Digital-Acialog-Umsetzer (DAU) sind wichtige Bestandteile von Analog-Digital-Ucnsetzern
(ADU) nach deal Prinzip der schrittweisen Annäherung [1]. Diese ADU zeichnen sich
durch eine geringe Umsetzungszeit (etwa 3 bis :10 lzs für 10 Bit) aus. Sie besitzen
aber auf Grund der schlechten differentiellen Linearität der konventionellen DAU
nur eine geringe differentielle Linearität und können daher für Impulshöhenanalysen
z. B. in der Kernstrahlenmeßtechnik nicht verwendet werden, obwohl man gerade hier
auf die geringe Umsetzungszeit großen Wert legt. Für Irnpulshöhenanalysen werden
deshalb heute fast nur ADU nach dem Wilkinson-Prinzip [?] verwendet. Sie- besitzen
zwar eine genügend gute differentielle Linearität, aber auch eine große Umsetzungszeit
(10 bis 250 lxs für 10 Bit). Nach W i l k i i1 s o n werden voll einem Zähler periodische
Impulse während eines bestimmten Zeitintervalls, dessen Größe der umzusetzenden
Analogspannung proportional gemacht wird, gezählt. Der Zählerstand enthält dann
die digitale Verschlüsselung. Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die differentielle
Linearität bei DAU so zu verbessern, daß die obenerwähnte schnelle Methode der AD-llnisetzung
nach dem Prinzip der schrittweisen Annäherung auch für 1mpulshöhenanalysen verwendet
werden kann. Dadurch wird die Totzeit bei der Impulshöhenanalyse etwa uni den Faktor
3 verkürzt.Digital-Acialog converters (DAU) are important components of analog-digital converters
(ADU) according to the deal principle of gradual approximation [1]. These ADU stand out
due to a short conversion time (approx. 3 to: 10 lzs for 10 bits). You own
but due to the poor differential linearity of the conventional DAC
only have a low differential linearity and can therefore be used for pulse height analysis
z. B. cannot be used in nuclear radiation measurement technology, although it is here
attaches great importance to the short implementation time. For pulse height analysis
therefore today almost only ADU according to the Wilkinson principle [?] used. You- own
a sufficiently good differential linearity, but also a long implementation time
(10 to 250 lxs for 10 bits). According to W i l k i i 1 s o n, a counter becomes periodic
Pulses during a certain time interval, the size of which is to be implemented
Analog voltage is made proportional, counted. The counter reading then contains
digital encryption. This invention is based on the object of the differential
To improve linearity in DAC in such a way that the above-mentioned fast method of AD conversion
also used for 1pulse height analysis according to the principle of step-by-step approximation
can be. As a result, the dead time in the pulse height analysis is roughly equal to the factor
3 shortened.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sieh aus den Patentansprüchen.The solution to the problem arises from the claims.
Nach dem Prinzip der schrittweisen Annäherung wird eine umzusetzende
analoge Spannung 1l, durch eine Vergleichsspannung U, schrittweise angenähert. U.
wird in einem DAU erzeugt und ist der Digitalzahl z. B. ini Binärcode ei"
u,, ui ... a; ... ei" in einem ii-Bit-Register proportional.
U ,, läßt sich bei Verwendung von konventionellen DAU ganz allgemein als Produkt
einer Spannung U mit einer Summe aus Gewichtswerten
darstellen
U gibt die obere Grenze des Spannungsbereichs an, in dem U. T° Werte annehmen kann.
Die u; können 0 oder 1 sein und werden in der Praxis durch die Stellung voll Schaltern
realisiert. Bei der Annäherung U,, an Ux werden u, bis u", die zunächst alle den
Wert Null hatten, schrittweise in aufsteigender Reihenfolge mit a, beginnend auf
Eins oder wieder auf Null so gesetzt, daß die Differenz zwischen L1, und C;. positiv
ist und immer kleiner- wird. Nach n Schritten hat lr,. den Wert von U" bis auf eine
maximale Abweichung voll
erreicht, und n, bis ei" geben die duale Verschlüsselung voll U, all. Da U,. nach
(1) 2" diskrete Werte annehmen kann, ergeben sich 2" Spannungsintervalle oder Kanäle
der mittleren Breite B" _
, in die. analoge Spannungen 11, einsortiert werden können. Jedem Kanal ist eine
bestimmte Dualzahl zugeordnet.According to the principle of step-by-step approximation, an analog voltage 1l to be converted is approximated step-by-step by means of a comparison voltage U. U. is generated in a DAU and is the digital number z. B. ini binary code ei " u ,, ui ... a; ... ei" in a ii-bit register proportional. When using conventional DAC, U ,, can generally be expressed as the product of a voltage U with a sum of weight values represent U indicates the upper limit of the voltage range in which U. T ° can assume values. The u; can be 0 or 1 and are implemented in practice by setting the switches to full. As U ,, approaches Ux, u, to u ", which initially all had the value zero, are set step-by-step in ascending order with a, starting at one or back to zero so that the difference between L1 and C ;. is positive and gets smaller and smaller. After n steps, Ir, has the value of U "up to a maximum deviation reached, and n, until ei "give the dual encryption fully U, all. Since U,. according to (1) can assume 2" discrete values, there are 2 "voltage intervals or channels of medium width B" _ , in the. analog voltages 11 can be sorted. A specific binary number is assigned to each channel.
Da die eingeschalteten Gewichtswerte (u; = 1) in Gleichung (l) aus
technischen Gründen nur mit der relativen Unsicherheit
herzustellen sind, ergibt sieh bei der DA-Unisetzung nach- Gleichung
(l) und damit auch bei- der AD-Unisetzung eine Abweichung I L voll der differentiellen
Linearitüt. I1. =
ist die relative Abweichung vorn Mittelwert der Spannungsdifferenzen zwischen benachbarten
Spannungswerten des DAU bzw. der Kanalbreiten des ADU. I L ist für denjenigen Kanal
maximal, der sich durch alle Gewichtswerte voll seinem Nachbarkanal unterscheidet,
so daß :sich die Fehler aller Gewichtswerte auf seine Kanalbreite auswirken.
113"",x ergibt sich nach den, Fehlerfortpflanzungsgesetz aus der geometrischen Addition
der absoluten Fehler aller Gewichtswerte.Since the activated weight values (u; = 1) in equation (l) for technical reasons only with the relative uncertainty are to be produced , see equation (1) for the DA conversion and thus also for the AD conversion, a deviation IL full of the differential linearity. I1. = is the relative deviation from the mean value of the voltage differences between neighboring voltage values of the DAC or the channel widths of the ADC. IL is maximum for that channel which differs completely from its adjacent channel through all weight values, so that: The errors of all weight values affect its channel width. 113 "", x results from the, error propagation law from the geometric addition of the absolute errors of all weight values.
Umgeformt erhält mall für 11."",x:
Werden unter der Wurzel nur die ersten drei Glieder berücksichtigt, erhält man als
Näherung: 11."",x ::" 2" - 1 X - t),56. (') 11."",x ist proportional zur Kanalzahl
T' und beträgt z. 13. für 1024 Kanäle und 1 X = 10 -' (ein
technisch vernünftiger Wert) etwa 5,7"(". Dieser Wert für 11,"",x ist für lnipulshöhenanalysen
zu groß. .Mall for 11. "", X: If only the first three terms are taken into account under the root, one obtains as an approximation: 11. "", X :: "2" - 1 X - t), 56. (') 11. "", X is proportional to the channel number T' and is e.g. 13. for 1024 channels and 1 X = 10 - ' (a technically sensible value) about 5.7 "(". This value for 11, "", x is too large for a pulse height analysis.
Durch die Verwendung eines neuartigen DAU -kann 1 L"",x wesentlich
verkleinert werden. In diesem neuen DAU werden voll den ersten in Bits nicht wie
-bislier jeweils ein großer Gewichtswert [s. Glei-. chüng (1)], sondern jeweils
mehrere kleinere Gewichtswerte
der Größe
die zusammen wieder den alten Wert ergeben, entsprechend folgender
Beziehung geschaltet.
= (i, 2'-i +. (12 ?m -2 + . . . + (1 ,1, Der Vorteil dieser Methode
ist, daß sich zwei benachbarte Kanäle nur noch durch die kleineren Gewichtswerte
unterscheiden können [s. Gleichung (3)], so daß die absoluten Fehler der Gewichtswerte
ebenfalls kleiner sind und sich für 1 L"""
und als Näherung entsprechend (?)
1
1 L"@ii# _ 'T' 1 X ";' #- (1,56
ergibt. -
Ein Vergleich finit (2) zeigt, daß I1."",@ uin den Faktor "", t i kleiner
geworden ist. Die Abweichung von der differentiellen Linearität würde z.
B. für einen 1024-Kanal-Analysator nur noch 0,71°" betragen, wenn in = 4 und I X
= 10--1 angenommen wird. Der Mehraufwand gegenüber dein alten Verfahren bestünde
in diesem Fall aus 60 Dioden für die Umkodierung der ersten 4 Bits und 11 zusätzlichen
Schaltern und Widerständen.By using a new type of DAC - 1 L "", x can be reduced significantly. In this new DAU, the first bits are not fully assigned a large weight value as -bislier [s. Sliding. chüng (1)], but rather several smaller weight values of the size which together give the old value again , switched according to the following relationship. = (i, 2'-i +. (12? m -2 + ... + (1 , 1, The advantage of this method is that two adjacent channels are only separated by the smaller weight values can distinguish [s. Equation (3)], so that the absolute errors of the weight values are also smaller and for 1 L """ and as an approximation according to (?) 1
1 L "@ ii # _ 'T' 1 X ";'# - (1.56
results. -
A comparison finite (2) shows that I1. "", @ Uin the factor "", ti has become smaller. The deviation from the differential linearity would e.g. B. for a 1024-channel analyzer would only be 0.71 ° "if in = 4 and IX = 10--1 is assumed. The additional effort compared to the old method would in this case consist of 60 diodes for recoding the first 4 bits and 11 additional switches and resistors.
In den Figuren ist eine Prinzipschaltung für einen
10-Bit-DAU
nach Gleichtang (3) finit in = 4 dargestellt.The figures show a basic circuit for a 10-bit DAC according to the same speed (3) finite in = 4.