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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Koinzidenzdetektor


Autor: Karel Marsalek (marsalek)
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Liebe Kollegen,
baue im Moment einen zweikanal-Dosimeter. Das Signal wird nur 
ausgewertet, wenn ein Teilchen durch beide Detektoren durchgeht, d.h. 
bei "zeitlicher Koinzidenz". In jedem Signalstrang gibt es ein 
Analogkomparator, der beim Teilchendurchgeng eine steigende Flanke 
erzeugt.

Wie kann ich jetzt bestimmen, ob in den beiden Kanälen die Flanken 
"gleichzeitig" hoch gehen? Mit "gleichzeitig" meine ich ein Zeitfenster 
von z.B. 1 mikrosekunde. Der Prozessor (Taktfrequenz 1 MHz), der daran 
hängt, ist dafür zu langsam, der braucht z.B. über 30 us, um auf einen 
externen Interrupt zu reagieren, aber aus Stromspargründen, kann ich 
keinen schnelleren nehmen. Welche externe Logikschaltung würde sich für 
diese Aufgabe eignen?

Danke
Karel

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Auf die Flanke(n) je ein 1uS Monoflop triggern und die MF Ausgänge über 
UND Gatter mit 2 Eingängen zusammenführen.
dort am Ausgang ggfs ein 50us MF nachschalten, damit der Koinzidenzfall 
vom langsamen uC ausgewertet werden kann.

that's all.

Autor: Udo R. S. (Gast)
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Ganz spontane Idee: 2 retriggerbare Monoflops mit 1ys Pulsdauer und 
dahinter ein Und Gatter.

Autor: thorstendb (Gast)
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wie wärs mit nem NAND mit FFS am Eingang?
Die taktest du dann mit deiner Messfrequenz (gleichzeitig), müsste man 
nur schauen, dass ein Takt für den uC lang genug ist, um den NAND 
Ausgang als IRQ zu erkennen.

VG,
/th.

Autor: Karel Marsalek (marsalek)
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Danke Jungs! Das hat mir schon geholfen.
K.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Mit "gleichzeitig" meine ich ein Zeitfenster von z.B. 1 mikrosekunde.

Was sind denn das für Teilchen, für die 1µsec "gleichzeitig" bedeutet?

Kai Klaas

Autor: Darth Vader (Gast)
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Kai Klaas schrieb:
> Was sind denn das für Teilchen, für die 1µsec "gleichzeitig" bedeutet?

Das will ich auch wissen!

Autor: Andreas K. (derandi)
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Bleibt das Teilchen überhaupt noch reaktionsfähig wenns schon gezählt 
wurde?
Und Soll das ein Dosimeter mit Richtwirkung werden?

Autor: Karel Marsalek (marsalek)
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Hallo Jungs, ihr habt einige Fragen gehabt:

Es werden Teilchen von langsamen Mionen (ca. 60 keV) bis zum 
relativistischen Eisen mit ca. 140 MeV erfasst - also Galactic Cosmic 
Rays sowohl auf der Erdoberfläche als auch etwas höher, von ca. 10 km 
bis zu 350 km.

"Und Soll das ein Dosimeter mit Richtwirkung werden?"
Die Anordnung der Detektoren dient dazu, dass die Energiedeposition in 
den Detektoren auf einem definiertem Weg geschieht, womöglich 
rechtwinklig zur Detektorfläche. Eine kleine Abweichung nehme ich in 
Kauf, sonst bekäme ich gar keine Teilchen :-) Also die Richtwirkung ist 
ungewollt, aber dank der Homogenität des Strahlungsfeldes spielt es 
keine Rolle.

"Bleibt das Teilchen überhaupt noch reaktionsfähig wenns schon gezählt
wurde?"
Es gibt drei mögliche Wechselwirkungen, wenn das Teilchen schon die 
richtige Richtung haben wird. Entweder belibt das Teilchen im ersten 
Det. hängen, oder bleibt im zweiten Det. hängen oder saust durch beide 
Detektoren. Bei den höheren Energien ist die Energiedeposition 
(Wechselwirkung) relativ gering und daher in beiden Detektoren fast 
gleich.

"1 µs Konizidenzfenster?" Ja, richtig. Da müsste das Teilchen schon sehr 
langsam sein :-) Der Grund liegt anderswo. Ein Signalshaper erzeugt bei 
jedem Teilchendurchgang ein Peak, der ca. eine µs dauert. Der Shaper ist 
zwingend notwendig, um SNR zu erhöhen. Durch die Länge des geshapedten 
Peaks ist die maximale zeitliche Auflösung gegeben. Die Koinzidenz kann 
erst mit diesen shaped Peaks ermittelt werden. Da wir bei der gegebenen 
Detektorfläche höchstens 150 Counts/s bekommen, ist die Länge des 
Konizidensfensters von ca. 1 µs schon ok und zudem ausfallsicher, falls 
sich etwas am Vorverstärker verabschiedet und die Flanken beim 
Teilchendurchgang plötzlich flacher werden.

K.

Autor: Andreas K. (derandi)
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Ja passt doch, wenn der Signal-Shaper fertige Impulse mit nur 1µs Länge 
ausspuckt reicht doch ein einziges UND-Gatter dahinter.
Dann wahlweise auf den Prozessor oder an einen simplen Zähler, der dann 
in festen Intervallen vom Prozessor ausgelesen werden kann.

Falls die Peaks nicht schön recheckig sind gibts dafür Schmitt-Trigger, 
teilweise sind die auch schon in den IC`s mit eingebaut.

Autor: HildeK (Gast)
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Andreas K. schrieb:
> Ja passt doch, wenn der Signal-Shaper fertige Impulse mit nur 1µs Länge
> ausspuckt reicht doch ein einziges UND-Gatter dahinter.
> Dann wahlweise auf den Prozessor oder an einen simplen Zähler, der dann
> in festen Intervallen vom Prozessor ausgelesen werden kann.

... oder auf ein RS-FF. Dies wird gesetzt von dem 'verundeten' Signal, 
kann dann vom Prozessor beliebig später gelesen werden und anschließend 
wieder von ihm scharf geschaltet werden. Allerdings werden dann in der 
Zeit keine weiteren Ereignisse detektiert.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Andreas K. schrieb:
> Ja passt doch, wenn der Signal-Shaper fertige Impulse mit nur 1µs Länge
>
> ausspuckt reicht doch ein einziges UND-Gatter dahinter.
>
> Dann wahlweise auf den Prozessor oder an einen simplen Zähler, der dann
>
> in festen Intervallen vom Prozessor ausgelesen werden kann


Nö, Paßt natürlich SO Nicht.

Steht doch oben im ersten Posting das nach dem Gatter mind. 30us die 
Information anliegen muß, damit der Prozessor was damit anfangen kann. 
Also weiteres Monoflop dem AND Gatter NACHSCHALTEN.

Einfach mal lesen, was ich dazu oben schreibe.

Oder HildeK's RS FF Lösung nehmen, aus den gleichen Gründen.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Da wir bei der gegebenen Detektorfläche höchstens 150 Counts/s bekommen,
>ist die Länge des Konizidensfensters von ca. 1 µs schon ok und zudem
>ausfallsicher, falls sich etwas am Vorverstärker verabschiedet und die
>Flanken beim Teilchendurchgang plötzlich flacher werden.

So habe ich auch mal gedacht und als Folge davon einen völlig 
verschmierten und bis zur Unkenntlichkeit verbreiterten Peak erhalten. 
Wenn die Counts zufällig kommen, mußt du die Koinzidenz anders 
bestimmen, mit Signalen, die nicht oder nur gering geshapt sind.

Kai Klaas

Autor: Andreas K. (derandi)
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Andrew Taylor schrieb:
> Steht doch oben im ersten Posting das nach dem Gatter mind. 30us die
> Information anliegen muß, damit der Prozessor was damit anfangen kann.
> Also weiteres Monoflop dem AND Gatter NACHSCHALTEN.
>
> Einfach mal lesen, was ich dazu oben schreibe.
>
> Oder HildeK's RS FF Lösung nehmen, aus den gleichen Gründen.

1. Deinem ersten Posting nach war DEIN Hauptproblem das detektieren der 
gleichzeitigkeit.

2. Monoflops wurden schon vorgeschlagen, da du offensichtlich weisst was 
das ist war meine Einschätzung richtig und es nicht verkehrt diese nicht 
explizit zu erwähnen. Die Monoflop-Lösung hat aber den selben Nachteil 
wie das Flipflop.

3. Statt des Monoflops nach dem AND-Gatter; Was gibts an meinem 
Vorschlag mit dem simplen Binärzähler auszusetzen?
Das Flipflop blockiert den Zähleingang mindestens ~30 µs bis es vom 
Prozessor zurückgesetzt wird, aber der Zähler (lässt sich sehr leicht 
als Digitalschaltung aufbauen, für weniger als 8 Ereignisse würde sogar 
ein einziges Schieberegister reichen) zählt in der Zwischenzeit weiter 
und es geht keim Impuls verloren, so wird die Totzeit deines Detektors 
von lockeren 31µs auf maximal ~2µs reduziert.
Das hat sogar noch einen weiteren Vorteil, wenn die zeitliche Auflösung 
der Impulse keine wesentliche Rolle spielt kann man den Zähler auch 
länger als 30µs laufen lassen und den Prozessor aus Energiespargründen 
beispielsweise nur alle 0,5 Sekunden kurz zum Auslesen und zurücksetzen 
des Zählers aufwecken.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Andreas K. schrieb:
> Andrew Taylor schrieb:
>> Steht doch oben im ersten Posting das nach dem Gatter mind. 30us die
>> Information anliegen muß, damit der Prozessor was damit anfangen kann.
>> Also weiteres Monoflop dem AND Gatter NACHSCHALTEN.
>>
>> Einfach mal lesen, was ich dazu oben schreibe.
>>
>> Oder HildeK's RS FF Lösung nehmen, aus den gleichen Gründen.
>
> 1. Deinem ersten Posting nach war DEIN Hauptproblem das detektieren der
> gleichzeitigkeit.


Das liest Du Dir einfach nochmals durch. Dann siehst Du: Das war keines 
MEINER Probleme.

>
> 2. Monoflops wurden schon vorgeschlagen, da du offensichtlich weisst was
> das ist war meine Einschätzung richtig und es nicht verkehrt diese nicht
> explizit zu erwähnen. Die Monoflop-Lösung hat aber den selben Nachteil
> wie das Flipflop.
>
> 3. Statt des Monoflops nach dem AND-Gatter; Was gibts an meinem
> Vorschlag mit dem simplen Binärzähler auszusetzen?

Ganz einfach: Der TS will einen Prozessor einsetzen, der mind. 30us 
benötigt. d.h. Es reicht NICHT die einfache UNDung per Gatter

Lies doch doch einfach was Aufgabenstellung war .-)



> Das Flipflop blockiert den Zähleingang mindestens ~30 µs bis es vom
> Prozessor zurückgesetzt wird, aber der Zähler (lässt sich sehr leicht
> als Digitalschaltung aufbauen, für weniger als 8 Ereignisse würde sogar
> ein einziges Schieberegister reichen) zählt in der Zwischenzeit weiter
> und es geht keim Impuls verloren, so wird die Totzeit deines Detektors
> von lockeren 31µs auf maximal ~2µs reduziert.

Unnötiges Feature , da max. alle 10ms ein Ereignis auftritt. S.o.

> Das hat sogar noch einen weiteren Vorteil, wenn die zeitliche Auflösung
> der Impulse keine wesentliche Rolle spielt kann man den Zähler auch
> länger als 30µs laufen lassen und den Prozessor aus Energiespargründen
> beispielsweise nur alle 0,5 Sekunden kurz zum Auslesen und zurücksetzen
> des Zählers aufwecken.

Der TS hat Netzstrom aus dem AKW. Es ist KEINE Batterieanwendung. 
Folglich unnötiges Feature, einige Milliwatt einzusparen.

Folgen noch irgendwelche weiteren Versuche, Deine Lösung langatmig 
anzupreisen?


Dann halt die Füße still.

Autor: Karel Marsalek (marsalek)
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Hallo zusammen,
danke euch für die konstruktiven Beiträge.

Kai Klaas schrieb:
>>Da wir bei der gegebenen Detektorfläche höchstens 150 Counts/s bekommen,
>>ist die Länge des Konizidensfensters von ca. 1 µs schon ok und zudem
>>ausfallsicher, falls sich etwas am Vorverstärker verabschiedet und die
>>Flanken beim Teilchendurchgang plötzlich flacher werden.
>
> So habe ich auch mal gedacht und als Folge davon einen völlig
> verschmierten und bis zur Unkenntlichkeit verbreiterten Peak erhalten.
> Wenn die Counts zufällig kommen, mußt du die Koinzidenz anders
> bestimmen, mit Signalen, die nicht oder nur gering geshapt sind.
>
> Kai Klaas

Hallo Kai,
wie meinst Du das ("völlig verschmierten und ... verbreiteten Peak")? 
Der Shaper, der an unserem Detektor dranhängt, ist ein Analogshaper, 
dessen Peakhöhe die Information über die deponierte Energie trägt. Die 
Pulslänge ist ca. 1µs. Der Detektoroutput ist sehr verrauscht, die 
Baseline schwankt dermassen, dass man keinen Komparator direkt 
anschliessen kann. Mit begrenzten Energieressourcen (battery-powered) 
kann ich erst in dem geshapedten Signal ankommende Teilchen erkennen.

Nach der Ankunft eines Peaks werden wietere Teilchen nicht 
berücksichtigt, die maximale Peak-Höhe wird mit einem Peak Hold Detector 
analog geschpeichert und mit einem A/D umgewandelt (dauert dann ca. 150 
µs). Erst dann wird wieder scharf gestellt.

Karel

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Karel Marsalek schrieb:
> Der Shaper, der an unserem Detektor dranhängt, ist ein Analogshaper,
>
> dessen Peakhöhe die Information über die deponierte Energie trägt. Die
>
> Pulslänge ist ca. 1µs. Der Detektoroutput ist sehr verrauscht, die
>
> Baseline schwankt dermassen, dass man keinen Komparator direkt
>
> anschliessen kann.


Du kannst per Schaltung die Baseline kompensieren bzw. die 
Schaltschwelle des Komparators nachführen . Machst Du dies bereits?



> Mit begrenzten Energieressourcen (battery-powered)
>
> kann ich erst in dem geshapedten Signal ankommende Teilchen erkennen.


Wäre schön wenn Du das am Anfang bereits kundgetan hättest. Hätte das 
Design und die Diskussion erleichtert.

>
>
>
> Nach der Ankunft eines Peaks werden wietere Teilchen nicht
>
> berücksichtigt, die maximale Peak-Höhe wird mit einem Peak Hold Detector
>
> analog geschpeichert und mit einem A/D umgewandelt (dauert dann ca. 150
>
> µs). Erst dann wird wieder scharf gestellt.

Ok, dann liegen zwischen den Messungen in der Gößenordnung 10ms

Könnne aber auch nur 3 ms sein, etc.

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