DE102017118307A1

DE102017118307A1 - Schaltung, System und Verfahren zum Unterdrücken eines Störpulses in einem Messsignal

Info

Publication number: DE102017118307A1
Application number: DE102017118307.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Schreiber; Patric Mrawek
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2037-08-12
Also published as: DE102017118307B4; US10401290B2; US20180045647A1

Abstract

Es ist eine Schaltung zum Unterdrücken eines einem Messpuls nachfolgenden Störpulses in einem Messsignal offenbart. Diese Schaltung umfasst eine Binarisierungseinheit (9), eine Verzögerungseinheit (14) und eine Schalteinrichtung (16). Die Binarisierungseinheit (9) ist dazu ausgebildet, aus dem Messsignal ein erstes Rechtecksignal zu erzeugen. Die Verzögerungseinheit (14) ist dazu ausgebildet, ein Signal an einem Eingang der Verzögerungseinheit (14) um eine Zeitspanne τ1 zu verzögern und an einem Ausgang der Verzögerungseinheit (14) auszugeben. Die Schalteinrichtung (16) ist dazu ausgebildet, basierend auf einem Steuersignal an einem Steuereingang (15) der Schalteinrichtung (16) ein Signal an einem Eingang (17) der Schalteinrichtung (16) an einen ersten Ausgang (18) der Steuereinrichtung (16) zu schalten. Dabei ist das erste Rechtecksignal dem Eingang der Verzögerungseinheit (14) aufgeschaltet. Das durch die Verzögerungseinheit (14) verzögerte erste Rechtecksignal ist dem Steuereingang (15) der Schalteinrichtung (16) aufgeschaltet ist. Das Messsignal oder ein von dem Messsignal abgeleitetes Signal ist dem Eingang (17) der Schalteinrichtung (16) aufgeschaltet. Der erste Ausgang (18) der Schalteinrichtung (16) bildet gleichzeitig den Ausgang (6) der Schaltung. Dabei erzeugt die Binarisierungseinheit (9) das erste Rechtecksignal derart, dass die Schalteinrichtung (16) zumindest zeitweise das an dem Eingang (17) der Schalteinrichtung (16) anliegende Signal auf den ersten Ausgang (18) der Schalteinrichtung (16) schaltet. Die Zeitspanne τ1 ist derart auf das Messsignal abgestimmt, dass die Schalteinrichtung (16) während des Störpulses (3) nicht auf den ersten Ausgang (18) der Schalteinrichtung (16) geschaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung, ein System und ein Verfahren zum Unterdrücken eines einem Messpuls nachfolgenden Störpulses in einem Messsignal. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Mikroskop mit einer entsprechenden Schaltung.
In der Praxis ist es häufig notwendig, eine physikalische Größe mittels eines Sensors bzw. dessen Detektors zu erfassen und ein für die physikalische Größe repräsentatives Messsignal zu erzeugen. Das dadurch entstehende elektrische Messsignal wird einer Auswerteeinheit zugeführt, die das Messsignal geeignet auswertet. Die zu messende physikalische Größe kann auf verschiedenste Weise gebildet sein. Lediglich beispielhaft sei auf die Feldstärke eines magnetischen oder eines elektrischen Feldes, einen Abstand, die Intensität eines Lichtstrahls oder das Eintreffen eines Photons verwiesen.
Einige Sensoren neigen dazu, Artefakte in dem Messsignal zu erzeugen. Dies trifft insbesondere bei Sensoren zu, die ein pulsförmiges Messsignal erzeugen. Das Artefakt bzw. die Artefakte äußern sich dann dadurch, dass dem eigentlichen Messpuls jeweils ein oder mehrere Störpulse nachfolgen. Dabei können die Störpulse gelegentlich derart große Amplituden erreichen, dass sie mit dem eigentlichen Messpuls verwechselt werden können. Dies ist insbesondere bei Sensoranordnungen problematisch, bei denen Messpulse gezählt werden sollen, da jeder Störpuls das Zählergebnis verfälschen kann.
Ein derartiger Störpuls kann verschiedene Ursachen haben. So sind Sensoren bekannt, die wegen ihres Messprinzips zu einem Nachpulsen (ein sogenanntes „After Pulsing“) neigen. Hierzu gehören beispielsweise SPAD (Single Photon Avalanche Diode) Sensoren. Andererseits können Störpulse durch ein Anschlusskabel, beispielsweise ein Koaxialkabel, auf dem Signalpfad zwischen Sensor und Auswerteeinheit hervorgerufen werden. Dabei können nicht ausreichend aufeinander abgestimmte Wellenwiderstände der einzelnen Komponenten auf dem Signalpfad zu Reflexionen führen. Jeder Wechsel des Wellenwiderstands erzeugt eine Reflexionsstelle, an der ein Messpuls partiell reflektiert wird. Der Störpuls entsteht dann durch reflektierte Signalanteile. Gleichzeitig weist jedes Anschlusskabel einen kapazitiven und induktiven Belag auf. Dadurch bilden der Sensor, das Anschlusskabel und ein eventuell vorhandener Vorverstärker einen Schwingkreis, der durch den Messpuls zu Schwingungen angeregt wird. Auch wenn diese Schwingungen in der Praxis meist stark gedämpft sind, kann das Schwingen dieses Schwingkreises zu Störpulsen mit relativ großen Amplituden führen. Dabei ist es auch möglich, dass sich verschiedene Ursachen für Störpulse überlagern.
Bei Sensoren, die zum Nachpulsen neigen, können Störpulse in vielen Fällen durch gezieltes Ansteuern der Detektoren vermieden werden. Eine entsprechende Lösung ist beispielsweise in dem Artikel „SPAD Sensors Come of Age" von Edoardo Charbon und Silvano Donati in OPN Optics & Photonic News, Februar 2010 offenbart. Dort wird durch gezieltes Steuern der Vorspannung der Avalanche-Diode ein Nachpulsen vermieden oder zumindest reduziert. Nachteilig daran ist, dass ein derartiges Steuern nicht immer möglich ist.
Bei Störpulsen, die durch wechselnde Wellenwiderstände verursacht werden, könnten prinzipiell die Wellenwiderstände der einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt werden. In der Praxis ist dies allerdings häufig nicht möglich, da auf die Wellenwiderstände nur sehr bedingt Einfluss genommen werden kann. Besonders problematisch wird diese Herangehensweise dann, wenn die Impedanz eines Detektors von dessen jeweiligen Arbeitspunkt abhängt. Dies ist beispielsweise bei Fotodioden der Fall. Das Ersatzschaltbild einer Fotodiode besteht aus einer Stromquelle mit einem Innenwiderstand und einer Parallelkapazität. Der Innenwiderstand ändert sich in Abhängigkeit der eingestrahlten Lichtmenge. Damit ändert sich auch die Impedanz der Fotodiode. Da die eingestrahlte Lichtmenge nicht vorhergesagt werden kann, ist es in einem derartigen Fall praktisch nicht möglich, den Wellenwiderstand des Anschlusskabels auf den Detektor anzupassen.
Ähnlich problematisch ist es, wenn die Störpulse durch das Schwingungsverhalten eines Anschlusskabels hervorgerufen werden. Hier bliebe allenfalls eine zusätzliche Dämpfung des Schwingkreises. Dies führt jedoch ebenfalls zu einer Dämpfung des eigentlichen Messsignals und zu zusätzlichem Rauschen, so dass diese Herangehensweise in der Praxis meist ausscheidet.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung und ein Verfahren anzugeben, mit der/ dem ein dem Messpuls nachfolgender Störpuls zuverlässig und mit möglichst einfachen Mitteln unterdrückt oder zumindest erheblich reduziert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach umfasst die in Rede stehende Schaltung:
eine Binarisierungseinheit, die dazu ausgebildet ist, aus dem Messsignal ein erstes Rechtecksignal zu erzeugen, wobei das erste Rechtecksignal einen ersten oder einen zweiten Pegel annimmt,
eine Verzögerungseinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Signal an einem Eingang der Verzögerungseinheit um eine Zeitspanne τ₁ zu verzögern und an einem Ausgang der Verzögerungseinheit auszugeben, und
eine Schalteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, basierend auf einem Steuersignal an einem Steuereingang der Schalteinrichtung ein Signal an einem Eingang der Schalteinrichtung an einen ersten Ausgang der Steuereinrichtung zu schalten,
wobei das erste Rechtecksignal dem Eingang der Verzögerungseinheit aufgeschaltet ist, wobei das durch die Verzögerungseinheit verzögerte erste Rechtecksignal dem Steuereingang der Schalteinrichtung aufgeschaltet ist, wobei das Messsignal oder ein von dem Messsignal abgeleitetes Signal dem Eingang der Schalteinrichtung aufgeschaltet ist, wobei der erste Ausgang der Schalteinrichtung den Ausgang der Schaltung bildet,
wobei die Binarisierungseinheit das erste Rechtecksignal derart erzeugt, dass die Schalteinrichtung zumindest zeitweise das an dem Eingang der Schalteinrichtung anliegende Signal auf den ersten Ausgang der Schalteinrichtung schaltet, und
wobei die Zeitspanne τ₁ derart auf das Messsignal abgestimmt ist, dass die Schalteinrichtung während des Störpulses nicht auf den ersten Ausgang der Schalteinrichtung geschaltet ist.
Hinsichtlich eines Systems ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 12 gelöst. Danach umfasst das in Rede stehende System:
einen Detektor zum Erzeugen eines Messsignals,
eine erfindungsgemäße Schaltung, wobei das Messsignal auf einen Eingang der Schaltung aufgeschaltet ist, und
eine Auswerteeinheit zum Auswerten des durch die Schaltung ausgegebenen Signals, wobei der Ausgang der Schaltung einem Eingang der Auswerteeinheit aufgeschaltet ist.
Die voranstehende Aufgabe ist ferner durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst. Danach umfasst das in Rede stehende Mikroskop, das vorzugsweise als Fluoreszenzmikroskop ausgebildet ist:
einen Detektor zum Erzeugen eines Messsignals, wobei der Detektor zum Detektieren von Detektionslicht, insbesondere Fluoreszenzlicht, von einer durch das Mikroskop untersuchten Probe ausgebildet ist,
eine erfindungsgemäße Schaltung, wobei das Messsignal auf einen Eingang der Schaltung aufgeschaltet ist, und
eine Auswerteeinheit zum Auswerten des durch die Schaltung ausgegebenen Signals, wobei der Ausgang der Schaltung einem Eingang der Auswerteeinheit aufgeschaltet ist.
Des Weiteren ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. Danach umfasst das in Rede stehende Verfahren die Schritte:
Erzeugen eines ersten Rechtecksignals aus dem Messsignal mittels einer Binarisierungseinheit,
Erzeugen eines verzögerten ersten Rechtecksignals durch Verzögern des ersten Rechtecksignals um eine Zeitspanne τ₁ mittels einer Verzögerungseinheit,
Eingeben des verzögerten ersten Rechtecksignals in einen Steuereingang einer Schalteinrichtung,
Eingeben des Messsignals oder eines von dem Messsignal abgeleiteten Signals in einen Eingang der Schalteinrichtung,
zumindest zeitweises Schalten des an dem Eingang der Schalteinrichtung anliegenden Signals auf einen ersten Ausgang der Schalteinrichtung basierend auf dem an dem Steuereingang der Schalteinrichtung anliegenden verzögerten ersten Rechtecksignal, wobei die Zeitspanne τ₁ derart auf das Messsignal abgestimmt ist, dass die Schalteinrichtung während des Störpulses nicht auf den ersten Ausgang der Schalteinrichtung geschaltet ist, und
Ausgeben eines an dem ersten Ausgang der Schalteinrichtung anliegenden Signals als Ausgangssignal.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass ein einem Messpuls nachfolgender Störpuls meist in einem weitgehend konstanten zeitlichen Verhältnis zu dem Messpuls steht. Unabhängig davon, durch was der Störpuls ausgelöst wird, hat ein Störpuls, der direkt oder indirekt auf den Messpuls zurückzuführen ist, während eines Messzyklus praktisch eine unveränderliche zeitliche Lage relativ zu dem Messpuls. Die relative zeitliche Lage kann von Randbedingungen, wie der Temperatur oder einer Vorspannung des Detektors, abhängen. Dennoch sind diese Randbedingungen während eines Messzyklus, d.h. während einer vordefinierten Anzahl von aufeinanderfolgenden Messpulsen, üblicherweise weitgehend konstant, so dass sie keine nennenswerten Auswirkungen auf die zeitliche Lage eines Störpulses relativ zu dem jeweiligen Messpuls hat. Eben diese Erkenntnis wird zum Unterdrücken des Störpulses in dem Messsignal genutzt. Hierzu wird erfindungsgemäß aus dem Messsignal ein Steuersignal erzeugt, das eine definierte zeitliche Lage zu dem Messsignal hat und zum Ausblenden des Messsignals zum Zeitpunkt eines Störpulses genutzt wird.
Die erfindungsgemäße Schaltung, die dieses Grundprinzip umsetzt, umfasst eine Binarisierungseinheit, eine Verzögerungseinheit und eine Schalteinrichtung. Die Binarisierungseinheit erzeugt aus dem Messsignal ein erstes Rechtecksignal, dessen zeitlicher Verlauf in einem definierten Zusammenhang mit dem Messsignal steht. So kann das erste Rechtecksignal beispielsweise eine Flanke aufweisen, wenn das Messsignal einen vordefinierten Pegel über- und/ oder unterschreitet. Dieses erste Rechtecksignal wird in die Verzögerungseinheit eingegeben, die das erste Rechtecksignal um eine Zeitspanne τ₁ definiert verzögert und dadurch ein verzögertes erstes Rechtecksignal erzeugt. Das verzögerte erste Rechtecksignal wird einem Steuereingang der Schalteinrichtung als Steuersignal eingegeben. In den (Signal-)Eingang der Schalteinrichtung wird das Messsignal eingegeben. Die Schalteinrichtung schaltet – basierend auf dem Steuersignal am Steuereingang – das an dem Eingang der Schalteinrichtung anliegende Signal an einen ersten Ausgang oder trennt den Eingang der Schalteinrichtung von dem ersten Ausgang. Der erste Ausgang der Schalteinrichtung bildet einen Ausgang der Schaltung.
Die Schalteinrichtung kann dabei pegelgesteuert oder flankengesteuert sein. Eine pegelgesteuerte Schalteinrichtung führt ein Schaltereignis immer dann durch, wenn am Steuereingang ein bestimmter Pegel unterschritten oder überschritten wird. So kann beispielsweise bei einem High-Pegel (beispielsweise 5V) am Steuereingang der Eingang der Schalteinrichtung auf den ersten Ausgang geschaltet werden, während bei einem Low-Pegel (beispielsweise 0V) keine leitende Verbindung zwischen Eingang der Schalteinrichtung und erstem Ausgang besteht. Eine flankengesteuerte Schalteinrichtung führt ein Schaltereignis immer dann durch, wenn eine steigende und/ oder eine fallende Flanke detektiert wird. So kann sowohl der Messpuls als auch der Störpuls in dem verzögerten ersten Rechtecksignal eine steigende Flanke hervorrufen. Die verzögerte steigende Flanke des Messpulses kann dann beispielsweise ein erstes Schaltereignis, die verzögerte steigende Flanke des Störpulses ein zweites Schaltereignis auslösen. In beiden Fällen (pegelgesteuert oder flankengesteuert) erzeugt die Binarisierungseinheit das erste Rechtecksignal derart, dass die Schalteinrichtung zumindest zeitweise das an dem Eingang der Schalteinrichtung anliegende Signal auf den ersten Ausgang der Schalteinrichtung schaltet. Andererseits bedeutet dies auch, dass das an dem Eingang der Schalteinrichtung anliegende Signal zumindest zeitweise nicht an den ersten Ausgang der Schalteinrichtung geschaltet ist. Durch geeignete Wahl der Zeitspanne τ₁ kann die Zeitdauer, in der keine leitende Verbindung zwischen dem Eingang der Schalteinrichtung und dem ersten Ausgang der Schalteinrichtung besteht, so gelegt werden, dass zum Zeitpunkt des Störpulses das Messsignal nicht an den ersten Ausgang geschaltet ist.
Wie bereits ausgeführt, haben ein Messpuls und ein dem Messpuls nachfolgender Störpuls meist ein weitgehend konstantes zeitliches Verhältnis zueinander. Dieses zeitliche Verhältnis ist durch das Messsystem definiert (und damit bekannt) oder kann bei einem konkreten Messsystem durch Kalibrierungsmessungen einfach bestimmt werden. Auf diese Weise lässt sich einfach eine Zeitspanne τ₁ ermitteln und festlegen, durch die ein Störpuls mit der erfindungsgemäßen Schaltung unterdrückt werden kann. Auf diese Weise lässt sich mit einfachem Schaltungsaufwand eine Schaltung herstellen, die ein einem Messpuls nachfolgenden Störpuls unterdrücken kann. Dabei ist es für die Funktion weitgehend unerheblich, wie der Störpuls entstanden ist, solange dieser ein weitgehend definiertes zeitliches Verhältnis zu dem Messpuls aufweist. Dabei muss das zeitliche Verhältnis sogar nicht einmal vollständig konstant sein, solange der zu unterdrückende Störpuls innerhalb eines vordefinierbaren Zeitfensters liegt. Damit entsteht eine äußerst flexibel einsetzbare Schaltung.
Das erste Rechtecksignal kann prinzipiell auf verschiedene Arten gebildet sein. Üblicherweise wird das erste Rechtecksignal einen ersten Pegel oder einen zweiten Pegel annehmen oder wird sich von dem ersten Pegel zu dem zweiten Pegel oder umgekehrt ändern. Bei welchen konkreten Werten der erste Pegel und der zweite Pegel gewählt sind und welche Bedeutung die Pegel für die Schalteinrichtung haben, wird von der jeweiligen Schalteinrichtung abhängen. Dabei kann das erste Rechtecksignal als unipolares oder als bipolares Rechtecksignal ausgebildet sein. Bei einem unipolaren Rechtecksignal weisen der erste Pegel und der zweite Pegel nicht unterschiedliche Vorzeichen auf. Damit liegt einer der beiden Pegel bei einem positiven oder einem negativen Wert, während der andere der beiden Pegel entweder bei einem Massepotential (0V) oder bei einem anderen Wert mit gleichem Vorzeichen liegt. So wäre beispielsweise denkbar, dass der erste Pegel bei 3,3V und der zweite Pegel bei 0V liegt. Denkbar wäre aber auch, dass der erste Pegel bei 1,5V und der zweite Pegel bei 5V liegt. Bei negativen Pegeln wäre denkbar, dass der erste Pegel –5V und der zweite Pegel –3,3V beträgt. Bei einem bipolaren Rechtecksignal weist der erste Pegel ein anderes Vorzeichen auf als der zweite Pegel. In der Praxis sind die Beträge der beiden Pegel häufig gleich. So kann der erste Pegel beispielsweise +2,5V und der zweite Pegel –2,5V betragen.
Das erste Rechtecksignal kann bezogen auf ein Massepotential übertragen werden oder das erste Rechtecksignal kann als differentielles Signal ausgebildet sein. Letzteres hat sich insbesondere bei schnellen digitalen Übertragungen durchgesetzt. Bei differentiellen Signalen werden Pegel verwendet, die von 0V verschieden sind. Differentielle Signale werden meist mit entsprechenden Logikstandards eingesetzt, wie beispielsweise LVDS (Low Voltage Differential Signaling), CML (Current Mode Logic) oder (P)ECL ((Positive) Emitter-Coupled Logic).
Für die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung ist es weitgehend unerheblich, wie ein Messpuls konkret aussieht und durch welchen Sensor/ Detektor dieses erzeugt worden ist. Wichtig ist lediglich, dass der Messpuls definiert in ein erstes Rechtecksignal gewandelt werden kann. Hierfür genügt es üblicherweise, dass der Messpuls einen ausreichend ausgeprägten zeitlichen Verlauf hat, d. h. der Messpuls muss sich ausreichend von dem Rauschen in dem Messsignal absetzen. Dies ist jedoch eine Forderung, die an die meisten Messsignale ohnehin zu stellen ist, um eine Verarbeitbarkeit des Messsignals durch eine Auswerteeinheit gewährleisten zu können. Es ist nicht entscheidend, ob ein Messpuls als Rechteckpuls, als Gauß-Glocke oder als Sinusschwingung ausgebildet ist, um lediglich einige wenige Beispiele zu nennen. Darüber hinaus sollten die Messpulse innerhalb des Messsignals einen ausreichend großen Abstand zueinander aufweisen, so dass sich ein Messpuls nicht mit einem Störpuls überlagert. In der Praxis stellt dies aber auch keine wirkliche Einschränkung dar.
Die Schaltung kann auf verschiedenste Weise implementiert sein. Die Schaltung lässt sich durch diskrete Bauelemente, durch integrierte Schaltkreise oder durch eine Kombination von beidem realisieren. Sofern es die zeitlichen Abstände, mit denen Messpulse und Störpulse aufeinander folgen, zulassen, kommen vorzugsweise programmierbare Bausteine zum Einsatz. Hierzu sei beispielhaft auf die Verwendung von FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) oder geeignet programmierte Prozessoren, wie DSPs (Digital Signal Processor), verwiesen. Wenn die zeitlichen Abstände zwischen Messpulse und Störpulse eine gewisse Schwelle unterschreiten, beispielsweise unterhalb von 5ns, werden vorzugsweise schnelle digitale Logikbausteine eingesetzt. Es sind beispielsweise superschnelle Komparatoren oder D-Flip-Flops bekannt, die Signalraten bis in den GHz-Bereich verarbeiten können und Zeitverzögerungen unterhalb von 200ps aufweisen. Derartige integrierte Schaltkreise lassen sich gut bei der Implementierung der erfindungsgemäßen Schaltung einsetzen. Auch mittels ASICs (Application Specific Integrated Circuit) lassen sich entsprechende Verarbeitungsgeschwindigkeiten realisieren.
Sollte es für die weitere Verarbeitung des Messpulses nicht auf den jeweils exakten Spannungs- oder Stromwert des Messsignals ankommen, so kann auch ein von dem Messpulse abgeleitetes Signal verwendet werden. Dies ist beispielsweise bei Anordnungen der Fall, bei denen die Anzahl von Messpulsen innerhalb einer Zeitspanne bestimmt werden soll. In diesen oder in ähnlich gelagerten Fällen ist lediglich der Zeitpunkt eines Messpulses oder meist sogar nur die Anzahl von Pulsen während einer vorgegebenen Zeitspanne interessant, während die konkrete Höhe des Messpulses und der konkrete Verlauf der Einstiegs- und Abfallphase des Messsignals eher unwichtig sind. Hier könnte das Messsignal ebenfalls in ein Rechtecksignal gewandelt werden und dadurch ein von dem Messsignal abgeleitetes Signal entstehen. In einer derartigen Konstellation würde in die Schalteinrichtung das von dem Messsignal abgeleitetes Signal eingegeben werden. Dadurch würde am ersten Ausgang der Schalteinrichtung bzw. am Ausgang der Schaltung ein von dem Messsignal abgeleitetes Signal anliegen, bei dem der Störpuls bzw. die Störpulse ausgeblendet ist/ sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung eines derartigen von dem Messsignal abgeleiteten Signals könnte das abgeleitete Signal ein zweites Rechtecksignal sein. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn es für die Auswertung des Messsignals auf den Zeitpunkt eines Messpulses ankommt. Durch Wandlung in ein Rechtecksignal liegen definierte und ausgeprägte Pegelwechsel vor, die durch eine Auswerteeinheit einfach auswertbar sind. Vorzugsweise wird ein derartiges zweites Rechtecksignal ergänzend zu dem ersten Rechtecksignal durch die Binarisierungseinheit erzeugt.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Binarisierungseinheit durch einen Komparator gebildet, der als Schwellwertschalter ausgebildet ist. In einen ersten Eingang des Komparators würde das Messsignal eingegeben, während an einem zweiten Eingang eine Referenzspannung – der erste Schwellwert – anliegt. Überschreitet das Messsignal am ersten Eingang den Wert der Referenzspannung am zweiten Eingang, so würde der Ausgang des Komparators einen ersten Pegel annehmen. Unterschreitet das Messsignal die Referenzspannung würde ein zweiter Pegel ausgegeben. Wie konkret der erste und der zweite Pegel aussehen, hängt von der Beschaltung und der Ausgestaltung des Komparators ab. Im Ergebnis würde damit der Komparator das Messsignal mit einem ersten Schwellwert vergleichen und ein binarisiertes Ausgangssignal erzeugen, das von dem Pegel des Messsignals abhängt.
Wenn die Binarisierungseinheit sowohl das erste als auch das zweite Rechtecksignal erzeugt, kann die Binarisierungseinheit wiederum auf verschiedene Weise ausgebildet sein. In einer ersten Ausgestaltung weist die Binarisierungseinheit einen Splitter auf, der aus einem Ausgangssignal eines Komparators das erste und das zweite Rechtecksignal erzeugt. Der als Schwellwertschalter ausgebildete Komparator würde ein Rechtecksignal erzeugen, das durch den Splitter dupliziert und als erstes und zweites Rechtecksignal ausgegeben wird. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die beiden Rechtecksignale ein annähernd identisches zeitliches Verhalten aufweisen werden. Ferner ist ein Splitter schaltungstechnisch einfach realisierbar.
In einer zweiten Ausgestaltung kann die Binarisierungseinheit zwei Komparatoren aufweisen, die jeweils als Schwellwertschalter ausgebildet sind. Dabei würde ein erster Komparator das Messsignal mit einem ersten Schwellwert vergleichen und das erste Rechtecksignal erzeugen und ausgeben. Entsprechend würde der zweite Komparator das Messsignal mit einem zweiten Schwellwert vergleichen und das zweite Rechtecksignal erzeugen und ausgeben. Auf diese Weise lässt sich das erste Rechtecksignal unabhängig von dem zweiten Rechtecksignal erzeugen. Dabei kann der erste Schwellwert gleich dem zweiten Schwellwert gewählt sein, wodurch das erste Rechtecksignal weitgehend identisch zu dem zweiten Rechtecksignal sein wird. Allerdings wäre auch denkbar, dass der erste Schwellwert größer bzw. kleiner als der zweite Schwellwert ist. Dadurch würde eine steigende Flanke bei dem ersten Rechtecksignal später bzw. früher als bei dem zweiten Rechtecksignal erfolgen. Eine fallende Flanke läge dann bei dem ersten Rechtecksignal früher bzw. später als bei dem zweiten Rechtecksignal. Auf diese Weise kann gezielt auf bestimmte Anforderungen bei der Erzeugung der beiden Rechtecksignale eingegangen werden. Damit bietet diese Ausgestaltung eine größere Flexibilität bei der Erzeugung des ersten und zweiten Rechtecksignals
In einer bevorzugten Weiterbildung der Schalteinrichtung weist diese neben einem ersten Ausgang zusätzlich einen zweiten Ausgang auf. Eine derartige Schalteinrichtung würde ein an dem Eingang der Schalteinrichtung anliegendes Signal an den ersten oder den zweiten Ausgang schalten. Auch in dieser Weiterbildung würden die Schaltvorgänge basierend auf dem Steuersignal erfolgen, das am Steuereingang der Schalteinrichtung anliegt. Dabei würde ein Schaltvorgang bedeutet, dass die Schalteinrichtung eine leitende Verbindung zwischen Eingang und erstem/ zweitem Ausgang trennt und im Wesentlichen zeitgleich eine leitende Verbindung zwischen dem Eingang und zweitem/ erstem Eingang der Schalteinrichtung herstellt.
Der zweite Ausgang kann in dieser Ausgestaltung verschiedentlich genutzt werden. So wäre denkbar, dass der zweite Ausgang mit einem Terminierungswiderstand verbunden ist. Damit würde das Messsignal bzw. das von dem Messsignal abgeleitete Signal entweder an dem ersten Ausgang der Schalteinrichtung und damit dem Ausgang der Schaltung ausgegeben oder durch den Terminierungswiderstand definiert terminiert. Dadurch können Signalreflexionen bei geöffneter Verbindung zwischen Eingang der Schalteinrichtung und erstem Ausgang wirkungsvoll verhindert werden. Allerdings wäre auch denkbar, dass der zweite Ausgang in eine Auswerteeinheit eingegeben wird. Wenn an dem zweiten Ausgang eine Spannung ungleich 0V anliegt, so wird das Messsignal bzw. das von dem Messsignal abgeleitete Signal nicht am Ausgang der Schaltung ausgegeben. Das Signal am zweiten Ausgang ist damit annähernd das Invertierte des Signals am ersten Ausgang und lässt sich zum Auswerten von unterdrückten Störpulsen nutzen. So wäre eine beispielsweise eine Zählung von steigenden Flanken am zweiten Ausgang denkbar, um die Anzahl der unterdrückten Störpulse zu bestimmen.
Bei der Ausgestaltung der Schalteinrichtung mit einem ersten und einem zweiten Ausgang kann die Schalteinrichtung pegelgesteuert ausgebildet sein. Dabei würde bei Anliegen eines ersten Pegels am Steuereingang ein Signal am Eingang der Schalteinrichtung an den ersten Ausgang geschaltet. Bei Anliegen eines zweiten Pegels am Steuereingang würde ein am Eingang der Schalteinrichtung anliegendes Signal an den zweiten Ausgang geschaltet. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass eine pegelgesteuerte Schalteinrichtung sehr einfach über Transistoren implementiert werden kann.
In einer anderen Ausgestaltung dieser Schalteinrichtung ist diese flankengesteuert, d. h. bei jeder steigenden und/ oder fallenden Flanke des verzögerten ersten Rechtecksignals wechselt die „Schalterstellung“ der Schalteinrichtung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang oder umgekehrt. Wenn beispielsweise jeweils eine steigende Flanke ein Schaltereignis auslöst, würde eine steigende Flanke, die von dem Beginn eines Messpulses herrührt, mit einer Zeitverzögerung von τ₁ ein erstes Schaltereignis auslösen. Eine steigende Flanke, die von dem Beginn des Störpulses herrührt, würde mit einer Zeitverzögerung von τ₁ ein zweites Schaltereignis auslösen. Auf diese Weise hat der zeitliche Abstand zwischen Messpulse und Störpuls einen Einfluss auf das Verhalten der Schalteinrichtung.
Prinzipiell kann die Schalteinrichtung auf verschiedene Weise implementiert sein. Vorzugsweise kommen dabei jedoch elektronische Schalter zum Einsatz, da sie verschleißfrei (oder zumindest verschleißarm) schalten und höhere Schaltfrequenzen erlauben als mechanische Schalter. Besonders bevorzugter Weise werden dabei Transistoren, insbesondere MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), verwendet. Sofern die Schalteinrichtung lediglich einen ersten Ausgang ausweist, würde der elektronische Schalter basierend auf dem Steuersignal die Verbindung zwischen Eingang und erstem Ausgang öffnen oder schließen. Sofern die Schalteinrichtung einen ersten und einen zweiten Ausgang aufweist, kann für jeden der Ausgänge jeweils ein elektronischer Schalter vorgesehen sein, die mit einem invertierten Steuersignal angesteuert werden. Damit würde jeweils der eine Schalter öffnen und der andere Schalter schließen. Entsprechende Schalteinrichtungen sind aus der Praxis bekannt.
Sofern es bei der Auswertung des Messsignals, das durch die erfindungsgemäße Schaltung aufbereitet wird, nicht auf die konkreten Amplitude des Messpulses ankommt, sondern digitale Werte ausreichen (beispielsweise ein Schwellwert ist überschritten ist oder nicht überschritten), könnte der Schalter auch durch eine digitale Schaltung gebildet sein. Hierzu sei auf einen digitalen Multiplexer als bevorzugtes Ausführungsbeispiel verwiesen. Der Steuereingang der Schalteinrichtung ist dann durch den Steuereingang des digitalen Multiplexers gebildet.
Zur besseren Anpassbarkeit auf verschiedene Messsignale kann die Verzögerungseinheit anpassbar ausgebildet sein. Dabei kann zum einen die Zeitspanne τ₁ einstellbar sein, wodurch das Ausmaß der Verzögerung des ersten Rechtecksignals variiert werden kann. Zum anderen kann eine Zeitdauer τ₂ einstellbar sein, wobei die Zeitdauer τ₂ den Abstand zwischen einer steigenden Flanke und einer fallenden Flanke des verzögerten ersten Rechtecksignals angibt. Durch Einstellen der Zeitdauer τ₂ kann die „Breite“ des Steuersignals für die Schalteinrichtung variiert werden. Je länger die Zeitdauer τ₂ gewählt wird, desto länger wird das Messsignal bzw. das von dem Messsignal abgeleitete Signal nicht an den ersten Ausgang der Schalteinrichtung geschaltet.
Die Zeitdauern τ₁ und τ₂ können dabei auf verschiedenste Weisen vorgegeben werden. Insbesondere bei einer Implementierung der Schaltung bzw. der Verzögerungseinheit durch einen programmierbaren Baustein können die Zeitdauern während Kalibrierungsmessungen fest einprogrammiert werden. Gleichzeitig kann einem Bediener die Möglichkeit gegeben werden, die Zeitdauern über einen Steuerrechner anzupassen. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass die Zeitdauern basierend auf weitere Messgrößen automatisch angepasst werden. Wenn beispielsweise bekannt ist, dass ein verwendeter Detektor einen Störpuls hervorruft, dessen zeitlicher Abstand zu dem Messpuls von der Vorspannung an dem Detektor abhängt, so kann ein Messwert für die Vorspannung für eine automatische Anpassung der Zeitdauern τ₁ und τ₂ verwendet werden.
In einer besonders einfachen Ausgestaltung kann eine derartige anpassbare Verzögerungseinheit durch ein D-Flip-Flop und zwei einstellbare Verzögerungselemente gebildet sein. Das erste Rechtecksignal würde auf einen Eingang des ersten Verzögerungselements aufgeschaltet. Das durch das erste Verzögerungselement verzögerte Signal würde dann auf einen Eingang des zweiten Verzögerungselements und einen Takteingang des D-Flip-Flops aufgeschaltet. Das durch das zweite Verzögerungselement weiter verzögerte Signal würde als Rücksetzsignal auf den Rücksetzeingang des D-Flip-Flops aufgeschaltet. Der Ausgang des D-Flip-Flops würde den Ausgang der Verzögerungseinheit bilden. Damit würde das erste Verzögerungselement die Zeitspanne τ₁ definieren, während das zweite Verzögerungselement die Zeitdauer τ₂ festlegt.
Die erfindungsgemäße Schaltung kommt vorzugsweise in einem System mit einem Detektor zum Einsatz, der ein entsprechendes Messsignal mit mehreren aufeinander folgenden Messpulsen erzeugt. Jedem dieser Messpulse würde ein – mehr oder weniger ausgeprägter – Störpuls nachfolgen. Das System umfasst ferner eine Auswerteeinheit, der ein durch die erfindungsgemäße Schaltung bereinigtes Signal zur Auswertung zugeführt wird.
Dabei ist ein derartiges System in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung durch ein Mikroskop gebildet und umfasst einen Detektor, eine erfindungsgemäße Schaltung und eine Auswerteeinheit zum Auswerten des durch die Schaltung ausgegebenen Signals. Der Detektor ist dazu ausgebildet, von der zu untersuchenden Probe ausgehendes Detektionslicht zu detektieren. Vorzugsweise kann der Detektor einzelne Photonen des Detektionslichts detektieren und kann beispielsweise durch einen SPAD-Sensor, eine Photomultiplier-Röhre oder einen Hybridsensor mit einer Fotokathode, einer Hochspannungsbeschleunigungsstrecke und einer Avalanche-Diode gebildet sein. Bei einem Detektor, der einzelne Photonen detektieren kann, wäre die Auswerteeinheit vorzugsweise dazu ausgebildet, die Pulse in dem aufbereiteten Messsignal zu zählen. Eine derartige Auswerteeinheit könnte damit die durch den Detektor empfangenen Photonen zählen.
Das Mikroskop ist vorzugsweise ein Fluoreszenzmikroskop, d. h. ein Mikroskop, bei dem ein Lichtstrahl (meist ein Laserstrahl) eine zu untersuchende, fluoreszierende Probe zum Aussenden von Fluoreszenzlicht anregt und das Fluoreszenzlicht detektiert wird. Der Detektor würde demnach Fluoreszenzlicht als Detektionslicht detektieren.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 bzw. 13 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 ein Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf eines Messsignals mit einem Messpuls und einem dem Messpuls nachfolgenden Störpulse,
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung,
3 ein Blockschaltbild einer Ausgestaltung einer Verzögerungseinheit in der erfindungsgemäßen Schaltung nach 2 und
4 Diagramme mit beispielhaften Signalverläufen in der erfindungsgemäßen Schaltung nach 2.
1 zeigt ein Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf eines Messsignals, das durch die erfindungsgemäße Schaltung verarbeitet werden kann. Ein derartiges Messsignal wird beispielsweise durch einen Hybriddetektor bestehend aus Fotokatode, Hochspannungsbeschleunigungsstrecke und Avalanche-Diode mit nachgeschaltetem Verstärker und Anschlusskabel erzeugt.
In dem Diagramm nach 1 ist eine Spannung über der Zeit aufgetragen. Bei dem abgebildeten Messsignal folgen einem Messpuls 1 ein Unterschwinger 2 und ein Störpuls 3. Danach nimmt das Messsignal eine Spannung von annähernd 0V an. Der Verlauf zeigt dabei deutlich das Verhalten eines stark gedämpften Schwingkreises. Bei einem Sensor, der bei einem Versuchsaufbau verwendet wurde, liegen typische Pulshöhen zwischen 100mV und 2V, abhängig von der konkret verwendeten Schaltung. Die Breite des Messpulses (Zeit mit Spannung oberhalb 40% des Maximums) liegt typischerweise bei 500ps bis 20ns. Der Störpuls folgt typischerweise mit einer Verzögerung von 1ns bis 5ns nach dem Messpuls, wobei in der Praxis der zeitliche Abstand um weniger als 100ps variiert. Die Höhe des Störpulses liegt typischerweise bei 10% bis 30% des vorangegangenen Messpulses. Das Rauschniveau liegt typischerweise unter 5% der Höhe des Messpulses. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Zahlenwerte lediglich zur Verdeutlichung des Verhaltens des erfindungsgemäßen Systems angegeben sind. Diese Beschreibung ist weder als Beschränkung auf diese Zahlenwerte noch auf einen bestimmten Sensor oder Sensortypen zu verstehen.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung 4. Die Schaltung 4 weist einen Eingang 5 und einen Ausgang 6 auf. In den Eingang 5 der Schaltung 4 wird ein Messsignal eingegeben, das von einem Detektor 7 erzeugt und mittels eines Verstärkers 8 verstärkt wird. Ein zwischen Verstärker 8 und Eingang 5 der Schaltung 4 angeordnetes Anschlusskabel, das hier vereinfacht lediglich durch einen Strich wiedergegeben ist, bildet einen Schwingkreis, der aus dem verstärkten Signal aus dem Detektor 7 ein Messsignal entsprechend 1 entstehen lässt.
Dieses in den Eingang der Schaltung eingegebene Messsignal wird auf eine Binarisierungseinheit 9 geschaltet, die das Messsignal in ein erstes Rechtecksignal und ein zweite Rechtecksignal wandelt. Die Binarisierungseinheit 9 selbst besteht aus einem Komparator 10, der als Schwellwertschalter verschaltet ist, und einem Splitter 11. Der Komparator 10 erzeugt einen High-Pegel an seinem Ausgang, wenn die in den Komparator 10 eingegebene Spannung – in dem vorliegenden Fall das Messsignal – eine Referenzspannung überschreitet. In allen anderen Fällen wird ein Low-Pegel ausgegeben. Die Referenzspannung sei dabei auf einen Wert zwischen 10% und 30% der maximal zu erwartenden Pulshöhe gesetzt. Dieses durch den Komparator 10 erzeugte Rechtecksignal wird dem Splitter 11 zugeführt, der das Rechtecksignal dupliziert und als erstes Rechtecksignal auf Leitung 12 und als zweites Rechtecksignal auf Leitung 13 ausgibt.
Das erste Rechtecksignal wird einer Verzögerungseinheit 14 aufgeschaltet, die das eingegebene Signal um eine Zeitspanne τ₁ verzögert. In einer bevorzugten Ausgestaltung, die im Zusammenhang mit 3 noch genauer betrachtet wird, wird neben einer Verzögerung noch die Breite des eingegebenen Rechtecksignal beeinflusst und auf eine Zeitdauer von τ₂ eingestellt. Auf diese Weise entsteht ein hier ganz allgemein als „verzögertes erstes Rechtecksignal“ bezeichnetes Signal. Dieses verzögerte erste Rechtecksignal wird einem Steuereingang 15 einer Schalteinrichtung 16 eingegeben.
Die Schalteinrichtung 16 weist neben dem Steuereingang 15 noch einen (Signal-)Eingang 17, einen ersten Ausgang 18 und einen zweiten Ausgang 19 auf. In den Eingang 17 wird das an Leitung 13 anliegende zweite Rechtecksignal als ein von dem Messsignal abgeleitetes Signal eingegeben. Dieses Signal wird in Abhängigkeit von dem an dem Steuereingang 15 eingegebenen Steuersignal auf den ersten Ausgang 18 oder den zweiten Ausgang 19 geschaltet. Dabei sei die Schalteinrichtung 16 pegelgesteuert, so dass bei einem Low-Pegel am Steuereingang 15 der Eingang 17 auf den ersten Ausgang 18 und bei einem High-Pegel am Steuereingang 15 der Eingang 17 auf den zweiten Ausgange 19 geschaltet wird. Der erste Ausgang 18 bildet gleichzeitig den Ausgang 6 der Schaltung 4. Der zweite Ausgang 19 ist in diesem Ausführungsbeispiel über einen Terminierungswiderstand 20 mit Masse verbunden, so dass das Messsignal bei Ausgabe über den zweiten Ausgang 19 einen definierten Widerstand erfährt. Der Ausgang 6 der Schaltung sei mit einer – hier nicht eingezeichneten – Auswerteeinheit verbunden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Verzögerungseinheit 14, wie sie in der erfindungsgemäßen Schaltung 4 eingesetzt sein kann. Die Verzögerungseinheit 14 umfasst ein D-Flip-Flop 21 und ein erstes und ein zweites Verzögerungselement 22, 23. Das zu verzögernde Signal wird in das erste Verzögerungselement 22 eingegeben, das das eingegebene Signal um eine Zeitspanne τ₁ verzögert und das verzögerte Signal ausgibt. Dieses verzögerte Signal wird einem Takteingang des D-Flip-Flops 21 und dem zweiten Verzögerungselement 23 eingegeben. Das zweite Verzögerungselement verzögert das Signal weiter um eine Zeitdauer τ₂ und gibt das weiter verzögerte Signal an einen Rücksetzeingang des D-Flip-Flops 21 aus. Am D-Eingang des D-Flip-Flops liegt ein High-Pegel an, was vereinfachend mit einer „1“ an dem D-Eingang gekennzeichnet ist.
Wenn ein Signal, das in die Verzögerungseinheit 14 eingegeben wird, eine steigende Flanke aufweist, wird diese steigende Flanke durch das erste Verzögerungselement 22 um eine Zeitspanne τ₁ verzögert. Durch Eingabe in den Takteingang des D-Flip-Flops wird das Signal am Q-Ausgang durch die verzögerte steigende Flanke auf einen High-Pegel gesetzt. Das um die Zeitspanne τ₁ verzögerte Signal wird durch das zweite Verzögerungselement weiter verzögert und setzt nach einer Zeitdauer τ₂ das Signal am Q-Ausgang wieder auf einen Low-Pegel. Wenn die steigende Flanke zum Zeitpunkt t₀ erfolgen sollte, hat das Signal am Ausgang der Verzögerungseinheit (Q-Ausgang des D-Flip-Flops) eine steigende Flanke zum Zeitpunkt t₀ + τ₁. Bis zum Zeitpunkt t₀ + τ₁ + τ₂ liegt dann ein High-Pegel am Ausgang an. Nach diesem Zeitpunkt wird das verzögerte Signal wieder auf einen Low-Pegel gesetzt.
Die in 3 dargestellte Ausgestaltung der Verzögerungseinheit hat zusätzlich zu der Beeinflussbarkeit der Verzögerung und der Breite des verzögerten Pulses den Vorteil, dass sie bis zum Rücksetzen zum Zeitpunkt t₀ + τ₁ + τ₂ „blind“ gegenüber neuen steigenden Flanken ist. Dadurch hat eine eventuell durch ein Störsignal erzeugte weitere steigende Flanke keinen Einfluss auf ein Schaltereignis bei der Schalteinrichtung.
4 zeigt Diagramme mit beispielhaften Signalverläufen, wie sie in der Schaltung nach 2 entstehen können. In diesem Zusammenhang wird nochmals genauer auf das Zusammenwirken der einzelnen Elemente der Schaltung nach 2 eingegangen. In jedem der Diagramme ist eine Spannung U über der Zeit t aufgetragen. Dabei beziehen sich die einzelnen Zeitachsen jeweils auf einen gemeinsamen Bezugszeitpunkt. Entsprechungen von Flanken der Signale sind durch gestrichelte Linien zwischen den einzelnen Diagrammen kenntlich gemacht.
Teilfigur 4a) (d.h. Teil a) der 4) zeigt den beispielhaften Verlauf eines Messsignals 24, der bereits in 1 dargestellt ist. Zusätzlich ist ein Komparatorschwellwert 25 als horizontale Linie eingezeichnet, der in den Komparator 10 zusätzlich zu dem Messsignal 24 als Vergleichswert eingegeben wird. Dieser Komparatorschwellwert 25 ist der erste Schwellwert im Sinne der beigefügten Ansprüche. Übersteigt das Messsignal 24 am Eingang 5 der Schaltung 4 (und damit am Eingang des Binarisierungseinheit 9) den Komparatorschwellwert 25, nimmt das von dem Komparator 10 ausgegebene binarisierte Signal einen High-Pegel an. Liegt das Messsignal 24 am Eingang 5 der Schaltung 1 unterhalb dieses Schwellwerts 24, gibt der Komparator 10 einen Low-Pegel aus. Ein entsprechend binarisiertes Signal 26, wie es durch den Komparator 10 ausgegeben wird, ist in Teilfigur 4b) dargestellt.
Teilfigur 4c) zeigt den zugehörigen Verlauf des ersten Rechtecksignals 27, welches in den Eingang 17 der Schalteinrichtung 16 eingegeben wird. Da in der Schaltung nach 2 das erste Rechtecksignal 27 durch einen Splitter 11 aus dem binarisierten Signal 26 erzeugt wird, entspricht der in Teilfigur 4c) dargestellte Verlauf dem Signalverlauf des zweiten Rechtecksignals. Durch die Signallaufzeiten durch den Splitter 11 sowie die Laufzeiten auf den Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Komponenten der Schaltung entsteht eine geringfügige Verzögerung, die eine Verschiebung der steigenden und fallenden Flanken zur Folge hat. Die Zeitverzögerung ist in 4 der Übersichtlichkeit wegen relativ ausgeprägt dargestellt.
In Teilfigur 4d) ist ein beispielhafter Verlauf eines verzögerten ersten Rechtecksignals 28 dargestellt, wie es durch die Verzögerungseinheit 14 ausgegeben werden könnte. Das verzögerte erste Rechtecksignal 28 ist um die Zeitspanne τ₁ verzögert. Zusätzlich hat die Verzögerungseinheit 14 in diesem Beispiel den zeitlichen Abstand zwischen der steigenden und fallenden Flanke auf eine Zeitdauer τ₂ vergrößert. Ein derartiges Verhalten zeigt beispielsweise die Schaltung nach 3.
Das zweite Rechtecksignal (entsprechend Teilfigur 4c)) wird in den Signaleingang der Schalteinrichtung 16 eingegeben. Das verzögerte erste Rechtecksignal 28 bildet das Steuersignal für die Schalteinrichtung 16 und wird in den Steuereingang 15 eingegeben. Die Teilfigur 4e) und 4f) geben den damit entstehenden Signalverlauf an den Ausgängen der Schalteinrichtung 16 wieder. Dabei zeigt Teilfigur 4e) ein Signal 29 am ersten Ausgang 18 und Teilfigur 4f) ein Signal 30 am zweiten Ausgang 19. Auch hier führen die Signallaufzeiten durch die Schalteinrichtung zu einer Zeitverzögerung, die zu einem entsprechenden zeitlichen Versatz führt. Dies ist durch eine versetzte vertikale Linie kenntlich gemacht.
Aus den einzelnen Teilfiguren ist zu erkennen, dass die Zeitspanne τ₁ so dimensioniert ist, dass das verzögerte erste Rechtecksignal zum Zeitpunkt des Störpulses auf einem High-Pegel liegt. Da die Schalteinrichtung 16 bei Anliegen eines High-Pegels am Steuereingang 15 den Eingang 17 auf den zweiten Ausgang 19 schaltet, ist die Schalteinrichtung 15 während des Störpulses nicht auf den ersten Ausgang 18 geschaltet. Umgekehrt ist – in der hier dargestellten Ausgestaltung – zu allen anderen Zeitpunkten der Eingang 17 der Schalteinrichtung 16 auf den ersten Ausgang 18 geschaltet. Das Signal an dem ersten Ausgang bildet das Ausgangssignal der Schaltung und wird an dem Ausgang 6 ausgegeben. Es ist zu erkennen, dass dieses Ausgangssignal nur noch einen Signalanteil enthält, der von dem Messpuls 1 abhängt. Das Ausgangssignal nimmt nämlich immer dann einen High-Pegel an, wenn das Messsignal 24 den Komparatorschwellwert 25 überschritten hat. Wenn das Messsignal beispielsweise immer dann einen Messpuls enthält, wenn der das Messsignal erzeugende Detektor ein Photon detektiert, kann durch Auszählen der steigenden Flanken die Anzahl der detektierten Photonen bestimmt werden. Da die Schaltung 4 ein deterministisches Zeitverhalten hat, kann aus dem Signal 29 sogar der Zeitpunkt des Empfangs relativ genau bestimmt werden. Da sich das Zeitverhalten der Schaltung 4 praktisch nicht ändert, kann zudem sehr genau gezählt werden, wie viele Photonen pro Zeiteinheit empfangen werden.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken. Insbesondere sind sämtliche, in dieser Beschreibung enthaltenen Merkmale und/ oder deren Funktionen, Wirkungen und Eigenschaften für sich gesehen und/ oder in Kombination miteinander als hierin offenbart anzusehen, die ein auf dem vorliegenden Gebiet tätiger Fachmann ggf. unter Hinzuziehung seines Fachwissens einzeln oder in Kombination zur Lösung der objektiven Aufgabe oder damit zusammenhängenden Problemstellungen vorsehen würde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel „SPAD Sensors Come of Age“ von Edoardo Charbon und Silvano Donati in OPN Optics & Photonic News, Februar 2010 [0005]

Claims

Schaltung zum Unterdrücken eines einem Messpuls nachfolgenden Störpulses in einem Messsignal, umfassend eine Binarisierungseinheit (9), die dazu ausgebildet ist, aus dem Messsignal ein erstes Rechtecksignal zu erzeugen, eine Verzögerungseinheit (14), die dazu ausgebildet ist, ein Signal an einem Eingang der Verzögerungseinheit (14) um eine Zeitspanne τ₁ zu verzögern und an einem Ausgang der Verzögerungseinheit (14) auszugeben, und eine Schalteinrichtung (16), die dazu ausgebildet ist, basierend auf einem Steuersignal an einem Steuereingang (15) der Schalteinrichtung (16) ein Signal an einem Eingang (17) der Schalteinrichtung (16) an einen ersten Ausgang (18) der Steuereinrichtung (16) zu schalten, wobei das erste Rechtecksignal dem Eingang der Verzögerungseinheit (14) aufgeschaltet ist, wobei das durch die Verzögerungseinheit (14) verzögerte erste Rechtecksignal dem Steuereingang (15) der Schalteinrichtung (16) aufgeschaltet ist, wobei das Messsignal oder ein von dem Messsignal abgeleitetes Signal dem Eingang (17) der Schalteinrichtung (16) aufgeschaltet ist, wobei der erste Ausgang (18) der Schalteinrichtung (16) den Ausgang (6) der Schaltung bildet, wobei die Binarisierungseinheit (9) das erste Rechtecksignal derart erzeugt, dass die Schalteinrichtung (16) zumindest zeitweise das an dem Eingang (17) der Schalteinrichtung (16) anliegende Signal auf den ersten Ausgang (18) der Schalteinrichtung (16) schaltet, und wobei die Zeitspanne τ₁ derart auf das Messsignal abgestimmt ist, dass die Schalteinrichtung (16) während des Störpulses (3) nicht auf den ersten Ausgang (18) der Schalteinrichtung (16) geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Binarisierungseinheit (9) dazu ausgebildet ist, aus dem Messsignal ein zweites Rechtecksignal zu erzeugen und als ein von dem Messsignal abgeleitetes Signal auszugeben.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Binarisierungseinheit (9) einen Komparator (10) umfasst, der als Schwellwertschalter ausgebildet ist und das Messsignal mit einem ersten Schwellwert vergleicht.
Schaltung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Binarisierungseinheit (9) einen Splitter (11) umfasst, der aus einem Ausgangssignal des Komparators (10) das erste und zweite Rechtecksignal erzeugt.
Schaltung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Binarisierungseinheit (9) einen zweiten Komparator umfasst, der als Schwellwertschalter ausgebildet ist und das Messsignal mit einem zweiten Schwellwert vergleicht, wobei der erste Komparator das erste Rechtecksignal und der zweite Komparator das zweite Rechtecksignal erzeugt und ausgibt.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (16) einen zweiten Ausgang (19) umfasst und dass die Schalteinrichtung (16) dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Steuersignal an dem Steuereingang (15) das an dem Eingang (17) der Schalteinrichtung (16) anliegende Signal an den ersten oder den zweiten Ausgang (18, 19) zu schalten.
Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (16) derart ausgebildet ist, dass bei Anliegen eines ersten Pegels an dem Steuereingang (15) die Schalteinrichtung (16) den Eingang (17) auf den ersten Ausgang (18) schaltet und dass bei Anliegen eines zweiten Pegels an dem Steuereingang (15) die Schalteinrichtung (16) den Eingang (17) auf den zweiten Ausgang (19) schaltet.
Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (16) flankengesteuert ausgebildet ist, so dass die Schalteinrichtung (16) bei einer steigenden oder fallenden Flanke des ersten Rechtecksignals an dem Steuereingang zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang wechselt.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (16) durch einen elektronischen Schalter, vorzugsweise einen oder mehrere MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), gebildet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungseinheit (14) einstellbar ausgebildet ist, so dass die Zeitspanne τ₁ und/ oder eine Zeitdauer τ₂ zwischen einer steigenden Flanke und einer fallenden Flanke des verzögerten ersten Rechtecksignals einstellbar ist.
Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungseinheit (14) durch einen D-Flip-Flop (21) und durch ein erstes und ein zweites Verzögerungselement (22, 23) gebildet ist, wobei das erste Rechtecksignal auf einen Eingang des ersten Verzögerungselements (22) aufgeschaltet ist, wobei das durch das erste Verzögerungselement (22) verzögerte Signal auf einen Eingang des zweiten Verzögerungselements (23) und einen Takteingang des D-Flip-Flops (21) aufgeschaltet ist und wobei das durch das zweite Verzögerungselement (23) verzögerte Signal auf den Rücksetzeingang des D-Flip-Flops (21) aufgeschaltet ist.
System zum Unterdrücken eines einem Messpuls nachfolgenden Störpulses in einem Messsignal, umfassend einen Detektor (7) zum Erzeugen eines Messsignals, eine Schaltung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Messsignal auf einen Eingang (5) der Schaltung (4) aufgeschaltet ist, und eine Auswerteeinheit zum Auswerten des durch die Schaltung (4) ausgegebenen Signals, wobei der Ausgang (6) der Schaltung (4) einem Eingang der Auswerteeinheit aufgeschaltet ist.
Mikroskop, insbesondere ein Fluoreszenzmikroskop, umfassend: einen Detektor (7) zum Erzeugen eines Messsignals, wobei der Detektor (7) zum Detektieren von Detektionslicht, insbesondere Fluoreszenzlicht, von einer durch das Mikroskop untersuchten Probe ausgebildet ist, eine Schaltung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Messsignal auf einen Eingang (5) der Schaltung (4) aufgeschaltet ist, und eine Auswerteeinheit zum Auswerten des durch die Schaltung (4) ausgegebenen Signals, wobei der Ausgang (6) der Schaltung (4) einem Eingang der Auswerteeinheit aufgeschaltet ist.
Mikroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor dazu ausgebildet ist, einzelne Photonen des Detektionslichts zu detektieren, und dass die Auswerteeinheit zum Zählen der Pulse in dem Messsignals und damit zum Zählen der durch den Detektor empfangenen Photonen ausgebildet ist.
Verfahren zum Unterdrücken eines einem Messpuls nachfolgenden Störpulses in einem Messsignal, insbesondere unter Verwendung einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend die Schritte: Erzeugen eines ersten Rechtecksignals aus dem Messsignal mittels einer Binarisierungseinheit (9), Erzeugen eines verzögerten ersten Rechtecksignals durch Verzögern des ersten Rechtecksignals um eine Zeitspanne τ₁ mittels einer Verzögerungseinheit (14), Eingeben des verzögerten ersten Rechtecksignals in einen Steuereingang (15) einer Schalteinrichtung (16), Eingeben des Messsignals oder eines von dem Messsignal abgeleiteten Signals in einen Eingang (17) der Schalteinrichtung (16), zumindest zeitweises Schalten des an dem Eingang (17) der Schalteinrichtung (16) anliegenden Signals auf einen ersten Ausgang (18) der Schalteinrichtung (16) basierend auf dem an dem Steuereingang (15) der Schalteinrichtung (16) anliegenden verzögerten ersten Rechtecksignal, wobei die Zeitspanne τ₁ derart auf das Messsignal abgestimmt ist, dass die Schalteinrichtung (16) während des Störpulses (3) nicht auf den ersten Ausgang (18) der Schalteinrichtung (16) geschaltet ist, und Ausgeben eines an dem ersten Ausgang (18) der Schalteinrichtung (16) anliegenden Signals als Ausgangssignal.