DE2353664A1

DE2353664A1 - Integrierende signalverarbeitungsschaltung

Info

Publication number: DE2353664A1
Application number: DE19732353664
Authority: DE
Inventors: Heinz Willi Henninger; Hans Walter Kiefer
Original assignee: Bodenseewerk Perkin Elmer and Co GmbH
Current assignee: PE Manufacturing GmbH
Priority date: 1973-10-26
Filing date: 1973-10-26
Publication date: 1975-05-07
Also published as: US3978348A

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.

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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 "Äbwärts^w-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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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.

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Claims

- 10 Patentansprüche

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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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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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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