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Die Erfindung bezieht sich auf eine Analogspannungs-Multiplexerschaltung, bei der eine Mehrzahl von Analogspannungssignalen über Signalleitungen mit je einem Feldeffekttransistor in jeder Ader jeder Signal-
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Signalspannung im Millivoltbereich liegt, wobei jedoch eine Auflösung im Mikrovoltbereich erforderlich ist (z. B. Thermopaare, Dehnungsmessstreifen usw. ) bestehen die zwei grundsätzlichen Möglichkeiten, dass man pro Messfühler einen hochwertigen Messverstärker verwendet oder über einen Multiplexer eine sequentielle Abfrage durchführt, wobei nur ein einziger, allen Messstellen gemeinsamer Messverstärker erforderlich ist.
Insbesonders bei hoher Kanalzahl ist die zweite Möglichkeit aus Wirtschaftlichkeitsgründen günstiger. Die bisher bekannten Analogspannungs-Multiplexerschaltungen sind jedoch zumeist relaisgesehaltet, jedoch haben Relaismultiplexer die Nachteile einer begrenzten Lebensdauer, die bei Annahme eines Schaltvorganges pro Sekunde nur etwa vier Monate beträgt. Ferner ist der Ausfall eines Relais meistens kein plötzlicher Prozess, sondern erfolgt allmählich, so dass es zu unbemerkten Fehlmessungen kommen kann.
Weiters ist die höchste Schaltgeschwindigkeit des Multiplexers durch die Schaltzeiten der Relais begrenzt, welche zumeist im Millisekundenbereich liegen. Darüber hinaus weisen Relaiskontakte verhältnismässig hohe, exemplarspezifische, zeitlich instabile Streuungen von Thermo- und Kontaktspannungen auf und schliesslich müssen auch die auf Kontaktprellungen usw. zurückzuführenden Nachteile in Kauf genommen werden.
Bipolare Halbleiterschalter scheiden wegen ihrer hohen Restspannungen und Restströme, auch wenn diese kompensiert werden, sowie wegen deren Instabilität als Multiplexerschalter für den Mikrovoltbereich aus.
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umgeschaltet werden und denen ein gemeinsamer Eingangsverstärker nachgeschaltet ist, beschrieben, wobei zur Erweiterung des Messbereiches für tiefe Signalniveaus, insbesondere unter 1 Millivolt die Eingangsimpedanz des übersteuerungsfesten Eingangsverstärkers sehr gross ist gegen den Leitwiderstand jedes Feldeffekttransistors in dessen auf leitend geschalteter Schaltstellung. Bei dieser Schaltung kann es zur Übersteuerung der Verstärkereinheit oder der Anzeigeeinheit kommen, die zu Fehlweisungen oder zur Verlangsamung der Umschaltfrequenz führt.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, einen Analogspannungs-Multiplexerschalter der eingangs geschilderten Art so zu verbessern, dass diese Nachteile vermieden sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe im wesentlichen dadurch, dass in die dem Ausgang des Eingangverstärkers nachgeschaltete gemeinsame Übertragsleitung während des Umschaltvorganges als Spannungsspitzenausblendeschaltung zur Unterdrückung der bei jedem Schaltvorgang der in den Signalleitungen liegenden Feldeffekttransistoren auftretenden Spannungsspitzen eine Ruhekontakt eines vorzugsweise elektronischen Schalters angeordnet ist, dessen Erregungskreis von einer Steuerschaltung, vorzugsweise von dem Ansteuerteil für die Feldeffekttransistoren der Signalleitungen, vor Belegung eines diesen zugeordneten Ausganges des Ansteuerteiles für einen vorgegebenen, durch die systembedingte Dauer des Auftretens von Störspannungsspitzen bei jedem Umschaltvorgang überdeckten Zeitraumes beaufschlagt ist.
Vor allem aber ist nunmehr die Eigenkapazität der für den genannten Anwendungsbereich als Schalter interessanten Feldeffekttransistoren zwischen Steuerelektrode (gate) und dem Signalpfad (Drain-Source-Strecke) berücksichtigt, welche Eigenkapazität zur Folge hat, dass die an die Steuerelektrode anzulegenden Steuerspannungsimpulse auf den Signalpfad einwirken. Diese Einwirkung überwiegt kurzzeitig in Form von Spikes den kleinsten noch nachzuweisenden Spannungswert um mehrere Grössenordnungen, insbesondere bei tiefen Signalniveaus. Diese kurzzeitigen Spannungseinkoppelungen werden durch die Spannungsspitzenausblendeschaltung unwirksam gemacht und können daher das Messergebnis nicht verfälschen.
Die Spannungsspitzenausblendeschaltung kann über eine gesonderte Steuerschaltung angesteuert werden. Erfindungsgemäss kann die Spannungsspitzenausblendeschaltung über eine Ansteuerleitung mit dem Ansteuerteil verbunden und von diesem angesteuert sein, wodurch der schaltungsmässige Aufwand verringert wird und ein störungsfreierer Betrieb gesichert werden kann.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Spannungsspitzenausblendeschaltung eine Kompensationssehaltung zur Kompensation der Spannungsdrift des Eingangsverstärkers nachgeschaltet, die zwei Feldeffekttransistoren aufweist, durch welche die Eingangsleitungen des
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Eingangsverstärkers gegen Nullpotential schaltbar sind und dabei ein an den Signalausgang des Eingangverstärkers angeschlossener Kondensator dadurch aufladbar ist.
Hiebei wird zwischen den Messwertabfragen eine Nullspannungsmessung durchgeführt, wozu beide Messeingänge des Verstärkers mit gleichen Schaltelementen wie die den Messstellen zugeordneten Feldeffekttransistoren an das Nullpotential gelegt und der Kondensator im Signalweg mit der dann vorhandenen Ausgangsrestspannung des
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der aktiven Messzeit und kompensiert dadurch allfällige Nullpunktdriften des Verstärkers.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist an die Spannungsspitzenau & blendeschaltung ein Tiefpassfilter nachgeschaltet, dessen Grenzfrequenz zeitlich variabel und mittels einer an den Ansteuerteil angeschlossenen Steuerleitung während der Messzeit absenkbar ist. Dadurch kann das Nutzsignal in Form des Mittelwertes aus der verrauschten Spannung, welche am Ausgang der Spikeausblendung auftritt, während der Messzeitintervalle gewonnen werden. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, der Spannungsspitzenausblendeschaltung eine Integrationsschaltung nachzuschalten über welche die ihr zugeführte Spannung während der Messzeitintervalle integrierbar ist.
In beiden Fällen wird aus dem Ansteuerteil, welcher die Messstellenschaltung bewirkt, ein Zeitsignal abgeleitet, das den Zeitbereich angibt, in welchem das Ausgangssignal des Tiefpassfilters bzw. der Integrationsschaltung gültig ist.
In der Zeichnung ist das Schaltschema eines erfindungsgemässen Analogspannungs-Multiplexers schematisch dargestellt.
Der Multiplexer ist für N Messstellen --1-- eingerichtet, von denen nur eine der Übersichtlichkeit halber dargestellt ist und welchen N Kanäle --2-- zugeordnet sind. In die beiden Leitungen jedes Kanales
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sind und welche über eine Leitung --4-- von einem Ansteuerteil --5-- derart angesteuert werden, dass stets nur eine einzige Messstelle --1-- an die beiden Signalpfadleitungen--6--angeschaltet ist.
Die beiden Signalpfadleitungen--6--führen zu einem schnellen, übersteuerungsfesten Eingangsverstärker--7--, welcher als mehrstufiger Differenzverstärker, vorzugsweise in Elektrometerschaltung bzw. spannungsgegengekoppelt ausgebildet ist und eine hohe Eingangsimpedanz aufweist, die mindestens um einige Zehnerpotenzen grösser ist als der Leitwiderstand jedes Feldeffekttransistors --3-- in dessen leitender Schaltstellung.
An den Ausgang des Eingangsverstärkers --7-- ist eine den Signalweg bildende Leitung --8-- angeschlossen, die zu einer gesteuerten Spannungsspitzenausblendeschaltung--9--führt, an die
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--10-- einSteuerleitung --20-- und die Spannungsspitzenausblendeschaltung--9--ist über eine Steuerleitung --13-vom Ansteuerteil --5-- her angesteuert. An den Ansteuerteil --5-- ist noch eine Leitung --14-angeschlossen, an der das Zeitsignal abgenommen werden kann, welches angibt, während welcher Zeiträume das an den Klemmen --12-- abgenommene Ausgangssignal gültig ist.
Die Spannungsspitzenausblendeschaltung--9--dient zur Vermeidung störender Einflüsse der durch die inneren Kapazitäten der Feldeffekttransistoren hervorgerufenen Spikes in der nachfolgenden Signalverarbeitung. Die Spannungsspitzenausblendeschaltung-9-- bewirkt im Zeitraum kurz vor dem Umschaltzeitpunkt des Multiplexers (Umschalten von einem Kanal auf den nächsten Kanal) bis kurz nachher eine Unterbrechung des der Spannungsspitzenausblendeschaltung-9-folgenden Schaltungsteiles vom (signallaufmässig gesehen) vorangehenden Schaltungsteil und zusätzlich einen eingangsseitigen Kurzschluss.
Da die gesamte Schaltung eine sehr hohe Verstärkung hat und der Eingangsverstärker --7-- mit seinen Feldeffekttransistor-Eingangsstufen eine relativ grosse Offsetspannungsdrift hat, ist es zweckmässig, Vorsorge dafür zu treffen, dass die Schaltung nicht durch diese Drift bereits übersteuert.
Daher wird mit der am Ausgang des Vorverstärkers --7-- auftretenden Spannung während eines Teiles der Zeit, zu der die Nullmessung erfolgt, also während der die zu den Verstärkereingängen führenden Signalpfadleitungen-6-mittels Schaltern-15-kurzgeschlossen sind, ein Kondensator --16-- in der Spannungsspitzenausblendeschaltung-9-- geladen, dessen Spannung dann während der Messung zur Ausgangsspannung des Vorverstärkers addiert wird. Dadurch tritt nur die verstärkte, zu messende Spannung nach der Schaltung --9-- auf, überlagert nur von einem Teil der Drift, nämlich der während der zwischen Ladung des Kondensators --16-- und Messung auftretenden Driftspannungsänderung, deren thermischer Anteil absolut vernachlässigbar ist und deren Kurzzeitanteil dem Rauschen äquivalent ist.
Die Unterbrechung des Signalweges erfolgt hiebei durch einen Schalter --17--, der über die Leitung --13--
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vom Ansteuerteil --5-- gesteuert wird. Ein zweiter Schalter --18-- in der Spannungsspitzenausblende- schaltung-9--, der über eine Leitung --13'-- vom Ansteuerteil --5-- gesteuert wird, schaltet den Kondensator --16-- quer gegen Masse. Die beiden Schalter --15--, die zweckmässig von Feldeffekttransistoren derselben Bauart wie jener der Schalter --3-- gebildet sind, werden über eine Leitung --19-vom Ansteuerteil --5-- gesteuert. Wie ersichtlich, ist diese Schaltung äusserst einfach und mit geringem Aufwand verbunden. Die Funktion ist hiebei die, dass die Gesamtzeit, während der ein Kanal angewählt ist, in z.
B. zwanzig gleiche Teile unterteilt wird, die mit-to bis t19-- bezeichnet sind. --ta bis tg-entspricht dem Nullwert, --toto bis tg-dem Messwert. Während--to, tg, tlo und tua-zist der längs-
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während-to, tgeschlossen. Daraus folgt, dass während-to, tg, tlo und t19-- die Spikes unterdrückt werden, während - aber der Kondensator geladen wird, da dann beide Schalter geschlossen sind.
Nur zu diesem Zeitintervall kann eine geringfügige Ausgangsspannungsspitze auftreten, durch den vom Kondensatorladestrom verursachten Spannungsabfall am Ersatzwiderstand des querliegenden Schalters --18-- im Falle einer extremen Übersteuerung des vorhergehenden Kanales und der Kondensatorentladung oder Driftspannungs- änderung als Folge davon. Dies lässt sich durch richtige Bemessung des Kondensators --16-- ohne weiteres vermeiden.
Nach der Spannungsspitzenausblendeschaltung-9-- steht über die Leitung --10-- ein Signal zur Verfügung, welches von einer Kette verrauschter Nullwerte abwechselnd mit verrauschten Messwerten gebildet und von kurzen Zeitintervallen unterbrochen ist, während derer die Spannung genau Null ist.
Bei einer Reduzierung der Übertragungsbandbreite der Verstärker würden zwar die den Mess-und Nullwerten überlagerten Rauschspannungen kleiner sein, gleichzeitg würde sich allerdings das Einschwingverhalten nach den Spikes und zum exakten Messwert hin verlangsamen. Ebenso verhält es sich bei einer nachträglichen Reduzierung der Bandbreite, wobei die Spikesprobleme natürlich nach der Spikesunterdrückung wegfallen. Günstige Auswege aus diesem Problem lassen sich durch ein Tiefpassfilter - mit zeitabhängiger Grenzfrequenz erzielen. Dieses Tiefpassfilter --11-- reduziert nach einem kurzen Teil der Messzeit die Bandbreite allmählich, so dass sich damit auch die Rauschspannung reduziert und die Spannung am Ausgang des Filters --11-- (Klemme --12--) immer geringer um den idealen Messwert schwankt.
Die Bandbreite kann zuerst schnell verringert werden, bei niedrigeren Grenzfrequenzen muss sie jedoch zunehmend langsamer verringert werden, um den Eigenheiten des Verstärkerrausches zu entsprechen. Dies lässt sich durch entsprechende Ansteuerung über die Leitung --20-- leicht erzielen.
Diese Schaltung ist vielfach günstiger als die Verwendung eines Integrators an Stelle des Tiefpassfilters welcher Integrator jedoch wieder den Vorteil der Billigkeit und Einfachheit hat und in vielen Fällen voll ausreichend ist. Er hat jedoch den einschränkenden Nachteil, dass die Ausgangsspannung des Integrators proportional der Eingangsspannung mal der Integrationszeit ist. Dies bedeutet nicht nur, dass erst nach Ablauf der Integrationszeit eine Gleichspannung am Ausgang --12-- zur Verfügung steht, sondern auch, dass die Messzeit sehr konstant sein muss. Diese Nachteile hat die Verwendung eines Tiefpassfilters --11-- nicht.
Besonders bevorzugte Anwendungsgebiete der erfindungsgemässen Schaltung sind die Überwachung von Thermopaaren, Dehnungsmessstreifen usw., jedoch lässt sich die erfindungsgemässe Multiplexerschaltung auch auf zahlreichen andern Gebieten z. B. der Hautwiderstandsmessung anwenden.
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