Zeitmeßschaltung zur Aufzeichnung der Dauer von Intervallen zwischen einer großen Anzahl von Ereignissen in einem Datenstrom bereitgestellt, die mindestens zwei Zeitmeßkanäle aufweist, die jeweils so eingerichtet sind, daß sie ein Signal erzeugen, das die zwischen Ereignissen verstrichene Zeit repräsentiert, wobei die Änderungsgeschwindigkeit des durch jeden Zeitmeßkanal erzeugten Signals mit zunehmender Intervalldauer variiert und die Zeitmeßkanäle so gestaltet sind, daß jedes Ereignis den Betrieb eines Zeitmeßkanals beendet und den Betrieb eines anderen Zeitmeßkanals einleitet.
In vielen Fällen ist die Zeitmeßschaltung vorzugsweise so konfiguriert, daß sich die Anstiegsgeschwindigkeit des Signals wie eine vorgegebene Reihe ändert, besonders wie eine im wesentlichen geometrische Reihe, obwohl für andere Anwendungen andere Verteilungen nützlich sein können. Der Begriff "im wesentlichen geometrische Reihe" soll Fälle einschließen, wo eine elektronische Schaltung eine Folge erzeugt, die nahezu geometrisch ist. Eine alternative Verteilung kann mittels einer vorprogrammierten Folge bereitgestellt werden, die nicht eine einzige einfache mathematische Funktion ist.
Mindestens einer von den Zeitmeßkanälen kann eine Taktimpulsquelle und einen Zähler aufweisen, wobei das Signal die Taktimpulse aufweist, die zwischen Ereignissen durch den Zähler akkumuliert bzw. aufsummiert werden.
Vorzugsweise wird die Anstiegsgeschwindigkeit des akkumulierten Zählwerts durch einen internen Zähler und eine Logikschaltung bestimmt, wobei die Logikschaltung durch den internen Zähler so programmiert wird, daß der akkumulierte Zählwert erhöht wird, wenn eine vorgegebene Anzahl von Zyklen eines linearen Taktgebers aufgetreten ist.
Mindestens einer der Zeitmeßkanäle kann ein Analogtaktgeber sein.
Der Analogtaktgeber weist vorzugsweise eine Ladungskomponente auf, die zwischen Ereignissen aufgeladen oder entladen wird, wobei die Ladungskomponente eine nichtlineare komplexe Eigenimpedanz aufweist.
Vorzugsweise weist die Zeitmeßschaltung ferner auf: einen Analog-Digital-Wandler zum Umwandeln eines an der Ladungskomponente anliegenden Analogsignals in ein Digitalsignal sowie eine Einrichtung zum Rücksetzen der Ladung an der Ladungskomponente nach dem Eintreffen eines Ereignisses.
Vorzugsweise ist die Ladungskomponente eine elektronische Komponente, die ein Ausgangssignal zu einem Komparator übermittelt, das eine an der Ladungskomponente abfallende Spannung oder eine in der Ladungskomponente akkumulierte Ladung aufweist.
Aufladen oder Entladen der Ladungskomponente können von einem nichtverschwindenden Anfangswert aus begonnen werden, wobei der Anfangswert so gewählt wird, daß eine erforderliche Lade- oder Entladeänderungsgeschwindigkeit bereitgestellt wird.
Die komplexe Impedanz kann durch Umschalten zwischen Kombinationen von Ladekomponenten ausgewählt werden.
Vorzugsweise ist die Ladungskomponente eine im wesentlichen kapazitive Schaltung.
Das Laden oder Entladen der Ladungskomponente kann durch optische Anregung ausgelöst werden.
Die Ladungskomponente kann einen oder mehrere optische Halbleiterdetektoren aufweisen, die durch Überfüllen des einen oder der mehreren Detektoren eine Nichtlinearitätsfunktion bereitstellen.
Vorzugsweise weist die Zeitmeßschaltung mehrere Zeitmeßkanäle auf, die so eingerichtet sind, daß sie in einer vorgegebenen Reihenfolge arbeiten, wobei jedes Ereignis den Betrieb eines Kanals beendet und den Betrieb des nächsten Kanals in der Reihenfolge startet.
Vorzugsweise ist die Schaltung so konfiguriert, daß ein erfaßtes Ereignis bewirkt, daß der Inhalt des Kanals, dessen Betrieb beendet werden soll, zu einer Speicherschaltung übertragen wird, während die Erzeugung eines Taktsignals durch den nächsten Kanal ausgelöst wird. Diese Anordnung reduziert die Auswirkung der 'Totzeit', während der ein Kanal zurückgesetzt wird.
Zur Aufzeichnung von Verzögerungen zwischen aufeinanderfolgenden Ereignissen kann eine Speichereinrichtung vorgesehen werden, wobei die Speichereinrichtung einen ersten Speicher und einen zweiten Speicher aufweist, wobei Daten in dem ersten Speicher erfaßt werden, bevor sie zu dem zweiten Speicher übertragen werden. Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn die Auslesegeschwindigkeit eines gespeicherten Impulsstroms im Vergleich zur Geschwindigkeit der aufzuzeichnenden Ereignisse niedrig ist, da der Inhalt eines Kanals schnell zum ersten Speicher übertragen werden kann, wodurch das Rücksetzen und der schnelle Neustart dieses Kanals ermöglicht werden. Die Daten können dann nach dem Neustart des Kanals zu dem zweiten Speicher übertragen werden. Die erste und die zweite Speichereinrichtung sind außerdem nützlich, wenn eine weitere Signalverarbeitung erforderlich ist, die nicht mit der Ereignisgeschwindigkeit erfolgen kann, da Daten im ersten Speicher gehalten und dann über irgendeine erforderliche Signalverarbeitungsvorrichtung zum zweiten Speicher übertragen werden können.
Die zweite Speicherschaltung kann eine FIFO-Pufferspeicherschaltung sein.
Die Schaltung kann zwei Detektoren zum Erfassen von Ereignissen im Datenstrom aufweisen, wobei die Detektoren so eingerichtet sind, daß ein an einem ersten Detektor eintreffendes Ereignis den Betrieb eines ersten Zeitmeßkanals beendet und den Betrieb eines zweiten Zeitmeßkanals einleitet, und daß ein nachfolgendes, an einem zweiten Detektor eintreffendes Ereignis den Betrieb des zweiten Zeitmeßkanals beendet und den Betrieb des ersten Zeitmeßkanals oder eines dritten Zeitmeßkanals einleitet.
Die zwei Detektoren zur Erfassung von Ereignissen in dem Datenstrom können unterschiedliche charakteristische Rauschsignaturen aufweisen, so daß eine Kreuzkorrelation der Detektoren eine charakteristische Rauschsignatur erzeugt, die erheblich unter derjenigen der Autokorrelation des einen oder des anderen Detektors liegt.
Die zwei Detektoren können auf unterschiedlichen physikalischen Erfassungsphänomenen basieren, so daß eine etwaige Ähnlichkeit in den charakteristischen Rauschsignaturen der Detektoren minimiert wird. Die beiden Detektoren weisen vorzugsweise eine Photonenvervielfacherröhre und einen Halbleiterdetektor auf. Der Halbleiterdetektor kann beispielsweise eine Lawinenphotodiode oder eine PIN-Diode sein.
Vorzugsweise kann eine Temperatur des Halbleiterdetektors unabhängig von der Temperatur der Photonenvervielfacherröhre modifiziert werden, um die charakteristische Rauschsignatur des Halbleiterdetektors zu modifizieren und dadurch die Differenz zwischen der charakteristischen Rauschsignatur des Halbleiterdetektors und der charakteristischen Rauschsignatur der Photonenvervielfacherröhre zu erhöhen.
Vorzugsweise ist die Schaltung mit einer Einrichtung zum Erhalten einer Messung versehen, die eine Korrelation einer Anregungssignalverteilung mit einer Verteilung von erfaßten Ereignissen aufweist, die von einer Stichprobe durch die Anregung ausgelöst werden. Die Korrelation wird vorzugsweise in Echtzeit ausgeführt. Die Schaltung kann außerdem mit einer Einrichtung zum Erzeugen von Impulsankunftsverteilungen, Fourier-Transformierten oder zur Bereitstellung einer digitalen Filterung ausgestattet werden.
Vorzugsweise sind die Ereignisse, deren Abstand durch die Zeitmeßschaltung gemessen wird, Photonen, die durch eine geeignete Detektoreinrichtung erfaßt werden. Die erfaßten Photonen können von einer einzigen Quelle oder von mehreren Quellen herrühren.
Falls zeitlich zu messende Ereignisse nicht durch Einzelbits (1 oder 0) dargestellt werden, kann die Zeitmeßschaltung in Verbindung mit einem Komparator implementiert werden, um ein erfaßtes Ereignis zu bestimmen.
Falls zeitlich zu messende Ereignisse nicht durch Einzelbits (1 oder 0) dargestellt werden, kann die Zeitmeßschaltung in Verbindung mit einer Analog-Digital-Wandlerschaltung implementiert werden, die es ermöglicht, Attribute eines Ereignisses (zum Beispiel die Impulshöhe) in Verbindung mit der Zeitmessung des Ereignisses zu speichern.
Die Schaltung kann so konfiguriert werden, daß sie die Zeitdauer von Impulsen mißt, wobei ein Anfangsteil einer ansteigenden Flanke eines Impulses als erstes Ereignis und ein Endteil einer abfallenden Flanke des Impulses als zweites Ereignis behandelt werden.
Falls die Impulsdauer im Gegensatz zur Impulsankunftszeit gemessen werden muß, kann die Zeitmeßschaltung direkt für die Messung der Impulsdauer verdrahtet werden, oder alternativ kann das Signal invertiert werden. Vorzugsweise wäre eine Inversionsschaltung ein integrierender Bestandteil der Zeitmeßschaltung, wodurch eine schnelle Umschaltung zwischen der Messung von Impulsdauern und der Messung von Impulsankunftszeiten ermöglicht wird.
Falls Informationen in einem anderen Kennwert eines Impulses enthalten sind, wie z. B. in der Höhe, der Fläche oder dem Gradienten, ermöglicht die Umwandlung des Kennwerts in eine Impulsdauer die Messung des Kennwerts durch die Zeitmeßschaltung.
Die Schaltung kann so konfiguriert werden, daß sie statt der zwischen Ereignissen verstrichenen Zeit die Anzahl von Ereignissen mißt, die innerhalb einer bestimmten Zeit auftreten.
Ein Auslöser bzw. Trigger von einer externen Quelle kann so eingerichtet werden, daß er den Betrieb der Schaltung auslöst. Alternativ kann ein Trigger von einer externen Quelle so eingerichtet werden, daß der den Betrieb der Schaltung aktiviert, aber nicht auslöst.
Mindestens einer der Zeitmeßkanäle kann einen linearen Taktgeber aufweisen, der über einen internen Zähler mit einem Eingang eines Multiplexers verbunden ist, wobei der Multiplexer Ausgänge aufweist, die mit einer Reihe von Akkumulatoren verbunden sind, von denen nur einer als Ergebnis eines überwachten Intervalls inkrementiert wird, wobei die Intervallzeit, die benötigt wird, um eine Inkrementierung eines zweiten Akkumulators eines Paares von aufeinanderfolgenden Akkumulatoren zu bewirken, größer ist als das Intervall, das benötigt wird, um eine Inkrementierung des ersten Akkumulators des Paares herbeizuführen. Der interne Zähler kann eine Zählerkaskade aufweisen.
Die Schaltung kann so konfiguriert werden, daß ein Ereignis die Akkumulation von Ladung von einem Detektor aufweist, bis die Ladung größer ist als ein vorgegebener Wert, wonach der Betrieb eines Zeitmeßkanals beendet und der Betrieb eines anderen Zeitmeßkanals eingeleitet wird. In dieser Anordnung kann ein an dem Detektor eintreffendes Signal analog oder digital sein.
Die beschriebene Zeitmeßschaltung kann unter Verwendung herkömmlicher elektronischer Schaltungen mit einer Auflösung in der Größenordnung von Nanosekunden betrieben werden. Zu bemerken ist, daß andere als elektronische Medien, wie z. B. Licht, zur Herstellung einer schnelleren Zeitmeßschaltung verwendet werden könnten.
Zu beachten ist, daß für die Korrelation optischer Signale die Verwendung des optischen Mediums (im Gegensatz zum elektronischen Medium) für logische Operationen vorzuziehen wäre. Dies würde die Notwendigkeit eines Detektors beseitigen und eine weitere Integration ermöglichen.
Zur Darstellung eines Zeitabstands zwischen Ereignissen während der Messung der Zeitabstände zwischen Ereignissen kann ein Echtzeit-Sichtgerät verwendet werden.
Die bei herkömmlichen Korrelatoren übliche systematische Abweichung bei der Initialisierung ist höchstens auf die erste gespeicherte Verzögerung beschränkt (die entfernt werden kann, wenn eine Impulsspeicherung erfolgt), da kein Bedarf für ein Vorfüllen besteht, wie das bei der Korrelation der Fall ist.
Bei bestimmten Anwendungen, zum Beispiel für den Nachweis von Impulsfluoreszenz, kann ein Trigger mit einer Quelle verbunden werden, wodurch ermöglicht wird, daß die Zeitmeßschaltung nur zu bestimmten ausgewählten Zeiten in Bezug auf die Konfiguration einer Fluoreszenzquelle arbeitet.
Bei bestimmten Anwendungen ist es unter Umständen vorzuziehen, den Betrieb der Zeitmeßschaltung mit Hilfe eines Signals auszulösen, das sich von dem zu zählenden Signal unterscheidet.
Um ein Zurücksetzen der Zeitmeßschaltung nach dem Füllen der Speichereinrichtung zu verzögern, kann eine voreingestellte Verzögerung oder eine Zeit bis zu einer separaten externen Neuauslösung benutzt werden.
Zu beachten ist, daß die Zeitmeßschaltung angepaßt (oder mit einem geeigneten Multiplexer ausgestattet) werden könnte, um eine nichtlineare Zählung der Anzahl von Ereignissen zu ermöglichen, die innerhalb einer festen Zeitspanne auftreten.
Es gibt zwei unterschiedliche Implementierungen der Erfindung: diejenige, bei der ein Datenstrom gemessen und gespeichert wird, der den Abstand einer Reihe von Ereignissen darstellt, und diejenige, bei der die Impulsankunftsverteilung gespeichert wird (d. h, äquivalent einem Korrelator). Im letzteren Fall kann die eigentliche Zeitmessung auf lineare Weise durch einen Zähler erfolgen und in eine nichtlineare Form umgewandelt werden, indem nur das höchstwertige Bit der Zahl gespeichert wird, welche die Ankunftszeit des Impulses repräsentiert.
Der Zähler kann eine einzelne elektronische Zähleinrichtung oder eine Kaskade von Zähleinrichtungen sein.
Die Erfindung kann ganz oder teilweise als Computerprogramm implementiert werden, derart, daß ein Computer für die Ausführung der Erfindung konfiguriert wird. Falls zumindest ein Teil der Erfindung in Hardware implementiert wird, kann diese eine optische Komponente aufweisen.
Nachstehend werden konkrete Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kanals einer Zeitmeßschaltung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Kanals einer Zeitmeßschaltung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zeitmeßschaltung;
4 eine schematische Darstellung eines Kanals einer Zeitmeßschaltung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Kanals einer Zeitmeßschaltung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines Kanals einer Zeitmeßschaltung nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines Kanals einer Zeitmeßschaltung nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung einer Signalaufbereitungsvorstufe einer erfindungsgemäßen Zeitmeßschaltung; und
9 ein Ausgangssignal, das von einer erfindungsgemäßen Zeitmeßschaltung bereitgestellt wird.
1 zeigt einen Kanal einer Zeitmeßschaltung, die sich zur Verwendung in Verbindung mit der Speicherung eines Datenstroms eignet, der eine Serie von Ereignissen aufweist, die durch eine variable Verzögerung voneinander getrennt sind.
In 1 weist ein Kanal einer Zeitmeßschaltung auf: einen Taktgeber 1, einen Ausgangszähler 2, ein 'N-Dividierchip' 3, einen Taktzähler 4 und eine Flip-Flop-Schaltung 5. Der Taktgeber 1 durchläuft ständig einen Zyklus mit vorgegebener Geschwindigkeit. Der N-Dividierchip erzeugt als Reaktion auf mehrere durch den Taktgeber 1 erzeugte Impulse einen einzelnen Ausgangsimpuls. Die Anzahl der Taktimpulse, die zur Auslösung eines Ausgangsimpulses von dem N-Dividierchip 3 erforderlich sind, wächst mit jedem Ausgangsimpuls vom Chip 3 wie die geometrische Reihe 1, 2, 4, 8, 16, 32, ... . Der Taktzähler 4 hat die Funktion, die Anzahl der Taktimpulse zu inkrementieren, die vom N-Dividierchip 3 benötigt werden, bevor dieser einen Ausgangsimpuls erzeugt. Den Taktzähler 4 kann man sich so vorstellen, daß er einen Nennerwert für einen im N-Dividierchip 3 aufgezeichneten Bruch liefert, wobei der Chip 3 einen Zählerwert aufzeichnet, welcher der Anzahl der vom Taktgeber 1 erzeugten Taktimpulse entspricht. Ein Ausgangssignal vom N-Dividierchip 3 wird jedesmal dann erzeugt, wenn der Zähler und der Nenner einander gleich sind.
Ein Ereignis an einem Eingang zum Flip-Flop veranlaßt eine Zustandsänderung des Flip-Flops; zum Beispiel schaltet ein erster Ausgang 6 des Flip-Flops 5 auf H, und ein zweiter Ausgang 7 schaltet auf L. Dies ermöglicht, daß der Ausgangszähler 2 und der Taktzähler 4 Impulse vom Taktgeber zu zählen beginnen. Da der N-Dividierchip 3 zurückgesetzt worden ist, wird der erste Impuls vom Taktgeber 1 effektiv durch eins dividiert. Der N-Dividierchip 3 erzeugt einen Ausgangsimpuls, der eine Inkrementierung sowohl des Ausgangszählers 2 als auch des Taktzählers 4 bewirkt.
Im Anschluß an die erste Inkrementierung des N-Dividierchips 3 programmiert der Taktzähler 4 einen Nennerwert von zwei in den N-Dividierchip 3. Es werden zwei Zyklen des Taktgebers 1 benötigt, um eine Ausgabe aus dem N-Dividierchip 3 herbeizuführen, die durch den Ausgangszähler 2 und den Taktzähler 4 als zweiter Impuls aufgezeichnet wird. Im Anschluß an die zweite Inkrementierung des N-Dividierchips 3 programmiert der Taktzähler einen Nennerwert von vier in den N-Dividierchip 3. Auf diese Weise repräsentiert jede Inkrementierung des Ausgangszählers 2 eine verstrichene Zeit, die doppelt so groß ist wie die zwischen vorhergehenden Inkrementierungen verstrichene Zeit.
Ein späteres Ereignis am Eingang zum Flip-Flop 5 bewirkt, daß der erste Ausgang 6 auf L und der zweite Ausgang 7 auf H schaltet. Der Inhalt des Ausgangszählers 2 wird irgendeine Speichereinrichtung übertragen, zum Beispiel in einen Computerspeicher, und der Ausgangszähler 2 und der Taktzähler 4 werden dann zurückgesetzt. Eine Verzögerungsschaltung 8, die durch eine Flankenerkennungsschaltung 9 getriggert wird, sperrt die Zähler 2, 4, bis sie zurückgesetzt worden sind, wonach das Meßverfahren von neuem beginnt.
Bei hoher Taktgeschwindigkeit des Taktgebers 1 reicht die Zeit zwischen Taktzyklen nicht aus, damit der Taktzähler 4 den N-Dividierchip 3 zurücksetzt. Wenn dies der Fall ist, wird ein auf das Rücksetzen folgender Anfangstaktzyklus nicht durch die Schaltung aufgezeichnet. Diese Beschränkung läßt sich überwinden, indem ein N-Dividierchip 3 bereitgestellt wird, der so eingerichtet ist, daß er nach einem anderen Taktraster arbeitet, zum Beispiel 2, 3, 5, 9, 17, ...
Zu beachten ist, daß erfaßte Ereignisse nicht selbst gezählt werden, sondern als die Start- und Stopimpulse für Zähler wirken, die auf der Basis des Taktgebers 1 ein Signal akkumulieren.
Die beschriebene Schaltung eignet sich besonders gut für die Photonenkorrelation, da Folgen wie z. B. 1, 2, 4, 8, 16, 64 oft für Grundlinienmessungen mit einer minimalen Anzahl von Kanälen benutzt werden.
2 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform eines Kanals einer erfindungsgemäßen Zeitmeßschaltung. Die Schaltung weist einen Chip auf, der mit einer Gruppe von Verzögerungsleitungen 10 ausgestattet ist, die jeweils über ein logisches ODER-Gatter 11 mit einem Zähler 12 verbunden sind. Ein Ereignis an einem Eingang zu der Schaltung wird in jede der Verzögerungsleitungen eingegeben. Eine erste Verzögerungsleitung überträgt einen Impuls zu dem ODER-Gatter nach einer Verzögerung von 2,5 (willkürlichen Einheiten) und bewirkt eine Inkrementierung des Zählers 12. Eine zweite Verzögerungsleitung überträgt einen Impuls zum ODER-Gatter nach einer Verzögerung von 5,0 (willkürlichen Einheiten) und bewirkt eine zweite Inkrementierung des Zählers 12, wobei eine dritte Inkrementierung nach einer Verzögerung von 7,5 auftritt usw. Ein nachfolgendes Ereignis am Eingang zur Schaltung modifiziert den Zustand eines Flip-Flops 13, das die nachfolgende Inkrementierung des Zählers 12 deaktiviert. Der Inhalt des Zählers 12 wird dann zu einer Speichereinrichtung übertragen.
Ein in 2 dargestellter zweiter Chip mit einer zweiten Gruppe von Verzögerungsleitungen 14 kann benutzt werden, um einen alternativen Satz von Verzögerungszeiten bereitzustellen, indem der mit der ersten Gruppe von Verzögerungsleitungen 10 verbundene Eingang gesperrt und der mit der zweiten Gruppe 14 verbundene Eingang freigegeben wird. Dies ermöglicht es, die Auflösung des Kanals zu ändern.
Eine Beschränkung der dargestellten Ausführungsform des Kanals ist, daß die Gruppen von Verzögerungsleitungen 10, 14 nach dem Sperren des Zählers 12 weiter funktionieren. Dies bedeutet, daß die Schaltung erst dann zurückgesetzt wird, wenn die Verzögerungsleitungen 10, 14 jeden Verzögerungswert durchlaufen haben. Dieses Problem könnte überwunden werden, indem eine Rücksetzfunktion in die Verzögerungsleitungen eingeführt wird, entweder direkt oder durch Trennen der Stromversorgung von der gesamten Schaltung. Alternativ könnte eine große Anzahl von Verzögerungsleitungsgruppen mit dem gleichen Satz von Verzögerungen so eingerichtet werden, daß jedes Eingangsereignis den Betrieb einer neuen Gruppe auslöst.
Obwohl die Gruppen von Verzögerungsleitungen 10, 14 Verzögerungsleitungen enthalten, die in einer linearen Folge angeordnet sind, ist es eine einfache Sache, sie durch eine nichtlineare Folge von Verzögerungsleitungen auszutauschen.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Zweikanalspeicherschaltung. Ausgezogene Linien in 3 kennzeichnen einen ersten Kanal der Schaltung, und gestrichelte Linien kennzeichnen einen zweiten Kanal der Schaltung. Nachstehend wird die Funktionsweise der in 3 dargestellten Schaltung beschrieben.
Ein durch eine Erkennungselektronik (nicht dargestellt) erfaßtes Ereignis bewirkt, daß ein Signal zu einem Eingang 15 der Schaltung übertragen wird. Das Signal kann durch ein NICHT-Gatter 16 oder eine andere Schaltung invertiert werden. Das Eingangssignal wird die Konfiguration einer Flip-Flop-Schaltung modifizieren, was in dem in 3 dargestellten Beispiel dazu führt, daß ein erster Ausgang 18 des Flip-Flops 17 auf H schaltet und ein zweiter Ausgang 19 des Flip-Flops 17 auf L schaltet.
Wenn der erste Ausgang 18 des Flip-Flops 17 auf H steht, beginnt ein erster nichtlinearer Taktgeber 20 (wie zum Beispiel in Verbindung mit den 1 und 2 beschrieben), Taktimpulse zu erzeugen. Die Taktimpulse werden durch einen ersten Zähler 21 akkumuliert bzw. aufsummiert.
Gleichzeitig mit dem Beginn der Erzeugung von Taktimpulsen durch den ersten nichtlinearen Taktgeber 20 hört ein zweiter nichtlinearer Taktgeber 22 mit der Zählung auf und wird zurückgesetzt. Ein in einem zweiten Zähler 23 gespeicherter Wert, welcher der Anzahl der durch den zweiten Taktgeber 22 emittierten Taktimpulse entspricht, wird in eine erste Durchlaufspeicherschaltung 24 (FIFO-Speicher) eingelesen, aus der sie in einen Computerspeicher eingelesen wird. Eine Verzögerungsschaltung 25 gewährleistet, daß sich der zweite Zähler 23 stabilisiert hat, bevor sein Inhalt zu dem FIFO-Speicher 24 übertragen wird. Eine weitere Verzögerungsschaltung 26 kann verwendet werden, um sicherzustellen, daß der FIFO-Speicher 24 nicht versucht, Daten zu dem Computerspeicher zu übertragen, bis eine vorgegebene Zeit seit der vorhergehenden Übertragung vom FIFO-Speicher 24 abgelaufen ist oder ein Signal vom Computer empfangen wird, das anzeigt, daß dieser zum Empfang von Daten bereit ist. Ein alternatives Verfahren zur Erzeugung einer Verzögerung zwischen Datenübertragungen vom FIFO-Speicher 24 ist die Verwendung eines UND-Gatters 27, das mit einem geeigneten Taktgeber 28 verbunden ist.
Der FIFO-Speicher 24 wird zurückgesetzt, nachdem er den Inhalt des zweiten Zählers 23 gelesen hat. In die Rücksetzung kann eine Verzögerung (nicht dargestellt) eingebaut werden, um sicherzustellen, daß sich der FIFO-Speicher 24 stabilisiert hat, bevor er zurückgesetzt wird.
Durch die Erfassung eines nachfolgenden Ereignisses durch die Erkennungselektronik (nicht dargestellt) wird ein zweites Eingangssignal erzeugt, das bewirkt, daß der zweite nichtlineare Taktgeber 22 und der zweite Zähler 23 aktiviert werden, während der erste nichtlineare Taktgeber 20 deaktiviert wird und der Inhalt des ersten Zählers 21 zu einem ersten FIFO-Speicher 29 und weiter zu dem Computerspeicher übertragen wird.
Beim Auslesen können die FIFO-Speicher 24, 29 Daten vor deren Übertragung in den Computerspeicher zu geeigneten Logikfiltern oder anderen Schaltungen 30 übermitteln.
Man wird erkennen, daß die Verwendung von zwei Kanälen, jeweils mit einem separaten linearen Taktgeber 20, 22, die Messung von sehr kurzen Zeitverzögerungen zwischen zwei benachbarten Ereignissen ermöglicht. Wenn nur ein einziger Taktgeber benutzt würde, dann wäre die Verzögerung, die zum Lesen des Inhalts eines Zählers und zu dessen Rücksetzung erforderlich ist, eine "Totzeit", während der keine Erfassung von Ereignissen stattfinden könnte. Dagegen wird durch Verwendung von zwei Kanälen die auflösbare Zeitverzögerung zwischen zwei benachbarten Ereignissen durch die Ansprechzeit des Detektors (nicht dargestellt) und die Schaltgeschwindigkeit des Flip-Flops 17 zwischen den Ausgängen 18, 19 begrenzt. Die Bandbreite der Erkennungselektronik (nicht dargestellt) kann so eingestellt werden, daß sie gleich der Schaltgeschwindigkeit des Flip-Flops 17 ist, um sicherzustellen, daß die zwei Ereignisse nicht während einer Zeitspanne erfaßt werden können, die kürzer ist als die Auflösung der Speicherschaltung.
Die Vorrichtung ist insofern beschränkt, als ein drittes Ereignis, das sehr schnell nach den beiden benachbarten Ereignissen eintrifft, nicht erfaßt wird, da keiner der beiden Kanäle rekonfiguriert worden ist. Der Schaltung von 3 können mehr Kanäle hinzugefügt werden, um die Erfassung einer eng beabstandeten Serie von drei oder mehr Ereignissen zu ermöglichen. Wenn nur zwei Kanäle verwendet werden, kann ein taktgesteuertes Additionsfreigabesignal (nicht dargestellt) an dem Flip-Flop 17 eingeführt werden, um sicherzustellen, daß ein drittes Ereignis kein Umschalten des Flip-Flops 17 bewirkt, bevor ein Kanal zurückgesetzt wird und bereit zur Aufzeichnung eines Ereignisses ist. Die Additionsfreigabe könnte durch eine Verzögerung und einen Zwischenspeicher von dem Flip-Flop 17 zu einem letzten Kanal 18, 19 aktiviert werden. Falls der Speicherpuffer erheblich niedriger ist als der Betrieb der Schaltung, könnte der Ausgang von jedem Kanal zum Puffer auch zu mehreren parallelen Puffern multiplexiert werden.
Zu beachten ist, daß in vielen Situationen die Impulsankunftsverteilung gemäß einer Poisson-Verteilung, Bose-Einstein-Verteilung oder ähnlichen gut verstandenen Modellen modelliert werden kann. Es ist zwar unter Umständen wichtig, daß irgend zwei Photonen mit hoher Zeitauflösung voneinander unterschieden werden können, aber die Wahrscheinlichkeit von mehreren Photonen innerhalb einer kurzen Verzögerung nimmt mit der Photonenzahl erheblich ab. Daher kann ein System, das zwei Photonen mit einer Auflösung N auflösen kann, aber eine Totzeit von (beispielsweise) 10 N vor dem dritten Photon aufweist, von erheblichem Nutzen sein.
Die Erfindung eignet sich besonders gut für die Messung spärlicher Daten. Wenn die mittlere Ankunftsrate von Daten, die durch eine Detektionseinrichtung erfaßt werden sollen, kleiner ist als die Abtastrate der Detektionseinrichtung, werden die Daten als spärlich bezeichnet. In vielen Fällen kann die Differenz zwischen der Abtastrate und der Datenankunftsrate viele Größenordnungen betragen. Spärliche Daten sind auf herkömmliche Weise schwer zu speichern und/oder zu analysieren, da die überwältigende Mehrheit der Daten wenig oder gar keine Information enthält (d. h. das Signal kann zu 99,99% aus Nullen bestehen) und die herkömmliche Speicherung solcher Daten besonders unwirtschaftlich ist.
Die erfindungsgemäße Zeitmeßschaltung ist mit zwei, drei, vier oder mehr Kanälen ausgestattet, je nach der Verteilung der zu erfassenden Daten. Falls zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit für das Eintreffen von zwei Photonen innerhalb einer Kanalrücksetzperiode klein und die Wahrscheinlichkeit für das Eintreffen von drei Photonen innerhalb einer Kanalrücksetzperiode verschwindend klein ist, dann ist eine erfindungsgemäße Zeitmeßschaltung mit zwei Kanälen erforderlich. Wenn die Wahrscheinlichkeit für das Eintreffen von drei Photonen innerhalb einer Kanalrücksetzperiode signifikant ist, dann sollte eine erfindungsgemäße Zeitmeßschaltung mit drei Kanälen benutzt werden, und so weiter.
Zu beachten ist, daß durch Verwendung einer Zeitmeßschaltung mit mehr als der notwendigen Anzahl von Kanälen kein Leistungsverlust entsteht. Falls beispielsweise eine Zeitmeßschaltung mit zwei Kanälen erforderlich ist, funktioniert eine Zeitmeßschaltung mit vier Kanälen ebenso gut. Der einzige Nachteil ist die zusätzliche Komplexität und daher die zusätzlichen Kosten der Vierkanalschaltung gegenüber der Zweikanalschaltung.
Da die Erfindung eine nichtlineare Zeitmessung von Ereignissen bietet, ist die Größe der während der Messung erzeugten Zahlen minimal. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Erfindung benutzt wird, um Ereignisse mit spärlicher Datenverteilung zu erfassen, da die zwischen Ereignissen verstrichene Zeit sehr lang sein kann und die Verwendung eines linearen Taktgebers zur Erzeugung sehr großer Zahlen führen würde, was für die Geschwindigkeit der Messung nachteilig wäre. Zum Beispiel weist die in 3 dargestellte Schaltung zwei FIFO-Speicher 24, 29 auf, von denen jedesmal, wenn ein Zeitmeßkanal zurückgesetzt wird, Daten zu einem Speicher übertragen werden. Die Kanalrücksetzzeit wird in hohem Maße durch die Zeit bestimmt, die zum Auslesen von Daten aus den FIFO-Speichern 24, 29 und zu deren Rücksetzung benötigt wird. Wenn ein linearer Taktgeber zu verwenden wäre, dann wäre die zur Übertragung der resultierenden sehr großen Zahlen aus den FIFO-Speichern 24, 29 zu dem Speicher benötigte Zeit beträchtlich, und die Kanalrücksetzzeit wäre entsprechend groß. Die Verwendung der nichtlinearen Taktgeberanordnung ermöglicht daher, daß die Kanalrücksetzzeit minimal gehalten wird, wodurch die Auflösung der Zeitmeßschaltung maximiert wird.
Bei der Messung von Ereignisverteilungen (oder Impulsbreiten), die immer einen minimalen Abstand aufweisen (d. h. sie variieren zwischen X und Y, und X ist niemals gleich null) kann eine Verzögerungsleitung mit dem Wert X in das Flip-Flop 17 der in 3 dargestellten Ausführungsform eingebaut werden, um sicherzustellen, daß der entsprechende Taktgeber 20, 22 bzw. Zähler 21, 23 erst nach Ablauf der Zeit X aktiv ist. Dadurch wird sichergestellt, daß nur Signale, die Informationen enthalten, gemessen werden, wodurch der Bereich der Speicherschaltung vergrößert wird.
Zu beachten ist, daß eine Speichereinrichtung direkt hinter den Zählern 21, 23 angeschlossen werden könnte, aber daß keine Datenkompression erfolgen würde, da jeder Zeitabstand zwischen Ereignissen noch immer durch eine Binärzahl von vorgegebener Länge dargestellt werden müßte. Eine Nachschlagetabelle (wie weiter unten in Tabelle 1 veranschaulicht) könnte benutzt werden, um die zur Darstellung der Binärzahl erforderliche Bitzahl vor der Speicherung in einem Computer zu verringern.
Informationsverlust in der Zeitmeßschaltung gemäß 3 tritt nur bei längeren Impulsankunftszeiten auf. Bei vielen Anwendungen wird den von diesen erzeugten endgültigen Datenpunkten (den langen Abklingzeiten in der Korrelation) bei der Analyse ein geringeres Gewicht gegeben, da diese, wenn sie als Prozentsatz ihrer Größe ausgedrückt werden, einen größeren Fehler aufweisen. Ferner nimmt in vielen Fällen die Änderungsgeschwindigkeit der Korrelationskurvenform in längeren Zeitmaßstäben ab, so daß Daten, die lange Verzögerungen zwischen Ereignissen repräsentieren, auch weniger Information enthalten.
Die in Bezug auf 3 beschriebene Schaltung kann an den Betrieb bei Häufigkeiten angepaßt werden, die normalerweise wegen einer endlichen Impulsbreite des Ausgangssignals der Detektorelektronik ausgeschlossen wären (dies läßt sich nur erreichen, wenn die Geschwindigkeit der Taktgeber 20, 22 wesentlich höher ist als die Impulsbreite der Detektorelektronik).
Die Detektorelektronik wird so modifiziert, daß ein Ereignis an einem von zwei Detektoren (nicht dargestellt) eintrifft. Das Flip-Flop 17 wird aus der Schaltung entfernt. Es wird veranlaßt, daß eine Vorderflanke eines Ausgangssignals vom ersten Detektor als Reaktion auf ein eintreffendes Ereignis den ersten Zähler 21 startet, während der zweite Zähler 23 gestoppt und gelesen wird. Ein am zweiten Detektor eintreffendes, nachfolgendes Ereignis erzeugt ein Ausgangssignal von diesem Detektor, wobei veranlaßt wird, daß dessen Vorderflanke den ersten Zähler 21 stoppt, diesen Zähler ausliest und den zweiten Zähler 23 startet. Auf diese Weise startet ein Signal, das einem Ereignis am ersten Detektor entspricht, eine Zählung, die durch ein Signal gestoppt wird, das einem nachfolgenden Ereignis am zweiten Detektor entspricht. Die kürzeste auflösbare Zeit zwischen diesen zwei Ereignissen ist ausschließlich von den Schwankungszeiten der Detektoren und nicht von den Impulsbreiten der Detektoren abhängig. Zu beachten ist jedoch, daß die kürzeste Zeit zwischen drei oder mehr Ereignissen von der Impulsbreite der Detektorausgangssignale abhängig bleibt.
Im Anschluß an ein am ersten Detektor eintreffendes Ereignis mißt die Schaltung weiter die verstrichene Zeit, bis ein Ereignis am zweiten Detektor eintrifft. Ein dazwischenliegendes Ereignis, das während dieser Zeit am ersten Detektor eintrifft, hat keine Auswirkung. Daher vermindert sich die Anzahl der durch die Schaltung zeitlich gemessenen Ereignisse im Mittel um 50%. Dies kann jedoch als Vorteil der Erfindung gesehen werden, da es den Effekt der Nachimpulserzeugung des Detektors vermindert, das heißt eines Falschsignals, das durch einen Detektor zu einer charakteristischen Zeit nach Erfassung eines eintreffenden Ereignisses erzeugt wird (die Nachimpulserzeugung ist besonders in Photonendetektoren vorherrschend).
Zu beachten ist, daß Halbleiterdetektoren infolge von "Fangstellen", die durch Verunreinigungen und Oberflächendefekte verursacht werden, an Nachimpulserzeugung leiden, während Photonenvervielfacherröhren (PMT) wegen Ionisation von Verunreinigungen an Nachimpulserzeugung leiden. Die zugrunde liegenden Prinzipien der Nachimpulserzeugung in diesen beiden Detektortypen beruhen daher auf unterschiedlichen physikalischen Phänomenen, und im Grunde genommen sind ihre charakteristischen Nachimpulssignaturen verschieden. Falls zwei Detektoren eines Typs verwendet werden, enthält eine Korrelation (oder andere Kombination) von Signalen, die durch die beiden Detektoren erfaßt werden, ein durch Nachimpulserzeugung verursachtes Artefakt. Dieses Artefakt kann eine signifikante Verzerrung der Korrelation verursachen. Wenn dagegen zwei Detektortypen eingesetzt werden, enthält eine Korrelation von Signalen statistisches Rauschen, das durch Nachimpulserzeugung an jedem Detektor verursacht wird. Das statistische Rauschen hat keine signifikante Auswirkung auf die Korrelation, und eine Verzerrung der Korrelation wird vermieden.
Durch Kühlung kann die Stärke der Nachimpulserzeugung in einem Halbleiterdetektor vermindert und ihr Zeitmaßstab vergrößert werden. Die Signatur einer Photonenvervielfacherröhre (PMT) und die Signatur eines Halbleiterdetektors, zum Beispiel einer Lawinenphotodiode, können daher durch Steuerung der Temperatur der Lawinenphotodiode von Grund auf unterschiedlich gestaltet werden. Die Verwendung eines Detektors mit einer Photonenvervielfacherröhre (PMT) und einer Photodiode ermöglicht daher die Beseitigung von Nachimpulseffekten und die Unterdrückung von anderem Rauschen, das nicht von einem eintreffenden Erignis herrührt, das an einem geteilten Detektor ankommt.
Ein zusammenwirkender Detektor gemäß der obigen Beschreibung kann in jeder geeigneten Anwendung eingesetzt werden, und es können andere Parameter als die Temperatur benutzt werden, um die Differenz zwischen der charakteristischen Rauschsignatur der Detektoren zu vergrößern.
Falls zwei oder mehr parallele Datenpuffer pro Detektor vorhanden sind, würde ein einfacher Schalter ermöglichen, den Schaltungsbetrieb von einer Anordnung, die Nachimpulse minimiert und die Zeitauflösung maximiert, zu einer Anordnung umzuschalten, die zwei Signale völlig unabhängig messen kann.
4 zeigt einen Kanal einer Zeitmeßschaltung, die einen Multiplexer enthält. Der Kanal weist einen Zähler 31 auf, der mit einem Zwischenspeicher 32 und einem Taktgeber 33 und über eine Reihe von Ausgangsleitungen (nicht dargestellt) mit einem Multiplexer 34 verbunden ist, der mit einer Reihe von Ausgangszählern 35 verbunden ist.
Ein an einem Eingang des Zwischenspeichers 32 eintreffendes Ereignis schaltet einen ersten Ausgang 36 des Zwischenspeichers 32 auf H und ermöglicht, daß der Zähler 31 Taktimpulse vom Taktgeber 33 zu akkumulieren bzw. summieren beginnt. Ein nachfolgendes Ereignis schaltet einen zweiten Ausgang 37 des Zwischenspeichers 32 auf H, sperrt die Inkrementierung des Zählers 31 und veranlaßt, daß der Multiplexer 34 den Inhalt eines Ausgangszählers 35 inkrementiert. Nach einer geeigneten Verzögerung, die durch eine Verzögerungsschaltung 38 festgelegt wird, wird der Zähler 31 zurückgesetzt.
Die Arbeitsweise des Multiplexers 34 wird durch die Art ihrer Verbindung mit den vom Zähler 31 ausgehenden Ausgangsleitungen bestimmt. Zum Beispiel könnten die Ausgangsleitungen so angeordnet sein, daß der Multiplexer 34 als Reaktion ausschließlich auf das höchstwertige Bit einer im Zähler 31 gespeicherten Zahl einen Ausgangszähler 35 inkrementiert. Dies kann erfolgen, indem eine erste Multiplexerausgangsleitung mit einem ersten Zähler, eine zweite und eine dritte Multiplexerausgangsleitung mit einem zweiten Zähler, eine vierte, fünfte, sechste und siebente Multiplexerausgangsleitung mit einem dritten Zähler usw. verbunden werden.
Für die oben beschriebene Anordnung des Multiplexers 34 empfängt der erste Ausgangszähler nur dann ein Signal, wenn zwei Ereignisse um einen einzigen Taktimpuls und nicht um 1, 3, 5, 7 usw. Taktimpulse voneinander beabstandet sind, wie das für gewöhnliche Binärzählung der Fall ist. Daher braucht der erste Ausgangszähler keine großen Zahlen zu akkumulieren und wird nicht schnell gesättigt.
Zu beachten ist, daß die Datenkompression für die Zähler, welche die schnellsten Ereignisse messen, besonders effektiv ist. Diese Zähler müssen mit hoher Geschwindigkeit arbeiten und sind folglich teuer. Die Datenkompression vermindert die Anzahl von Ereignissen, die durch die schnellen Zähler zu speichern sind.
Die in 4 dargestellte Schaltung eignet sich zur Verwendung in Verbindung mit der Speicherung von Zeitverteilungen zwischen Ereignissen.
5 zeigt einen Kanal einer Zeitmeßschaltung, die verwendet werden kann, um eine Ereignisankunftsverteilung mit Hilfe einfacher Zwischenspeicher und logischer NICHT-Gatter auf eine Codierung mit höchstwertigen Bits (MSB-Codierung) zu komprimieren. Der Kanal weist einen Taktgeber 40 auf, der einen linearen Zähler 41 programmiert, der mit einer Reihe von Zwischenspeichern 42 verbunden ist. Zahlen vom Zähler 41 werden in binärer Form zu den Zwischenspeichern 42 übertragen, und ein Ausgangssignal vom Zähler, das die lineare Folge 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 repräsentiert, wird durch die Ausgangsleitungen der Zwischenspeicher 42 in Form von 1, 3, 3, 7, 7, 7, 7, 15, 15, 15, 15 (d. h. die Ausgangsleitung des höchstwertigen Bits) gehalten.
Ein Logikchip 43 ist mit den Ausgangsleitungen der Zwischenspeicher 42 verbunden, so daß als Reaktion auf die Ausgangsleitungen der Zwischenspeicher 42 vier Ausgänge 44 des Logikchips 43 wie folgt inkrementiert werden:
Ausgang 1 = {1} NICHT {2}
Ausgang 2 = {2} NICHT {4}
Ausgang 3 = {4} NICHT {8}
Ausgang 4 = {8} NICHT {Ausgang 5}
Ausgang 5 = wird nachstehend diskutiert
Ausgang 5 steht bei einem Ausgangssignal 0000 vom Zähler 41 auf H und bei allen anderen Ausgangssignalen auf L. Ausgang 5 ist über ein NICHT-ODER- bzw. NOR-Gatter 45 mit einem ersten Eingang zu einem UND-Gatter 46 verbunden. Der zweite Eingang zu dem UND-Gatter 46 ist ein verzögerter Anschluß von einem Triggerflipflop (nicht dargestellt). Dadurch wird verhindert, daß ein Ausgang 47 von dem UND-Gatter innerhalb eines einzigen Taktimpulses auf H schaltet.
Eine Kaskade von kleineren Zählern (nicht dargestellt), die in Reihe geschaltet sind, würde ein Äquivalent zu dem Zähler 41 bieten. Die Kaskade wäre so angeordnet, daß ein zweiter Zähler messen würde, wie oft das höchstwertige Bit in einem ersten Zähler aufgetreten ist. Nur der erste Zähler müßte mit der maximalen Taktfrequenz arbeiten, der zweite Zähler müßte mit der folgenden Rate bzw. Geschwindigkeit arbeiten:
Die
Zählerkaskade kann entweder für Überlauf eingerichtet werden, oder alternativ könnte die Folge 1111 als Rücksetzwert benutzt und beim Betrachten der Daten die Rücksetzzeit zum höchstwertigen Bit hinzugefügt werden.
Es sind viele Zählerschaltungen verfügbar, die direkt in Kaskade geschaltet werden können. Falls dies wegen der Verwendung unterschiedlicher Typen/Geschwindigkeiten von Zählern nicht zweckmäßig ist, würde ein Flip-Flop an dem Ausgang (höchstwertiges Bit), der an einen nachfolgenden Zähler angeschlossen ist, einen ähnlichen Effekt erzeugen. Wenn man mehr als ein Flip-Flop zwischen den Zählern arbeiten läßt, würde dies eine weitere Dehnung der Impulsabstände ermöglichen – unter Verwendung der gleichen Zähleranschlußstifte.
Der in 5 dargestellte Kanal eignet sich zur Verwendung in Verbindung mit der Speicherung eines Datenstroms, der eine Reihe von Ereignissen repräsentiert, die durch eine variable Verzögerung voneinander getrennt sind.
6 zeigt einen Kanal einer Zeitmeßschaltung, welche die Umwandlung einer MSB-Codierung in eine nichtlineare Impulsfolge ermöglicht, die sich für die Speicherung eines Impulsstroms eignet. Dies ermöglicht sowohl die Echtzeit-Information über Impulsankunftsverteilungen als auch die Speicherung von nichtlinearen Impulsströmen.
Ausgangsleitungen von einer Reihe von Zwischenspeichern oder einem linearen Zähler, wie in Bezug auf 5 diskutiert, werden als Eingänge 48a–d mit einer Anordnung von Logikgattern verbunden. Ein erster Eingang 48a ist mit einem UND-Gatter 49 verbunden, ein zweiter Eingang ist über ein NICHT-Gatter 50 mit dem gleichen UND-Gatter 49 verbunden, Wenn der erste Eingang 48a auf H geschaltet wird, steht der zweite Eingang 48b auf L, und ein Ausgang 51 des UND-Gatters 49 steht auf H.
Wenn der zweite Eingang 48b auf H geschaltet wird, schalten der Ausgang 51 und das UND-Gatter 49 sofort auf L.
Der zweite Eingang 48b ist über eine Verzögerungsschaltung 52 mit einem zweiten UND-Gatter 53 verbunden. Wenn der zweite Eingang 48b auf H schaltet, geht ein Ausgang 54 vom zweiten UND-Gatter nach einer durch die Verzögerungsschaltung 52 auferlegten Verzögerung auf H. Der Ausgang 54 vom zweiten UND-Gatter bleibt auf H, bis ein dritter Eingang 48c auf H schaltet.
Die Verzögerungsschaltungen 48 bewirken die Vorgabe einer Zeitspanne, in der keine Ausgangsleitung auf H steht. Die Logikgatter wandeln auf diese Weise eine Reihe von H-Eingängen 48a, 48b, 48c, 48d in eine Impulsreihe an Ausgangsleitungen 51a, 51b, 51c, 51d um. Die Ausgangsleitungen 51a–d werden mit Hilfe eines ODER-Gatters 54 zu einer einzigen Ausgangsleitung 53 kombiniert.
Die Breiten bzw. Dauern der durch die Schaltung erzeugten Impulse nehmen mit der Zeit zu, wenn die Eingänge 48a–d mit Ausgängen der in 5 dargestellten Schaltung verbunden sind. Zum Einstellen der Impulsdauern auf einen konstanten Wert kann ein selbstrücksetzendes Flip-Flop (nicht dargestellt) verwendet werden.
Der in 6 dargestellte Kanal eignet sich zur Verwendung in Verbindung mit der Speicherung eines Datenstroms, der eine Reihe von Ereignissen repräsentiert, die durch eine variable Verzögerung voneinander getrennt sind.
In jeder der Schaltungen, die oben in Bezug auf die 1 bis 6 beschrieben wurden, kann ein durch die Erfindung verwendeter linearer Taktgeber so eingestellt werden, daß er die Wahl einer erforderlichen Zeitauflösung mittels der Impulsfrequenz des Taktgebers ermöglicht.
Die obigen Ausführungsformen der Erfindung sind sämtlich Digitalschaltungen. Es wird jedoch einleuchten, daß Analogschaltungen aufgebaut werden können, die den Digitalschaltungen äquivalent sind. Insbesondere in Fällen, wo digitale Taktgeber- und Zähler-Kombinationen beschrieben werden, die nichtlinear arbeiten, zum Beispiel bei dem Zähler, der im Hinblick auf durch den Taktgeber erzeugte Impulse wie eine geometrische Reihe inkrementiert, könnte eine analoge Komponente benutzt werden, um eine Spannung bereitzustellen, die mit geometrisch abnehmender Geschwindigkeit ansteigt.
Eine einfache Implementierung eines analogen nichtlinearen Taktgebers kann unter Verwendung eines Kondensators oder einer Kombination von Kondensatoren und anderen Komponenten bereitgestellt werden. Die materialeigene Nichtlinearität des Ladungsaufbaus eines Kondensators liefert eine Spannung, die mit abnehmender Geschwindigkeit ansteigt und daher besonders für nichtlineare Zeitmeßschaltungen geeignet ist. Die Verwendung eines Kondensators in einer nichtlinearen Zeitmeßschaltung hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Schaltung keinen oberen Grenzwert hat, der dazu führen könnte, daß eine Schaltung instabil wird oder die Inkrementierung stoppt (was bei bestimmten Digitalschaltungen auftreten kann). Die Verwendung eines Kondensators zur Bereitstellung eines nichtlinearen analogen Zeitmessers hat die weiteren Vorteile, daß dieser zur Bereitstellung einer ultraschnellen Zeitmessung benutzt werden kann und sehr kostengünstig ist.
Um einen Kondensator in einer Zeitmeßschaltung zurückzusetzen, wird der Kondensator einfach geerdet. Alternativ kann der Kondensator an irgendeinen Zwischenwert angeschlossen werden, wodurch die Verwendung eines ausgewählten Bereichs der Ladungskurve eines Kondensators ermöglicht wird. Außerdem kann eine Kondensatorzeitmeßschaltung zurückgesetzt werden, indem sie mit einer hohen Spannung verbunden wird; der Ladungsabfall an dem Kondensator kann dann zur Bereitstellung der Zeitmessung benutzt werden.
Obwohl der Kondensator eine besonders gut verwendbare Komponente zur Bereitstellung einer analogen nichtlinearen Zeitmessung ist, kann auch jede andere Komponente oder Schaltung verwendet werden, die eine komplexe Impedanz aufweist (wobei "komplex" imaginäre Zahlen bezeichnet). Kondensatoren sind insofern vorteilhaft, als sie leicht auf Halbleiterchips bereitgestellt werden können.
Der Wert einer aktiven Komponente, die benutzt wird, um eine analoge Zeitmessung bereitzustellen, kann variiert werden, indem einfach zwischen aktiven Komponenten mit unterschiedlichen Werten umgeschaltet wird, oder indem weitere Komponenten parallel oder in Reihe zu einer Grundkomponente geschaltet werden.
Falls eine analoge Zeitmeßschaltung verwendet wird, kann es nützlich sein, einen oder mehrere digitale Taktimpulse zu haben, die an einen Schaltungseingang anlegt werden können, um die Schaltung in regelmäßigen Intervallen oder automatisch vor einem oder mehreren Experimenten zu eichen.
7 zeigt einen Kanal einer erfindungsgemäßen Zeitmeßschaltung mit analogen Komponenten. Der in 7 dargestellte Kanal entspricht der in 1 dargestellten Digitalschaltung.
Während des Betriebs veranlaßt ein Impuls an einer Eingangsleitung 55 die Umschaltung eines Flip-Flops 56 und damit das Schalten des Transistors 57. Dadurch wird eine Verbindung zwischen Ladespannungen, die mit Hilfe eines Schalters 58 ausgewählt werden, und einer Kombination von Kondensatoren 59 ermöglicht. Die Kondensatoren 59 werden über Schalter verbunden, die in einem Kasten 60 des Schaltschemas dargestellt sind, und können einzeln, in Reihe oder parallel geschaltet werden. Ein späterer Impuls an der Eingangsleitung 55 bewirkt wieder das Umschalten des Flip-Flops 56, der Transistor 57 stoppt das Aufladen der Kondensatoren 59, und ein Analog-Digital-Wandler 61 liest eine Spannung an der im Kasten 60 des Schaltschemas dargestellten Kondensatorschaltung aus. Nach einer Verzögerung, die durch eine Verzögerungsschaltung 62 hervorgerufen wird, wird ein zweiter Transistor 63 geschaltet. Falls der Transistor 63 über einen Schalter 64 mit null Volt verbunden wird, wird die Spannung, die an den Kondensatoren innerhalb des Kastens 60 des Schaltschemas anliegt, auf null gesetzt. Der Schalter 64 kann benutzt werden, um die an den Kondensatoren 59 anliegende Spannung auf einen anderen Wert zu setzen.
Die untenstehende Tabelle 1 zeigt Datenkompression und Codierung für einen nichtlinearen Taktgeber unter Verwendung einer Binärdarstellung. Die neue Codierung selbst gilt nur für Schaltungen, die eine Speicherung verwenden. Wenn die Impulsverteilung gemessen wird, erfordert eine Binärzahl von 15 Bits 15 Zähler. Die Datenkompression tritt jedoch bei den Größen der Werte auf, die in der RH-Spalte der unteren Zähler gehalten werden.
TABELLE 1
Die erfindungsgemäße Zeitmeßschaltung erzielt eine signifikante Echtzeit-Datenkompression bei der zur Darstellung einer Zahl benötigten Bitzahl. Ein 4-Bit-Speicherelement ersetzt ein 13-Bit-Speicherelement, was eine Verkleinerung des benötigten RAM-Speichers um einen Faktor von mehr als 3,5 in der zur Darstellung der Verzögerung benötigten Bitzahl ergibt.
Die Speicherung des höchstwertigen Bits einer Verzögerungszeit erzielt eine signifikante Echtzeit-Datenkompression bei den in Zählern gespeicherten Werten in Bezug auf schnelle Ereignisse in einer Impulsankunftsverteilung. Die durch die Bitzahl ausgedrückte Größe jedes Zählers ist unter Umständen nicht für jede Zählereinheit gleich, wird aber so ausgewählt, daß sie am besten zu der durch die Anwendung erzeugten mittleren Impulsankunfts-Wahrscheinlichkeitsverteilung paßt. Die Ausgangssignale jedes Zählers können zu einem UND-Gatter übermittelt werden, und dann werden diese Ausgangssignale zu einem ODER-Gatter übermittelt, wodurch ein Ende eines Versuchssignals erzeugt wird, wenn ein erster Zähler gefüllt ist. Dieser Impuls könnte zur Übertragung einer zu einem Puffer ausgegebenen Impulsankunftsverteilung PAD und zum Neustart der Messung benutzt werden. Daher kann jede Messung aus vielen kleinen Teilmessungen zusammengesetzt sein. Dies kann in Fällen, wo Zähler mit sehr hoher Geschwindigkeit (und daher niedriger Bitzahl) erforderlich sind und/oder wo Rauschen vorhanden ist, von besonderem Nutzen sein, wobei die Teilexperimente eine Mittelung und das Aussondern von verzerrten Informationen ermöglichen.
Die oben eingeführte MSB-Kompression kann in Verbindung mit der Kompression zur RAM-Speicherung benutzt werden. In 7 sind aus dem Analog-Digital-Wandler 61 ausgegebene Daten bereits komprimiert, so daß die Daten, die von binärem, dezimalem oder irgendeinem anderen Format sein können, direkt zum RAM übermittelt werden können. Eine Reihe von Zählern, die den Speicher ersetzen oder in Verbindung damit arbeiten, können dann eine Impulsankunftsverteilung messen und dabei eine MSB-Kompression ausführen.
Ein Beispiel wären die Zahlen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, die bei der Ausgabe aus dem Analog-Digital-Wandler Verzögerungen von 1, 2, 7, 15, 31, 63, 127 Zeitperioden darstellen können. Endzähler können zur Anwendung einer weiteren Kompression auf eine Impulsankunftsverteilung verwendet werden, die Zeitzonen für 1, 2, 15, 127 Zeitperioden ergibt. Dies kann besonders nützlich sein, da eine hochkomprimierte Echtzeit-Impulsankunftsverteilung mit niedriger Bitzahl benutzt werden kann, um zu entscheiden, ob 'korrelierbare' Daten vorhanden sind, und daher, ob die gespeicherten Daten eine Analyse wert sind.
Bei bestimmten Anwendungen (zum Beispiel analogen Fluoreszenzabklingzeitmessungen mit Verwendung einer Impulsquelle) approximiert ein Datenstrom keine Zufallsverteilung, sondern bildet vielmehr Blöcke von H- und L-Zuständen mit der Tendenz, sequentiell aufeinander zu folgen. In diesem Fall kann die Zeit zwischen Zustandsänderungen (d. h. von L nach H und von H nach L) gemessen werden. Eine Messung dieser Art kann als Zustandsänderungstriggerung bezeichnet werden und ist dem Fachmann bekannt. Man wird erkennen, daß die erfindungsgemäße nichtlineare Zeitmeßschaltung so konfiguriert werden kann, daß sie durch Zustandsänderungstriggerung Zeitmeßdaten liefert. Zum Beispiel kann ein Analogsignal über einen Schwellwert digitalisiert werden, der zu Digitalisierungspegeln führt, die als Zustandsänderungsinformationen betrachtet werden können. Diese Informationen können dann unter Verwendung der erfindungsgemäßen nichtlinearen Zeitmeßschaltung gemessen werden. Die Anregung kann zwar impulsförmig sein, aber in Fällen, wo mehrere Impulse durch die eine Anregung erzeugt werden und/oder wo die Probe in regelmäßigen Intervallen neu angeregt wird und die Anregung selbst einen Datenimpuls erzeugt, kann der Datenstrom dann als kontinuierlich angesehen werden.
Die Erfindung ermöglicht eine Echtzeitanalyse von Signalen bis zu GHz-Frequenzen.
Die Erfindung wird in Bezug auf Messungen der Zeit zwischen Ereignissen beschrieben. Diese Ereignisse können Impulse von gleichartiger Breite oder Impulse von veränderlicher Breite sein. Alternativ könnte die Erfindung zur Messung der Breite bzw. Dauer von Impulsen oder anderen Ereignissen benutzt werden.
Die Erfindung beschreibt zwar die Verwendung der Schaltungen zur Messung der Zeit zwischen Ereignissen auf nichtlineare Weise, aber es ist zu beachten, daß einer alternative Konfiguration der Erfindung so eingerichtet werden könnte, daß sie auf nichtlineare Weise die Anzahl von Ereignissen zählt, die innerhalb einer gegebenen Zeitspanne auftreten.
Die Erfindung kann so konfiguriert werden, daß ein erstes erfaßtes Ereignis als Auslöser wirkt, der die Speicherung von nachfolgenden erfaßten Ereignissen initiiert. Die Ereignisse können Impulse sein, die von einer einzigen Quelle emittiert werden, oder Impulse, die von zwei oder mehr getrennten Quellen emittiert werden.
Bei vielen Anwendungen, wo Analogsignale gemessen werden, läßt sich die Erfindung anwenden, wenn die Signale durch Reduktion der Signalstärke digitalisiert werden, um sicherzustellen, daß nur einzelne Quanten erfaßt werden, und/oder durch Verwendung eines Komparators. Bei anderen Anwendungen kann die Schaltung neben einem Digital-Analog-Wandler arbeiten, der die Messung der Impulsankunftszeit (oder der Impulsbreite) und der Impulshöhe (oder des Quotienten Impulsfläche/-steilheit unter Verwendung von Integrations- oder Differentiationsschaltungen) ermöglicht.
Falls die Erfindung für die Echtzeit-Aufzeichnung von Ereignisverteilungen eingesetzt wird, reduziert eine nichtlineare Messung von Zeiten zwischen Daten die Anzahl der Zählwerte, die in Zählern gespeichert sind, die für die schnellsten Ereignisse benutzt werden. Dies ist praktisch eine alternative Form der Datenkompression (im Gegensatz zur Datenkompression durch Verminderung der zur Darstellung eines Ereignissstroms benötigten Bitzahl). Die Kompression der Anzahl der Zählwerte in Zählern, die für die schnellsten Ereignisse benutzt werden, gewährleistet, daß diese Zähler nicht schnell gesättigt werden (im Gegensatz zur Kompression der zur Darstellung einer Zahl benötigten Datenbitzahl, durch die eine zur Speicherung der Zahl benötigte RAM-Menge vermindert wird).
Die Erfindung zeigt Methoden der Echtzeitcodierung/-decodierung zwischen der Kompression bezüglich der Datenbitzahl, der Kompression bezüglich der Impulsverteilung und der linearen Binärdarstellung unter Verwendung von Nachschlagetabellen (LUT) oder anderer äquivalenter Logikschaltungen.
Die Erfindung kann auf jedem Gebiet von Nutzen sein, wo ein Datenstrom analysiert werden muß und die mittlere Datenflußrate pro Taktzyklus kleiner als 0,5 ist.
Die Verwendung einer externen Triggerleitung zum ersten Kanal, so daß die Zeitmessung nach einem Triggerimpuls beginnt oder durch einen Triggerimpuls aktiviert, aber nicht gestartet wird, würde eine Verwendung der Schaltung bei Anwendungen ermöglichen, wo eine gepulste Quelle benutzt wird. Wenn zum Beispiel bei der zeitaufgelösten Fluorimetrie bzw. Fluoreszenzanalyse der Takt 0 durch die abfallende Flanke des Quellenimpulses getriggert wird, erfassen die nachfolgenden Kanäle die Zeit zwischen emittierten Fluoreszenzphotonen. Wenn alle Kanäle getriggert worden sind, wird die Schaltung zum ersten Kanal in Bereitschaft für den nächsten Laserimpuls zurückgesetzt.
Um den Betrieb der Zeitmeßschaltung zu beenden, kann ein Komparator benutzt werden. Zum Beispiel könnte in einer Einkanal-Zeitmeßschaltung, welche die zeitaufgelöste Fluoreszenz mißt, ein Taktimpuls durch eine abfallende Flanke eines eintreffenden Laserimpulses getriggert und gestoppt werden, wenn die erfaßte Fluoreszenz unter einen am Komparator voreingestellten kritischen Wert abgefallen ist.
Die Schaltung kann als schnelle Datenerfassungsmethode genutzt werden.
In 8 ist eine Signalaufbereitungsvorstufe für eine erfindungsgemäße Zeitmeßschaltung dargestellt. Die Vorstufe enthält mögliche Vorverarbeitungsfunktionen für die Impulserzeugung vor dem nichtlinearen Teil der Zeitmeßschaltung. Sechs Eingänge sind dargestellt, wobei der oberste Eingang 65 eine Triggerfieigabe ist; ein Signal auf diesem Kanal aktiviert das UND-Gatter 66, um eine Impulsausgabe zuzulassen. Diese Schaltung läßt sich kurzschließen, indem ein Schalter 67 mit einer oberen Spannungsleitung 68 verbunden wird.
Der nächste Eingang 69 ist ein Triggereingang; ein Impuls auf dieser Leitung aktiviert ein ODER-Gatter 70 und erzeugt einen Impuls, vorausgesetzt, daß der Freigabe-Eingang 65 auf H steht oder kurzgeschlossen ist.
Ein Standard-Gleichstromeingang 71 tritt in einen Multiplexer 72 ein und gelangt zu einem Komparator 73, der ein Zweipegelkomparator 74 sein kann. Der resultierende Impuls kann in Abhängigkeit von der Schalterstellung 77 durch einen Inverter 75 invertiert werden oder direkt zu einer N-Schaltung 76 gelangen. Die N-Dividierschaltung 76 kann nötigenfalls als Vorteiler eingesetzt werden.
Der Multiplexer 72 kann gleichfalls einen getrennten Gs-Eingang in Form eines Optokopplers 78 oder auf andere Weise aufweisen.
Falls das Signal und/oder der Detektor in einem bestimmten Abstand von der Schaltung erzeugt wird, kann das Signal über Lichtleiter oder durch den freien Raum übertragen werden, wenn die Schaltung mit einem geeigneten optischen Detektor 79 ausgestattet ist.
Eine Endeingangsschaltung 80 kann auf zwei Arten eingesetzt werden; in ihrer einfachsten Form mit geöffnetem Schalter 81 ist sie ein wechselstromgekoppelter Eingang für Digitalimpulse. Wenn der Schalter 81 geschlossen ist, wirkt die Eingangsschaltung 80 wie eine Art von Integrator, der eine stabile Umwandlung von schwachen Analogsignalen in Digitalsignale ermöglicht. Wenn die Eingangsschaltung 80 aktiviert wird, schaltet ein Schalter 82 von der Erdung der Eingangsseite eines Kondensators 83 auf offenen Stromkreis um, und der Kondensator 83 wird aufgeladen. Wenn der Kondensator 83 entsprechend dem Wert des Komparators 73 bis zu einem vorgegebenen Nivea aufgeladen ist, erzeugt der Komparator 73 einen Digitalimpuls, der den Komparator wieder über den Schalter 82 erdet. Auf diese Weise mißt die Eingangsschaltung 80, wieviel Zeit durch ein Signal benötigt wird, um die zur Erzeugung der erforderlichen Komparatorspannung notwendige Ladung zu erzeugen.
Die oben beschriebenen Vorverarbeitungsfunktionen können auch auf andere Schaltungen als die hierin beschriebenen angewandt werden.
Die in 8 dargestellte Vorstufe könnte auf einem einzigen Halbleitersubstrat hergestellt werden. Der Schaltkreis kann aktiv oder passiv gelöschte Lawinenphotodioden, nichtlineare MSB-Schaltungen, MSB-komprimierte und speicherkomprimierte Schaltungen, Zähler, Puffer und Nachverarbeitungsschaltungen aufweisen, wie z. B. herkömmliche festverdrahtete Korrelatoren und/oder Fourier-Transformationsschaltungen und/oder Digitalfilter. Resultierende Daten können nach der Dekomprimierung oder im komprimierten Zustand analysiert werden.
Die in den beschriebenen Ausführungsformen enthaltenen Logikschaltungen werden zwar nur in elektronischer Form beschrieben, könnten aber unter Verwendung eines anderen Mediums aufgebaut werden, wie z. B. von Licht oder als Computersimulation. Eine Implementierung unter Verwendung eines anderen Logikmediums, d. h. von Licht, würde eine viel höhere Zeitauflösung ermöglichen. Die Implementierung unter Verwendung eines anderen Logikmediums würde für viele Anwendungen eine weitere Integration ermöglichen, d. h. die Implementierung unter Verwendung von Licht kann die Implementierung der Quelle, der erforderlichen optischen Abtastzelle und der oben beschriebenen Schaltungen in/auf einem einzigen Substrat ermöglichen.
Die erforderliche Nichtlinearität kann durch viele Verfahren und in vielen Medien erzeugt werden und ist dabei Teil einer elektronischen Digitalschaltung. Eine Schaltung kann so konfiguriert werden, daß ein erster Detektorimpuls eine Lichtemissionskomponente einschaltet, die direkt mit einem Halbleiterdetektor gekoppelt ist. Ein Aufbau des Detektors kann bezüglich der Zeit nichtlinear ausgeführt werden, wenn der Detektor in Sättigungsnähe verwendet wird und/oder die Lichtemissionskomponente einen nichtlinearen Aufwärmvorgang aufweist. Eine Detektoranordnung, zum Beispiel eine Matrix von ladungsgekoppelten Elementen (CCD-Matrix) kann auf diese Weise eingesetzt werden.
CCD-Matrizen können wegen der Überstrahlung und des daraus folgenden Streuverlusts an umgebende Detektoren, den sie im Sättigungszustand erzeugen, auch benutzt werden, um ein weiteres nichtlineares Zeitmeßverfahren bereitzustellen. Ein einzelnes CCD-Element kann mehr als 10⁶ Pixel aufweisen, wobei jedes Pixel potentiell ein separater Taktgeber ist, und das CCD-Element bietet dadurch eine Parallelverarbeitung mit einer großen Anzahl von Kanälen. Lichtemissionskomponenten können benutzt werden, um nichtlineare Reaktionen für andere Schaltungen als die hierin beschriebenen bereitzustellen.
Schnelle Nachschlagetabellen werden bei Bildverarbeitungsanwendungen in großem Umfang eingesetzt, um Fehlfarbe aus Intensitätssignalen zu erzeugen. Diese kann verwendet werden, um das Ausgangssignal eines nichtlinearen Taktgebers zu einer MSB-Kompression zu codieren und eine Verteilung von Zeitabständen zwischen Ereignissen oder binären Ausgangssignalen darzustellen, oder um die MSB-Kompression direkt aus dem linearen Taktimpuls zu erzeugen.
Ein Ausgangssignal, das von einer erfindungsgemäßen Schaltung bereitgestellt wird, die aus herkömmlicher Hardware aufgebaut wurde, ist in 9 dargestellt. Es wurde nur ein einziger Kanal konstruiert. 9 zeigt ein Ausgangssignal von einem Oszilloskop (Tektronix TDS 744A), das Daten von einem Ablenksignalgenerator (Tektronix CFG280) erfaßt. Die obere Kurve (a) zeigt das ausgegebene Signal, die untere Kurve (b) die Ablenksteuerung. Nach einer Impulseingabe (c) beginnt die Ablenkspannung anzusteigen, und daher vermindert sich der Impulsabstand. Ein zweiter Impuls (d) stoppt den Zähler. Das gemessene Zeitintervall von 13 ms wird durch die Serie von nur 7 Impulsen beschrieben, während die hohe Zeitauflösung erhalten bleibt.
Diese Implementierung zeigt, daß die Änderungsgeschwindigkeit des Zeitmessers nicht wie eine geometrische Reihe abzunehmen braucht, sondern irgendeine vorgewählte Funktion sein kann. Die in 9 dargestellte Implementierung weist einen linearen Anstieg der Zeitauflösung auf.
Anwendungen der Erfindung sind unter anderem die Bildverarbeitung, Impulslichterfassungssysteme, zeitlich aufgelöste Fluoreszenz, Laufzeituntersuchungen, Datenerfassung und der Einsatz in Verbindung mit dynamischer Lichtstreuung, quasielastischer Lichtstreuung, faseroptischer dynamischer Lichtstreuung, faseroptischer dynamischer Anemometrie und Laser-Doppler-Experimenten.

Claims

Zeitmessschaltung zum Aufzeichnen der Dauer von Intervallen zwischen einer Mehrzahl von Events in einem Datenstrom, umfassend wenigstens zwei Zeitmesskanäle, jeweils mit der Aufgabe, ein Signal zu erzeugen, das die zwischen Events verstrichene Zeit repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsrate des von jedem Zeitmesskanal erzeugten Signals mit zunehmender Intervalldauer variiert und die Zeitmesskanäle so gestaltet sind, dass jedes Event den Betrieb von einem Zeitmesskanal beendet und den Betrieb eines anderen Zeitmesskanals einleitet.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 1, wobei die Zeitmesskanäle so konfiguriert sind, dass die Änderungsrate des Signals als eine vorbestimmte Sequenz abnimmt.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitmesskanäle so konfiguriert sind, dass die Änderungsrate des Signals als eine geometrische oder im Wesentlichen geometrische Serie abnimmt.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei wenigstens einer der Zeitmesskanäle eine Taktimpulsquelle und einen Zähler umfasst und das Signal die Taktimpulse umfasst, die von dem Zähler zwischen den Events akkumuliert werden.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 4, wobei die Zunahmerate der akkumulierten Zahl von einem internen Zähler und einer Logikschaltung bestimmt wird, wobei die Logikschaltung von dem internen Zähler programmiert wird, um ein Inkrement einer akkumulierten Zahl zu bewirken, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen eines linearen Takts aufgetreten ist.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei wenigstens einer der Zeitmesskanäle einen analogen Taktgeber umfasst.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 6, wobei der analoge Taktgeber eine Ladungskomponente umfasst, die zwischen Events geladen oder entladen wird, wobei die Ladungskomponente eine intrinsische nichtlineare komplexe Impedanz aufweist.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 7, wobei die Schaltung ferner einen A/D-Konverter zum Umwandeln eines analogen Signals an der Ladungskomponente in ein digitales Signal sowie Mittel zum Zurücksetzen der Ladung an der genannten Ladungskomponente nach der Ankunft eines Events umfasst.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Ladungskomponente eine elektronische Komponente ist, die einen Ausgang zu einem Komparator erzeugt, der eine Spannung über eine Ladungskomponente oder eine darin akkumulierte Ladung umfasst.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei das Laden oder Entladen der Ladungskomponente bei einem Anfangswert von ungleich null beginnt, wobei der Anfangswert so gewählt wird, dass eine benötigte Änderungsrate des Ladens oder Entladens entsteht.
Zeitmessschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die komplexe Impedanz durch Umschalten zwischen Kombinationen von Ladungskomponenten gewählt wird.
Zeitmessschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Ladungskomponente eine im Wesentlichen kapazitive Schaltung ist.
Zeitmessschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das Laden oder Entladen der Ladungskomponente durch eine optische Erregung induziert wird.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 13, wobei die Ladungskomponente einen oder mehrere optische Halbleiterdetektoren umfasst, die eine Nichtlinearitätsfunktion über eine Überfüllung der ein oder mehreren Detektoren bereitstellen.
Zeitmessschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltung eine Mehrzahl von Zeitmesskanälen umfasst, deren Aufgabe es ist, in einer vorbestimmten Sequenz zu arbeiten, wobei jedes Event den Betrieb von einem Kanal beendet und den Betrieb des nächsten Kanals in der Sequenz einleitet.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 15, wobei die Schaltung so konfiguriert ist, dass ein erfasstes Event bewirkt, dass der Inhalt des Kanals, dessen Betrieb beendet wird, zu einer Speicherschaltung übertragen wird, während die Erzeugung eines Zeitmesssignals durch den nächsten Kanal eingeleitet wird.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 16, wobei eine zweite Speicherschaltung als Puffer verwendet wird, um eine rasche Datenübertragung von dem Kanal zur ersten Speicherschaltung zu ermöglichen.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 17, wobei die zweite Speicherschaltung eine FIFO-Pufferspeicherschaltung ist.
Zeitmessschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltung ferner zwei Detektoren zum Erfassen von Events in dem Datenstrom umfasst, wobei die Detektoren so gestaltet sind, dass ein an einem ersten Detektor eingehendes Event den Betrieb eines ersten Zeitmesskanals beendet und den Betrieb eines zweiten Zeitmesskanals einleitet, und ein nachfolgendes, an einem zweiten Detektor auftretendes Event den Betrieb des zweiten Zeitmesskanals beendet und den Betrieb des ersten Zeitmesskanals oder eines dritten Zeitmesskanals einleitet.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 19, wobei die beiden Detektoren zum Erfassen von Events in dem Datenstrom unterschiedliche charakteristische Rauschsignaturen aufweisen, so dass eine Querkorrelation der Detektoren eine charakteristische Rauschsignatur erzeugt, die erheblich unter der der Autokorrelation von beiden Detektoren liegt.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 20, wobei die beiden Detektoren auf unterschiedlichen physikalischen Erfassungsphänomenen basieren, so dass jede Ähnlichkeit in den charakteristischen Rauschsignaturen der Detektoren minimal gehalten wird.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 21, wobei die beiden Detektoren eine Photonenvervielfacherröhre und einen Halbleiterdetektor umfassen.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 22, wobei eine Temperatur des Halbleiterdetektors unabhängig von der Temperatur der Photonenvervielfacherröhre modifiziert wird, um die charakteristische Rauschsignatur des Halbleiterdetektors zu modifizieren und dadurch die Differenz zwischen der charakteristischen Rauschsignatur des Halbleiterdetektors und der charakteristischen Rauschsignatur der Photonenvervielfacherröhre zu erhöhen.
Zeitmessschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltung mit Mitteln zum Erhalten eines Messwertes ausgestattet ist, umfassend eine Korrelation einer Emissionssignalverteilung mit einer Verteilung von erfassten Events, die von einem Abtastsignal durch die Erregung induziert werden.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 24, wobei die Korrelation in Echtzeit erfolgt.
Zeitmessschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein D/A-Konverter mit der Schaltung kombiniert wird, damit Eigenschaften von Events in eine digitale Form konvertiert und in Kombination mit dem Zeitintervall zwischen Events gespeichert werden können.
Zeitmessschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltung so konfiguriert ist, dass sie die Zeitdauer von Impulsen misst, wobei ein Anfangsteil einer ansteigenden Flanke eines Impulses als erstes Event und ein Endteil einer abfallenden Flanke des Impulses als zweites Event behandelt werden.
Zeitmessschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Mittel vorgesehen sind, um einen Kennwert eines Impulses wie zum Beispiel Bereich, Höhe oder Gradient in einen Impulsabstand oder eine Impulsbreite zu konvertieren, so dass die Zeitmessschaltung zum Aufzeichnen des Kennwertes verwendet werden kann.
Zeitmessschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Mittel zum Invertieren eines erfassten Signals vorgesehen sind, um die Messung von Impulsbreiten zu erleichtern.
Zeitmessschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 23 oder 26, wobei die Schaltung so konfiguriert ist, dass sie die Anzahl von innerhalb einer spezifischen Zeit auftretenden Events anstatt die verstrichene Zeit zwischen Events misst.
Zeitmessschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Trigger von einer externen Quelle die Aufgabe hat, den Betrieb der Schaltung einzuleiten.
Zeitmessschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Trigger von einer externen Quelle die Aufgabe hat, den Betrieb der Schaltung zu ermöglichen, aber nicht einzuleiten.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Zeitmesskanäle einen linearen Taktgeber umfasst, der über einen internen Zähler mit einem Eingang eines Multiplexers verbunden ist, wobei der Multiplexer Ausgänge hat, die mit einer Reihe von Akkumulatoren verbunden sind, von denen nur einer infolge eines überwachten Intervalls inkrementiert wird, wobei die Intervallzeit, die benötigt wird, um eine Inkrementierung eines zweiten Akkumulators eines aufeinander folgenden Paares von Akkumulatoren zu bewirken, größer ist als das Intervall, das benötigt wird, um eine Inkrementierung des ersten Akkumulators des Paares zu bewirken.
Zeitmessschaltung nach Anspruch 33, wobei der interne Zähler eine Kaskade von Zählern umfasst.
Zeitmessschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Event das Akkumulieren von Ladung von einem Detektor umfasst, bis die Ladung größer ist als ein vorbestimmter Wert, wonach der Betrieb von einem Zeitmesskanal beendet und der Betrieb eines anderen Zeitmesskanals eingeleitet wird.