DE2432373A1

DE2432373A1 - Breitband-splittingschaltung

Info

Publication number: DE2432373A1
Application number: DE2432373A
Authority: DE
Inventors: Walter Robert Hogg
Original assignee: Coulter Electronics Inc
Current assignee: Coulter Electronics Inc
Priority date: 1973-07-06
Filing date: 1974-07-05
Publication date: 1975-02-20
Also published as: FR2236315B3; IT1016321B; SE7408907L; IL45176A0; CA994874A; FR2236315A1; JPS5039863A; NL7409099A

Description

Patentanwälte

DIpI.-ing. E. Eder

Dipl.-Ing. K. Schieschke

8 München 13, Elisabethstra3e 34

Coulter Electronics Limited, Harpenden, Herts./England

Breitband-Splittingschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf die Impulsamplitudenanalyse unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers und insbesondere auf eine Breitband-Splittingschaltung zur wirksamen Dehnung des begrenzten Bereiches oder Bandes eines Analog-Digital-Wandlers (AD), der als Impulsamplitudenverarbeiter dient.

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Die Erfindung eignet sich beispielsweise zur Anwendung bei Teilchenanalysatoren, die unter dem Warenzeichen "Coulter-Zähler¹¹ bekannt sind und die nach dem Coulter-Prinzip gemäß den US-Patentschriften 2 656 508 und 3 259 842 arbeiten. Ein derartiger Analysator spricht auf die Größe eines Teilchens an, indem er einen diskreten, amplitudenabhängigen Impuls liefert. ·

Der Teilchengrößenbereich partikulierter Populationen kann sehr groß sein. Es ist nicht ungewöhnlich, daß die kleinen Teilchen mehrere tausendmal kleiner sind als die großen Teilchen. Das Auftreten dieser Teilchen, d.h. ihre Größenverteilung in einer partikulierten Probe folgt einem allgemeinen Muster, wobei die Anzahl der kleinen Teilchen erheblich größer ist als diejenige der großen Teilchen. Beispielsweise können zig-Millionen von Teilchen mit einem Durchmesser von einigen Mikron vorhanden sein, im Vergleich zu einigen hundert Teilchen mit einem Durchmesser von 100 Mikron oder mehr.

Die üblichen, wenig aufwendigen AD-Wandler besitzen eine Auflösung von 6 Bit, d.h. ein analoges Eingangssignal kann in 64 Größenstufen unterteilt werden.

Wandler mit höherer Auflösung werden allzu aufwendig und/oder für viele Anwendungszwecke zu langsam. Der 6-Bit-AD-Wandler kann ein analoges Eingangssignal über einen Eingangssignalbereich von 64:1 in sein digitales Gegenstück verwandeln, wobei jedoch die Auflösung von annähernd gleichen Signalen, mit jedoch meßbar unterschiedlichen Amplituden sehr schlecht ist. Der Amplitudenannahmebereich und die Auflösung eines AD-Impulsamplitudenverarbeiters ist deshalb meist enger, als zur Analyse von Signalen mit breitem Größenbereich erforderlich.

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Die Erfindung betrifft deshalb eine Splittingschaltung für einen breiten Signalbereich mit einem AD-Wandler als Impulsamplitudenverarbeiter, der beispielsweise einen Anfangsbereich von 64:1 hat, der sich auf über 30 000:1 dehnen läßt, wie im folgenden erläutert wird.

Die Erfindung betrifft somit eine Bereichs-Splittingschaltung für einen AD-Wandler eines Impulsamplitudenverarbeiters mit einem Amplitudenannahmebereich, der enger ist als der zu verarbeitende Bereich der analogen Impulsamplituden, und mit mehreren digitalen Ausgängen, wobei die Splittingschaltung den Amplitudenbereich der analogen Incise so einengt, daß sie innerhalb des Annahmebereiches des Impulsamplitudenverarbeiters liegen, und wobei die Splittingschaltung einen Eingangsanschluß zur Aufnahme aller zu verarbeitenden Impulse, mehrere parallele Stufen, die zur Aufnahme der zu verarbeitenden Impulse mit dem Eingangsanschluß verbunden sind, und einen gemeinsamen Ausgangsanschluß aufweist, der mit einem analogen Eingang des Impulsamplitudenverarbeiters verbindbar ist. Die Splittingschaltung ist gekennzeichnet durch Teilbereichgrenzendefinitionsmittel in jeder Stufe, die die untere Grenze eines Impulsamplitudenbereiches definieren und die so angeschlossen sind, daß sie auf jeden Impuls vom Eingangsanschluß ansprechen und jeden Teilbereich so definieren, daß der Teilbereich jeder Stufe nicht breiter ist als der Annahmebereich des Verarbeiters, durch eine derartige Anordnung der Teilbereichdefinitionsmittel in allen Stufen mit Ausnahme der ersten Stufe, daß die Amplitude ' jedes in dieser Stufe aufgenommenen Impulses so geändert wird, daß die resultierende Amplitude nur in einem Teilbereich einer der Stufen liegt, wobei nur die Amplitude des Impulses am Ausgang dieser einen Stufe im Annahmebereich des Impulsverarbeiters liegt, durch gesteuerte Mittel in jedem der Kanäle, die abhängig von den Teilbereichdefinitionsmitteln einen der _■ Kanäle selektiv aktivieren und verhindern, daß die übrigen Kanäle

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einen analogen Impuls zum Ausgangsanschluß durchlassen, durch Mittel in jeder Stufe zur Entwicklung eines Ausgangssteuersignales, wenn, die Amplitude eines Impulses innerhalb des Teilbereiches dieser Stufe liegt, und durch Ausgangsmittel, die die digitalen Ausgänge vom Verarbeiter und die AusgangsSteuersignale der Stufen aufnehmen und die von den Ausgangssteuersignalen zur Identifizierung des Stufenteilbereiches gesteuert werden, der den analogen Impuls zur Erzeugung der digitalen Ausgänge lieferte.

Zur Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Die beiden Fig. 1 und 2 zeigen je ein Blockschaltbild der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 erzeugt ein Impulsgenerator 12 einzelne Impulse mit einem breiten Amplitudenbereich. Für die Form der erzeugten Impulse als auch für die Art des Generatoreinganges besteht keine Beschränkung. Zur einfacheren Erläuterung dieser Ausführungsform sei angenommen, daß der Impulsgenerator 12 Teil eines Teilchengrößenanalysators, etwa eines "Coulter-Zählers" ist, der bei jedem erfaßten Teilchen einen Impuls erzeugt, wobei die Impulsamplitude der Teilchengröße proportional ist. Der Ausgang des Impuls gen era tors 12 liegt: über eine Ausgangsleitung 16 an einem Anschluß 14« Mit ddi Ausgang 14 sind mindestens zwei parallele Schaltungsstuicn verbunden* Eine erste Stufe 18 umfaßt eine Teilbereichdefinüions-Schwellwertschaltraig bzw. eine Schwelle 20, ein bistabiles Element 22 und einen elektronischen Analogschalter 24. Die Schwellwertschaltung bzw. Schwelle 20 liegt mit einem Eingang am Anschluß 14, während ihr Ausgang mit dem Setzeingang S des bistabilen Elementes 22 verbunden ist. Wenn die Amplitude eines zum Eingang der Schwelle 20 gelangenden Impulses größer ist als deren Schwellenspannung, geht ein "Setzsignal¹¹ zum Setzeingang des bistabilen Elementes 22, das dann eine binäre "1" als Steuersignal auf

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seiner Ausgangsleitung 25 zum Steuereingang des analogen Schalters 24 liefert. Der analoge Eingangsanschluß des Schalters 24 ist mit dem Anschluß 14 und sein Ausgangsanschluß mit der Leitung 27 verbunden. Wenn eine binäre "1" als Signal am Steuereingang des Schalters 24 ansteht, geht der Impuls am Anschluß 14 auf die Leitung 27. Das bistabile Element 22 und der analoge Schalter werden somit von der Teilbereichdefinitions-Schwellwertschaltung 20 gesteuert.

Am Anschluß 14 liegt über einen Verstärker 28 eine zweite Stufe 26 mit einer Schwellwertschaltung 30, einem bistabilen Element 32, einem Und-Gatter 34 und einem analogen Schalter 36. Die Teile dieser zweiten Stufe sind auf die gleiche Weise geschaltet wie diejenigen der ersten Stufe 18, wobei der binäre Ausgang des bistabilen Elementes 22 der ersten Stufe 18 zu einem invertierenden oder Vetoeingangssignal 37 des Und-Gatters 34 führt. Einen zweiten Eingang erhält das Und-Gatter 34 vom Ausgang der Schwellwertschaltung 30 über das bistabile Element 32. Der Ausgang des Und-Gatters 34 liegt über die Ausgangssteuerleitung 38 am Steuereingang des analogen Schalters 36. Der Ausgang der analogen Schalter 24 und 36 ist über die Leitung 27 verbunden. Wenn ein Impuls an der Schwellwertschaltung 20 den Schwellwert überschreitet, gibt das bistabile Element 22 ein Signal "1" zum invertierenden Eingang 37 des Und-Gatters 34, das ein binäres Signal "0" auf den Steuereingang des Schalters 36 gibt und dadurch verhindert, daß der Impuls am Eingang der Schwellwertschaltung 30 auf die Schalterausgangsleitung 27 gegeben wird.

Die Schwellwertschaltung 30 definiert so die untere Grenze des Teilbereiches der Stufe 26, während der Verstärker 28 mit der Schwellwertschaltung 30 diesen Teilbereich definiert, dessen obere Grenze von der unteren Grenze des nächsten Teilbereiches gebildet wird, ler durch die Schwellwertschaltung 20 in der Stufe 18 d2fi.ni.3rt int. Ebenso /„ilen da? bistabile Element 32,

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das Und-Gatter 34 und der analoge Schalter 36 durch die Schaltungselemente zur Teilbereichdefinition in den Stufen und 26 gesteuert·

Die Leitung 27 führt zum analogen Eingang eines AD-Wandlers mit einem Ruckstellanschlufl 42-1, einem Ausgangsbesetztanschluß 42-2 und binär kodierten Ausgängen. Die analoge Amplitude eines auf die Leitung 27 gegebenen Impulses wird in sein binär kodiertes, digitales Äquivalent umgewandelt, das am Ausgang des AD-Wandlers 42 auftritt. Da der Impuls an der Leitung 27 in seine binäre Darstellung umgewandelt wird, steht am Ausgangsbesetztanschluß 42-2 ein Besetztsignal an, das auf"eine Rückstellschaltung 44 gegeben wird. Die Rückstellung des Wandlers erfolgt durch einen Rucksteilimpuls am Anschluß 42-1 von der Rückstellschaltung 44. Mit dem Ausdruck "digital¹¹ werden auch dezimale Werte bzw. Werte mit der Basis 10 erfaßt. Die Rückstellschaltung 44 liegt mit einem anderen Eingangsanschluß am Eingangsanschluß 14/mit einem Ausgangsanschluß an den Rückstell— anschlüssen der bistabilen Elemente 22 und 32 und dem Rückstellanschluß 42-1 des AD-Wandlers 42.

Die Rückstellschaltung 44 kann eine Schwellwertschaltung enthalten und eine Impulsflänkendetektorschaltung zur Lieferung eines Rückstellimpulses, wenn die hintere Flanke der sowohl vom Anschluß 14 als auch vom Besetztanschluß 42-2 gelieferten Signale aufgetreten ist, so daß die Schaltung nach Fig. 1 dann zur Aufnahme des nächsten, zu analysierenden Impulses bereit ist.

Die Verstärker 46, 48 und.50 liegen in Kaskadenschaltung am Ausgang des Verstärkers 28. Ein am Anschluß 14 auftretender Impuls wird deshalb in seiner Amplitude um einen Faktor vergrößert, der von der Verstärkung oder dem Gewinn dieser Verstärker abhängt. Die dritte, vierte und fünfte Stufe 51, 52 bzw.

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53 sind mit der zweiten Stufe 26 identisch und bilden zusammen mit der zweiten Stufe vier identische Kanäle, deren Eingang über die entsprechenden Kaskadenverstärker 28, 46, 48 bzw. angeschlossen ist« Der Vetoanschluß des Und-Gatters jeder Stufe liegt am binären Steuerausgang des bistabilen Elementes der vorhergehenden Stufe. Die Teilbereichdefinitionselemente und die gesteuerten Elemente der Stufen sind deshalb so ausgeführt, wie bei der Stufe 26 erläutert. Die analogen Ausgänge der Stufen 51, 52 und 53 liegen über die Leitung 27 gemeinsam am AD-Wandler 42. Der Rüclcstelleingang des bistabilen Elementes jeder Stufe ist mit der Rückstellschaltung 44 verbunden. Die Leitungen 54, 55 bzw. 56 liefern Steuersignalausgänge für die Stufen 51, bzw. 53, ähnlich dem Steuerausgang 38 der Stufe 26.

Die Steuerausgänge der Stufen 18, 26, 51, 52 bzw. 53 gehen zu den Logikschaltungen 57 bis 61. Da diese Schaltungen von identischer Struktur sind, wird nur die Logikschaltung 57 erläutert. Diese Logikschaltung besitzt sieben duale Eingangs-Und-Gatter 62 bis 67. Der erste Eingang der Und-Gatter ist verbunden und bildet einen gemeinsamen Anschluß mit der Leitung 25 der Stufe 18. Der zweite Eirgmg der Und-Gatter 62 bis 67 liegt an den binär kodierten, digitalen Ausgangsleitungen bis 73 des AD-Wandlers 42. Der Ausgang der Und-Gatter 62 bis kann auf einen Volladdierer 74 gegeben werden. Der Volladdierer 74 besitzt beispielsweise die Zellen 75 bis 96, wobei der Ausgang der Und-Gi tier 62 bis 67 entsprechend mit den Zellen 91 bis 96 verbunden ist. Zwischen dem Ausgang der Und-Gatter 62 und und dem Eingang zu den Zellen 91 und 92 liegen Oder-Gatter bzw. 98. Die Eingänge der Oder-Gatter 99 und 98 sind mit dem Ausgang der .uogikschaltung 58 verbunden und bewirken eine Kompensation der Bereichsüberlappimg zwischen denStufen 18 und 26.

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Die zweiten Eingänge der Und-Gatter der Logikschaltungen 58 bis 61 sind auf die gleiche Weise mit den binär kodierten, digitalen Ausgangsleitungen 68 bis 73 des AD-Wandlers 42 verbunden. Die Ausgänge der Logikschaltungen 58 bis 61 führen zu den entsprechenden Zellen des Volladdierers 74.

In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung hat jeder der Verstärker 28, 46, 48 und 50 eine 16-fache Verstärkung. Der Eingangsbereich des AD-Wandlers 42 beträgt ebenfalls 16:1, vas sich durch die üblichen 6-Bit-Wandler ohne weiteres erreichen läßt.

Zur Erläuterung der Ausführungsform nach Fig. 1 sei angenommen, daß ein großer Impuls vom Impulsgenerator 12 auf den Anschluß 14 gegeben und von den Verstärkern 28, 46, 48 und 50 verstärkt wird. Es sei ferner angenommen, daß dieser Impuls so groß ist, daß er die Schwelle der Schwellwertschaltung 20 der Stufe 18 überschreitet. Der gleiche Impuls wird vom Verstärker 28 mit dem Verstärkungsfaktor 16 multipliziert, wodurch gewährleistet ist, daß der so verstärkte Impuls die Schwelle der Schwellwertschaltung 30 überschreitet. Auf die gleiche Weise wird die Schwelle der Schwellwertschaltungen 51, 52 bzw. 53 durch die zugeführten und verstärkten Impulse überschritten, wobei diese durch die Verstärker 46, 48 bzw. 50 verstärkt wurden. Der am Eingang der Bereichdefinitionsschwellwertschaltung 20 der Stufe 18 auftretende Impuls, der deren Schwelle überschritten hat, bewirkt ein Setzsignal für das bistabile Element 22, das, nachdem es durch die Rückstellschaltung 44, wie oben erläutert, zurückgestellt wurde, ein binäres Steuersignal "1" auf den analogen Schalter 24 gibt und über die Leitung 25 ein Steuersignal für die Logikschaltung 57 liefert. Wenn der Schalter 24 das Steuersignal vom bistabilen Element 22 erhält,

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wird er geschlossen, und der am Eingang der Schwellwertschaltung 20 auftretende Eingangsimpuls geht direkt über die Leitung 27 zum AD-Wandler 42. Gleichzeitig erhält das Und-Gatter 34 der zweiten Stufe 26 über den Anschluß 37 ein Vetosignal von der vorhergehenden Stufe, das das Und-Gatter 34 sperrt und einen Ausgang "0" auf der Leitung 38 bewirkt. Auf die gleiche Weise wird der analoge Schalter 36 offengehalten und dadurch verhindert, daß der Eingang der Schwellwertschaltung 30 über die Leitungen 45 und 27 auf den AD-Wandler 42 geht. Ebenso wird verhindert, daß das analoge Signal am Ausgang der Verstärker 46, 48 bzw. 50 auf den AD-Wandler 42 gegeben wird, infolge des Vetoimpulses, der von den entsprechenden Und-Gattern aus den entsprechenden vorhergehenden Stufen 26, 51 bzw. 52 aufgenommen wird. Infolge des Vetosignales aus der vorhergehenden Stufe tritt auch kein binärer Steuerausgang "1" auf den Leitungen 54, 55 und 56 auf. Das einzige Signal am Eingang 27 des AD-Wandlers 42 ist der Impuls am Eingang der Schwellwertschaltung 20, so daß der AD-Wandler auf der Leitung 42-2 ein Besetztsignal zur Rückstellschaltung 44 gibt.

Der analoge Impuls wird danach in einen binär kodierten, digitalen Wert umgewandelt, der über die Ausgangsleitungen 68 bis 73 des AD-Wandlers 42 zur Logikschaltung 57 geht. Der gleiche digitale Wert auf den Leitungen 68 bis 73 geht außerdem zu den Logikschaltungen 58 bis 61. Die Und-Gatter in diesen Logikschaltungen sind jedoch durch das Vetosteuersignal auf den Leitungen 38, 54, 55 und 56 desaktiviert. Infolge des günstigen Steuersignales auf der Leitung 25 werden die Und-Gatter 62 bis aktiviert und lassen den digitalen Wert auf den Leitungen 68 bis 73 beispielsweise zu den Zellen 91 bis 96 des Volladdierers 74 oder zu einer anderen, bekannten und digitalen Ausgangsanalysiereinrichtung durch. Der Volladdierer 74 speichert somit in den Zellen 91 bis 96 eine digitale Darstellung des analogen

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Eingangsimpulses vom Impulsgenerator 12. Darauf nimmt der AD-Wandler 42 das Besetztsignal von der Rückstellschaltung 44, die die bistabilen. Elemente 22 und 32 und den AD-Wandler 42 zurückstellt.

Es wird nun ein sehr kleiner Impuls des Impulsgenerators 12 angenommen, beispielsweise von 10 Mikrovolt (10""^ Volt), was zum Überschreiten der Schweilenspannung der Schwellwertschaltung 20 zu "klein ist· Die gleiche Impulsamplitude ist auch nach Verstärkung um den Faktor 16 durch den Verstärker 28 zu klein, um die Schwelle der Schwellwertschaltung 30 überschreiten zu können. Ebenso ist nach Verstärkung des Impulses durch die Verstärker 46 und 43 die Amplitude des Impulses immer noch zu klein, um die Schwelle der dritten bzw. vierten Stufe 51 bzw. überschreiten zu können. Nach Verstärkung durch den Verstärker überschreitet jedoch die Amplitude des Impulses den Schwellwert der fünften Stufe 53. Da der Impuls keine der Schwellen der vorhergehenden Stufen überschreiten konnte, führen die Leitungen 25* 38, 54 und 55 der ersten bis vierten Stufe keine Aktivierungssignale. Die Logikschaltungen 57 bis 60 sind deshalb nicht aktiviert. Ebenso bleiben die analogen Schalter der Stufen 18, 26, 51 und 52 offen und verhindern dadurch, daß ein analoges Signal von den Eingangsanschlüssen dieser Stufen zum AD-Wandler geht. Da die Amplitude des verstärkten und auf die fünfte Stufe 53 gegebenen Impulses zum überschreiten der Schwelle ihrer Schwellwertschaltung ausreichte, geht der Ausgang des Verstärkers 50 über die Leitung 27 zum AD-Wandler 42. Ein Steuersignal erscheint auf der Ausgangsleitung 56, das die Logikschaltung 61 aktiviert und dadurch die digitale Darstellung des Signales am Ausgang des AD-Wandlers 42 auf den Leitungen 68 bis 73 auf die Zellen 75 bis 80 des Volladdierers 74 gibt. Da der Impuls am Ausgang des Verstärkers 50 genau 16 -mal (65 536-mal) größer ist als der Impuls am Anschluß 14, ist er nun zur Analyse durch den AD-Wandler 42 mit guter Auflösung, dargestellt durch mehrere binäre Bits, groß genug· Er erscheint mit ca. 0,66 Volt am Eingang des AD-Wandlers 42 und kann zur weiteren Analyse in einer entsprechenden Speicherstelle digitalisiert

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und gespeichert werden.

Es wird nun angenommen, daß ein Impuls mittlerer Größe am Ausgang des Impulsgenerators 12 auftritt, dessen Amplitude so groß ist, daß die Spannung des verstärkten Impulses die Spannungsschwellen der Stufen 51» 52 und 53 überschreitet, die Schwellen dar Schwellwertschaltungen 20 oder 30 der Stufen 18 und 26 jedoch nicht überschreitet. Bei Überschreitung des Schwellwertes der Stufe 52 geht ein Vetoimpuls zum Und-Gatter der Stufe

53 und verhindert dadurch, daß der Steuerausgang auf der Leitung 56 auftritt und daß die Logikschaltung 61 aktiviert wird. Das gleiche Vetosignal verhindert, daß der Ausgang des Verstärkers 50 auf den AD-Wandler 42 gegeben wird. Ebenso geht bei Überschreitung des Schwellwertes der Stufe 51 ein Vetosignal zur Stufe 52 und verhindert, daß ein Ausgang auf der Leitung 55 auftritt und daß die Logikschaltung 60 aktiviert wird. Das Vetosignal von der Stufe 51 verhindert, daß der Ausgang des Verstärkers 48 auf den Eingang des AD-Wandlers 42 gegeben wird.

Da der Impuls am Eingang der Schwellwertschaltung 30 diese Schwelle nicht überschreiten kann, geht kein Vetoimpuls zur Stufe 51 und deren Aktivierungssignal erscheint auf der Leitung

54 und aktiviert die Und-Gatter der Logikschaltung 59. Ebenso ist der Impuls an der Stufe 18 nicht groß genug, um die Schwelle der Schwellwertschaltung 20 überschreiten zu können, wodurch verhindert wird, daß ein Aktivierungsimpuls auf der Leitung 25 auftritt und daß der Impuls am Eingang der Schwellwertschaltung 20 auf den AD-Wandler 42 gegeben wird.

Der Ausgang des Verstärkers 46 geht über die Leitung 27 zum AD-Wandler 42, der den zugeführten analogen Impuls als digitales Signal wiedergibt, das als binäres Muster auf den Leitungen 68 bis 73 erscheint. Durch die Aktivierung der Logikschaltung 59

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sind die Leitungen 68 bis 73 direkt auf den Volladdierer 74 geschaltet und das binäre Muster wird in den Zellen 83 bis als digitale Information der Amplitude eines Eingangsimpulses am Anschluß 14 gespeichert, infolge ihrer Lage im Addierer mit dem Faktor 256 multipliziert. Rechts von der Zelle 83 befinden sich acht Plätze (die Zellen 75 bis 82). Die Zelle stellt eine Zahl dar, die 2 -mal oder 256-mal größer ist als eine Zahl in der Zelle 75·

Aus dem Vorhergehenden folgt, daß ein Eingangsimpuls des Generators 12, der das binäre Bit "1" in die Zelle 96 bringt, tatsächlich 2 -mal (2 097 152-mal) größer ist als ein Signal, das eine "1" in die Zelle 75 bringt. Der nutzbare Bereich des AD-Wandlers ist nicht nur durch die Gesamtzahl der Bits begrenzt, sondern auch durch die minimale Zahl signifikanter Bits, die man zur Darstellung des kleinsten, umzuwandelnden Impulses verwenden will· Selbst bei einem AD-Wandler 42 mit sechs Bits ο und einem Spannungsannahmebereich von 64:1, der sich in 64 gleiche Schritte oder Stufen unterteilen läßt, können die kleinsten Schritte eine ungenügende Datenauflösung zur Folge haben. Kommerzielle 6-Bit-AD-Wandler sind mit einem 1:64-Annahmebereich von 0,156 bis 10 Volt verfügbar. Die kleine Signalauflösung läßt sich jedoch ohne größeren praktischen Verlust der gesamten Systemausnutzung durch Verwendung des 1:16-Bereiches von 0,625 bis 10 Volt wesentlich verbessern.

Nicht-Bei/Verwendung von 0,156 bis 0,625 Volt reduziert sich die Anzahl der Größenschritte auf 60, liefert jedoch immer noch einen Gesamtbereich für das System von mehr als 30 000:1

(2 dividiert durch 60). Die Kompadibilität mit dem 1:16-Bereich des AD-Wandlers erreicht man durch einen Verstärkungsfaktor 16:1 bei jedem Verstärker 28, 46, 48 und 50.

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In der Ausführungsform nach Fig. 1 sind vier Verstärker mit 16-facher Verstärkung und vier Stufen gleich der Stufe 26 vorhandene Man kann jedoch auch mit mehr oder weniger Verstärkern und Stufen arbeiten und die Verstärker können außer 2 (16) auch andere Exponenten von 2 haben_o Wenn man die Verstärkung verringert, kann man die Anzahl der Bits im AD-Wandler bei gleicher Auflösung reduzieren ₉ da die Bereichanforderurig des AD-Wandlers sich proportional reduziert ₉ so daß eine minimale Anzahl von Bits zur Darstellung des kleinsten Teilchens eingehalten wird.

Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 arbeitet der AD-Wandler 42 innerhalb eines Bereiches von 16:1 (0,065 Volt bis 10 VoIt)₀ Die kleinste₉ vom AD-Wandler darzustellende Zahl ist deshalb 1/16 der größten Zahlo Durch den Wandler lassen sich somit nur Teilchenimpulse analysieren^ die mindestens 1/16 der Spannung des größten Impulses erreichen. Wenn die Ver-Stärkung der Verstärker zu 2^J (8) gewählt wird, muß der Bereich des AD-Wandlers 42 nur 8s1 sein_o

Es sei darauf hingewiesen, daßρ wenn die Verstärkung einen anderen Exponenten von 2 erreicht, die Und-Gatter der Logikschaltung so anzuordnen sind, daß die Bits des AD-Wandlers 42 in die entsprechenden Zellen des Addierers 74 gegeben werden. Wenn beispielsweise die Verstärker eine Verstärkung von 2 (8) und nicht 2 (16) haben, wird der Ausgang des AD-Wandlers 42 um 3 Bits und nicht um 4 Bits, wie im Ausführungsbeispiel, verschoben.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform für die Kopplung der verstärkten Impulse auf die parallelen Stufen 18, 26, 51, 52 und 53 nach Fig. 1. Der Impulsgenerator 12 erzeugt einen Impuls, der auf den Anschluß 14 gegeben wird. Mit dem Anschluß

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sind parallele Leitungen 100, 102, 104, 106 und 108 verbunden. Die Leitung 100 liegt an der Stufe 18 in Fig. 1. Die Leitung 102 führt zum Verstärker 28 in Fig. 1. Der Verstärker 28 besitzt, wie erwähnt, eine 16-fache Verstärkung und liegt an der Stufe 26, Die Leitung 104 führt zum Verstärker 46·, der eine Verstärkung von 256 (16 ) besitzt, d.h. 16-mal mehr als der vorhergehende Verstärker 28. Der Ausgang des Verstärkers 46⁸ geht zur Stufe 51.

Die Leitung 106 führt zum Verstärker 48', der eine Verstärkung von 4 096 (16^J) besitzt und ausgangsseitig mit der Stufe 52 verbunden ist· Die Leitung 108 geht zum Verstärker 50·, der * eine Verstärkung von 65 536 (16⁴) besitzt und mit der Stufe verbunden ist.

Die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 2 summt mit derjenigen nach Fig. 1 überein, mit der Ausnahme, daß die Verstärker parallelgeschaltet sind und nicht in Kaskade wie in Fig. 1.

Patentanwälte

DIpI.-ing. E. Eder

DIpI.-ing. K. SchieschJce

8 Mönchen 13. Elisabethstraße 34

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Claims

Patentanwälte

DIpF.-mg. E. EdQf 2 4 O L O /O

DIpI.-Ing. K. Schieschk^

8 München 13, ElisabethstraBe 34

Patentansprüche

("1 J Bereichsplittingschaltung für einen AD-Wandler eines Tjnpulsamplitudenverarbeiters (42) mit einem Amplitudenannahmebereich, der enger ist, als der zu verarbeitende Bereich der analogen Impulsamplituden und mit mehreren digitalen Ausgängen (68 bis 73), wobei die Splittingschaltung den Amplitudenbereich der analogen Impulse so einengt, daß sie innerhalb des Annahmebereiches des Impulsamplitudenverarbeiters liegen und wobei die Splittingschaltung einen Eingangsanschluß (14) zur Aufnahme aller zu verarbeitenden Impulse, mehrere parallele Stufen (18, 26, 51, 52, 53), die zur Aufnahme der zu verarbeitenden Impulse mit dem Eingangsanschluß verbunden sind, urd einen gemeinsamen Ausgangsanschluß (27) aufweist, der mit einem analogen Eingang des Impulsamplitudenverarbeiters verbindbar ist, gekennzeichnet durch Teilbereichgrenzendefinitionsmittel (20, 28, 30, 46, 48, 50) in jeder Stufe, die die untere Grenze eines Impulsamplitudenbereiches definieren und die so angeschlossen sind, daß sie auf jeden Impuls vom Eingangsanschluß ansprechen und jeden Teilbereich sodefinieren, daß der Teilbereich jeder Stufe nicht breiter ist als der Annahmebereich des Verarbeiters, durch eine derartige Anordnung (28, 46, 48, 50) der Teilbereichdefinitionsmittel in allen Stufen mit Ausnahme der ersten Stufe (18), daß die Amplitude jedes in dieser Stufe aufgenommenen Impulses so geändert wird, daß die resultierende Amplitude nur in einem Teilbereich einer der Stufen liegt, wobei nur die Amplitude des Impulses am Ausgang dieser einen Stufe im Amplitudenbereich des Impulsverarbeiters liegt, durch gesteuerte Mittel (24, 34, 36) in jeder der Kanäle, die abhängig von den Teilbereichdefinitionsmitteln einen der Kanäle selektiv aktivieren und verhindern, daß die übrigen Kanäle einen analogen Impuls zum Ausgangsanschluß durchlassen,

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durch Mittel (22, 25, 34, 38) in jeder Stufe zur Entwicklung eines Ausgangs*teuersignales, wenn die Amplitude eines Impulses innerhalb des Teilbereiches dieser Stufe liegt, und durch Ausgangsmittel (57 bis 67, 74 bis 96), die die digitalen Ausgänge (68 bis 73) vom Verarbeiter (42) und die Ausgangssteuersignale der Stufen aufnehmen und die von den Ausgangssteuersignalen zur Identifizierung des Stufenteilbereiches gesteuert werden, der den analogen Impuls zur Erzeugung der digitalen Ausgänge lieferte.

2· Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnfc, daß die Teilbereichdefinitionsmittel eine Schwellwertschaltung (20, 30) in jeder Stufe enthalten, die die in der ersten Stufe zu verarbeitenden Impulse und die in der Amplitude geänderten Impulse jeder der übrigen Stufen erhält.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilbereichdefinitionsmittel mehrere Verstärker (28, 46, 48, 50) umfaßt, wobei ein Verstärker an den Eingang jeder Stufe angeschlossen ist, mit Ausnahme der ersten Stufe (18), wobei die Verstärker in Kaskadenschaltung liegen und das Eingangsende der Kaskade mit dem Eingangsanschluß (14) verbunden ist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Teilbereichdefinitionsmittel mehrere parallelgeschaltete Verstärker (28, 46·, 4Ö¹, 50'·) enthält, wobei je ein anderer Verstärker an den Eingang jeder Stufe angescliossen ist und die Eingangsseite jedes Verstärkers mit dem Eingangsanschluß (14) in Verbindung steht.

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5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker in jeder Stufe eine Verstärkung proportional dem Verhältnis 16:1 von größter zu kleinster Impulsamplitude seira¹ zugehörigen Stufe umfaßt und ebenfalls proportional zum Annahmebereich 16:1 des Impulsverarbeiters.

6. Schaltung nach Anspruch 3 oäac 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der Verstärker untereinander gleich und ebenfalls gleich dem Annahmebereich 16:1 des Impulsverarbeiters ist.

7. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der Verstärker fortschreitende Vielfache (16, 16 , 16, ...) voneinander sind und daß die Verstärkung des Verstärkers (2ö) mit der geringsten Verstärkung gleich dem Annahmebereich (16:1) des Impulsverarbeiters ist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 3.bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsseite eines Verstärkers mit dem Eingang zur Schwellwertschaltung der zugehörigen Stufe verbunden ist.

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gesteuerte Mittel (34, 36) in jeder ötufe mit Ausnahme der ersten Stufe so angeschlossen ist (37), daß es von einem Ausgang des Teilbereichdefinitionsmittels (20, 22) in der unmittelbar vorhergehenden Stufe (18) abhängig ist.

IU. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Stufen (26, 51, 52, 53) mit Ausnahme der ersten Stufe (1ö) in Aufbau und Wirkungsweise gleich sind.

11· Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gesteuerte Mittel in jeder Stufe einen Analogen Schalter (24, 36) enthält, dessen analoger Eingang (25, 38) die zu verarbeitenden Impulse aufnimmt, nachdem sie in Ausnahme mit der ersten Stufe (18) in der Amplitude geändert wurden, daß der Steuereingang des analogen Schalters so angeschlossen ist (34, 37, 38), daß er auf das Teilbereichdefinitionsmittel (20) anspricht, und daß der Ausgang des analogen Schalters mit dem gemeinsamen Ausgangsanschluß (27) der Stufen verbunden ist.

12· Schaltung nach Anspruch 11 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet» daß das gesteuerte Mittel in jeder Stufe mit Ausnahme der ersten Stufe (18) ein Sperrmittel (34) enthält, das sovohl den Durchgang eines Impulses zum Ausgangsanschluß (27» 45) der Stufe, als auch den Durchgang eines Ausgangesteuersignales zum Ausgangsmittel (57 bis 67) verhindert, daß das Sperrmittel (34) zwischen die Schwellwertschaltung (30) in seiner Stufe und dem Ausgangsmittel (58) angeschlossen ist (32, 38, 45), und daß das Sperrmittel (34) so angeschlossen ist (38), daß sein Ausgang zum Steuereingang des analogen Schalters (36) geht, wobei das Sperrmittel mit einem ersten Eingang an den Ausgang der Schwellwertschaltung (20) in der vorhergehenden Stufe (18) angeschlossen ist (22, 37) und außeiütjm mit einem zweiten Eingang am Ausgang der Schwellwertschaltung (30) seiner eigenen Stufe (26) liegt (18), so daß das Sperrmittel (34) eine Sperrwirkung verursacht, wenn ein zu verarbeitender Impuls durch die Schwellwertschaltung (20) der unmittelbar vorhergehenden Stufe (18) geht.

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13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrmittel ein Und-Gatter (34) ist und daß sein erster Eingang (37) ein invertierender Eingang ist.

14. Schaltung nach ein·» der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Ruckstellau.ttel (44) mit Eingängen (42-2) an dem Eingangsanschluß (14) und de» Impulsaaplitudenverarbeiter (42) liegen,, und daß das Rückstellmittel so ausgeführt und angeordnet ist, daß es nach kombinierter Vervollständigung eines zu verarbeitenden Impulses am Bingangsanschluß (14) und der Verarbeitung dieses Impulses durch den Verarbeiter (42) ein Rucksteilsignal erzeugt, wobei jedes Rückstellsignal auf die gesteuerten Mittel (22, 32) jeder Stufe gegeben wird (R, 42-1) und der Impulsamplitudenverarbeiter (42) für deren Rückstellung zur Aufnahme und Verarbeitung des nächsten Impulses vorbereitet wird.

15* Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmittel mehrere gleiche Logikschaltungen (57 bis 61) aufveist, je eine Logikschaltung für jede Stufe, die so angeschlossen sind (25, 38, 54, 55, 56), daß sie das Ausgangssteuersignal von dieser Stufe erhalten, wobei jede Logikschaltung mehrere Eingänge aufweist, die diskret sämtliche digitalen Ausgänge (68 bis 73) des Impulsverarbeiters (42) erhalten, wenn die Logikschaltung durch ein Ausgangssteuersignal der zugehörigen Stufe aktiviert ist.

16. Schaltung nach Anbruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Logikschaltung (57 bis 61) entsprechend der Anzahl ihrer Eingänge eine Anzahl von Ausgängen aufweist und daß das Ausgangsmittel ein Speichermittel (74) enthält, das mindestens

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ebenso viele binäre Bitzellen (75 bis 96) in progressiver, paralleler Anordnung enthält, wie die Gesamtzahl der Ausgänge sämtlicher Logikschaltungen ausmacht, und daß die Ausgänge der Logikschaltungen mit den Zellen in einer Progression verbunden sind, die durch die Progression der Teilbereiche der zugehörigen Stufen gegeben ist, so daß der digitalisierte Wert eines analogen Eingangsimpulses in die Splittingschaltung durch den binären Stand dieser Zellenanordnung repräsentiert wird.

17. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsanschluß (14) mit einem Impulsgenerator (12) einer Teilchenuntersuchungseinrichtung verbunden ist (16), die einen diskreten Impuls erzeugt, dessen Amplitude der Größe des jeweils untersuchten mikroskopischen Teilchens proportional ist·

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