DE2235366B2

DE2235366B2 - Schaltung zur unterdrueckung von signalen

Info

Publication number: DE2235366B2
Application number: DE19722235366
Authority: DE
Original assignee: Coulter Electronics Ltd, Harpenden, Hertfordshire (Großbritannien)
Priority date: 1971-07-22
Filing date: 1972-07-19
Publication date: 1978-01-19
Also published as: GB1394182A; JPS539559B1; FR2146819A5; CA965843A; DE2235366C3; US3781674A; DE2235366A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Unterdrückung von Signalen, deren Anstiegszeit unter einem vorgebbaren Bezugswert liegt, durch Erfassung der Anstiegszeiten und deren Bezugswert liegt, durch Erfassung der Anstiegszeiten und deren Vergleich auf Zulässigkeit mit dem vorgegebenen B' zugswert bei einem elektronischen Teilchenanalysator, der von jedem durch ein Meßfenster tretenden Teilchen ein Teilchensignal erzeugt.

Das Coulter-Meßprinzip ist in der DT-PS 9 64 810 (entsprechend US-PS 26 56 508) beschrieben. Nach diesem Prinzip tritt eine momentane Änderung der elektrischen Impedanz des Elektrolyten im Bereich eines elektrischen Feldes geringer Abmessungen ein, wenn ein im Elektrolyten suspendiertes mikroskopisches Teilchen durch das Feld hindurchtritt. Diese Impedanzänderung leitet einen Teil der Erregungsenergie in die zugehörige Schaltung ab, so daß ein elektrisches Signal erzeugt wird. Ein derart erzeugtes Signal bildet ein hinreichend genaues Maß für das Teilvolumen für die meisten biologischen und industriellen Zwecke. Das Gerät nach der DT-PS 9 64 810 und der US-PS 32 59 842 (deutsche Patentanmeldung P 16 98 537.8) wird zur Zählung und Größenbestimrnung von Teilchen in biologischen Fluiden, industriellen Pulvern und Schlämmen usw. verwendet. Es ist unter dem Warenzeichen »Coulter Counter« (Coulter-Zähler) bekannt.

Bei kommerziellen Ausführungsformen des nach dem Coulter-Meßprinzips arbeitenden Teilcbenanalysators wird das kleine elektrische Feld durch ein mikroskopisches Meßfenster gebildet, das in einer isolierenden Wandung zwischen zwei Flüssigkeiten vorgesehen ist, in denen die zu untersuchenden Teilchen suspendiert sind. Die elektrische Erregungsenergie wird den beiden Flüssigkeiten mittels jeweils in diesen angeordneten Elektroden zugeführt. Man läßt die Teilchensuspension durch das Fenster hindurchfließen und die elektrischen Signale werden durch die momentanen Impedanzänderungen erzeugt, die durch die jeweiligen, durch das Fenster hindurchtretenden Teilchen erzeugt werden.

Das elektrische Feld ist in dem Fenster konzentriert, wobei normalerweise ein elektrischer Strom zusammen mit der Suspension durch das Fenster hindurchtritt.

Durch Zählung der erzeugten Signale können bis zu mehreren tausend je Sekunde durch das Fenster hindurchtretende Teilchen gezählt werden. Durch Unterscheidung zwischen verschiedenen Impulsamplituden können Untersuchungen hinsichtlich der Teilchengröße und -verteilung durchgeführt werden. Wegen ihrer Größenunterschiede können verschiedene Teilchenarten identifiziert werden.

Bei der Erzeugung von Teilchensignalen entstehen jedoch auch Störsignale. Die Störsignale haben normalerweise im Vergleich zu den Netzsignalen geringe Amplituden, so daß sie durch Unterdrückung mittels eines niedrigen Schwellwerts ausgeblendet werden können. Die Schwellwertunterdrückung hat sich gemäß der genannten US-PS 32 59 842 bei der Größenbereichsanalyse bewährt. Bei der Analyse von Teilchensybtemen mit einem weiten Bereich von Teilchengrößen, wie es beispielsweise bei industriellen Untersuchungen der Fall ist, sind die durch die Störungen verursachten Schwierigkeiten nicht einfach durch einen geringen Schwellwert zu lösen, da die Amplitude von kleinen Nutzsignalen oftmals angenähert oder ebenso groß ist wie die mancher Störsignale. Auch werden die Störsignale oftmals den Teilchenimpulsen überlagert, was die Amplitudenunterscheidung weiter erschwert. Die Störungsunterdrückung ist daher nach wie vor schwierig.

Eine weitere bei Impulsverarbeitungsgeräten bestehende Schwierigkeit, die auch bei nach dem Coulter-Meßprinzip arbeitenden Teilchenanalysatoren vorliegt, besteht darin, daß die maximale Ansprechgeschwindigkeit geringer sein kann als die Geschwindigkeit bzw. die einlaufende Menge an Eingangsdaten. Wenn Datenimpulse mit einer höheren Geschwindigkeit einlaufen, als das Analysegerät sie verarbeiten kann, gehen entweder einige der Daten verloren oder sie werden im Analysegerät insgesamt verzerrt oder fehlerhaft verarbeitet. Wenn bei dem Gerät gemäß der US-PS 32 59 842 zwei Teilchen in dem Meßbereich des Teilchenmeßfensters eintreten, so daß die beiden durch die Teilchen erzeugten Impulse zu nahe aneinanderliegen, als daß das zweite genau analysiert werden könnte, wird durch eine Schaltung das Gerät gesperrt, so daß es auf den zweiten Impuls nicht anspricht. Statistische Untersuchungen haben gezeigt, daß, wenn eine eine genügende Datenmenge liefernde Probe vorliegt und unter der Annahme, daß der angenommene Impuls ein Nutz- bzw. Datenimpuls und kein Störsignal ist, diese Arbeitsweise, bei der der erste Impuls angenommen und der zweite zurückgewiesen wird, zu sehr befriedigenden Teilchenverteilungsergebnissen führt. Ist der erste Impuls ein Störimpuls, so wird die Störung analysiert und der

b5 Nutzimpuls zurückgewiesen. Dies ist nicht zulässig, wenn dieser Zustand im Vergleich zur Gesamtmenge der Datenimpulse häufig eintritt, insbesondere wenn die Datenimpulse eine geringe Amplitude haben.

Bisher werden die Auswirkungen von Störungen durch sorgfältige Auslegung der Schaltung auf das mögliche Minimum verringert, um die Störungen selbst zu verringern. Ferner werden Störungsunterdrückungsschaltungen und niedrige Schwellenwerte verwendet. Damit hat sich bisher bei der Teilchenanalyse das obenerwähnte Verfahren der Annahme des ersten und Zurückweisung des zweiten Impulses als zufriedenstellend erwiesen. Wegen der immer höheren Anforderungen an die Genauigkeit und die verschiedenen kommerziellen Verwendungen des Teilchenanalysators muß jedoch die Störungsbestimmung und -unterdrückung weiter verbessert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, mit der externe Störsignale von Teilchensignalen unterschieden und unterdrückt werden können.

In der nicht zum Stand der Technik gehörenden älteren DT-PS 20 36 366 wurde bereits eine Schaltung der eingangs und im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art vorgeschlagen, die zui Unterdrükkung von von Teilchen erzeugten Signalen bestimmt ist, die ein Maximum innerhalb einer einstellbaren Zeit aufweisen. Hiervon unterscheidet sich die erfindungsgemäße Schaltung dadurch, daß zur Unterdrückung von nicht von Teilchen herrührenden Störsignalen der Ausgang des Teilchenanalysators mit dem ersten Eingang eines Gatters und mit dem Steuereingang eines Zählers verbunden ist, dessen Takteingang an einen Taktgenerator und dessen Ausgang an den zweiten Eingang des Gatters angeschlossen ist.

Durch die erfindungsgemäße Schaltung können Störsignale von von Teilchen erzeugten Signalen unterschieden und wirksam unterdrückt werden.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines mit einer Unterdrükkungsschaltung versehenen Teilchenanalysators,

F i g. 2 in einem schematischen Teilschnitt den Meßfensterbereich eines nach dem Coulter-Meßprinzip aufgebauten Teilchenanalysators,

F i g. 3 in einem Diagramm die Darstellung von Signalen, die sich von Störungen und von durch das Meßfenster hindurchtretenden Teilchen erzeugt werden, und

Fig.4 das schematische Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Störungsunterdrückungsschaltung.

Das in F i g. 1 gezeigte System enthält das Gestell und den Detektorteil eines Coulter-Teilchenanalysators 10, einen Impulshöhenanalysator 12, eine zwischen den Detektor und den Impulshöhenanalysator 12 in Reihe geschaltete Schwellwertschaltung 14, die aus einer einfachen Schaltung mit niedrigerem Schwellwert bestehen kann, eine Bezugswertvorgabeschaltung 16 und ein Gatter 18, das zum Eingang des Impulshöhenanalysators 12 führt. Das »Gestell« kann einen ersten Behälter zur Aufnahme einer Suspension der zu untersuchenden Teilchen und einen zweiten Behälter zur Aufnahme der Suspension enthalten, nachdem diese durch das Fenster in einem der Behälter durchgetreten ist. Dieser Behälter wird allgemein als Meß- oder b^r> Fensterröhre bezeichnet. Das Gestell enthält ferner Einrichtungen zum Pumpen und Messen des Fluids. Zwei Elektroden sind an einander gegenüberliegenden Enden des Fensters angeordnet, wobei eine Impedanzänderung im Weg des Fensters iniolge des Vorhandenseins eines Teilchens in demselben dazu führt, daß die Elektroden das Teilchen messen bzw. »fühlen«. Diese Elektroden bilden den Eingang des Detektorteils, der in einem einfachen Beispiel einen Verstärker darstellt. Die US-PS 32 59 842 beschreibt das Gestell und ein Ausführungsbeispiel des Detektor- bzw. Meßteils.

F i g. 2 zeigt einen stark vergrößerten Querschnitt des Teils einer Fensterröhre 20 mit einer Mündung 22, über der ein ringförmiges Plättchen 24 befestigt ist. In der Mitte des Plättchens 24 ist eine mikroskopische öffnung 26 vorgesehen, die das Meßfenster bildet. Die Teilchensuspension 28 strömt durch das Meßfenster 26, durch das gemäß F i g. 2 gerade ein kleines Teilchen 30 und darauf ein größeres Teilchen 32 hindurchgetreten sind.

F i g. 3 zeigt die sich ergebenden Teilchen Impulse 30 und 32. Der Impuls 32 ist im Verhältnis größer, da das Teilchen 32 größer ist als das Teilchen 30. Fig.3 zeigt weiter den niedrigen Schwellenpegel 14, der von der Schwellenwertschaltung 14 vorgegeben wird. Es sind mehrere Störsignale 34, 36, 38, 40 und 42 dargestellt. Diese Signale könnten bei bekannten Analysatoren gezählt werden oder zu einer Zurückweisung der Teilchenimpulse 30 und 32 führen. Sie sollen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung voneinander unterschieden werden.

Gemäß Fig.3 haben die Teilchenimpulse 30 und 32 ein allgemein glockenförmiges Profil, während die Störsignale eine spitze Form haben. Die Teilchenimpulse sind nicht stets symmetrisch noch haben sie stets eine einfache stetige Krümmung über ihre Maximalamplitude. So können die Impulse zuweilen zwei Hocker aufweisen. Beobachtungen und Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß die Stirnflanke der Teilchenimpulse sich von der Stirnflanke der meisten Störsignale unterscheidet. Die Gründe für die unterschiedliche Gestalt dürften im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht interessieren. Sie rühren hauptsächlich aus den physikalischen und elektrischen Bedingungen des Durchtritts eines Teilchens durch das Meßfeld des Fensters 26.

Einige der Parameter des Systems, die die Form der Teilchenimpulse beeinflussen, sind die Größe des Meßfensters 26, der Strömungsdurchsatz der Suspension 28 durch das Fenster, die elektrische Impedanz der Suspension und der elektrische Strom oder das Feld, die die Bahn durch das Fenster umgeben. Obwohl diese Parameter von Zeit zu Zeit in einem bestimmten Gerät Änderungen unterworfen sind und bei verschiedenen Geräten die Fenster unterschiedlich groß sein können, bleibt die Grundimpulsform im wesentlichen die gleiche, d. h., die Stirnflanke der Impulse hat eine größere Anstiegszeit als die meisten Störsignale.

Die Anstiegszeit bedeutet die Zeitdauer von der minimalen Signalamplitude bis zur maximalen Amplitude während eines Verlaufs in einer Richtung, d. h., es wird vom Tal bis zur Spitze des Impulses gemessen. In F i g. 3 liegen die Anstiegszeiten der Störsignale 34 bis 42 zwischen den Zeiten ii bis f2. h bis U, ti bis ίβ, ί9 bis ίιο bzw. /π bis ίΐ2· Die Anstiegszeiten der Teilchenimpulse 30 und 32 liegen zwischen den Zeilpunkten h und fe bzw. fnb^;Sf|₄.

Die Anstiegszeiten der Teilchenimpulse sind bedeutend länger als die der Störsignale. Die Anstiegszeit kann daher die Basis für die Störungsunterscheidung und -unterdrückung bilden. Diese Funktion hat die

erfindungsgemäße Unterdrückungsschaltung. Diese kann verschiedene Kombinationen von Elementen enthalten, nämlich beispielsweise Impulfsform-Analyse- und -Meßeinrichtungen, Stirnflankentrigger, Integratoren, Analog- und Digitalwandler, Komparatoren usw. Den Hauptbestandteil einer solchen Schaltung bildet die Messung der Anstiegszeit mit dem Bezugswert. Dieser Bezugswert ist die minimale Anstiegszeit des kleinsten Teilchenimpulses, der vom Analysator verarbeitet werden soll. Signale mit einer Anstiegszeit, die höher ist als der Bezugswert, werden als Teilchenimpulse betrachtet und zum Impulshöhenanalysator 12 (mit den im folgenden noch zu erwähnenden Ausnahmen) gleitet, während alle anderen Signale zurückgewiesen werden.

Es sei für die folgende Beschreibung angenommen, daß der Bezugswert 4 Mikrosekunden beträgt. Diese Zeitdauer liegt in Fig.3 zwischen den Zeitpunkten (\s und /|6- Wie leicht zu erkennen ist, sind die Anstiegszeiten der Teilchenimpulse 30 und 32 wesentlich größer als der Bezugswert während die Anstiegszeiten der Störsignale kleiner als der Bezugswert sind. Eine Ausnahme bildet das Signal 36, dessen Anstiegszeit zwischen /3 und ti als 4 Mikrosekunden sei.

Die Bezugswertvorgabeschaltung 16 unterdrückt die Störsignale 34,38,40 und 42, die an ihrer Eingangsklemme 44 einlaufen. Das Signal 36 und die Impulse 30 und 32 werden angenommen.

Ohne die Schwellwertschaltung 14 und das Gatter 18 würden das Signal 36 und die Impulse 30 und 32 von der Ausgangsklemme 46 des Diskriminators weiter zum Impulshöhenanalysator 12 laufen. Durch die Schwellwertschaltung 14 und das Gatter 18 werden nur solche Impuise und Signale, deren Amplitude größer ist als der Schwellenpegel 14 durch das Gatter 18 vom Ausgang der Bezugswertvorgabeschaltung 16 zum Impulshöhenanalysator 12 weitergegeben. Demzufolge sperren die Signale 36 und 40, die kleiner sind als der Schwellenpegel 14, das Gatter 18. Das von der Schaltung 16 durchgelassene Signal 36 kann daher am Impulshöhenanalysator 12 nicht empfangen werden. Der Impulshöhenanalysator 12 empfängt nur die Teilchenimpulse 30 und 32, während sämtliche Störsignale zurückgewiesen werden.

Das oben beschriebene Beispiel stellt einen Idealzustand dar. Tatsächlich können einige Störsignale erzeugt werden, die den niedrigen Schwellenpegel überschreiten und deren Anstiegszeit größer ist als der Bezugswert. Trotzdem wird durch die Schaltung ein großer Teil der Störsignale zurückgewiesen. Versuche haben gezeigt, daß ein großer Teil der nicht zurückgewiesenen Störsignalc nach anderen Kriterien und mittels anderer Schaltungen identifiziert werden kann, so daß die gesamte Teilchenanalyse wesentlich verbessert wird.

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Bezugswertvorgabeschaltung 16. Dies ist nicht das notwendigerweise einfachste und andererseits kein kompliziertes Gerät. Es ist jedoch äußerst zuverlässig und kann leicht in Teilchcnanalysaloren eingebaut werden. Sie ist besonders einfach und billig in Analysatoren einzubauen, die einen Taktimpulsgenerator aufweisen.

Zusätzlich zu einem Taktgenerator 48 ist die ein/ige weitere Hauptkomponente eine Mehrfunktionsschaltung in Form eines Zählclcments 50. Ein einfaches 4-Bit-Binärzählcr-Chip erfüllt die notwendigen Zähl· und Verglcichsfordcrungcn. Ein Binärzähler 50, der mehrere verschiedene Zählwcri-Ausgängc aufweist, kann bei verschiedenen Tdlchcnamilysatoren verwendet werden und liefert verschiedene Bezugswerte. Ein NAND-Gatter 52 und eine Umkehrstufe 54 vervollständigen die Bezugswertvorgabeschaltung 16.

Ein 4-Bit-Chip enthält im wesentlichen 4 hintereinandergeschaltete Flip-Flops mit einem gemeinsamen Rücksetzeingang R, einem Taktimpulseingang CLK, der das erste Flip-Flop speist, wobei jedes Flip-Flop an seiner Ausgangsklemme ein bezogenes binäres Zähl-Ausgangssignal liefert. Für das hier gewählte Beispiel seien die Ausgangssignale als 1-, 2-, 4- und 8-ns-Ausgangssignale bezeichnet.

Gemäß Fig.4 bildet der Rücksetzeingang R des Binärzählers 50 den Eingang zur Schaltung 16. Er isi über die Eingangsklemme 44 an den Detektor de« Teilchenanalysators 10 angeschlossen (F i g. 3), so daß ei sämtliche Signale und Impulse empfängt.

Je nach den Polaritätsbedingungen kann es notwen dig sein, eine nicht gezeigte Umkehrstufe einzufügen, se daß der Rücksetzeingang R Eingangssignale empfängt deren Polarität entgegengesetzt der vom Analysator 1( übertragen ist. Die Rückenfianke jedes Impulses unc Signals setzt die gesamte Schaltung 16 zurück, so da[ der Binärzähler 50 zur Messung der Dauer dei nächstfolgenden Stirnflanke oder Anstiegszeit bereit ist Während der Rücksetzerregung (Rückenflanke) ist dei Zähler gesperrt und spricht auf die Taktimpulse nicht an die am Eingang CLK empfangen werden können Hierdurch wird weiter verhindert, daß am 4^s-Ausganj »4μ« und an der Ausgangsklemme 46 ein 4-jis-Aus gangssignal erzeugt wird. Durch das fehlende Aus gangssignal wird das Gatter 18 gesperrt.

Die Funktion der Schaltung 16 der Fig.4 sol nunmehr anhand der in Fig.3 gezeigten Signals erläutert werden. Während der Zeit von ίο bis /1 erfolg die Rücksetzung. Damit kann der Zähler zwischen t\ unc ti Taktimpulse empfangen. Das NAND-Gatter 5Ά schaltet zwischen den Zeiten f| und /2 die Taktimpuls« durch, da vom 4^-Ausgang der Umkehrstufe 52 keir Sperrsignal zugeführt wird. Wie erwähnt, ist dk Zeitspanne zwischen l\ und ti geringer als 4 Mikrose künden. Daher endet die Anstiegszeit, bevor dieTaktim pulse den Zähler bis in den 4^-Ausgangszustanc fortgeschaltet haben. Wenn bei h die Spitze erreicht is und das Signal 34 zum Minimum bei /3 zu fallen beginnt erfolgt die Rücksetzung und der Zähler wird gelöscht Bis zu diesem Zeitpunkt wurde von der Schaltung M kein Datensignal abgegeben.

Während der Anstiegszeit des Signals 36 zwischer den Zeitpunkten J₃ bis f4, werden die Taktimpulse wiedei in den Zähler eingespeist. Da diese Dauer größer al; 4 Mikrosekunden ist, liegt an der 4^-Ausgangsklemm( ein Ausgangssignal an, und damit ein entsprechende! Eingangssignal von der Klemme 46 am Gatter 18 Sobald das 4^-Signal erzeugt wird, speist dk Umkehrstufe 54 ein Sperrsignal zum NAND-Gatter 52 Hierdurch wird jede weitere Zählung verhindert. Da da: Signal 36 durch die Schwellwertschaltung 14 wie ober beschrieben, blockiert wird, kann das 4^-Ausgangs signal nicht durch das Gatter 18 hindurchlaufen.

mi Durch die Rückflanke des Signals 36 erfolgt zwischci den Zeitpunkten U und t% die Rücksetzung. Zun Zeitpunkt It, wird das 4^-Ausgangssignal beendet, se daß das NAND-Gatter 52 wieder eingeschaltet wird Der Teilchenimpuls 30, dessen Anstiegszeit zwischet den Zeitpunkten (5 und t_b größer als 4 Mikrosckundci ist, führt zu einem logisch getreuen Ansprechen de Schaltung 16 in der gleichen Weise wie das Störsigna 36. Da der Impuls 30 die Schwcllcnspanniing 14 jcdocl

übersteigt, wird das sich ergebende Daten-Ausgangssignal durch das Gatter 18 zum Impulsanalysator 12 weitergeschaltet. Die Unterdrückung der Signale 38, 40 und 42 sowie die Annahme des Impulses 32 dürften aus den obigen Erläuterungen ohne weiteres klar sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Unterdrückung von Signalen, deren Anstiegszeit unter einem vorgebbaren Bezugswert liegt, durch Erfassung der Anstiegszeiten und deren Vergleich auf Zulässigkeit mit dem vorgegebenen Bezugswert bei einem elektronischen Teilchenanalysator, der von jedem durch ein Meßfenster tretenden Teilchen ein Teilchensignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von nicht von Teilchen herrührenden Störsignalen der Ausgang des Teilchenanalysators (10) mit dem ersten Eingang eines Gatters (18) und mit dem Steuereingang (R) eines Zählers (50) verbunden ist, dessen Takteingang (CLK) an einen Taktgenerator (48) und dessen Ausgang an den zweiten Eingang des Gatters (18) angeschlossen ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung zwischen dem Teilchenanalysator (10) und dem ersten Eingang des Gatters (18) eine Schwellenwertschaltung (14) eingeschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Taktgenerator (48) und den Takteingang (CLA^des Zählers (50) ein weiteres Gatter (52) eingeschaltet ist, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Zählers (50) verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (50) aus mehreren hintereinandergeschalteten Flip-Flops besteht, deren Ausgänge jeweils als Ausgang des Zählers wählbar sind.