DE2353664A1 - Integrierende signalverarbeitungsschaltung - Google Patents
Integrierende signalverarbeitungsschaltungInfo
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Description
PATENTAIWÄLTE ,
Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST
D 5602 LANGENBERG · BÖKENBUSCH 41
Postfach 86 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895
Patentanmeldung
Bodenseewerk Perkin-Elmer & Co. GmbH., 7770 Überlingen- (Bodeensee)
Integrierende Signalverarbeitungsschaltung
Die Erfindung betrifft eine integrierende Signalverarbeitungsschaltung
enthaltend einen Integrator zur Integration eines Signals zwecks Rauschunterdrückung und einen Integrationszeitgeber,
durch den die Integrationszeit des Integrators vorgebbar ist.
Zur Rauschunterdrückung bei stark verrauschten Signalen ist es
bekannt, das Signal über eine definierte Zeit zu integrieren, wobei die Signalamplitude während der Integrationszeit im wesentlichen
konstant bleibt. Das Integral ist dann unmittelbar proportional zu der Signalamplitude. Das Rauschen wird jedoch durch die
Integration durch Herausmitteln weitgehend unterdrückt. Das Integral ist außerdem proportional zu der Integrationszeit, die aber
bei bekannten Geräten fest vorgegeben ist*
Eine solche Integration der Signalamplitude über eine fest vorgegebene
Zeit empfiehlt sich beispielsweise bei Atomabsorptions-
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Spektrometern. Atomabsorptions-Spektrometer dienen dazu, die
Konzentration eines bestimmten gesuchten Elements in einer Probe zu ermitteln. Zu diesem Zweck wird eine Lichtquelle verwendet,
welche die Resonanzspektrallinien des gesuchten Elements emittiert.
Von dieser Lichtquelle wird ein Lichtbündel durch eine Flamme und auf einen photoelek.trischen Empfänger geleitet. Wenn
Probensubstanz, die das gesuchte Element und zusätzlich andere Bestandteile enthält, in die Flamme eingesprüht wird, dann wird
die Probensubstanz in der Flamme atomisiert. Die Strahlung von der Lichtquelle wird durch die dann im atomaren Zustand vorliegenden
Atome des gesuchten Elements absorbiert, während sie durch Atome, deren Resonanzlinien nicht mit den Spektrallinien der Lichtquelle
zusammenfallen, vergleichsweise kaum beeinflußt wird. Die Absorption des Liehtbündels in der Flamme stellt/ein Maß für /cLann
den Anteil des gesuchten Elements in der Probensubstanz dar. Das Signal von dem Detektor und einer diesem gegebenenfalls nachgeschalteten
Signalverarbeitungsschaltung ist üblicherweise stark verrauscht, so daß für ein-e einwandfreie Anzeige z.B. der Konzentration
des gesuchten Elements eine Integration des Signals über eine vorgegebene Zeit zur Rauschunterdrückung angebracht ist.
Es hat sich nun gezeigt, daß übliche Integratoren, z.B. Miller-Integratoren
bestehend aus einem Operationsverstärker mit einem ohmschen Widerstand im Eingangskreis und einer einen Kondensator
enthaltenden Gegenkopplungsschleife vom Ausgang auf den Eingang des Operationsverstärkers Schwankungen hinsichtlich ihrer Integrationskonstanten
unterworfen sind. Diese Schwankungen sind insbesondere durch Schwankungen der Kapazität des Gegenkopplungskondensators
bedingt. Bei der Integration über eine feste Zeit gehen diese Schwankungen unmittelbar in die Messung ein.
- 3 509819/0A62
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierende Signalverarbeitungsschaltung der eingangs erwähnten Art zu
schaffen, bei welcher vor jeder Messung eine Eichung des Integrators
erfolgt und das Ausgangssignal des Integrators bei der Messung entsprechend korrigiert wird. ■
Erfindungsgemäß wird die bei. einer integrierenden Signalverarbeitungsschaltung
der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß die Schaltung zwischen "Eichbetrieb" und "Meßbetrieb11 um schaltbar
ist, daß bei "EiehbeVtrieb" eine Referenzspannungscpiel-Ie
am Eingang des Integrators anliegt, daß die Referenzspanmmgs-'
quelle zur Erzeugung eines der Referenzspannung proportionalen Grenzwertsignal zusammen mit dem Ausgang des Integrators an einem
Komparator anliegt, der bei Gleichheit von Grenzwertsignal und Integratorausgangssignal umschaltet, daß der Integrationszeitgeber
einen Zähler enthält, in den bei "Eichbetrieb" Taktimpulse von einem Taktgeber "aufwärts" einzählbar sind, daß von dem Komparator
gesteuerte Schaltglieder zur Unterbrechung des Einzählvorganges bei Umschaltung des Komparators vorgesehen sind, daß
bei "Meßbetrieb" das besagte Signal auf den Eingang des Integrators
geschaltet ist und die Taktimpulse von dem Taktgeber ?abwärts" einzählbar sind und daß Schaltglieder zur Abschaltung des
besagten Signals von dem Eingang des Integrators durch ein den Leerzustand des Zählers signalisierendes Steuersignal betätigbar
sind.
Gemäß der Erfindung erfolgt vor jeder Messung eine Eichung mittels
einer Referenzspannung. An einem Komparator liegt einmal das Ausgangssignal des Integrators, wenn dieser die Referenzspannung
zeitlich integriert. Zum anderen liegt an dem Komparator ein von der Referenzspannung abgeleitetes und dieser proportionales
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Grenzwertsignal. Der Integratorausgang ermcht dieses Grenzwertsignal
umso früher, je höher der Verstärkungsgrad des Integrators
ist. Während der Zeit, bis das Integratorausgangssignal gleich dem Grenzwertsignal wird, werden Taktimpulse mit einer
festen Frequenz von einem Taktgeber in einen Zähler "aufwärts" eingezählt. Der Zählerstand wird umso großer, je kleiner die Istegrationskonstante
des Integrators ist. Bei der anschließenden Messung wird nun der Zähler leergezählt. Die Integrationszeit
bestimmt sich durch die Zeit, die zum Leerzählen des Zählers erforderlich
ist. Je kleiner die Integrationskonstante des Integrators ist, desto länger wird dadurch automatisch die Integrationszeit. Es werden so Abweichungen der Inte grationskons tan ten des
Zählers, z.B. infolge einer Änderung der Eondensatorkapazität automatisch durch eine entsprechende Veränderung der Integrationszeit kompensiert.
überraschenderweise ist für den geschilderten Eichvorgang weder
die Eonstanz oder Genauigkeit der Referenzspannung noch die Eonstanz
oder Genauigkeit der Taktfrequenz kritisch. Es braucht lediglich gewährleistet zu sein, daß beide Größen sich zwischen
Eichbetrieb und Meßbetrieb nicht geändert haben.
Der Eichvorgang kann in wesentlich kürzerer Zeit als der Meßvorgang
durchgeführt werden, wenn in weiterer Ausbildung der Erfindung bei Meßbetrieb zwischen Taktgeber und "Äbwärtsw-Eingang des
Zählers ein Frequenzteiler eingeschaltet ist.
Die Erfindung bietet weiterhin die Möglichkeit, unter Beibehaltung
der Eichung das Ausgangssignal in verschiedener Weise zu dehnen. Das kann nämlich dadurch erreicht werden, daß der Frequenzteiler
umschaltbar ist. Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung, die ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung darstellt, näher erläutert:
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_ 5 —
Ein Signal, welches bei der dargestellten Ausführungsform mittels
eines Summierverstärkers 10 als Summe zweier Signale B und
D von entgegengesetzter Polarität gebildet ist, liegt über einen
Feldeffekttransistor 14, der einen gesteuerten elektronischen Schalter bildet, sowie einen Eingangswiderstand 16 am invertierenden
Eingang eines Operationsverstärkers 18. Dem Operationsverstärker 18 ist eine weitere Verstärkerstufe 20 nachgeschaltet.
YomAusgang der Verstärkerstufe 20 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 18 ist eine Gegenkopplungsschleife mi*t
einem Kondensator 22 geführt. An dem-invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 18 liegt weiterhin über einen Feldeffekttransistor
24- und Widerstände 26 und 28 eine Referenz spannung von beispielsweise +10 Volt von einem Referenzspannungseingang
30 an. Die Feldeffekttransistoren 14 und 24 werden in noch zu beschreibender
Weise gesteuert. Die Verstärkeranordnung 18, 20 mit dem Gegenkopplungskodensator 22 und dem Eingangswiderstand 16 bzw.
26, 28 bildet einen Integrator 32.
Der Ausgang des Integrators 32 liegt über einen Widerstand 34 sun
invertierenden Eingang eines als Komparator geschalteten Operationsverstärkers 36 an. Der Eingang des Operationsverstärkers ist
durch ein Paar antiparallel gegen Hasse geschalteter Dioden 38 gesichert.
Ae dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
36 liegt außerdem über einen Widerstand 40 unmittelbar die Referenzspannung
von dem Haferenzspannungseingang 30. Der Komparator 36 ist in dem einen oder in dem anderen Sättigmngszustand, je nachdem,
ob die Summe der daran über die Widerstände 34 und 40 anliegenden
Spannungen (bzw. deren Differenz, da die Polarität der Spannungen
entgegengesetzt ist) positiv oder negativ ist·
Parallel zu dem Integrationskondensator 22 liegt ein Feldeffekt-
u ■ transistor 42, der als gesteuerter elektronischer Sehalter wirkt
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und durch den der Integrator 32 auf null rückstellbar ist.
Die Steuerung der Feldeffekttransistoren 14, 24 und 42 erfolgt in der nachstehend beschriebenen Weise:
Der Eich- und Meßvorgang wird eingeleitet durch ein Signal auf
einem Eingang 42. Das Signal am Eingang 42 wird über ein Differenziernetzwerk 44 auf einen Eingang einer mono stabilen Kippschaltung
46 gegeben. Gleichzeitig wird von dem Signal über eine Leitung 48 ein Zähler 50 auf einen Ausgangszustand zurückgestellt.
Die monostabile Kippschaltung 46 liefert einen Ausgangsimpuls an
dem invertierenden Ausgang Q, d.h. an demjenigen Ausgang, der im stabilen Zustand I ist. Dieser Ausgang geht also für die Haltezeit
der monostabilen Kippschaltung von z.B. 20 Millisekunden in den Zustand 0. Hierdurch wird über eine Leitung 52, einen Inverter
54 sowie eine Verstärkeranordnüng 56 zur Pegelanhebung und
eine Diode 58 der Feldeffekttransistor 42 durehgesteuert, so daß der Kondensator 22 entladen und der Integrator 32 auf ITuIl zurückgestellt
wird. Yon der Rückflanke des Ausgangssignals der monostabilen Kippstufe 46 wird außerdem über ein Differenzierglied
60 eine erste bistabile Kippstufe 62 gesetzt. Die bistabile Kippstufe 62 ist vorher unmittelbar von dem Ausgangs signal der ,-monostabilen
Kippstufe 46 in einen definierten Ausgangszustand zurückgesetzt worden. Der nichtinvertierende Ausgang Q, d.h. der
Ausgang, der im gesetzten Zustand zur bistabilen Kippstufe 62
das Signal Ii führt, steuert einmal über einen Invertierer 64 sowie eine zur Pegelanhebung dienende nachgeschaltete
Verstärkerstufe 66 und eine Diode 68 den Feldeffekttransistor 24
durch, 30 daß das Referenzsignal vom Eingang 30 über Feldeffekttransistor
24 und Widerstände 26 und 28 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 18 geschaltet ist und integriert
wird. Der Feldeffekttransistor 14 ist dabei noch nicht leitend,
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Ii t I
stellt also einen geöffneten Schalter dar. Außerdem liegt der
Q-Äusgang der "bistabilen Kippstufe 62 über eine leitung 7Q
an einem NAND-Glied 72, an dessen anderem Eingang eine Taktimpulsleitung 74 liegt, auf welche von einem Taktgeber eine
Folge von Taktimpulsen mit fester Frequenz gegeben wird. Der
Ausgang des NAND-Gliedes 72 liegt über eine Leitung 76 an dem
"Aufwärts"-Eingang des Zählers 50.
Aufgrund des Startimpulses wird also Referenzspannung an den
Integrator 32 gelegt, so daß der Ausgang des Integrators auf den Komparator 36 ein linear anwachsendes Signal gibt. Gleichzeitig
wird das von dem NAND-Glied 72 gebildete Tor geöffnet, so daß Taktimpulse von dem Taktgeber aufwärts in den Zähler
eingezählt werden. Dies geschieht so lange, bis das Ausgangssignal
des Integrators 32 gleich dem über Widerstand 40 zugeführten und aus der Referenzspannung abgeleiteten Grenzwertsignal
ist. Dann schaltet der Komparator aus einem Sättigungszustand in den anderen Sättigungszustand um. Das Aus gangs signal des Komparators
36 wird über Leitung 78 auf einen Eingang eines UND-Gliedes
80 gegeben. Der Ausgang des UND-Gliedes 80 liegt über ein Differenzierglied 82 an dem zweiten Eingang der monostabilen
Kippstufe 46 an. Der zweite Eingang des UND-Gliedes 80 ist
über eine Leitung 84 mit dem Q-Ausgang der bistabilen Kippschaltung
62 verbunden. Der Signalsprung an dem Komparator 36 wird
daher durch das UND-Glied 80 in diesem Zustand durchgelassen, von dem Differenzierglied 82 differenziert und stößt als Impuls
die monostabile Kippstufe 46 an.
Das hat verschiedene Wirkungen?
Während der Haltezeit der monostabilen Kippstufe 46 wird in schon beschriebener Weise der Feldeffekttransistor 42 durehge-
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steuert und der Integrator 32 auf null zurückgestellt. Mit dem Impuls
von der monostaMlen Kippstufe 46 wird die bistabile Kippstufe
62 über den Clear-Eingahg zurückgesetzt. Durch das Zurücksetzen
der ersten bistabilen Kippschaltung 62 wird eine zweite bistabile Kippschaltung 88 gesetzt. Die bistabile Kippstufe 88 verhindert
über die Leitung von Q - Ausgang nach J-Torbereitungseingang
von der bistabilen Kippstufe 62 das erneute Setzen dieser Kippstufe bei Ende der MF-Impulse von der monostabilen Kippstufe
46. Durch das Rücksetzen der ersten bistabilen Kippschaltung 62 wird der Feldeffekttransistor 24 gesperrt, das Referenzsignal also
von dem Integrator 32 abgeschaltet. Dafür wird von dem Ausgang der bistabilen Kippschaltung 88 über das UHD-Glied 90, Leitung 92,
Leitung 94» Invertierer 96, nachgeschaltete Versiärkerstufe 98 und
Diode 100 der !Feldeffekttransistor 14 durchgesteuert und damit das
Signal am Ausgang des Summierverstärkers 10 über Widerstand 16 auf den Integrator 32 geschaltet. Das UND-Glied 90 läßt dabei das
Ausgangssignal von der bistabilen Kippschaltung 88 durch, nachdem die monostabile Kippstufe 46 wieder in ihren stabilen Zustand zurückgekehrt
ist und damit am Ausgang § das Signal L auftritt. Über den Ausgang
des UND-Gliedes 90 und Leitung 92 sowie einen Inverter 102 wird ein Hilfszähler 104 bestehend aus zwei dekadischen Zählerstufen
freigegeben. Es wird außerdem über Leitung 106 ein Signal L auf einen Eingang eines HAMD-Glieds 108 gegeben. Der zweite Eingang
des BAND-G-lieds 108 liegt an dem Schaltarm 110 eines Wählschalters
112, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit drei festen
Kontakten zusammenwirkt. Einer der festen Kontakte ist über Leitungen 114» 116 mit der Siaktsignalleitung 74 verbunden. Der zweite Kontakt
ist mit einem Ausgang Q. der zweiten Zähl er stufe des Hilfezählers
verbunden und der dritte Kontakt ist verbunden mit dem Übertragungsausgang der zweiten Zählerstufe des Hilfszählers 104. Der Ausgang
des HAHD-Gliedes 108 ist mit dem Abwärts-Eingang des Zählers 50 verbunden.
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III
Es wird jetzt somit das Eingangssignal durch den Integrator 32 integriert.
Gleichzeitig werden über Leitung 116, frequenzgeteilt durch den als Frequenzteiler wirkenden Hilf szähler 104, Kontaktarm
110 und UAND-Glied 108 Impulse auf den Abwärts-Eingang des Zählers
50 gegeben. Der Zähler 50 wird also leergezählt, während die Integration
stattfindet, wobei die Leerzählfrequenz gegenüber der ursprünglich
eingezählten Taktfrequenz je nach Stellung des Schaltarmes
110 mehr oder weniger untersetzt ist. Wenn der Zähler 50
Ieergezählt ist, dann wird Über den Ausgang 188 und Leitung 120
die bistabile Kippschaltung 88 in ihren Ausgangszustand zurückgestellt. Damit wird über Leitungen 92, 94, Invertierer Verstärker
und Verstärkerstufe 98 sowie Diode 100 der Feldeffekttransistor
14 gesperrt und damit die·Integration unterbrochen.
Die Integrationszeit bei Meßbetrieb ist um so langer, je langer
der Integrator 32 während des Eichbetriebs benötigt hatte, um das Grenzwertsignal zu erreichen und dem Komparator 36 umzuschalten.
Die Integrations'zeit beim Meßbetrieb ist also um so langer, je
geringer die Integrationskonstante des Integrators 32 ist. Damit
wird sichergestellt, daß das Ausgangssignal am Signalausgang 122
nach Abschluß der Integration während des Meßbetriebs unabhängig von Schwankungen der Integratoreigenschaften in definierter Weise
ein Maß für das angelegte Eingangssignal darstellt.
- 10 -
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Claims (8)
1. Integrierende SignalVerarbeitungsschaltung enthaltend einen Integrator
zur Integration eines Signals zwecks Rauschunterdrückung und einen Integrationszeitgeber, durch den die Integrationszeit
des Integrators vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zwischen "Eichbetrieb11 und "Meßbetrieb11 umschaltbar ist,
daß bei "Eichbetrieb" eine Referenzspannungsquelle (30) am Eingang
des Integrators (32) anliegt, daß die Referenzspannungsquelle (30) zur Erzeugung eines der Referenzspannung proportionalen Grenzwertsignals
zusammen mit dem Ausgang des Integrators (3S) sn einem
Komparator (36) anliegt, der bei Gleichheit von Grenzwertsignal und Integratorauagangssignal umschaltet, daß der Integrationszeitgeber
einen Zähler (50) enthält, in den bei "Eichbetrieb" Taktimpulse von einem Taktgeber (74) "aufwärts" einzählbar sind, daß von
dem Komparator (36) gesteuerte Schaltglieder (46, 62, 72) zur Unterbrechung des Einzahlvorganges bei Umschaltung des Komparators
(36) vorgesehen sind, daß bei "Meßbetrieb" das besagte Signal auf den Eingang des Integrators (32) geschaltet ist und die Taktimpulse
von> dem !Taktgeber (74) "abwärts" einzählbar sind und daß Schaltglieder
(8&, 14) zur Abschaltung des besagten Signals von dem Eingang des Integrators (32) durch ein den Leerzustand des Zählers (50) signalisierendes Steuersignal betätigbar sind.
2· Integrierende Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Meßbetrieb zwischen Taktgeber und "Abwärts"-Eingang des Zählers ein Frequenzteiler (104, 112) eingeschaltet ist.
3. Integrierende SignalVerarbeitungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Frequenzteiler (104, 112) umschaltbar ist.
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- ii -
4. Integrierende Signalverarbeitungsschaltung nach einem der Ansprüche
1 "bis 3, ,gekennzeichnet durch die nachstehenden Merkmale:
(a) Durch ein den Beginn des "Eichbetriebs" signalisierendes
Startsignal ist das Setzen einer ersten "bistabilen Kippschaltung (62) auslösbar, durch deren Ausgang (Q)
im gesetzten Zustand einmal ein die Referenzspannungsquelle
(30) mit dem Eingang des Integrators (32) verbindender gesteuerter elektronischer Schalter (24) und zum
anderen ein Tor (7?) in der Verbindung zwischen Taktgeber (74) und "Aufwärts"-Eingang des Zählers (50) im durchlassenden
Sinne gesteuert sind.
(b) Der Ausgang (Q) der ersten bistabilen Kippschaltung (62) ist mit einer zweiten bistabilen Kippschaltung (88) verbunden,
die von der Rücksetzflanke des Ausgangssignals der ersten bistabilen Kippschaltung (62) setzbar ist,
durch die im gesetzten Zustand einmal ein einen Signaleingang mit dem Eingang des Integrators (32) verbindender
gesteuerter elektronischer Schalter (14) und zum anderen ein Tor (108) in der "Verbindung zwischen Taktgeber (74")
und "Abwärts"-Eingang des Zählers (50) im durchlassenden
Sinne gesteuert ist.
Cc) Sowohl von dem Startsignal als auch von dem Ausgang des Komparators (36) ist eine Rückstellung des Integrators
(32) auslösbar.
5. Integrierende Signal Verarbeitungsschaltung nach/4", dadurch gekennzeichnet,
daß eine monostabile Kippschaltung (46) sowohl von dem Startsignal als auch über ein Differenzierglied (82) von dem Komparator
(36) anstoßbar ist und daß durch das Ausgangssignal der monostabilen Kippschaltung (46 die Rückstellung des Integrators
(32) auslösbar ist. /Snspruch
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- 12 -
6. Integrierende SignalVerarbeitungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch,
gekennzeichnet, daß der Ausgang des Eomparators (36) über
ein UND-Glied (80) mittels eines ersten Einganges desselben mit dem Eingang der monostabilen Kippschaltung (46) verbunden ist
und daß der Ausgang der ersten bistabilen Kippschaltung (62) auf den zweiten Eingang des UND-Gliedes (80) geschaltet ist.
7. Integrierende Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Frequenzteiler ein mehrstufiger Hilfszähler (1O4) ist und daß über einen Wählschalter (112) wahlweise
unmittelbar die Taktimpulse und/oder einer der Ausgänge des
Hilfszählers (104) an den "Abwärts"-Eingang des besagten Zählers
(50) anlegbar ist.
8. Integrierende Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 5 oder
6, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Ausgang (Q) der monostabilen Kippschaltung (46) und der Ausgang (q) der zweiten
bistabilen Kippschaltung (88) über ein erstes UND-Glied (<?O) verknüpft
sind und daß vom Ausgang dieses ersten UND-Gliedes (90)
der den Signaleingang mit dem Eingang des Integrators (32) verbindende elektronische Schalter (i4) gesteuert ist, daß ein zweites
NAND-Glied (IO8), dessen Ausgang am "Abwärts"-Eingang des Zählers
(50) liegt, mit einem ersten Eingang an dem Taktgeber (74)
bzw. dem Frequenzteiler (1O4, 112) und mit dem zweiten Eingang
am Ausgang des ersten UND-Gliedes (90) liegt.
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