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Verfahren zur Analog-Digital-Uruwandlung, vorzugsweise für Zwecke
der Irnpulshöhenanalyse -Die Erfindung bezieht sieh auf ein Zerfahren zur Analog-Digital-Umwandlung,
vorzugsweise für Zwecke der Impulshöh.en@ralyse, insbesondere von Irrpulsen mit
sehr kurzem Impulsabstand.
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Zur t1_nalog-Digital-Urwandlung sind mehrere Methoden bekannt. Sie
gehen unwesentlichen auf drei Grundprinzipien zurück, die in einem Aufsatz "heue
Prinzipien zur @nalog-Digital-Ur:wendlung und deren optimale Auslegung
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in der Zeitschrift "Frequenz" Band 17, 1963, ::r. 10 mit Zählmethode, Iterationsmethode
und direkter Methode bezeichnet sind. Als eine neue Ileirode wird im gleichen Aufsatz
auf Seite 3E7 die sogenannte ITehrstufen- . Bethode teschrieten, die in einer I_ehrfachanwendung
der direkten v_etrode besteht. Die Merrstufenmethode ist besonders geeignet für
Verschlüsselungsaufgaben, bei denen die zu verschlüsselnden Analogwerte mit hoher
Frequenz aufeinander-folgen. Die @Iehrstufenmethode macht je-
doch die `nwer_cung
mehrerer sogenannter Vielfachnormale notwendig. In allgemeinen handelt es sich bei
den Vielfachnormalen um Spannungsteiler, von deren zeitlicher Konstanz die Genauigkeit
der Verschlüsselung in hohem :Maße abhängt. Ein Vielfachnormal ist deshalb ein zier.-lieh
aufwendiges Bauelement.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereit zu
stellen, das ebenfalls geeignet ist, "nalegwerte zu verschlüsseln, die eine hohe
Folge-Frequenz aufweisen oder bei statistischer Verteilung ihres Auftretens in kurzen
jedoch unregelmäßigen-Zeitabständen aufein,--nderfolgen, und das in Gegensatz zu
der schon bekannten I:ehrstufenr:ethode nur mit einen Vielfachnormal auskormt.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Analog-Digital-Umwendlung
vorzugsweise für Zwecke der Impulshöhenanalyse gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß der Analogwert in einem ersten Verfahrensschritt mit einen Vielfachnormal nach)
der an sich bekannten direkten Methode verglichen und der erhaltene Digitalwert
gespeichert sowie gleichzeitig in einen Analogwert urgewandelt wird und daß in einen
weiteren
erfahrensscLritt die Differenz beider Analogwerte nach
den an sich bekannten Zhlverfahren verschlüsselt und dem schon gespeicherten Digitalwert
hinzuaddiert wird. Dieses Zerfahren hat den großen Vorteil, daß dazu nur ein fielfacrnormal
tenötigt wird, mit dem der anliegende nalogwert grob wird. Der verbleibende Rest
wird mit Hilfe der Zählmethode verschlüsselt, bei der eine Spannung nach ihrer Umwandlung
in eine Zeitspanne von Zählimpulsen bestimmter Frequenz ausgemessen wird.
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In einzelnen wird bei dem Veriahren nach der Erfindung so vorgegangen,
daß eine Impulshöhe als Analogwert in einer Speicher gespeichert wird. In eine!
ersten Verfahrenescl.ritt wird der gespeicterte:;;ert gleichzeitig an erste Eingangskierzen
von mit zweiten Eingangsklemmen einzelnen Stufen eines Spannungsteilers zugeordneten
Aullindikatorcn cngelegt. Die _;ullindir ator en weisen bis auf die der erden und
der letzter. Stufe des Spannungsteilers zugecrdnetendie je nur eire Ausgan gshlenwe
haben; zwei s uE-gpngsklermen auf. Diese usgnngshlem:^.en sind auf die Einginge
einer _'nzahl vcn Gattern, die der um Eins verminderten 'mahl der rullindikatoren
entspricht, derart verteilt, dzß ruzgLnge zweier aufeinerderfolgerder Nullndlatoren
an-ein Gatter &ngeschlcssen sind. Die lusgnge der Gatter sind parallel an die
Stufen zweier Register geführt, wobei die Stufen des einen Registers die Eingonge
eines Digital-lnalog-icndlers beaufschlagen. Der Ausgang dieses Wandlers ist mit
einer der Eingangeklemmen eines anderen, mit seiner zweiten Eingangsklemme an den
Impuls-Speicher =geschlossenen Nullindikators verbunden. .:ach einen von der Meßimpuls
in Gang gesetzten
Zeitintervall wird in einem zweiten Verfahrensschritt
gleichzeitig der Speicher linear entladen und ein Gatter vor einem Zähleingang des
zweiten Registers für Zählimpulse eines Impulegenerators geöffnet. Das Gatter kann
mit .Hilfe eines, einen anderen Eingang, der mit dem anderen Nullindikator verbunden
ist, zugeführten Signals gesperrt werden, sobald der Null-. ir_dikator die Ubereinstinr..ung
des augenblicklichen Inhalts des entladenen Speichers mit dem Ausgangswert des Digital-i._nalog-@l'andlers
feststellt.
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Der Spannungsteiler kann so abgestuft sein, daß die einzelnen 'Stufen
jeweils beispiel--weise 10ö der höchsten ::eßirpulsspennung betragen.
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Eine Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung ist
derart beschaffen, daß die Ausgangsklerme eines lineaz, entludbnren Speichers für
einen Analogwert mit Eingangsklermcn mehrerer Nullindikatoren verbunden ist. Zweite
Eingangsklemmen der Nullindikatoren sind einzelnen Stufen eines Spannungsteilers
zugeordnet. Die :1'ullindikatoren weisen, ausgenommen den der ersten und der letzten
Stufe des Spannungsteilers zugeordneten, die je eine Ausgangsklemme haben, je zwei
Lus gengskler°en ~zuf, die auf die Eingänge einer '.n zahl voi Gattern, dio aer
um Eins verminderten Anzahl der _-u11."idiJ:.atcre.r. Entspricht, derart verteilt
sind, daß je ein Ausgang aufeinenderfolgender Eullindikatoren an ein Gatter zngeschlosscn
-st. Die Ausgänge der Gatter liegen parallel an -:::n Stufen zweier Register. libei
sind an die vtufen des ebnen Registers auch El.."g@nge eines Digit2:=--= neloE,-'..'Gndlers
angcsc?_lossen, dessen
Ausgang mit einer der beiden Eingangsklemmen
eines weiteren mit seiner anderen Eingangsklemme en die Ausgangsklcr_-ne des linearen
Speichers angeschlossenen T7ullindikators verbunden ist. Eine'Ausgangsklemme des
weiteren Nullindikators ist mit einem der Eingänge eines Gatters verbunden, dessen
anderer Eingang mit dem Ausgang eines Zählimpülsgenerators in Verbindung steht.
Der Ausgang dieses Gatters liegt am Zählimpulseingeng des zweiten Registers.
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Zweckmäßigerweise ist eine Eingangsklemme des Impuls-Speichers für
die I.:eßimpulse noch mit dem Eingang einer monostabilen Kippstufe verbunden, deren
Ausgang jeweils an den Eingengskler wen einer zweiten monostabilen Kippstufe und
einer bistabilen Kippstufe liegt. Je nach :arkierungszustand sperrt entweder die
bistabile Kippstufe den Speicher oder läßt ihn sich schnell entladen. Der Ausgang
der zweiten monostabilen Kippstufe ist mit dem Eingang einer zweiten bistabilen
Kippstufe verbunden, deren Ausgangsklemme an einer Steuerklemme des Speichers zu
seiner linearen Entladung liegt. Weiterhin liegt die Ausgangsklemme der zweiten
bistabilen Kippstufe an einer weiteren Eingangsklemme des Gatters für die Zählimpulse.
Ein zweiter Ausgang des oben-genannten weiteren _T;ullindikators ist mit Löscheingängen
der bistabilen Kippschaltungen verbunden.
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Zireckmäßig besteht das erste Register aus bistabilen Kippstufen und
Gattern. Das zweite Register weist an seinen lKusgdngen Torschaltungen auf, die
über eine dritte 'monostabile Kippstufe gesteuert werden, wobei diese Kippstufe
von einem Meßimpuls über die erste und zweite
monostabile. sowie
die zweite bistäbile Kippstufe angeregt wird.
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Zwei Figuren, die im folgenden beschrieben werden, erläutern die Erfindung.
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Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Ausübung des
Verfahrens nach der Erfindung.
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'Figur 2 stellt ein Impulsdiagramm dar, das an der Anordnung nach
Figur 1 abgenommen werden kann.
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Ein linear entladbarer Speicher S hat eine-Eingangsklemme für eine
impulsförmige Eingsngsspennung E 1.
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Eine kusgengeklemme des Speichers S, der aus einer nicht dargestellten
Verstärkerstuie und einer Aufladeeinrichtung besteht, ist mit F.ingangsklermen mehrerer
ä:ullindikatoren NI 1 :.. ,,Z n verbunden. Zweiteingangsklecr.@en der Nullindikatoren
::Z 2 .... 1:Z n sind einzelnen Stufen eines Spannungsteilers ^ zugeordnet. Der
Spannungsteiler T wird von einer Konstr-.ntspannung UK gespeist. Die Nullindikatoren
IM 3 ... NL n-1 weisen je zwei Ausgangsklenr-@en auf. Die '_:ullindikatoren
NL 2 und NL n haben je eine Ausgangsklemme. Die gesamten Lusgangsklemmen
der Nullindikatoren sind auf Eingänge einer Anzahl von Gattern G 2 ... G n derart
verteilt, daß je ein Ausgang aufeinanderfolgender ?:ullindikatoren an eines der
Gatter G 2 ... G n angeschlossen ist. Die Ausgänge der Gatter G 2 ... G n sind.
parallel mit den einzelnen Stufen zweier Register Z bzw. A verbunden. Die Stufen
des Registers Z sind außerdem an einen Digital-lnalog-I.*,ndler DA angeschlossen.
Der Ausgang des Digital-fnalog-I.',ndlers DA ist mit dem zweiten
Eingang
des Nullindikators IN 1 verbunden. Einer von zwei Ausgngen des Iullindikators I?I
1 beaufsdhlagt den einen Eingcng eines Catters G 1. Ein anderer Eingang des Gatters
G 1 ist mit einem Zählimpulsgererator ZG vertunden. Der Au,-gang des Gatters G 1
liegt en einem Uhleingang des Registers A. Desweiteren ist die Eingengsklmme
für 3_eßir-pulse des linearen Speichers S noch mit den Eingang einer monostabilen
Kippstufe IIK 1 verbunden: Deren Ausgang liegt jeweils an den Eingangsklemr-cn einer
zweiten rorost bilcn Kippstufe fall 2 und einer bistabilen Kippstufe IM 1. Die bistabile
Kippstufe HK 1 ist ausgangsseitig an einen Steuereingang des Impulsspeichers S geführt.
Der Ausgang der monostabilen Kippstufe :CK 2 steht mit dem Eingang einer bistabilen
Kippstuf e BK 2 in Verbindung, deren Ausgang wiedarum mit einer anderen Steuerklerr:e
des Speichers S verbunden ist. Der Ausgang der bistabilen Kippstufe DK 2 ist außerdem
mit einen dritten Eingang des Gatters G 1 verbunden: ,in zi-:eiter LusgC--ng des
Zullindikators 3L 1 liegt an den beiden bistabilen Kippstufen EMK-i und DK 2. Mit
den Signal über diese Verbindung' kUnnen die bistabilen Kippstufen gelU: cht werden.
Der- Eingang einer dritten mcrostabilen Kippstufe K.K 3 liegt ebenfalls ar; Ausgang
der bistabilen Kippstufe EK 2: Das Ausgangssignal der ccncstabilEn Kipps rufe 3
ist an einen Steuereingang fair :-:ehr ehe parallel geschaltete lorschaltun gen
D, die an den Ausgängen des Registers 4 liegen, geführt. Desweiteren führt eire
Leitung ton der kusgcngsklem-e der r-onostabilen Kippschaltung :=K 1 zu den :Registern
Z bzw. A, über welche Leitung diese Register gelcscht werden kUnnen. Vom Ausgang
der monostabilen Kippstufe '-ii 2 führt eine Verbindung Zu dritten Eingängen der
Gatter G 2 ... G n.
Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen
Schaltung ist wie folgt. Aachdem die Eingangsspcnnung E 1 als Irr.-puls an den Zeßeingcng
des Impulsspeichers S angelegt wurde, lädt sich der Speicher bis zum Spitzenwert
des Imrulzes auf und behält diese Ladung über eine bestimmte Zeit. Gußerdcm kippt
mit dem Eintreffen de; ersten :,Ießimpulses die monostabile Kippstufe :.,K 1 und
hält sich über eine kurze Zeit. In dieser Zeit werden die Register und Z gelöscht.
:;ach der Aufnahme des ersten Meßimpulses besitzt der Speicher S eine Ladung, die
dem Spitzenwert dieses Impulses entspricht'. Die :;ullindikatoren NL 2 ...Illn vergleichen
die Ausgangsspannung E 2 des Speichers S mit den Stufenspannungen am Spannungsteiler
T. Diese Spannungen sind linear gestuft, die grcßte Spannung am Ausgang des Spinnungsteilers
T entspricht 100;' des Höchstwertes des Geßimrulses. Der Spennungsteiler bildet
beispielsweise an zehn Ausgängen Spannungen von 10, 20, 30... 1CC5 des Meßimpulses
ab. Mit Hilfe der Gatter G 2 ... G n, deren Eingänge mit Vn insgLngen der hullindikatorcn
I:L 2... '.:L n verbunden sind, wird nun festgestellt, innerhalb welt eher Stufen
des Spannungsteilers die Speicherspünnung, bezogen auf irren Endwert, liegt. Bei
der oben angei ;ebenen Stufung kann so die Grcße des Speicherinhalts mit einer C
enauigkeit vcn 1C% ermittelt werden.
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Ait der RückflanYe des Signals, der monostabilen Kippstufe KK ! kippen
die biet labile Stufe B-L 1 und die monostabile Kippstufe :::K 4. Da: von der bistabilen
Kippstufe BK 1 ausgehende Signal sperrt den Speicher S für weitere Meßimpulse. Die
monostabile Kippstufe MK 2 hält sich über eine kuwze Zeit; innerhalb dieser Zeit
wird der Inhalt der beiden Register Z und A eingestellt. Die in der: Registern eingestellten
Zahlen Und beide gleich und ent,yrcchcn
einer Spannung, die mit
Sicherheit kleiner ist als die irr Speicher S gespeicherte :.:eßsparnung. Der Inhalt
des Registers Z wird gleichzeitig in den Digital-Analog-Umsetzer DA in eine Spannung
umgewandelt, die kleiner ist als die _°:eßspc.nnung y 2. Der ;;ullindikator
EM 1 vergleicht nun diese beiden Spannungen.
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"; en der Rückflanke des Signals der monostabilen Kippstufe i:K 2
wird die bistabile Kippstufe BK 2 umgestellt, sie bringt über den mit ihr verbundenen
Steuereingang des Speichers S diesen zur Entladung. Der Speicher S entlädt sich
dabei streng linear. Solange die Spannung E 2 größer ist als die Ausgangsspannung
des Digital-@nalog-;;anders DA und solange die bistabile Kippstufe BK 2 noch urgekippt
ist, bleibt das Gatter G 1 frei. Infolgedessen werden Zählirpulse des Zühlimpulsgenerators
ZG mit einer konstant= Folgefrequenz in das Register A eingezählt. Der Inhalt des
Registers vergrößert sich deshalb so lange, bis die sich linear verringernde Ausgangsspannung
des Speichers gleich der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers DA geworden
ist. Zu diesen Zeitpunkt werden über den !u--gang des hullindikätors NL 1
die bistabilen Kippstufen FK `i und BK 2 zurückgestellt und damit auch das Gatter
G 1 gesperrt. i.iit der Vorderflanke des von der bistabilen Kippstufe- EK 1 ausgehenden
Signales wird der Speicher S vorbereitet, d. h. sehr schnell entladen. Die ückflanke
des von der bistabilen Kippstufe BK 2 ausgehenden Signales kippt die monostabile
Kippstufe MK 3 über eine kurze Zeit unc. In dieser Zeitwerden die Torschaltung@l3
geöffnet und damit der Inhalt des Registers A für die weitere Verarbeitung freigegeben.
Der Inhalt des Registers A entspricht nun dem verschlüsselten Spitzenwert des ersten
?@eßimpulses-T,Zit= jedem weiteren TIeßimpuls wiederholt sich der dargelegte Ablauf.
In
den einzelnen Zeilen des Impulsdiagramms der Figur 2 sind in den ersten beiden Zeilen
die Eingangsmeßirr..pulse E 1 bzw. die Ausgangsspannung E 2 des Speichers S dargestellt.
In den weiteren Zeilen sind die Ausgangssignale der verschiedenen Kippstufen in
ihrem zeitlichen Ablauf gezeichnet, wobei die Spannungsverläufe mit kleinen Buchstaben
gekennzeicl_net sind, die den großen Buchstaben der zugehörigen Kippstufen entsprechen.
Der-nach ist in der Zeile 3 das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe NK 1 zu
erkennen. Die Vorderflanke dieses Ausgangssignals veranlaßt die Löschung der Register
A und Z. Die Rückflanke des Ausgangssignals der monostabilen Kippstufe IIK 1 löst
die bistabile Kippstufe BK 1 aus, deren negatives Ausgangssignal den Speicher S
sperrt. Die Rückflanke des Ausgangssignals der bistabilen Kippstufe BK 1 wird vom
":ullindikator ::L 1 gesteuert und löst ihrerseits die schnelle Entladung und damit
Vorbereitung des Speichers für einen neuen ITeßimpuls aus. In der fünften Zeile
des Ir:pulsdiagrarms ist das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe i--K 2 dargestellt.
Innerhalb. der Kippzeit dieser Stufe werden die Register Z und A eingestellt. Die
Rückflanke des Ausgangssignals der monostabilen Kippstufe :1:K 2 löst die bistabile
Kippstufe BK 2 aus, während deren Ausgangssignal der Impuls-Speicher linear entladen
wird. Schließlich wird von der Rückflanke des Ausgangssignals-der bistabilen Kippstufe
BK 2 die monostabile Kippstufe I:K 3 ausgelöst, deren Ausgangssignal in der Zeile
7 dargestellt ist. iriährcnd ihrer Kippzeit wird die Ausgabe des Inhalts des.Registers
A über die Torschaltungen B veranlaßt.