DE3202807C2 - Phasensynchronisierungsvorrichtung in einem Spektralanalysegerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Phasensynchronisierung eines Probensignals und eines Referenzsignals in einem Spektralanalysegerät.

Bei herkömmlichen Spektralanalysegeräten wird die interessierende Information über ein untersuchtes Probenmaterial mit Hilfe eines Lichtstrahls einer Detektoreinrichtung zugeführt. Der Lichtstrahl nimmt die Information auf, wenn er durch das Probenmaterial hindurchtritt. Gewöhnlich wird der Lichtstrahl aus bekannten Gründen anfangs durch die Blenden eines mechanischen Unterbrechers geleitet, so daß sich eine Impulsfolge ergibt. Bei vielen herkömmlichen Spektralanalysegeräten trifft diese Folge von Lichtimpulsen nach ihrem Durchgang durch die zu untersuchende Probe auf einen lichtempfindlichen Detektor, der ein elektronisches Impulssignal erzeugt. Das sich ergebende elektronische Impulssignal vom Detektor weist, da der Lichtstrahl pulsiert, eine periodische Signalform auf, deren Frequenz gleich derjenigen der Folge von Lichtimpulsen ist.

Um die Probeninformation aus dem periodischen elektronischen Signal des Probendetektors zu gewinnen, muß das Signal demoduliert werden. In diesem Fall umfaßt die Demodulation das Subtrahieren eines elektronischen Signals, das dem Lichtstrahl vor seinem Durchgang durch die Probe entspricht, von dem elektronischen Detektorsignal, so daß sich als Rest allein die von dem Lichtstrahl getragene Probeninformation ergibt. Die maximale Probeninformation wird erzielt, wenn das dem Lichtstrahl vor seinem Durchgang durch die Probe entsprechende elektronische Signal, das allgemein als Referenz- oder Demodulationssignal bezeichnet wird, genau phasengleich mit dem periodischen Probensignal von dem Detektor ist.

Gewöhnlich erzeugt ein Fotodetektor ein elektronisches Signal, das die gleiche Frequenz wie die der Lichtimpulse aufweist, die auf den Fotodetektor auftreffen. Dieses kann durch Anordnung des Fotodetektors nahe dem Lichtunterbrecher erreicht werden. Schwierigkeiten treten jedoch durch Fehler in der Ausrichtung des Fotodetektors auf. Bei einer Anordnung ist der Fotodetektor auf der Probenseite des Lichtunterbrechers angeordnet, wodurch dann das so erzeugte elektronische Signal nahezu phasengleich mit dem Probensignal von dem Probendetektor ist. Andererseits, wenn der Fotodetektor so angeordnet ist, daß er Lichtimpulse nur aufnimmt, wenn der Strahl nicht durch den Unterbrecher hindurchgeht, ist das Signal von dem Fotodetektor gegen das Signal von dem Probendetektor um 180° phasenverschoben. Jedoch sind die zuvor erwähnten Phasenbeziehungen nur gültig und praktisch ausnutzbar, wenn angenommen wird, daß die relevanten optischen Strahlengänge einander gleich sind und eine Phasenvoreilung oder Phasenverzögerung in irgendwelchen zugeordneten elektronischen Geräten vernachlässigbar ist. Die Phasenvoreilung oder Phasenverzögerung in den zugeordneten elektronischen Geräten ist infolge der niedrigen Frequenz der Signale, die bei etwa 15 Hz liegt, tatsächlich vernachlässigbar. Natürlich können durch ein sehr genaues Ausrichten des Fotodetektors einige der Phasenfehler verringert werden. Unabhängig davon ist der Fotodetektor gewöhnlich ein vom Werk justiertes Teil, so daß zusätzlich zu den unvermeidlichen Ausrichtfehlern sich der Fehlergrad mit der Frequenz des Lichtstrahls aus der Lichtquelle ändert.

Eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der US 3,659,942 bekannt. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich um ein Doppelstrahlspektrometer, in welchem ein Detektor abwechselnd Lichtstrahlung, die auf zwei unterschiedlichen Wegen in den Detektor gelangt und eine Probe bzw. eine Referenzprobe passiert, empfängt. Die Modulationssignale zur Trennung der über die auf unterschiedlichen Wegen empfangenen Signalkomponenten werden mit Hilfe einer gesonderten Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls, eines gesonderten Synchronisations-Lichtstrahlunterbrechers, der sich synchron zu zwei vorgesehenen Lichtstrahlunterbrechern für die Modulation des Nutzlichtstrahls dreht, und eines gesonderten, den Lichtstrahl der Lichtquelle empfangenden Detektors erzeugt, wobei die Detektorsignale einer Erzeugungsschaltung für ein synchronisiertes Demodulatorsignal zugeführt werden, durch die unterschiedliche, durch Variation der Empfangsbedingungen des Detektors verursachte Zeitverzögerungen des Detektorsignals kompensiert werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Verwendung in einem Spektralanalysegerät zu schaffen, mit der das Referenzsignal mit einem die Probeninformation tragenden Probensignal in der Phase synchronisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch diese erfindungsgemäße Lösung wird eine Synchronisation zwischen dem Probensignal und dem Referenzsignal erreicht, indem die Einrichtung zur Erzeugung des Referenzsignals phasengleich zu dem Probensignal gestartet wird.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Phasensynchronisationsvorrichtung,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm, das die relative Phasenlage der Signale an verschiedenen Schaltpunkten der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung angibt, und

Fig. 3 eine Schaltung einer Starterschaltung, die die Erfindung benutzt.

Eine in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Phasensynchronisationsvorrichtung 10 umfaßt einen Antriebsmotor 12 mit einem Lichtunterbrecher 14, der an seiner Welle befestigt ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Antriebsmotor 12 ein Schrittmotor, und dieser dreht sich mit inkrementellen Schritten gleichen Drehwinkels.

Der Motor 12 dreht sich in Abhängigkeit von einem pulsierenden oder zumindest periodischen elektronischen Signal. Außerdem dreht sich der Motor 12 um einen Schritt für jeden an ihn abgegebenen Impuls.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein pulsierendes Signal an den Motor 12 mit Hilfe einer elektronischen Taktquelle 18 gegeben. Eine solche Taktquelle 18 gibt eine kontinuierliche Folge von Impulsen mit einer vorgewählten Frequenz ab. Gewöhnlich übersteigt die Frequenz des Taktes sehr weit die tatsächliche Ansprechempfindlichkeit des Motors 12. Daher ist eine Einrichtung 20 vorgesehen, mit der die Frequenz der Taktquelle 18 vermindert werden kann. Diese Einrichtung kann einen elektronischen Zähler benutzen. In bekannter Weise ist ein elektronischer Zähler, der als ein Frequenzteiler benutzt werden kann, eine Einrichtung, die einen Ausgangspunkt nur dann erzeugt, wenn eine größere vorgewählte Anzahl von Impulsen, z. B. von einer Taktquelle empfangen wurde.

Die Vorrichtung 10 umfaßt außerdem eine Einrichtung 21 zum Erzeugen eines Referenzsignals, wobei dieses Signal in herkömmlicher Weise dazu benutzt werden kann, die Probeninformation aus einem Probensignal herauszuziehen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfaßt die Einrichtung 21 zum Erzeugen des Bezugssignals drei Zähler 22, 24 und 26, die in Reihe mit der Taktquelle 18 geschaltet sind. Vorzugsweise arbeiten die Zähler 22, 24 und 26 in gleicher Weise wie die Einrichtung 20. Tatsächlich wird bevorzugt, daß die Einrichtung 20 und der Zähler 22 einander im wesentlichen identisch sind. Die Einrichtung 21 wird von einer Einrichtung 27 zum Starten der Erzeugung des Referenzsignals gesteuert.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Startereinrichtung 27 einen Starter 28, der wirksam nach einer bestimmten Verzögerungszeit aktiviert wird, die durch eine Verzögerungseinrichtung 34 bewirkt ist, nachdem ein Startschalter 32 betätigt wurde. Selbstverständlich kann die Verzögerungszeit durch irgendeine bekannte Einrichtung bewirkt werden, und kann tatsächlich in einer sehr einfachen Weise durch bekannte RC-Schaltungen realisiert werden. Der Startschalter 32 kann ein einfacher mechanischer Druckschalter oder eine komplizierte elektronische Einrichtung sein, die von einem elektronischen Signal angesteuert wird, das von irgendeiner zugeordneten Schaltung abgeleitet wird.

Bei seiner Einschaltung setzt der Starter 28 die Zähler 22, 24 und 26 der Einrichtung 21 auf einen neuen Zählerstand zurück. Danach wird die Einrichtung 21 bereitgeschaltet, um ein Referenzsignal beim Erhalten eines elektronischen Befehls von dem Starter 28 zu beginnen. Um die gewünschte Phasensynchronisation sicherzustellen, spricht das Befehlssignal von dem Starter 28 auf ein Signal an, das das Proben- oder Abtastsignal angibt. Dieses Signal wird von einem Nulliniendurchgangs-Detektor 30 abgeleitet. Der Nulliniendurchgangs-Detektor 30 ist eine Einrichtung bekannter Bauart, die ein Ausgangssignal immer dann erzeugt, wenn das an ihn gegebene Eingangssignal einen beliebigen Bezugspegel erreicht. Wenn daher das Eingangssignal des Nulliniendurchgangs-Detektors 30 ein Sinussignal einer gegebenen Frequenz ist, ist dessen Ausgangssignal für den Nulliniendurchgangs-Detektor 30, das das Probensignal angibt, kann leicht abgeleitet werden, indem bekannte optisch-elektrische Umformer benutzt werden. Wie zuvor erwähnt wurde, wird das optische Signal, das durch das Probenmaterial hindurchgegangen ist und danach auf den Detektor 36 projiziert wurde, pulsierend und hat damit eine vorgewählte Frequenz.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung 10 als Teil eines Atom-Spektrometers benutzt. Das Spektrometer benutzt ein optisches Signal, das durch ein zu untersuchendes Probenmaterial hindurchgegangen ist, um Information hinsichtlich der Elementzusammensetzung des Probenmaterials zu gewinnen. Das optische Signal gelangt in das Spektrometer von einer hier nicht gezeigten Quelle aus und wird in ein pulsierendes Signal über den Unterbrecher 14 umgeformt. Die Stellung des Unterbrechers 14 wird durch den Schrittmotor 12 gesteuert, der 48 Schritte pro Umdrehung ausführt. In diesem Fall wird ein "Schmetterlings"-Unterbrecher benutzt, der zwei Lichtstrahlimpulse pro Umdrehung der Welle 16 erzeugt.

Der Schrittmotor 12 wird schrittweise weitergeschaltet oder gedreht in Abhängigkeit von einem pulsierenden Signal, das von dem Taktgeber 18 erzeugt wird. Vorzugsweise wurde ein Taktgeber von zwei MHz benutzt, obwohl auch andere Taktfrequenzen ebenfalls benutzt werden können. Das zwei MHz-Signal wird auf 360 Hz mit Hilfe des Zählers 20 heruntergeteilt, der als eine durch 5555 teilende Teilerschaltung dient. Das heißt, alle 5555 Impulse, die an den Zähler 20 von dem Taktgeber gelangen, wird ein Impuls an den Schrittmotor 12 gegeben, der sich um einen Schritt weiterdreht, d. h. um 1/48 einer Umdrehung. Der Schrittmotor 12 führt daher 360 Schritte in einer Sekunde aus. Dieses entspricht einer Frequenz von 7,5 Umdrehungen pro Sekunde. Da der Unterbrecher 14 jedoch einen Lichtdurchgang nur zweimal pro Umdrehungen zuläßt, ist die wirksame Frequenz des Lichtstrahls gleich 15 Impulse pro Sekunde, d. h. gleich 15 Hz.

Der durch das Probenmaterial in herkömmlicher Weise hindurchgetretene Lichtstrahl trifft daher auf dem Detektor 36 mit einer Frequenz von 15 Hz auf.

Der Detektor 36 kann irgendein herkömmliches und bekanntes Bauelement sein, wie ein optisch-elektrischer Umformer, ein Thermoelement, das thermisch auf die Intensität des Lichtstrahles reagiert oder dergleichen. Wie zuvor erwähnt wurde, muß für eine optimale Meßgenauigkeit das von dem Detektor 36 erzeugte Abtastsignal mit einem Demodulations- oder Referenzsignal phasensynchronisiert sein, das bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel am Ausgang des Zählers 26 am Punkt A in Fig. 1 abgegeben wird.

Die Erzeugung des Referenzsignals und dessen Synchronisation mit dem Probensignal wird jetzt erläutert. Das von dem Detektor 36 erzeugte periodische elektronische Probensignal wird von dem Nulliniendurchgangs-Detektor 30 überwacht, der daraufhin ein Ausgangsimpuls jedesmal dann liefert, wenn die Amplitude des Abtastsignals das Vorzeichen ändert. Auf diese Weise erzeugt der Nulliniendurchgangs-Detektor 30, der irgendein herkömmlicher Nulliniendurchgangs-Detektor sein kann, eine Ausgangsimpulsfolge mit der gleichen Frequenz wie die des Probensignals. Außerdem erzeugt ein herkömmlicher Nulliniendurchgangs-Detektor 30 einen positiven Impuls, wenn die Eingangsamplitude sich von negativ auf positiv ändert, und einen negativen Impuls, wenn seine Eingangsamplitude sich von positiv nach negativ ändert. Das in Fig. 2 gezeigte Ausgangssignal des Nulliniendurchgangs-Detektors 30 gibt daher nicht nur die Frequenz des Abtastsignals, sondern auch dessen Phasenlage an.

Ein Beispiel eines bestimmten Teils des Starters 28 ist in Fig. 3 gezeigt. Dort sind NAND-Glieder 38 und 40 miteinander verknüpft, um den Beginn des gewünschten Signals zu bewirken. Jedes NAND-Glied umfaßt zwei Eingänge und einen einzigen Ausgang. So weist das NAND-Glied 38 Eingänge 1A und 2A und einen Ausgang 3A auf. Das NAND-Glied 40 hat Eingänge 1B und 2B und einen Ausgang 3B. Wie leicht aus der Schaltung der Fig. 3 zu erkennen ist, ist der Ausgang des ersten NAND-Gliedes 38 mit dem einen der Eingänge des zweiten NAND-Gliedes 40 verbunden. Außerdem ist der Ausgang des zweiten NAND-Gliedes 40 mit einem der Eingänge des ersten NAND-Gliedes 38 verbunden. Der übrige Eingang des ersten NAND-Gliedes 38 erhält das von dem Nulliniendurchgangs-Detektor 30 abgegebene Signal. Der übrige Eingang des zweiten NAND-Gliedes 40 erhält ein Signal von dem Startschalter 32 und der Verzögerungsschaltung 34. Der Ausgang des zweiten NAND-Gliedes 40 gibt den den Start bewirkenden Befehlsimpuls an die Einrichtungen 21, d. h. die Zähler 22, 24 und 26. Obwohl es zum Stand der Technik gehört, sollen hier trotzdem die logischen Verknüpfungsbedingungen eines NAND-Gliedes in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben werden, in der H einen logisch hohen und L einen logisch niedrigen Pegel angeben.

Tabelle 1

Die nachfolgende Tabelle 2 gibt die logischen Verknüpfungsbedingungen für die zuvor beschriebene und in Fig. 3 gezeigte Verknüpfungsschaltung an.

Tabelle 2

Die auf der linken Seite angegebenen drei Schritte sind verschiedene Arbeitsschritte der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zum Beispiel, wenn die Speisung anfangs eingeschaltet wird, gehen die logischen Verknüpfungsbedingungen, wie sie im Schritt 1 angegeben sind, dem Starter 28 voraus. Nach einer bestimmten Verzögerungszeit, während der z. B. ein besonderer Kondensator voll aufgeladen wird, d. h. beim Schritt 2, ändert sich das Signal am Eingang 2B des NAND-Gliedes 40 von einem niedrigen Pegel auf den hohen Pegel. Dadurch wird die Schaltung bereitgeschaltet, so daß, wenn ein Impuls am Eingang 1A des NAND-Gliedes 38 von dem Nulliniendurchgangs-Detektor 30 erhalten wird, der seinen Schaltzustand von einem logisch hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel ändert, ändert sich das Ausgangssignal von dem ersten NAND-Glied von einem logisch niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel. Dadurch ändert sich das Eingangssignal am Eingang 1B des zweiten NAND-Gliedes 40 von einem logisch niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel, und das Ausgangssignal von dem zweiten NAND-Glied 40 ändert sich von einem logisch hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel. Diese Änderung gibt einen einzelnen Impuls an und erlaubt den Zählern 22, 24 und 26 das Zählen der Impulse von dem Taktgeber 18. Dadurch sind die Referenzimpulse phasensynchronisiert mit dem Probensignal.

Beim tatsächlichen Betrieb wird das Spektrometer eingeschaltet, so daß es sich stabilisieren kann, bevor eine Phasensynchronisation des Probensignals mit dem Referenzsignal stattfindet. Nach der Stabilisierung wird der Startschalter 32 betätigt, und die Zähler 22, 24 und 26 werden auf Null zurückgesetzt. Wenn die Zeitverzögerung beendet ist, startet ein Signal das Zählen der Zähler 22, 24 und 26, wobei das Zählen aufgrund der vom Taktgeber 18 abgegebenen 2 MHz-Impulse erfolgt, die den Schrittmotor 12 steuern. Da der Taktgeber 18 sowohl das Steuersignal für den Schrittmotor 12 als auch das Signal für die Zähler 22, 24 und 26 zur Erzeugung des Referenzsignals abgibt, und da, nach dem Zurücksetzen und dem Starten das Referenzsignal phasengleich mit dem optischen Signal ist, sind in einer bevorzugten Weise die Zähler 20 und 22 einander identisch.

Die verschiedenen Bauelemente, die zuvor beschrieben wurden, können in irgendeiner zum Stand der Technik gehörenden Weise benutzt werden. So kann z. B. der Taktgeber 18 ein Impulsgenerator oder eine Halbleitereinrichtung sein, die herkömmliche Schaltungselemente benutzt. Einige der Bauelemente können auch durch Verwendung eines Mikroprozessors anstelle von diskreten Bauelementen realisiert werden.

Der Fachmann erkennt, daß die vorliegende Beschreibung lediglich ein Ausführungsbeispiel erläutert und daß verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne daß dadurch der allgemeine Erfindungsgedanke verlassen würde, der allein durch die Patentansprüche umrissen ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Phasensynchronisierung eines Probensignals und eines Referenzsignals in einem Spektralanalysengerät, wobei ein durch einen Motor (12) angetriebener Lichtstrahlunterbrecher (14) zur Erzeugung eines mit einer vorbestimmten Frequenz pulsierenden und die zu untersuchende Probe durchsetzenden Lichtstrahls, eine auf den Lichtstrahl ansprechende Einrichtung (36) zum Erzeugen eines in bezug auf Frequenz und Phase mit dem pulsierenden Lichtstrahl übereinstimmenden Probensignals, das die Probeninformation enthält, und eine Einrichtung (21) zum Erzeugen eines elektronischen Referenzsignals vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmotor für den Lichtstrahlunterbrecher ein Schrittmotor (12) vorgesehen ist, daß die Eintrichtung (21) zum Erzeugen eines Referenzsignals eine Reihe seriell verbundener Zähler (22, 24, 26) aufweist, durch die, auf ein Startsignal hin, das Referenzsignal mit der Frequenz des pulsierenden Lichtstrahls erzeugbar ist, und daß eine auf die Phase des Probensignals ansprechende Einrichtung (27) zum Erzeugen des Startsignals vorgesehen ist, durch die die Synchronisierung des Probensignals und des Referenzsignals bewirkt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Schrittmotors (12) durch ein erstes Signal gesteuert wird, das von einem vergleichsweise hochfrequenten Taktsignal abgeleitet wird, und daß eine Einrichtung (20) zum Vermindern der Frequenz des Taktsignals vorgesehen ist, bevor das den Schrittmotor steuernde Signal an diesen gelangt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Probensignal erzeugende Einrichtung (36) einen opto-elektronischen Umformer zum Umformen des Lichtstrahls in ein elektronisches Ausgangssignal umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Probensignal erzeugende Einrichtung (36) einen Thermoelement-Umformer zum Umformen des Lichtstrahls in ein elektronisches Ausgangssignal aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Phasenlage des Probensignals ansprechende Einrichtung (27) einen Nulliniendurchgangsdetektor (30) zur Erzeugung eines mit dem Probensignal phasensynchronisierteen Signals aufweist.