DE2439869A1

DE2439869A1 - Verfahren und vorrichtung zur pegelhaltung von elektrischen impulssignalen

Info

Publication number: DE2439869A1
Application number: DE2439869A
Authority: DE
Inventors: Jun Millard Dumas Longman
Original assignee: Coulter Electronics Inc
Current assignee: Coulter Electronics Inc
Priority date: 1973-08-20
Filing date: 1974-08-20
Publication date: 1975-03-13
Also published as: NL7410868A; DE2439869B2; SE396177B; US3895305A; SE7410363L; FR2241924B1; GB1483796A; FR2241924A1; JPS5073548A

Description

Patentanwälte , Dipl. Ing E. Eder Dipl. Ing. K. Schieschke 8 München 13, EtlaabethsuaBe34

COULTER ELECTRONICS INC., HIALEAH, FLORIDA/USA

Verfahren und Vorrichtung zur Pegelhaltung von elektrischen ImpulsSignalen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Pegelhaltung mit sogenannten Klemmschaltungen, beispielsweise zur Pegelhaltung von Impulsfolgen, die von Teilchen erzeugt werden, die eine elektrische Mess- oder Erfassungszone in einem Analysegerät für in einem Fluid suspendierten Teilchen passieren.

Nach dem Grundprinzip dieses Verfahrens ("Coulter Prinzip")

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wird beim Durchgang von mikroskopisch kleinen Teilchen, die in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit suspendiert sind, durch eine öffnung, deren Abmessungen sich denjenigen der Teilchen annähern, die Impedanz der elektrischen Bahn durch die in der öffnung enthaltene Flüssigkeit verändert, wenn das Material des Teilchens und die Flüssigkeit verschiedene elektrische Leitfähigkeiten aufweisen, wie Untersuchungen zeigten, ist die Grosse dieser Änderungen proportional dem Teilchenvolumen, wenn der Querschnitt des Teilchens sehr viel kleiner ist als der Querschnitt der öffnung und wenn das Teilchen so klein ist, dass es von der so gebildeten Messzone ganz aufgenommen werden kann.

Bei richtigen Bedingungen werden elektrische Signale erzeugt, deren Amplitude im allgemeinen vom Volumen der durch die öffnung gehenden Teilchen direkt abhängig ist.

Nicht gleichrichtende Klemmschaltungen, Verfahren und Vorrichtung zur Pegelhaltung von Signalen mit einem Gleichspannungspegel und mit Impulsen, mit dem Ziel der Beseitigung des Gleichspannungspegels,sind bekannt.

Eine solche bekannte Klemmschaltung umfasst in ihrer einfachsten Ausführungsform eine Diode, die einem RC-Glied zugeordnet ist.

In einer Klemmschaltung für eine Impulsfolge, deren Basislinie auf Massepotential oder ein anderes Gleichspannungspotential gebracht werden soll, ist eine Diode auf der Ausgangsseite eines Kopplungskondensators angeordnet, zu der ein Widerstand parallel geschaltet ist. Bei Verwendung positiver Impulse

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liegt dadurch die Anode dieser DLode an Masse und die Kathode ist mit dem Signalweg verbunden. Wenn ein Impuls ankommt,
so wird die Kathode positiv, so dass die Diode keinen Strom führt. Eine geringe Menge der Ladung am Kopplungskondensator wird während der Impulsdauer durch den Widerstand abgeleitet. Wenn der Impuls abfällt und die Eingangsseite des
Kondensators wieder auf die Grundlinie zurückgeht, wird die Ausgangsseite negativ. Sobald dies der Fall ist, leitet die Diode und führt dem Kondensator einen Ladestrom zu. Dadurch wird die ursprüngliche Ladung, die der Kondensator vor dem
Impuls hatte, wieder hergestellt, wobei der niedrige Widerstand der Diode, wenn diese leitet, und des Treiberverstärkers, die negativ werdende Spannung kurzschliesst. Dadurch
bleibt die Spannung an der Ausgangsseite des Kondensators auf der geerdeten Grundlinie und man erhält lediglich die gewünschten positiven Impulse. Ausserdem können Mittel vorgesehen werden zum Ausgleich des Spannungsabfalls der Diode in Durchlassrichtung, wozu diese in|einerlRückkopplungsschleife
angeordnet werden kann.

Dieses bekannte Verfahren reicht aus, wenn zwischen den Impulsen und dem Umgebungsrauschen ein grosses Signal-Rauschverhältnis besteht. Sobald jedoch das Rauschen im Vergleich zu den Impulsen nicht mehr klein ist, arbeitet die Klemmschaltung als Halbwellengleichrichter und richtet das Rauschen gleich, so dass der Ruhepegel, wie man die Grundlinie bezeichnen kann, eine positive Spannung annimmt, die etwas kleiner ist als der Spitzenwert des Rauschens.

Zur Vermeidung dieses Nachteiles arbeiten bekannte Schaltungen mit einem Verstärker, dessen Rückführungszweig so ausgeführt ist, dass der Gleichspannungspegel und das gefilterte Rauschen

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vom Verstärkerausgang zur Subtraktion über einen linearen, nicht gleichrichtenden Weg dem Verstärkereingang zugeführt wird.

Derartige Klemmschaltungen haben an sich zufriedenstellend gearbeitet.

Unzulänglichkeiten mit den bekannten Klemmschaltungen ergaben sich jedoch dadurch, dass diese bei Impulsen mit einem Tastverhältnis von mehr als 50 *% ungeeinget waren. Als Tastverhältnis wird das Verhältnis zwischen der sogenannten Einschalt- oder Ladezeitspanne und der gesamten Zeitdauer des Impulses bezeichnet. Bei den bekannten Schaltungen war die Ladezeit gleich der Entladezeit, oder anders ausgedrückt, die Flächen über und unter der Grundlinie waren annähernd gleich. Dies rührt daher, dass die Schaltmgen symmetrisch ausgeführt waren, d.h. sie hatten für Positiv- und Negativsignale die gleiche Zeitkonstante.

Infolge dessen arbeitete eine derartige Klemmschaltung, wenn Impulse mit einem Tastverhältnis von 50 % oder mehr aufgenommen wurden, undeutlich und ungenau, da sich der Kondensator der Schaltung noch nicht vollständig entladen hatte, wenn der zweite Impuls ankam.

Ein weiterer Nachteil der bekannten: Klenunschaltungen war die Beschränkung des Dynamikumfanges. Die bekannten Schaltungen waren meist mit Röhrenverstärkern ausgerüstet, deren Ausgang hochfrequente Impulse auf niederfrequentem Rauschen zeigten. Das niederfrequente Signal zeigte eine Spitzen-Spitzen-Amplitude von 120 V und die darauf laufenden Impulse hatten im

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allgemeinen eine maximale Amplitude von 10 V. Um ein Beschneiden der auf dem niederfrequenten Rauschen laufenden Impulsinformation zu vermeiden, mussten die Röhrenverstärker einen Dynamikumfang von mindestens 130 V aufweisen.

Dagegen beläuft sich der Ausgang von Halbleiterverstärkern im allgemeinen auf einen Spannungsumfang von ca. 13 V. Das Rauschen besitzt eine Spitzen-Spitzen-Spannung von 12 V und die darauf laufenden Impulse haben eine Spannung von 1 V.

Während somit Verstärkerröhren eine Eingangsschaltung mit ausreichendem Dynamikumfang bildeten, ist bei Festkörperanordnungen der Dynamikumfang stark reduziert, was eine vollkommen neue Situation ergibt.

Durch die Erfindung werden nicht symmetrische Klemmschaltungen mit Filtern zur Beseitigung des niederfrequenten Rauschens möglich.

Das erfindungsgemasse Verfahren zur Pegelhaltung von elektrischen Impulssignalen, die einem niederfrequenten Rauschen überlagert sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass Eingangsimpulssignale aufgenommen, verstärkt, zurückgeführt und schliesslieh umgekehrt und integriert werden, dass die Eingangssignale mit den umgekehrten und zurückgeführten Signalen kombiniert werden, und dass die zurückgeführten Signale abhängig von einer Zustandsänderung der Eingangssignale modifiziert werden. ·

Eine erfindungsgemasse Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besitzt Mittel an einem Eingangsanschluss zur Aufnahme der Impulssignale, an die Empfangsmittel angeschlossene

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Mittel zur Verstärkung der Signale, am Ausgangsanschluss angeordnete Mittel zur Bildung eines Rückführkreises für die verstärkten Signale, dem Rückführkreis zur Umkehrung und Integration der RückführSignaIe zugeordnete Mittel, Mittel am Verstärker zur Kombination der Eingangssignale mit den umgekehrten und zurückgeführten Signalen und mit den Integrationsmitteln verbundene Mittel zur Modifikation der Zeitkonstante des Rückführkreises abhängig von einer Zustandsänderung der Eingangssignale.

Zur detailierteren Erläuterung der Erfindung wird auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel Bezug genommen. Darin zeigt:

Fig. 1 eine bekannte Klemmschaltung,

Fig. 2 die Impulse auf der Eingangsseite des Kondensators nach Fig. 1 und die abgehenden Impulse,

Fig. 3 eine von Fig. 2 abweichende Impulsfolge,

Fig.4 den Ausgang eines Halbleiterverstärkers mit Rauschen und überlagerten Impulsen,

Fig. 5 ein Schaltschema zum Prinzip der Erfindung, Fig. 6 eine Klemmschaltung der Erfindung,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 8 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Grundgedankens.

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Dielbekannte Klemmschaltung nach Fig. 1 arbeitet mit einer Diodenschaltung und spricht auf Eingangsimpulse gemäss Fig. 2 und 3 an. Man erkennt in Fig. 2 die einzelnen Impulse, die auf der linken Seite an der Eingangsseite der Klemmschaltung nacheinander aufgenommen werden, wobei der zweite Impuls ankommt, nachdem der erste Impuls beendet ist.

Die rechte Seite von Fig. 2 zeigt das Impulsmuster am Ausgang der Schaltung, wobei die Amplitude im positiven Teil des Impulses abnimmt und ein Überschwingen im negativen Teil vorhanden ist.

Fig. 3 bezieht sich auf eine Situation, in der der zweite Impuls bereits vor der Zeit t~ auftritt, d.h. vor dem Ende des ersten Impulses. Wie man erkennt wird dadurch die Klemmfähigkeit der Schaltung reduziert und der Gleichspannungspegel kann sich unter Umständen auf Null V einstellen.

Der Grundgedanke der Erfindung ist in Fig. 5 schematisch dargestellt.

Ein Verstärker 21 besitzt im Rückkopplungskreis 23 ein Tiefpassfilter 22. Das Tiefpassfilter besitzt zwei ungleiche Zeitkonstanten, je eine für den positiven und den negativen Impulsteil. Das Tiefpassfilter bildet einen geeigneten Weg für das niederfrequente Rauschen, das zum Eingang des Verstärkers 21 zurückgeführt und dort subtrahiert wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Ein Verstärker 31 besitzt in einer Rückkopplungsschleife 33 eine Reihenschaltung eines Widerstandes 33 mit einer Parallelschaltung einer Diode 34 und eines Widerstandes 35,mit einem

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Integrator unter Einschluss eines Verstärkers 36 mit einem parallel geschaltetenKondensator 37, und einen Widerstand 38. Zwischen dem Eingangsanschluss 40 der Schaltung und der Rückkopplungsschleife befindet sich ein Widerstand 41.

Fig. 6 zeigt auf der linken Seite einen Impuls bei der Aufnahme am Eingangsanschluss 40. Auf der re-chten Seite erkennt man einen Impuls, der die Klemmschaltung am Ausgangsanschluss 42 verlässt.

Die Diode 34 kann aus Germanium hergestellt sein und besitzt in Durchlassrichtung eine niedrige Schwellspannung von ca. 0,2 V. Der Integrator 36, 37 arbeitet invertierend.

Während des Betriebes wird ein dem Verstärker 31 zugeführter Impuls von 1 V um den Faktor 10 verstärkt... Dieser Impuls von 10 V wird über die Widerstände 33, 35 und den invertierenden Integrator 36, 37 und den Widerstand 38 zum Eingang des Verstärkers 31 zurückgeführt. Während des positiven Impulsteils subtrahiert der invertierende Integrator 36, vom Eingangsimpuls, wobei die Zeitkonstante durch das Produkt aus Kapazität 37 und Summe der Widerstände 33 und 35 bestimmt wird, unter der Annahme, dass die Widerstände 41 und 38 gleich und vernachlässigbar sind. Wenn der Impuls am Ausgang des Verstärkers 31 verschwunden ist, entlädt sich der Kondensator 37 mit einer kleineren Zeitkonstante, d.h. dem Produkt aus Kapazität 37 und Widerstand 3J8, da die Diode durchgesteuert und der Widerstand^V*kurzgeschlossen ist. Infolge der kürzeren Entladezeitkonstante kann die Klemmschaltung dadurch mit einem Tastverhältnis von mehr als 50 % arbeiten.

geändert

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Die Verstärkung des Integrators wird so gewählt, dass sie bei Gleichspannung sehr gross ist und mit der Frequenz abnimmt. Der Rückführzweig bewirkt eine Phasendrehung von 270 . Da die Impulsleistung im allgemeinen über 3 kHz liegt, werden die hochfrequenten Impulse im Rückführzweig geschwächt und am Eingang des Verstärkers 31 nicht subtrahiert.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wurden folgende Werte verwendet: für den Kondensator 37 eine Kapazität von 0,22 Mikrofarad, für den Widerstand 35 ein Wert von 1 Megohm, für den Widerstand 33 ein Wert von 22 Kiloohm und eine Diode 1 N 191.

Die Dauer des negativen Überschwingens belief sich auf ca. 20 Mikrosekunden, praktisch unabhängig von der Impulsbreite.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Schaltung ähnelt derjenigen nach Fig. 6,mit der Ausnahme, dass die Diode 34 nicht mehr vorhanden ist und stattdessen ein analoger Schalter 44 (AS) zum Widerstand 35 parallel geschaltet ist. Eine Schwellwerteinrichtung 45 (-T) mit negativem Betriebswert ist mit dem analogen Schalter und der Leitung 32 verbunden. Der analoge Schalter ist normalerweise offen. Er wird durch die Schwellwerteinrichtung 45 gesteuert.

Während des Betriebes ist bei einem positiven Impuls der analoge Schalter offen, wobei die Zeitkonstante durch das Produkt aus Kapazität 37 und die Widerstände 35, 33 bestimmt ' ist. Bei einem negativen Impuls wird der analoge Schalter 44 durch die Schwellwerteinrichtung 45 geschlossen und die Zeitkonstante wird durch das Produkt aus Kapazität 37 und Widerstand 33 bestimmt, da der Widerstand 35 kurzgeschlossen ist.

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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt.In dieser Schaltung ähnelt die linke Seite des Rückführzweiges demjenigen nach Fig. 6 und 7. Die rechte Seite des Rückführzweiges umfasst einen Verstärker 51, zu dem zwei in Reihe geschaltete Dioden 52, 53 parallel geschaltet sind. Ausserdem liegt parallel zum Verstärker 51 ein Widerstand 54, wobei eine Diode 55 zu Widerstand 54 und Verstärker 51 parallel geschaltet ist. Am Eingang des Verstärkers 51 ist ein Widerstand 56 an die Leitung 32 angeschlossen. Ein Widerstand 58 liegt mit einer Seite am Ausgangsanschluss des Verstärkers 51 und mit der anderen Seite über einen Widerstand 59 an einem Knotenpunkt 60 zwischen den Dioden 52 und 53.

Wenn während des Betriebes der Ausgang 42 positiv ist, ist der Punkt P- oder 57 negativ, die Diode 52 sperrt und am Widerstand 59 steht kein Signal an. Der Ladezweig des Kondensators 37 geht über den Widerstand 58 und die Diode 55.

Wenn der Ausgang 42 negativ ist, führt die Diode 52 Strom und der Kondensator 37 lädt sich über die Widerstände 58 und 59 auf. Durch die Diode 52 in der Rückkopplungsschleife erhält die Schaltung eine ausgeprägtere Ein- und Ausschaltcharakteristik. Der Widerstand 56 hat 2,2 Kiloohm und der Widerstand 54 hat 22 Kiloohm.

Wie die drei Ausführungsbeispiele nach den Fig. 6 bis 8 zeigen, wird durch die Erfindung eine Klemmschaltung mit ungleichen Zeitkonstanten für positive und negative Impulse und mit einem besonders günstigen Rückfuhrungszweig für niederfrequentes Rauschen geschaffen.

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Patentanwalt·

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Claims

Patentanwälte Dipl. Ing E. Eder DSpI. Ing. K. Schieschke München 13. ElieabethetraBe 34 Patentansprüche

1. Verfahren zur Pegelhaltung von elektrischen Impulssignalen, die einem niederfrequenten Rauschen überlagert sind, dadurch gekennzeichnet , dass Eingangsimpulssignale aufgenommen, verstärkt, zurück- · geführt und schliesslich umgekehrt und integriert werden, dass die Eingangssignale mit den umgekehrten und zurückgeführten Signalen kombiniert werden und dass die zurückgeführten Signale abhängig von einer Zustandsänderung der Eingangssignale modifiziert werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (41) an einem Eingangsanschluss (40) zur Aufnahme der Impulssignale, durch an die Aufnahmemittel angeschlossene Mittel (31) zur Verstärkung der Signale, durch an einem Ausgangsanschluss (42) vorhandene, einen Rückrührzweig für die verstärkten Signale bildenden Mittel (32) , durch den Rückführzweig zur Integration und Umkehrung der Rückführsignale zugeordnete Mittel (36, 38), durch Mittel (38, 41) am Verstärker zur Kombination der Eingangssignale und der umgekehrten Rückführsignale und durch mit den Integrationsmitteln verbundene Mittel (34, 35) zur Modifizierung der Zeitkonstante des Rückführzweiges abhängig von Zustandsänderungen der Eingangssignale.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Mittel zur Umkehrung und

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Integration der Rückführsignale einen ersten Umkehrverstärker (36) und einen dazu parallel geschalteten Kondensator (37) umfasst.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Modifizierungsmittel eine erste Diode (34) und einen ersten Widerstand (35) umfassen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e kennzeichnet , dass die Modifizierungsmittel einen analogen Schalter(44) und ein Schwellwert-

, glied (45) mit negativer Charakteristik zur Steuerung des Schalters aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Modifizierungsmittel mehrere Dioden und Widerstände umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass der Rückführzweig einen zweiten Widerstand (33) an der Eingangsseite der Modifizierungsmittel und einen dritten Widerstand (38) an der Ausgangsseite der Umkehrungs- und Integrationsmittel aufweist, wobei am Eingangsanschluss ein vierter Widerstand (41) liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass das Modifizierungsmittel einen zum analogen Schalter parallel geschalteten fünften Widerstand (35) und einen zum Schwellwertglied parallel geschalteten zweiten Widerstand (33) aufweist.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass das Modifizierungsmittel einen zweiten Umkehrverstärker (51) aufweist, einen siebten Widerstand (56), an die Eingangsseite des zweiten Umkehrverstärkers (51) angeschlossen, einen achten Widerstand (58), an die Ausgangsseite dieses Verstärkers angeschlossen, einen neunten Widerstand (54) und eine zweite Diode (55), parallel zu diesem Verstärker, eine dritte Diode (52) und eine vierte Diode (53), in einer Reihenschaltung, ebenfalls zu diesem Verstärker parallel geschaltet, und einen zehnten Widerstand (59), der mit einem Ende an einem Knotenpunkt zwischen dritter und vierter Diode (52, 53) und mit dem anderen Ende am Eingang des ersten UmkehrVerstärkers (36) liegt.

PatentanwiH·

Dipl.-Ing E. Eder

Dlpi.-lng.K.Schieschke

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