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Analog-Umschreiberschaltung, hauptsächlich für Analog-Digital-Konverter und für Mustereingabe mit vielen
Eingängen
Es wird oft gefordert, besonders in der nuklearen Messtechnik, dass die irgendeine Information tra- genden maximalenAmplituden elektrischer Impulse oder die Spannungswerte in vorgeschriebenen Zeitpunkten einer sich nach Belieben verändernden Gleichspannung bestimmt werden wollen. Die Impulse, die im allgemeinen zu den Energien der Atomteilchen proportional sind, haben eine zufällige Streuung sowohl in der Amplitude als auch in der Zeitfolge.
Eine bekannte Methode der Messung ist es in diesem Fall, dass das zu messende Signal - also die statistische Impulsserie oder die sich nach Belieben verändernde Gleichspannung - durch ein lineares Tor zu einer Analogspeicherstufe bzw. einem Dehner geführt wird. Die Analogspeicherstufe speichert die Amplitude des zu messenden Signals bzw. den Maximalwert des Impulses oder den Spannungswert in einem bestimmten Zeitpunkt einer sich nach Belieben verändernden Gleichspannung für die eigentliche Messeinheit, die der Analogspeicherstufe folgt, denn die Messzeit der Messeinheit ist viel länger als der zu messende Impuls oder die Abtastzeit. Der Kode, der der Spannung am Ausgang des Dehners entspricht, wird in derMesseinheit mit Hilfe gewichteter Ströme oder Spannungen oder öfters durch eine Amplitude-Zeit-Transformation erzeugt.
Während der Zeitspanne der geschilderten Analog-DigitalKonversion kann ein neuer Impuls nicht in das Messsystem gelangen, denn das lineare Eingangstor trennt den Generator, der die zu messenden Signale liefert, mindestens für'die Dauer der Messung vom Eingang der Analogspeicherstufe.
Es ist aber ein bekannter Fehler dieses Verfahrens, dass sich die erreichbare Genauigkeit als Resultat der drei in Serie geschalteten Einheiten ergibt. Deshalb müssen die einzelnen Einheiten : lineares Tor, Analogspeicherstufe, Amplitude-Zeit-Konverter, zwecks vorgeschriebener Genauigkeit mit wesentlich strengeren Vorbedingungen dimensioniert werden, damit man die zugelassene Fehlergrenze nach der Zusammenkopplung nicht übersteigt. Diese Methode hat verwickelte Stromkreise zur Folge und vermindert dadurch die Zuverlässigkeit.
Die Schaltung. nach der Erfindung, die sogenannte Analog-Umschreiberschaltung (siehe Fig. l) sichert eine gesteigerte Messgenauigkeit oder bei einer gegebenen Genauigkeit die Vereinfachung der Stromkreise dadurch, dass diese Schaltung imstande ist, abhängig vom Aufbau der als solche bekannten Rückkopplungsstufe 13 nach Belieben eine von den geschilderten drei Funktionen-entweder lineares Tor oder Dehner oder Amplituden-Zeit-Konverter-oder zwei Funktionen - lineares Tor und Dehner oder Dehner und A/Z-Konverter-oder aber, und das ist das Wichtigste, alle drei Funktionen auch dann zu versehen,
wenn sie zugleich mehrere Eingänge hat und wenn sie die an diese Eingänge gelegten Spannungssignale steuerbar in beliebiger Reihenfolge verarbeiten muss (die Umschaltzeit von einem Eingang an einen andem ist kleiner als 10-7 sec). Das Verarbeiten eines zu messenden Signals wird mit Hilfe einer an einen andern Eingang gekoppelten, ständigen oder im Verhältnis zur Messdauer langsam veränderlichen Pegel- oder Referenzspannung durchgeführt. Zur Messung eines Signals braucht man also
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mindestens einen Referenzpegel, deshalb soll die Anzahl der Eingänge al, a2.... ak mindestens gleich zwei sein.
Den nacheinander kommenden Signalen oder den von einem andem Eingang kommenden Signalen können aber auch die an weitere Eingänge gekoppelten Referenzspannungen zugeordnet werden, d. h. mit Hilfe einer entsprechenden Steuerung kann ein an irgendeinen Eingang zugeführtes Signal mit beliebigem Referenzpegel verarbeitet werden.
Die Analog-Umschreiberschaltung, in ihrem Aufbau betrachtet, ist ein von einer einzigen rückgekoppelten Schleife gebildeter, gesteuerter Verstärker mit vielen Eingängen, der im allgemeinen einen Verstärkungsfaktor von 1 hat. Die Struktur der rückgekoppelten Schleife ist so gestaltet, dass von den eingangsseitigen Gliedern so viele parallelgeschaltet werden können, wie es der Anzahl der zu verwirklichenden Eingänge entspricht. Von den Eingangsgliedern aber arbeitet mit der Ausgangsstufe nur dasjenige zusammen, das durch die mit den Eingangsgliedern gekoppelten Stromtore ausgewählt wurde.
Das Schaltbild der Analog-Umschreiberschaltung ist in Fig. 1 dargestellt. An alle Eingangspunkte al, a2.... ak der Schaltung ist die Basis eines npn-Transistors 1, 3, 5.... angekoppelt und die Kollektoren dieser Transistoren sind zusammen an den Eingangspunkt c einer an sich bekannten Verstärkerstufe 12 geschaltet und die Emitter der Transistoren sind der Reihe nach einerseits zu den Kathoden von Diode 2, 4.... 6, anderseits mit je einer unabhängigen Leitung zum Ausgang bl, b2.... bk der mit Steuereingang vl, v2.... vk versehenen Stromtore 7,8, 9.... geführt, deren Eingänge gemeinsam an den Stromgenerator 10 gekoppelt sind.
Weiterhin sind die Anoden der schon erwähnten Dioden 2, 4.... 6 mit dem Emitter des Transistors 11 verbunden, dessen Kol- lektor an den andern Eingangspunkt d der Verstärkerstufe 12 gekoppelt ist. Die Basis dieses Transistors 11 ist mit dem Ausgang f einer an sich bekannten Rückkopplungsstufe 13 verbunden, deren Eingang an den Ausgang e der Verstärkerstufe 12 gekoppelt ist. Die Rückkopplungsstufe 13 (Fig. 2) enthält eine aus Widerstand 15 und Kondensator 14 aufgebaute Reihenschaltung, die zwischen den die Punkte e und f verbindenden Kurzschluss und den Null- oder Speisespannungspunkt geschaltet ist.
Der Widerstand der Reihenschaltung ist an den erwähnten Kurzschluss gekoppelt, wobei der Verbindungspunkt des Kondensators 14 mit Widerstand 15 den Ausgang t der Analog-Umschrei- berschaltung bildet.
Wenn die eben beschriebene Rückkopplungsstufe 13 durch drei weitere Glieder ergänzt wird (Fig. 3), bekommt man eine Variante der Analog-Umschreiberschaltung. In diesem Fall ist an den Punkt e die Anode der Diode 16 gekoppelt, deren Kathode einerseits mit der schon erwähnten, aus Widerstand 15 und Kondensator 14 gebildeten Reihenschaltung, anderseits mit dem Stromgenerator 17, der einen Steuereingang S hat, und endlich direkt oder durch einen Emitterfolger 18 mit dem Ausgang f verbunden ist.
Die zweite Variante der Analog-Umschreiberschaltung bekommt man, wenn in die Emitterleitung
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den der Reihe nach an die früheren Verbindungspunkte der Emitter der Eingangstransistoren gekoppelt werden.
Zur eingehenden Funktionsbeschreibung der Analog-Umschreiberschaltung sei die Variante gewählt, in der die Rückkopplungsstufe nach der Schaltung Fig. 3 verwirklicht worden ist. Es sei angenommen, dass die Analog-Umschreiberschaltung zwei Eingänge al und a2 hat und dass ein positiver Impuls mit Hilfe eines Referenzpegels gemessen werden soll. Der zu messende Impuls wird an den Eingang al, der Referenzpegel an den Eingang a2 gekoppelt.
Im Vorbereitungszustand ist infolge der an die Steuereingänge v1 und v2 gekoppelten Wählerspannungen das Stromtor 7 geöffnet und das Stromtor 8 geschlossen. Der Strom des Stromgenerators 10 schliesst also in diesem Fall die rückgekoppelte Schleife über den Emitter des Eingangstransistors 1 und die Diode 2. Die Spannungsverstärkung des Systems ist zwischen dem Eingang a1 und dem Speicherelement, dem Kondensator 14 bzw. dem Ausgang f gleich 1, solange die Steilheit des Eingangssignals positiv ist. Der Pegel am Kondensator 14 folgt also während der An- stiegszeit des Signals dem am Eingang a1 ankommenden Impuls. Wenn aber der Impuls das Maximum schon erreicht hat und abzunehmen beginnt, wird die Diode 16 gesperrt und am Ausgang e wird ein negativer Sprung auftreten.
Der Kondensator 14 speichert im weiteren den dem Maximum des Impulses entsprechenden Pegel (Prozess der Analogspeicherung).
Infolge des am Ausgang e auftretenden, negativen Sprunges öffnet die Steuerung das Stromtor 8 und schliesst das Stromtor 7 durch Tauschen der an die Steuereingänge vl und v2 gekoppelten Wählerspannungen. Demnach ist das Signal im weiteren auf die im Speicherkondensator gespeicherte
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Ladung wirkungslos, denn in diesem Zustand wird die rückgekoppelte Schleife durch das Verbinden des Emitters des Eingangstransistors 3 mit der Kathode der Diode 4 geschlossen (Funktion des linearen Tors).
Die dritte Operation, die Amplitude-Zeit-Transformation, beginnt durch das Einschalten des Strom- generators 17 bzw. dadurch, dass man an den Eingang S einen Öffnungspegel zuführt. Das kann am frühesten gleichzeitig mit dem am Ausgangspunkt e erscheinenden Sprung geschehen. Infolge des Entladestroms tritt an dem Speicherkondensator 14 eine lineare Spannungsabnahme auf, bis der an den Eingang a2 geschalteteReferenzpegel erreicht wird. Zudiesem Zeitpunkt öffnet sichdieDiode 16 und verhindert, dass der Pegel des Speicherkondensators negativer als der Referenzpegel wird. Das Öffnen der Diode 16 bedeutet zugleich das Ende der Amplitude-Zeit-Transformation.
Mit Hilfe des Referenzpegels ist also eine"Pegelverschiebung"zu erreichen, denn am Ausgangspunkt e entsteht ein Impuls mit einer Dauer, die dem über den Referenzpegel liegenden Teil des zu messenden Impulses proportional ist.
Aus obiger Funktionsbeschreibung ergibt sich, dass man bei einer beliebigen Zahl von Eingängen ak nach der Messung vom Eingang a2, der den Referenzpegel gegeben hatte, zum Verarbeiten eines neuen Signals nicht nur an den Eingang al, sondern nach Belieben auf einen weiteren, ein zu messendes Signal liefernden Eingang umschalten kann. Es ist auch ersichtlich, dass zu dieser nächstfolgenden Messung ein neuer, an einen beliebigen Eingang geschalteter Referenzpegel verwendet werden kann.
Der beschriebene Betrieb bezieht sich auch auf die Messung durch Abtasten. Es gibt nur in der Steuerung einen Unterschied. In diesem Fall ist nämlich im Vorbereitungszustand der den Referenzpegel liefernde Eingang ausgewählt und das zu messende Signal wird erst in dem erwünschten Zeitpunkt des Abtastens geschaltet und nur für die Dauer der Aufladezeit des Speicherkondensators 14.
Diese Variante der Analog-Umschreiberschaltung kann also auch im Fall mehrerer Messkanäle und Referenzspannungen alle drei Funktionen versehen. Wenn aber die Kodierung z. B. mit gewichteten Strömen und nicht mit Hilfe der Amplituden-Zeit-Transformation durchgeführt wird, ist natürlich die letzte Operation (A/Z-Konversion) überflüssig. Bei diesem Verfahren ist die analog gespeicherte Spannung am Ausgang f zugänglich, bis der Entladestromgenerator 17 eingeschaltet wird.
Wenn die Rückkopplungsstufe in der Grundausführung nach Fig. l der Analog-Umschreiberschaltung so verwirklicht wird, wie das die Fig. 2 darstellt, bekommt man wieder einen Verstärkungsfaktor von 1, aber unabhängig von der Polarität. Der Ausgang folgt also genau dem an einem durch die Stromtore soeben ausgewählten Eingang kommenden Signal. Diese Ausführung ist als Abtastschaltung und als lineares Tor auch dann anwendbar, wenn mehrere Eingänge gebraucht werden. Wenn das sich der Einheit anschliessende weitere Messsystem eine grosse Eingangskapazität hat, ist es zweckmässig, den Ausgangspunkt t der Rückkopplungsstufe 13 zu verwenden.
Wenn der Ausgang f der Analog-Umschreiberschaltung mit weiteren Stufen in einer Analogkopplung steht, muss sie zur Verbesserung der Stabilität der weiteren Signalverarbeitung symmetrisch aufgebaut werden (Driftkompensation). Das kann so durchgeführt werden, dass in die Emitterleitung aller Eingangstransistoren 1, 3, 5.... in der zuvor erwähnten Weise je eine geöffnete Diode geschaltet wird.
Die Ausführungsformen der Analog-Umschreiberschaltung sind vom an sich bekannten Aufbau der Verstärkerstufe 12 und der Stromtore 7,8, 9.... abhängig.
In Fig. 4 ist der Aufbau der Stromtore 7,8, 9.... dargestellt, wo die Tortransistoren eine aus npn-Transistoren aufgebaute ODER-Schaltung bilden. Den einzelnen Steuereingängen vl, v2.... vk entsprechen die Basen der mit dem Emitter an den Stromgenerator 10 gekoppelten Transistoren. Die Kollektoren dieser Transistoren bilden die einzelnen Ausgänge bl, b2.... bk der Stromtore. Es ist eine Vorbedingung der Steuerung, dass gleichzeitig immer nur eine von den Basen auf eine positive Spannung kommen darf u. zw. die Basis desjenigen Transistors, der zum Eingang gehört, der zum Auswählen erwünscht ist.
In Fig. 5 wurde die Verstärkerstufe 12 durch einen Emitterfolger verwirklicht. Der Eingang c der Verstärkerstufe 12 ist an eine Speisespannung, ihr Eingang d durch eine Klemmschaltung 19 und durch eine Pegelverschiebung 20 an den Eingangspunkt eines aus dem npn-Transistor gebauten Emitterfolgers gekoppelt. Der Ausgang des Emitterfolgers bildet den Ausgang e der Verstärkerstufe 12. Diese Ausführung arbeitet zwar mit einer durchschnittlich guten Genauigkeit, aber sehr zuverlässig.
In Fig. 6 ist die Verstärkerstufe 12 eine Emitterschaltung. An den Eingang d der Verstärker-
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stufe 12 ist eine Speisespannung und an ihren Eingang c die Basis der Emitterschaltung gekoppelt.
Der Kollektor schliesst sich dem Ausgang e der Stufe an. Diese Ausführung bietet eine hervorragende Genauigkeit.
In Fig. 7 ist die Verstärkerstufe 12 ein Differenzverstärker. An den Eingang c der Verstärkerstufe 12 ist einer von den Eingängen des Differenzverstärkers gekoppelt. Der andere Eingang des Differenzverstärkers wird an den zweiten Eingang d der Verstärkerstufe. 12 geschaltet. Dem Ausgang e wird direkt oder über einen Emitterfolger 21 der Kollektor des mit der Basis an den Eingangspunkt c gekoppelten Transistors zugeführt. Diese Ausführung sichert eine grosse Genauigkeit auch bei strengen Anforderungen.
Die in den Figuren angewendeten Bezeichnungen UT bedeuten die positiven oder negativen Spei- sespannungen, die zur Einstellung der Arbeitspunkte der Stromkreise gebraucht werden.
Es ist zu bemerken, dass die Analog-Umschreiberschaltung und deren beide Varianten und alle Ausführungen zur Messung negativer Signale gleicherweise aufgebaut werden können, wenn die npn-Transistoren mit pnp, die pnp-Transistoren mit npn-Transistoren vertauscht und die Dioden und die Speisespannungen mit umgekehrter Polarität angewendet werden.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Analog-Umschreiberschaltung mit einer Verstärkerstufe, einer Rückkopplungsstufe und mit je einem Steuereingang versehenen Stromtoren, dadurch gekennzeichnet, dass an allen Eingän-
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sind, dessen Basis an den Ausgang (f) der Rückkopplungsstufe (13) geschaltet ist, deren Eingang mit dem Ausgang (e) der Verstärkerstufe (12) verbunden ist.