Development of a New Divital Divider System for the Charge Division Method Y. Fujita, and H. Kawakami Institute for Nuclear Study, Univ. of Tokyo, and

I N S - T L - 1 4 1

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電荷分割法に於ける新しい割算器の開発

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東 京 大 学 原 子 核 研 究 所

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1981.12.

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Development of a New Divital Divider System

for the Charge Division Method

Y. Fujita, and H. Kawakami

Institute for Nuclear Study, Univ. of Tokyo,

and

M. Hosoda

Wakatsuki Electronic Co. Ltd.

ABSTRACT

A high accuracy and high speed digital divider system, of

new principle, has been developed for the charge division

method, with use of the 12 bit succesive approximation type

ADC's and 16 bit shift resister. It is shown that the result

of division has a good differential linearity when high bit

ADC's are used, even if it has the poor differential

linear-ity. The position resolution of 0.1% and high speed of 15 JJS

are obtained.

The block diagram, the detailed electronic circuits and the

timing chart of the system are presented.

ABSTRACT

Deve10pment of a New Divita1 Divider System

for the Charge Division Method

Y. Fujita

，

and H. Kawakami

Institute for Nuc1ear Study

，

Univ. of Tokyo

，

and

M. Hosoda

Wakatsuki E1ectronic Co. Ltd.

A high accuracy and high speed digita1 divider system

，

cf

new princip1t

，

has been deve10ped for the charge division

method

，

with use of the 12 bit succesive approximation type

ADC's and 16 bit shift resister.

It is shown that the resu1t

of division has a good differentia1 1inearity when high bit

ADC's are used

，

even if it has the poor differentia1

1inear-ity. The position reso1ution of 0.1% and high speed of 15 ps

are obtained.

The b10ck diagram

，

the detai1ed e1ectronic circuits and the

timing chart of the system are presented.

§ 1. J¥

/> = 75cm)

(Charge Division Method) ffl$ffl£, t 'J

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fcfc'L,

-L--PH

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Q A - - Q B

I6bits(max)

Digital Divider

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VA + VB

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序 核 研 ， 空 芯 ベ ー タ 線 分 析 器( ρ =75 cm ) に 於 け る 焦 点 面 検 出

2

3

の 開 発 は ， 抵 抗 芯 線 を 用 い た 電 荷 分 割 法

(ChargeDivision Method)

の 採 用 と ， オ リ ジ ナjレな高精度，高速害IJ算 器 の 開 発

ζ

l

よって，成功を収めた。1) 筆 者 ら は ， 最 近 ， 電 荷 分 割 法 の 理 論 的 解 析 を 行 い ， 高 精 度 の 位 置 を 検 出する為の処ゐーを発表しているので参照されたい。2) ~荷分割比例計数管による政射線の位置検出は，他の手法と比べて，計数管設計上，もっとも 簡 単 な も の で あ るo即 ち ， 抵 抗 芯 線 を 用 い る 以 外 ， 位 置 検 出 の た め に ， 特 別 の 細 工 を す る 必 要 が な い 。 た だ し ， 読 み 出 し 回 路 が ， 若 干 高 級 に な る 嫌 い が あ る 。 電 荷 分 割 に 於 け る 位 置 読 み 出 し の 原 理 を ， 図 1K示 す 。 簡 単 に 説 明 す る と ， 欣 射 線 の 入 射 に よ

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2 - 1 mi

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っ て ， 芯 線 の 一 端 か ら

P

の位置に， ( ガ ス 増 幅 に よ り )

Q

の電荷が与えられる。芯線の"国端には 電 荷 増 幅 器(charge sensitive preamplifier)が 結 合 さ れ ， 乙 れ に よ っ て ， 低 抗 芯 線 の

n

I

tI端 が 仮 想 的 に ア ー ス さ れ たζと に な る の で ， そ れ ぞ れ ， 電 荷 の 発 生 し た 点 か らil可 端 ま で の 距 離 に 逆 比例した量の電荷， QA， Ihが 流 れ 込 む 。 乙 の 出 力 を ， 次 段 の 主 増 脳 器 で ， 適 当lζ整形した後， 割 算 し て 位 置 が 求 め ら れ る 。 凶 の 点 線 部 分 が 割 算 器 を 表 わ す 。 高 精 度 の 位 置 検 出 を 行 づ た め に は ， 読 み 出 し 回 路 の 各 与 に ， 充 分 な 精 度 が 要 求 さ れ るo 今[J， 電 荷 分 割 比 例 計 数 管 で 得 う れ て い る 位 置 の 精 度 は ， 芯 線 の 長 さ の 千 分 の l以 下 Iζ達 す る も の が あ る。3，4)電 荷 増 幅 器 と 主 増l届器は，高い精度をもつものが市販されているが，精度の良い君主]算器は な い 。 ま た 電 荷 分 割 に よ る 位 置 精 度 の 向 上 は ， 割 算 器 の 性 能 向 上 と 軌 を ー に し て い る と ， 言 っ て も過言ではないので，向性能な君主j算器を開発することは，重要な;意味を持つのであるo さらに， 精度の点もさることなカら， X 線測定や索粒子実験で必要とされるように i~'~J 速 ，tl_{!ーと言う点も，} 寄j 算器では特に要求さ(~る。 乙 乙 で ， 現 在 使 用 さ れ て い る 電 荷 分 割 の 割 算 器 に つ い て 考 え て 見 るo 一 つ は ア ナ ロ グ 割 算 法 が あ る 。 こ れ は 古 く か ら ， 核 分 裂 片 の 研 究 分 野 で ， 闘 発 さ れ て 来 た が5)最 近 の ， 回 路 技 術 の 進 歩 と 回路素子の発[廷によって，演算速度が 30

.

u

s以 下 で 干 分 の 一 以 ド の ， 良 い 性 能 の も の が 開 発 さ れ ている06，7)し か し ， 出 力 さ れ た ア ナ ロ ク 量 は ， 結 局 ， 微 分 直 線

'

t

l:の良いA D Cを 使 っ て ， デ ジ タ ノレ量ζl変換され，データ処四!されるので，&4.算速度が，如何に高速になっても， A D Cの 変 換 速 度より高速にできない。 も う 一 つ の 割 算

2

1

4

はデジタノレ方式であるo ミ ニ コ ン を 使 っ て ， ソ フ ト 的

K

処 理 す る}j法 が 一 般 的 で あ る が ， 乙 れ を 主 増 幅 器 か ら の ア ナ ロ グ 信 号 を ， 高 分 解 能A D Cでデジタノレ化しておく必要 があるo

が

i

算 速 度 は ， コ ン ピ ュ ー タ の 機 種 に も 依 る が ， 30μs位である。 A D Cは，通常， 12ピ ット以上の分解能のもので，高速(1 00班-[Z~)のウィノレキンソン型が使われる。従って.使い易さ と 価 格 の 面 で ， コ ン ビ ュ ー タ ー を 使 用 す る よ り 高 精 度 ア ナ ロ グ 割 算 器 の 方 が ま だ 有 利 で あ るo 以 上 の 方 式 と 比 べ て ， 使 い 易 く ， 経 済 的 で ， し か も よ り 高 速 に で き る 新 し い デ ィ ジ タ ノ レ 割 算 器 を 開 発 し たo ~ 2. 遂 次 比 較 型A D Cを つ か っ た 割 算 器 前 節 で 概 観 し た よ う に ， 書

l

算器は，大別して， A D変 換 部 と 演 算 部 か ら な り ， ア ナ ロ グ で も ， F〆ィジタノレでも，高速化の墜として，

A

D

変 換 の ス ピ ー ド の 問 題 が あ るo 我 々 の 開 発 し た 割 算 器 は デ ィ ジ タJレ方式であるが，従来のものと比べて， A D変 換 部IC遂 次 比

較 型 (succesive approximation type)を 使 っ て い る 点 が ， 大 き な 相 違 点 で あ る 。

2 - 1 遂 次 比 較 型 A D Cの 微 分 直 線 性 に つ い て

書j算 器 のA D Cに つ い て は ， 迷 信 が あ っ た よ う で ， 微 分 直 線 性 の 優 れ た も の が 必 袋 で あ る と

-* + v v v 1 A D C ^-Ifi 9 C i C ,

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A' = A+ a

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A' A + a {B L , a , /? = ± | L S B ( 0. 5 f -y t- ) A a a + / ? ~A~~ A + B A' + B ' ( A + B ) + ( « + / ? ) A + B A A + B

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' + B ' ° A + B

2 - 2 7°n-fey ^ - - ( C i

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-i l -i * M S A D C l -i f - f

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(2.) m-ifiC, AT>CfrZ><D* I- o - 7* ( S T B ) ( 3 ? ( W 5 i A 2 1 , A 2 2 , B 2 1 , B 2 2 )(C £ o T , x - ^ -t? U- ^ ^ (C K'Ji & n tz A D C ©,'IWJ A^ •> 7 h U- •>' 7- 9 A ( [Xj A i 4 A ~ 4 D ) i 7 - y x B ( 4 E ~ 4 J ) (C P - K * n -5 o D . , ; ( ~ 6 M H s — 3 — 恩 わ れ て い た タ 従って，尚速化を犠牲にしても，微分l直 線 性 の 良 い 杭 分 烈A D Cを使ったり， 高 速 に す る 場 介 で も ， 変 換 速 度 の 速 い ウ ィ ノ レ キ ン ソ ン 型A D Cを 使 う 乙 と に ， 主 点 が 世 か れ て 来たo し か し な が ら ， あ る 条 件 の 下 で ， 割 算 処 理 の 結 呆K，A D Cの 微 分 直 線 性 の 性 質 が 影 響 を 与 え な い 乙 と を 示 す 乙 と が で き る 。1) A D Cの 微 分 直 線 性 誤 差lとより 2つ の 主i首 脳 部 の 出 力 が ， そ れ ぞ れAピット， Bビットと 変 換 さ れ ね ば な ら な い 所 ， A'， B' ζI変 換 さ れ た と す るο 乙 の 誤 差 は 遂 次 比 較 担A D Cで は l チャンネノレの 50%(t凶

B

) で ， ウ ィ 吋 ン ノ ン 型 で

196

位 で あ る 。 前 者 を 使 用 し た 時 ， 真 の ピ ッ ト と 実 際 の ビ ッ ト の 関 係 は ， A' = A +α B'= B +β と書ける。割算すれは， 但し， α，β =士

t

LSB(05ビy 卜) A' A +a A a a

+

β ニ ニ ( 1 +一一一一一) A'+B' ( A + B ) + ( α + β A + B ， - A A+B となるので， A>>a， A+B>>

a+

β のとき， は 良 い 近 似 で 成 立 す る 乙 と が 分 か るo 即ち，

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算 の 中 で は ， 除 数 ; 伎 び 被 除 数 と な る ビ ッ ト が 充 分 大 き け れ ば ， A D Cの 微 分 直 線 性 誤 差 は 無 視 で き る の で あ る 従って，ディジタノレ割算器の AD 変換部 lζ 遂次比較 l\~ADC を使 えば，低価指で，高速変換の長所を生かした割算器を開発する乙とが，Jj能となる。

2

- 2

プ ロ セ ッ サ ー に よ る 割 算 処 理 図2IC，ディジタノレ割算器のブロック凶を示すo 遂 次 比 較 型A D Cは デ ー テJレ社のHS-12 BGC ( 1 2ビ ッ ト ) を 使 っ たo サ ン プJレホーノレド内政で，変換H与問は8μs である。 acl3 K，割努

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の フ ロ ー ・ チ ャ ー ト を 与 え る 。 ま た 以14-8 IC， そ れ ぞ れ デ ー タ セ レ ク タ ・ラッチ/シフトレジスター，コントローノレ回路， ADD/SUBレ ジ ス タ ー ・ 比 較 同 路 ， 出 力 回 路 ， 及 び タ イ ミ ン グ チ ャ ー ト を 示 す 。 乙 乙 で ， プ ロ セ ッ サ ー の 機 能 に つ い て 簡 単 に 述 べ て お くo

① 2つのA D CからIfj)J;が ， デ タセレクタ A (伏14 5A-5D)とB(5E-5J)に それぞれ人)}される。

。

o

I

司I!与に， A D Cか ら の ス ト ロ ー プ (S

T

B )信号(凶5 A21， A22， B21， B22)によ っ て ， デ ー タ セ レ ク タ に 入 力 さ れ たA D Cのrl'，力がシフトレジスタA(凶 4 4A-4D)

と ラ ッ チB(4E-4J)にロードされる。

ーヅ'j， 乙れらのS T B Kより，コントローノレ回路のクロック (-5MHz)を発振させる。

ADC A

O

O

EOC A ADC B

o-EOC B MULTIPLEXER/ DATA SELECTER I6bit LATCH/SHIFT

LOAD""]— I

SHIFT LOAD !6bit COMP 16bit T COMP ADD/ SUB RST(RESET) I S b i t K REG CONTROL LOGIC I2bit D/A IN •PHA MEMORY -J it >\> flj % ^ CO 7" D .y $ # 4 7 f y L. EOC A

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MUL TIPLEXER/ DATA SELECTER 16blt LATCH/ SHIFT 16blt ADD/ SUB RST(RESEア) 凶2 デ ジ タ ル 割 算 器 の プ ロ ヴ ク タ イ ア グ ラ ム 15blt 12blt K IN ~ ロ メユーE

ADC A

A REG LOAD

ADC B

B REG LOAD

DEVIDER

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ADD

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JYES

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SUB A;A + B->A

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K REG CLR — 3 H - 9 COMD OUT A S B 3 A-7 > 6B STB 6 H - 1

\ K RED OUT GATE

4J-9 . 2 F - 2 - * ADD/SUB CONTROL h斗 COMD OUT A孟B 3A-7 2F・2 AOO/SUB CONTROL 図 5 論 理 制 御 回 路 K REG CLR

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| 9 f J W- §5 © 11 -③ 最初の一周期で， AとBの和をADD/SUBレ ジ ス タ ー で 作 る 。 得 ら れ た 和 は ， デ ー タ セ レクタ BIC送られ，ロート‘し直される。 @ デ ー タ の 大 小 比 絞 は コ ン バ レ ー タ ( 凶 6 3A~3D) で行なわれ， A > Bな ら ば ， 大 小 比 較 の 後 ， 容 のKレ ジ ス タ ー ( 凶 7 3 H，3J)をクリヤーし， 全 ビ ッ ト を 立 て る 。 次 IC， シ フ ト レ ジ ス タ を 使 っ て 16 回の引算を行うが， K レジスター のL S Bか ら 順 番 にJj/算され，答となる。他方， Aく Bならば， K レ ジ ス タ ー を ク リ ヤ し て ， 今 度 はL S Bか ら 加 え ら れ ， 答 と な るo ~ A 割 算 が 一 三 ー の モ ー ド で な く

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₊

_B

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_-

_{，~ .~ "} ー の モ ー ド な ら ば ， ① の 操 作 は ス キ ッ プ さ れ る 。

_B

演 算 は 以 上 の よ う に ， 直 列 )j式 で ， 処 理 時 聞 は 15μsで あ る 。 な お ， 乙 れ ら の 論 理 信 号 の 時 間 関 係 は ， 凶8ζf示 さ れ て い る 。 出 力 は イ ン タ ー フ ェ ー ス を 介 し て ， 直 接 ， 多 重 波 高 分 析 器 (MC A )やコンピューターのメモリーに送られるが， D Aコンパーターによるアナログ出力もある。 図 9Iζ，割算器の外側を写真で示す。 2台のA D CはI幅のN I Mモジューノレに，プロセッ 図9 割 算 器 の 外 観 - 11

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§ 3.

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§ 4. 1 2 -サーは 2幅 の モ ジ ュ ーJレlζ収納されている。 L E Dの 付 い て い る モ ジ ュ ーJレは，割算器の機能 を チ ェ ッ ク す る 為IC必 要 で あ る 。 前lと も 述 べ た よ う に ， 電 荷 分 割 で 良 い 精 度 を 得 る た め に ， 増 幅 回 路 系 の 良 好 な 分 解 能 と 直 線 性 が 不 可 欠 で あ るo デジタJレ割算器では， A D Cのゼ口調節と 主 増 幅 器

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ゲ イ ン 調 整 を 行 う と と が 多 い ( 遂 次 比 較 型A D Cは ， 乙 の 点 で も 有 利 で ， 最 初 に 高 精 度 の 基 準 電 庄 発 生 装 置 を 使 っ て ， ゼ 口 調 節 し て お け ば 良 い ) 。 乙 の 主 増 幅 器 の ゲ イ ン 調 整 は ， L E Dを使って，簡単に行う乙とができる。 更 に ， 装 置 の 信 頼 性 ， 安 定 性 は ， 実 用 上 ， き わ め て 重 要 な 要 素 で あ る 。 開 発 に あ た っ て は ， 回 路 部 分 の 有 効 な モ ン ュ - ) レ 化 と 各 種 チ ェ ッ ク 端 子 を と り つ け て あ る 。 と れ は ， 故 障 の 早 期 発 見 と 修 復 に ， 相 当 役 立 つ 乙 と を 記 し て お く 。 ~

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割 算 器 の 今 后 の 発 展 と デ ー タ 処 理 以 上 lζ述 べ て 米 た よ う に ， 害j算器の性能は， a)分解能と直線性が優れている。 b)入 力 信 号 lζ対するダイナミ yク・レンジが大きい。 c)演 算 の 処 理 時 闘 が 短 か く ， 高 計 数 に 使 用 で き る 。 等 が 目 安 と な る 。 デ ジ タJレ割算器の場合， a)とb) は A D変 換 部 に 用 い る A D Cの 性 能 に 対 応 す る 。 高 分 解 能 の 遂 次 比 較 型A D Cを使えば良いととは， ~ 2.で述べた。 c)に つ い て は ， ア ナ ロ グ 割 算 器 で は ， 現 在 達 成 し て い る 速 度 よ り 大 幅 に 早 く な る 乙 と は 無 い と 思 わ れ る 。 遂 次 比 較 型A D Cを用いた割算器では， 12ビッ卜で lμs の A D Cが 市 販 さ れ て い る か ら 現 在 で も 数μsの 割 算 器 開 発 が 可 能 で あ る 。 プ ロ セ ッ サ ー は ， シ ョ ッ 卜 キ ー 型 T T Lを使って， 14ピ ット精度で2."μsの も の が 開 発 さ れ て い る が 10) T R W社より， 16ピ ッ ト 並 列 演 算 (500ns)のも の が 発 売 さ れ て い る の で あ え て 開 発 す る 必 要 は な い 。 とのように割算器カ 速 に な れ ば ， デ ー タ の 転 送 時 間 も 問 題 に な っ て 来 る 。 乙 の 場 合 ， 図7で 示 さ れ て い るKレ ジ ス タ ー ( 答 の レ ジ ス タ ー ) を 被 数 個 用 意 し て お く 必 要 が あ る だ ろ う 。 単 能 で ， 高 速 の プ ロ セ ッ サ ー と コ ン ピ ュ ー タ ー の 組 合 せ は ， デ ー タ 処 理 の 向 上 と い う 問 題 に つ い て 一 つ の 解 答 を 与 え て い る 。 す な わ ち ， 検 出 し た 測 定 量 か ら ， 最 終 的 に ， 意 味 あ る 量 に 変 換 す る 所 ま で ， 多 数 の 単 能 な プ ロ セ ッ サ ー に 肩 代 り さ せ る 方 式 で あ る 。 と れ は 高 速 の シ ス テ ム を 開 発 する意義と投資の問題である。 ~

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謝 辞 割算器開発にあたって，ベンテノレ中央研究所の高橋弘道氏に，設計，製作で指導を受けた。 核研 の 小 俣 和 夫 ， 浜 垣 秀 樹 氏 は ， 終 始 ， 有 益 な 助 言 を し て く れ た 。 以 上 の 方 々 に 御 礼 を 申 し 上 げ る 。 また，闘発したilI

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算 器 は ， 核 研 以 外 の 大 学 ， 研 究 機 関 で も 使 わ れ て い る 事 を 書 き 添 え て お く 。

-12-1) H f f l i t S , J H ± S £ , Ulirim, SC^&BfSS V o l . 2 4 Na 3 ( ' 8 0 ) 6 6

2 ) Y - F u j i t a , H-Kawakami and M . H o a o d a , P r o c e e d i n g s of 1981 I N S I n t e r n a i i o n a l S y m p o s i u m on N u c l e a r R a d i a t i o n D e t e c t o r s , p 5 5 3

3) M. M a t o b a e t a l , Nuc 1 , I n s t r . and M e t h . JJ3JH ' 7 9 ) 4 6 9

4 ) H - H a f n e r and H . H . Duhm , N u o l . I n s t r . and M e t h . 1 6 0 ( ' 7 9 ) 273 5 ) M. T s u k u d a , N u c l , I n s t r - and M e t h . 2 5 ( ' 6 4 ) 265 6) G . P . W e s t p h a l , N u c l . I n s t r . and M e t h . 1 3 4 ( ' 7 6 ) 3 8 7 7) fe* WL, H l l T f S j f , SrH'fefiffSS V o l . 2 3 N a 2 ( ' 7 8 ) 6 8 8) P . K . P a t w a r d h a n and V . S • I n d u r k s r , I E E E - T r a n s . N u c l . S c i . N S - 15_('68) 323 9) B . E - F i s h e r , N u c l . I n s ' T . and M e t h . 141 ( ' 7 9 ) 1 7 3 13 -参 考 文 献 1 ) 藤 田 雄 三 ， 川 上 宏 金 ， 和l問 実 ， 原 子 核 研 究 Vo1 . 24 Nu 3 ('80) 66

2) Y.Fujita， H.Kawakami and M.Hoaoda， Proceedings of 1981 INS Internalional Symposium on Nuclear Radiation D"tecLHs， p 553

3) M.Matoba et al， Nuc1， Instr. and Meth. 165( '79)469

4) H.Hafner and H.H. Duhm， Nucl. Instr. and Meth. 160('79) 273 5) M.Tsukuda， Nucl， Instr. and Meth. 25('64)265

6) G.P.Westphal， Nucl. Instr.and Meth.134('76)387 7)松 本 譲 ， 桑 折 範 彦 ， 原 子 核 研 究 Vo 1 . 23 Nu 2 ( '78) 68

8) P.K. Patwardhan and V.S. Indurk♀r， IEEE. Trans. Nucl.Sci. NS-15('68)323

9) B.E.Fisher， Nuc1. Ins"r. and Meth. 141('79)173

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