DE4139198C2 - Analoger Impulsformungsfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein analoges Impulsformungsfilter zur Erzeugung eines Filterausgangssignales mit Kuspidalform.

Konventionell wird die Impulshöhenanalyse zur Energieanalyse von radioaktiven Strahlen bei der Strahlungsmessung ange­ wandt. Ein Impulsformungsfilter dient hierbei dem Erhalt der optima­ len Energieauflösung durch Verbesserung des Störabstands des Impulses. Das für den genannten Zweck am besten geeignete Impulsformungsfilter ist ein sogenanntes Kuspidalfilter, das aus einem Einheitsstufensignal ein Signal von Kuspidalform erzeugt.

Dies ist beispielsweise aus der folgenden Veröffentlichung allgemein be­ kannt: "Realization of Optimum Pulse Shaping Filter" (S. 43-46, von EURATOM geförderte Dissertationen von Symposium On Nuclear Electronics, 1969).

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines konven­ tionellen Kuspidalfilters zeigt. Dabei wird einem Einfach- Integrationskreis 2 und einem Vielfach-Integrationskreis 4 über einen Eingang 1 ein Einheitsstufensignal zugeführt. Ein von dem Einfach-Integrationskreis 2 ausgegebenes integriertes Signal B wird einem Verzögerungskreis 3 zugeführt, und ein verzögertes Signal C vom Verzögerungskreis 3 wird in einem Subtrahierglied 5 von einem im Vielfach-Integrationskreis 4 integrierten Signal D subtrahiert. Ein Subtraktionssignal E vom Subtrahierglied 5 wird einem Verstärker 6 zugeführt, und das verstärkte Ausgangssignal des Verstärkers liegt an einem Ausgang 7 an.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6, die die Wellenformen der obigen Signale A-E zeigt, wird der Betrieb des konventionellen Kuspidalfilters beschrieben.

Der Einfach-Integrationskreis 2 erzeugt aus dem Einheits­ stufensignal A das integrierte Signal B mit einer Exponen­ tialform. Andererseits erzeugt der Vielfach-Integrationskreis 4 aus dem Einheitsstufensignal A das integrierte Signal S mit S-Form. Das integrierte Signal B wird vom Verzögerungskreis 3 verzögert unter Bildung des verzögerten Signals C. Durch Subtraktion des verzögerten Signals C von dem integrierten Signal D (D-C) im Subtrahierglied 5 wird das Subtraktions­ signal E bzw. das Ausgangssignal des Kuspidalfilters ge­ bildet.

Das konventionelle Kuspidalfilter gewährleistet ein Signal-Rausch-Verhältnis von ca. 1,02, welches sehr nahe an der theoretischen Grenze von 1,00 liegt. Ein semi-Gaußsches Kus­ pidalfilter, das heute das am weitesten verbreitete verfüg­ bare Kuspidalfilter ist, erreicht ein Signal-Rausch-Verhältnis von oberhalb 1,20.

Die Grundeigenschaften des so aufgebauten konventionellen Kuspidalfilters sind ausgezeichnet, da sie sehr nahe an der theoretischen Grenze liegen; es ergeben sich jedoch Probleme im Hinblick auf das Subtraktions- bzw. Endausgangssignal mit der Wellenform E (Fig. 6) nach getrennter Verarbeitung des Eingangssignals A in dem Einfach- und dem Mehrfach-Integra­ tionskreis 2 bzw. 4. Da die Impulsbreite des verzögerten Signals C und des integrierten Signals D vor der Subtraktion jeweils groß ist, wird die Zählgeschwindigkeits-Charakter­ istik gesenkt, und die Sättigungscharakteristik jeder Wellen­ form der Signale C und D gegenüber dem sehr großen Signal A ist voneinander verschieden, was zu einer Turbulenz der Wel­ lenform nach der Subtraktion führt.

Aufgrund der hardwareseitig festgelegten Verhältnisse bezüglich der Integrationszyklen beim bekannten Kuspidalfilter und der nachfolgenden selektiven Verzögerung des integrierten Signals ergeben sich bei schnell aufeinanderfolgenden Filtereingangssignalen Verzerrungen der Ausgangssignalform, so daß die gewünschte Ausgangssignalverteilung nicht erhalten wird. Eine naheliegende Möglichkeit, diese Schwierigkeit zu umgehen, besteht darin, die Signalfolge am Filtereingang zu verringern, was aber eine Verschlechterung der zeitlichen Auflösung einlaufender Meßsignale zur Folge hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein analoges Impulsformungsfilter zur Erzeugung eines Filterausgangssignals mit angenäherter Kuspidalform bereitzustellen, welches eine erhöhte zeitliche und spektrale Auflösung eines am Filtereingang anliegenden Meßsignales ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen im Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst, wobei im Unteranspruch eine vorteilhafte Ausführungsform eines Semi-Gaußschen Filters aufgezeigt ist.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden. Hierbei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Impuls­ formungsfilters nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltbild eines semi-Gaußschen Filters, das bei dem Impulsformungsfilter nach der Erfindung verwendet wird;

Fig. 3a bis 3c Wellenformen von Ausgangssignalen des Impulsfor­ mungsfilters nach der Erfindung zusammen mit den Ausgangssignalen von einzelnen semi-Gaußschen Filtern;

Fig. 4 eine Tabelle von beispielhaften Werten von Zeit­ konstanten, die in den semi-Gaußschen Filtern angewandt werden;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines konven­ tionellen Kuspidalfilters; und

Fig. 6 Wellenformen von Eingangs/Ausgangssignalen bei dem konventionellen Kuspidalfilter.

Der Aufbau des Impulsformungsfilters ist aus dem Block­ schaltbild von Fig. 1 ersichtlich. Dabei bezeichnet 10 einen Eingang, über den ein Einheitsstufensignal zugeführt wird, und 111, 112, 113 . . . sind semi-Gaußsche Filter mit verschie­ denen Zeitkonstanten, denen das Eingangssignal gemeinsam zugeführt wird.

Widerstände 121, 122, 123 . . . sind mit den Ausgangsseiten der semi-Gaußschen Filter 111, 112, 113 . . . verbunden. Die Aus­ gangsimpulse der semi-Gaußschen Filter 111, 112, 113 . . . werden sequentiell von dem semi-Gaußschen Filter mit größerer Zeitkonstante über die Widerstände 121, 122, 123 . . . jeweils Abgriffen 141, 142, 143 . . . einer Verzögerungsleitung 13 zu­ geführt. Ein Widerstand 15 ist mit einem Ende der Abgriffe aufweisenden Verzögerungsleitung 13 verbunden, an deren Aus­ gangsseite ein Widerstand 16 angeschlossen ist.

Jedes verzögerte Signal von der Abgriffe aufweisenden Ver­ zögerungsleitung 13 wird einem als Addierer arbeitenden Verstärker 17 zugeführt. Der Ausgang und ein Eingang des Verstärkers 17 sind miteinander über einen Widerstand 18 verbunden. Ein verstärktes Ausgangssignal des Verstärkers 17 wird an einem Ausgang 19 herausgeführt.

Fig. 2 ist ein Schaltbild eines beispielhaften semi-Gaußschen Filters 111, 112, 113 . . . Ein Eingang 20 für ein am Eingang 10 zugeführtes Einheitsstufensignal ist mit einem Operations­ verstärker 23 über einen Kondensator 21 und einen Widerstand 22 verbunden. Ein Widerstand 24 sowie Kondensatoren 25, 26 sind zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Operations­ verstärkers 23 parallelgeschaltet. Ein Ausgang des Opera­ tionsverstärkers 23 ist über Widerstände 27, 28 mit einem Verstärker 31 verbunden. Der Verbindungspunkt der Widerstände 27 und 28 ist mit einem Ausgang des Verstärkers 31 über einen Kondensator 29 verbunden. Ferner ist der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 28 und dem Verstärker 31 mit einem Kondensator 30 verbunden. Ein Ausgangssignal des Verstärkers 31 wird an einem Ausgang 32 herausgeführt.

Nachstehend wird der Betrieb des Impulsformungsfilters be­ schrieben.

Ein am Eingang 10 zugeführtes Einheitsstufensignal wird von den semi-Gaußschen Filtern 111, 112, 113 . . . zu semi-Gauß­ schen Wellenformen umgeformt und jeweils den entsprechenden Abgriffen 141, 142, 143 . . . der Verzögerungsleitung 13 über die Widerstände 121; 122, 123 . . . zugeführt.

Fig. 3(a) zeigt Wellenformen der Ausgangssignale des Impuls­ formungsfilters und der semi-Gaußschen Filter 111, 112, 113 . . .. mit der jeweiligen Verzögerung. Die Ansprechwellenform des semi-Gaußschen Filters des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 auf das Einheitsstufensignal ist durch die folgende Gleichung (1) gegeben:

f(t,ωi) = Ki(sin 1/2ωit - 1/3 sin 2/3ωit)e^{- l it} (1)

wobei Ki ein Verstärkungsgrad eines i-ten semi-Gaußschen Filters und ωi ein Kehrwert einer Zeitkonstanten, d. h. eine Winkelfrequenz des Durchlaßbereichs des i-ten semi-Gaußschen Filters, ist.

Je größer die Anzahl der semi-Gaußschen Filter 111, 112, 113 . . .., umso kleiner ist die Zeitkonstante. Die Abgriffe auf­ weisende Verzögerungsleitung 13 verzögert eine semi-Gaußsche Wellenform mit kleinerer Zeitkonstante länger. Jedes verzö­ gerte Signal wird in dem Verstärker 17 addiert. Nachdem eine Vielzahl von semi-Gaußschen Wellenformen mit jeweils ver­ schiedenen Zeitkonstanten und verschiedenen Verzögerungszei­ ten addiert worden ist, ändern sich infolgedessen die semi- Gaußschen Wellenformen zu einer Wellenform mit angenäherter Kuspidalform. Das Signal mit dieser angenäherten Kuspidalform wird am Ausgang 19 herausgeführt.

Fig. 3(a) zeigt, wie die vorgenannte Addition der Wellen­ formen B1, B2, . . ., B5 eine angenähert kuspidale Wellenform A bildet. In Fig. 3(a) werden fünf semi-Gaußsche Filter 111, 112, . . ., 115 verwendet. Durch Addition der semi-Gaußschen Wellenformen B1, B2, . . ., B5 wird schließlich die kuspidale Wellenform A erhalten.

Der Additionsvorgang ist aus Fig. 3(b) ohne weiteres er­ sichtlich, in der die Wellenformen nacheinander addiert werden, und zwar beginnend mit einer Wellenform mit einer größeren Zeitkonstanten und kürzerer Verzögerungszeit.

In Fig. 3(c) ist der Wellenform A eine Wellenform C mit per­ fekter Kuspidalform zugeordnet, um die Näherungsgenauigkeit der angenäherten Kuspidalwellenform A des Ausführungsbei­ spiels zu verdeutlichen.

Das Signal-Rausch-Verhältnis des semi-Gaußschen Filters gemäß dem Aus­ führungsbeispiel ist 1,025 und liegt damit sehr nahe an dem theoretischen Grenzwert von 1,00 eines perfekten Kuspidal­ filters, so daß das Impulsformungsfilter einen hohen Wir­ kungsgrad hat.

Fig. 4 ist eine Auflistung von beispielhaften Werten des Verstärkungsfaktors Ki, der Winkelfrequenz ωi im Durch­ laßbereich und der Verzögerungszeit TDi der semi-Gaußschen Filter 111, 112, . . ., 115 in der obigen Gleichung (1).

Wie vorstehend erörtert, wird durch das Impulsformungsfilter gemäß der Erfindung der Nachteil beseitigt, der auftritt, wenn die Wellenformen durch Subtraktion gebildet werden, und der Freiheitsgrad beim Zusammensetzen der Wellenformen er­ höht, so daß eine günstige, angenähert kuspidalförmige Wellenform ohne weiteres in stabiler Weise erhalten wird. Ferner kann das Impulsformungsfilter die Hinterflanke der Wellenform schneller als die Wellenform einer einfachen Exponentialform dämpfen, so daß die Impulshöhenauflösung bei hoher Zählrate verbessert wird. Somit liegt der Leistungskennwert des Impulsformungsfilters gemäß der Erfindung sehr nahe an der theoretischen Grenze des perfekten Filters.

Claims (2)

1. Analoges Impulsformungsfilter zur Erzeugung eines Filterausgangssignals mit Kuspidalform gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von semi-Gaußschen Filtern (111, . . ., 115) mit jeweils verschiedenen Zeitkonstanten, denen ein gemeinsames Filtereingangssignal zugeführt wird;
eine Verzögerungsleitung (13), mit einer Vielzahl von Abgriffen, wobei jeder Abgriff mit jeweils einem Ausgang der Vielzahl von semi-Gaußschen Filtern (111, . . ., 115) derart in Verbindung steht, daß das Einzelfilterausgangssignal des semi-Gaußschen Filters mit der jeweils kleineren Zeitkonstanten länger verzögert wird; und
ein Addierglied (17), in dem die mit der Verzögerungsleitung (13) verzögerten Einzelfilterausgangssignale der Vielzahl von semi-Gaußschen Filtern (111, . . ., 115) unter Bildung eines Filterausgangssignals nacheinander addiert werden.

2. Analoges Impulsformungsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die semi-Gaußschen Filter (111, . . ., 115) jeweils aufweisen:

• - einen Filtereingang (20), welcher über eine Reihenschaltung bestehend aus einem Kondensator (21) und einem Widerstand (23) mit einem Eingang eines Operationsverstärkers (23) in Verbindung steht;
• - eine Parallelschaltung eines Widerstandes (24) und mindestens eines Kondensators (25; 26) zur Rückkoppelung des Ausganges des Operationsverstärkers (23) auf dessen Eingang;
• - eine Reihenschaltung zweier Widerstände (27, 18) zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers (23) und dem Eingang eines Verstärkers (31), wobei der Verbindungspunkt der Reihenschaltung der Widerstände (27, 28) über einen Kondensator (29) am Ausgang des Verstärkers (31) angeschlossen ist und
• - einen Filterausgang (32), der vom Ausgang des Verstärkers (31) gebildet ist.