DE2235366C3 - Schaltung zur Unterdrückung von Signalen - Google Patents
Schaltung zur Unterdrückung von SignalenInfo
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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 Bezugswert bei
einem elektronischen Teilchenanalysator, der von jedem durch ein Meßfenster tretenden Teilchen ein
Teilchensignal erzeugt.
Das Coulter-Meßprinzip ist in der DE-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 DE-PS 9 64 810 und der US-PS 32 59 842 (deutsche Patentanmeldung P
16 98 537.8) wird zur Zählung und Größenbestimmung 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 Teilchenanalysators
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 l.i 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 dts
Fenster hindurchtretenden Teilchen erzeugt werden.
ίο 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 Größenunterachiede können verschiedene Teilchenarten identifiziert werden.
Be: 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
Teilchensystemen mit einem weiten Bereich von Teilchengroßen, 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 1JS-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. 1st der erste Impuls ein
Störimpuls, so wird die Störung analysiert und der
h5 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 Eifindung 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 DE-PS 20 36 366 wurde bereits eine Schaltung
der eingangs und im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art vorgeschlagen, die zur 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 Schwelhvert
bestehen kann, eine Bezugswertvorgabeschaltung 16 und ein Gatter 18, das zum Eingang des Impulshöhenanalysators
12 führt. Das »Gestell« kann einen ersten t>o 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 t»
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 infolge 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. F i g. 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 Teilcheninipulse 30 und 32
ein allgemein glockenförmiges Profil, während die Störsignaie 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 Höcker 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 f| bis h, h bis U, ti bis f8, t9 bis fio
bzw. tu bis to. Die Anstiegszeiten der Teilchenimpulse
30 und 32 liegen zwischen den Zeitpunkten h und U, bzw.
Die Anstiegszeiten der Teilchenimpulse sind bedeuterH
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, Stirnflankeiurigger, 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 r15
und fi6. 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 f3 und U 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 wurden 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 impulse 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, wahrend 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 Störsignale 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 Teilchenanalysatoren eingebaut werden. Sie ist besonders
einfach und billig in Analysatoren einzubauen, die einen Taktimpulsgenerator aufweisen.
Zusätzlich zu einem Taktgenerator 48 ist die einzige weitere Hauptkomponente eine Mehrfunktionsschaltung
in Form eines Zählelements SO. Ein einfaches 4-Bit-Binärzähler-Chip erfüllt die notwendigen Zähl
und Vergleichsforderungen- Ein Binärzähler 50, der mehrere verschiedene Zählwert-A.usgänge aufweist,
kann bei verschiedenen Teilchenanalysatoren verwendet werden und liefert verschiedene Bezugswerte. Ein
NAND-Gatter 52und eine Umkehrstufe54 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
ίο seien die Ausgangssignale als 1-, 2-, 4- und 8^s-Ausgangssignale
bezeichnet.
Gemäß F i g. 4 bildet der Rücksetzeingang R des Binärzählers 50 den Eingang zur Schaltung 16. Er ist
über die Eingangsklemme 44 an den Detektor des Teilchenanalysators 10 angeschlossen (F i g. 3), so daß er
sämtliche Signale und Impulse empfängt.
]e nach den Polaritätsbedingungen kann es notwendig sein, eine nicht gezeigte Umkehrstufe einzufügen, se
daß der Rücksetzeingang R Eingangssignale empfängt deren Polarität entgegengesetzt der vom Analysator IC
übertragen ist. Die Rückenflanke 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 am4^s-Ausgan{
»4μ« und an der Ausgangsklemme 46 ein 4^s-AuS
jo 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 Signal«
erläutert werden. Während der Zeit von to bis fi erfolg
die Rücksetzung. Damit kann der Zähler zwischen ii un<
/2 Taktimpulse empfangen. Das NAND-Gatter 5;
schaltet zwischen den Zeiten ii und t? die Taktimpuls!
durch, da vom 4^-Ausgang der Umkehrstufe 52 keil Sperrsignal zugeführt wird. Wie erwähnt, ist di<
Zeitspanne zwischen fi und f2 geringer als 4 Mikrose
künden. Daher endet die Anstiegszeit, bevor dieTaktim pulse den Zähler bis in den 4^-Ausgangszustam
fortgeschaltet haben. Wenn bei t2 die Spitze erreicht is
und das Signal 34 zum Minimum bei ti zu fallen beginnt
erfolgt die Rücksetzung und der Zähler wird gelöscht Bis zu diesem Zeitpunkt wurde von der Schaltung K
kein Datensignal abgegeben.
Während der Anstiegszeit des Signals 36 zwischet den Zeitpunkten ?3 bis u, werden die Taktimpulse wiede
in den Zähler eingespeist. Da diese Dauer größer al 4 Mikrosekunden ist. liegt an der 4^-Ausgangsklemmi
ein Ausgangssignal an. und damit ein entsprechende Eingangssignal von der Klemme 46 am Gatter If
Sobald das 4^-Signal erzeugt wird, speist dii
Umkehrstufe 54 ein Sperrsignal zum NAND-Gatter 52 Hierdurch wird jede weitere Zählung verhindert Da da
Signal 36 durch die Schwellwertschaltung 14 wie obe: beschrieben, blockiert wird, kann das 4-ji-Ausgangs
signal nicht durch das Gatter 18 hindurchlaufen.
bo Durch die Rückflanke des Signals 36 erfolgt zwischet
den Zeitpunkten U und {5 die Rücksetzung. Zun
Zeitpunkt u wird das 4^-Ausgangssignal beendet s<
daß das NAND-Gatter 52 wieder eingeschaltet wire Der Teilchenimpuls 30. dessen Anstiegszeit zwischei
den Zeitpunkten f5 und 4 größer als 4 Mikrosekundei
ist führt zu einem logisch getreuen Ansprechen de Schaltung 16 in der gleichen Weise wie das Störsigna
36. Da der Impuls 30 die Schwellenspannung 14 jedocl
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 (4)
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 (CLK) 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.
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