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Die Erfindung betrifft eine Austastschaltung für ein Rechtecksignal, das im Anschluss an seine Flanken eine starke Verformung aufweist und im übrigen Bereich des Signaldaches nicht merklich verformt ist.
Beim Messen und Prüfen mit elektrischen Rechtecksignalen geht man meistens von einem Referenzsignal aus, das eine ideale Rechteckform aufweist oder nur wenig von dieser Form abweicht. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem im technischen Sinn exakten, also unverformten Rechtecksignal. Bei vielen solchen Mess-und Prüfverfahren erhält man jedoch die Messinformation als Signal, das erheblich von der idealen Rechteckform abweicht, so dass man nur mehr von einem stark verformten Rechtecksignal sprechen kann.
Als Beispiel dafür sein ein Messverfahren zur zeitkontinuierlichen Messung von ohmschen Widerständen metallischer Proben im Bereich von etwa 10 bis 500 pH mit Rechtecksignalen angeführt und an Hand des in Fig. l gezeichneten Blockschaltbildes kurz erläutert. Man geht bei diesem Messverfahren von einem exakten, zeit-und erdsymmetrischen Rechteck-Spannungssignal (Referenzsignal) aus. Dieses Spannungssignal wird mit Hilfe einer Regelschaltung in einen rechteckförmigen eingeprägten Strom umgeformt, der durch die Probe geleitet wird. Man kann dabei mit vertretbarem Aufwand ein RechteckStromsignal mit exakter Rechteckform erzielen, das ebenfalls zeitsymmetrisch ist und dessen positive und negative Extremwerte wieder symmetrisch zur Nullinie liegen. Die Nullinie entspricht dabei einem stromlosen Zustand.
Dieser eingeprägte Strom bewirkt längs der Messstrecke der Probe einen Spannungsabfall. Über die Art des an der Messstrecke abgegriffenen Spannungssignals kann folgendes gesagt werden : a) Wäre für die abgegriffene Spannung ausschliesslich der ohmsche Widerstand der Probe massgebend, erhielte man wieder ein zeitsymmetrisches, exakt rechteckförmiges Signal, dessen
Extremwerte symmetrisch zur Nullinie liegen (Fig. 2). In diesem Fall könnte man durch herkömmliche Mittel, nämlich durch Bildung des absoluten Betrages dieses Signals mit Hilfe einer
Analogrechenschaltung eine dem ohmschen Widerstand der Probe proportionale Messspannung erreichen.
b) Man muss berücksichtigen, dass sich die beiden Spannungsabgriffe an den Enden der Messstrecke der Probe im allgemeinen nicht auf genau gleicher Temperatur befinden werden und dass aus diesem Grund an den Abgriffen Thermospannungen wirksam werden. Wären für die abgegriffene
Spannung - von der Grösse des eingeprägten Stromes abgesehen-ausschliesslich der ohmsche
Widerstand und die vorgenannten Thermospannungen wirksam, erhielte man ein zeitsymmetri- sches, exakt rechteckförmiges Signal, dessen Extremwerte aber wegen der Überlagerung der
Thermospannungen unsymmetrisch zur Nullinie liegen (Fig. 3).
Auch in diesem Fall könnte man durch herkömmliche Mittel, nämlich durch Bildung des absoluten Betrages dieses Signals mit
Hilfe einer Analogrechenschaltung und nachfolgender Bildung des Mittelwertes (mittels eines integrierenden Verfahrens oder mit Hilfe eines RC-Gliedes) eine dem ohmschen Widerstand der
Probe proportionale Messspannung erreichen. c) Da der Probe nicht nur ein bestimmter ohmscher Widerstand, sondern auch eine Induktivität und eine Kapazität zukommt, treten bei Messungen an Proben mit sehr kleinen ohmschen
Widerständen hauptsächlich auf Grund der Induktivität der Probe starke Abweichungen des an der Messstrecke der Probe abgegriffenen Spannungssignals von der Rechteckform auf ; man hat es also mit einem stark verformten Rechtecksignal zu tun (Fig. 4).
Es tritt dabei jeweils bei einem an die Flanken anschliessenden Teil des Signaldaches eine ungemein starke Verformung in
Gestalt einer Nase auf, während beim restlichen Teil des Signaldaches die Verformung so gering ist, dass man diesen Teil als praktisch unverformt ansehen kann. Da die Grösse der Nasen in keinem Zusammenhang mit dem ohmschen Widerstand der Probe steht, ist es in diesem Fall mit den herkömmlichen Mitteln, wie Bildung des Absolutbetrages und des Mittelwertes, nicht möglich, eine dem ohmschen Widerstand proportionale Messspannung zu erreichen.
Bei diesem als Beispiel erläuterten Messverfahren zur Messung des ohmschen Widerstandes von metallischen Proben erhält man also als Messsignal ein verformtes Rechtecksignal, dessen Verformung bei einem an die Flanken anschliessenden Teil des Signaldaches sehr stark (Nase), beim restlichen Teil des Signaldaches hingegen nicht merklich ausgeprägt ist. Dabei lässt der stark verformte Bereich des Signaldaches (Nase) die Gewinnung einer genauen Information über die zu messende Grösse (ohmscher
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Widerstand der Probe) nicht zu und tritt demnach störend in Erscheinung ; der praktisch unverformte restliche Teil des Signaldaches ist hingegen als Messinformation verwendbar.
Allerdings kann mit herkömmlichen Verfahren, wie Bildung des Absolutbetrages und Mittelwertbildung, wegen des störenden, stark verformten Bereiches des Signaldaches (Nase) eine der zu messenden Grösse entsprechende (proportionale) Messspannung nicht erreicht werden.
Derartig störend in Erscheinung tretende Verformungen von Rechecksignalen sind nicht auf das als Beispiel genannte Widerstandsmessverfahren beschränkt ; sie treten vielmehr auch bei andern mit Rechtecksignalen arbeitenden Verfahren der Messtechnik und in der Informationselektronik auf.
Die Erfindung bezieht sich also nicht nur auf das in Fig. 4 dargestellte Rechteck-Messsignal, wie es bei dem oben an Hand der Fig. l erläuterten Widerstandsmessverfahren vorkommt, sondern auch auf andere als verformte Rechtecksignale vorliegende Signale der Informationselektronik, bei denen sich starke Verformungen auf nur einen an die Flanken anschliessenden Teil des Signaldaches erstrecken, während der restliche Teil des Signaldaches praktisch unverformt ist.
Der Erfindung liegt die mit herkömmlichen Mitteln nicht zu lösende Aufgabe zugrunde, bei der Behandlung eines so verformten Rechtecksignals den störenden, stark verformten Bereich von einer weiteren Verarbeitung auszuschliessen und nur den die gewünschte Information enthaltenden, praktisch unverformten Bereich zu einer weiteren Verarbeitung zuzulassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mittels einer Austastschaltung für ein Rechtecksignal, das im Anschluss an seine Flanken eine starke Verformung aufweist und im übrigen Bereich des Signaldaches nicht merklich verformt ist, gelöst, wobei diese Austastschaltung aus zwei elektronischen Analogschaltern --AS1, AS2-- und einem Monoflop-MO-besteht, das vom Eingangssignal der Austastschaltung oder vom dem jeweiligen Mess- bzw. Prüfverfahren zugrundeliegenden Referenz-Rechtecksignal (Fig.
l, 7,8) getriggert ist und eine Verweilzeit im metastabilen Zustand aufweist, welche dem Bereich der starken Verformung des Rechtecksignals entspricht, wobei der Ausgang der Austastschaltung über den ersten
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--AS1-- mitAnalogschalter --AS1-- geschlossen und der zweite elektronische Analogschalter --AS2-- geöffnet ist.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemässen Austastschaltung ist eine Abtast- und Halte-Schaltung --AH-- (Fig. 5, 6) vorgesehen, deren Eingang dauernd an den Ausgang der Austastschaltung angeschlossen ist und deren Ausgang über den zweiten elektronischen Analogschalter-AS2--
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Halte-Sehaltung-AH--die"Speichern" einstellt und während der übrigen Zeit bei der Abtast- und Halte-Schaltung --AH-- die Betriebsart "Mitlaufen" eingestellt ist.
Die erfindungsgemässe Schaltung wird im folgenden insbesondere an Hand der Fig. l bis 6 näher beschrieben.
Am Eingang der Austastschaltung liegt das stark verformte Rechtecksignal (Fig. 4) an. Die stark verformten Bereiche desselben erstrecken sich jeweils über die Zeitdauer T,-., während der Zeitdauer T - TG ist hingegen das Signaldach praktisch unverformt. Die Verweilzeit des Monoflop-MO-im metastabilen Zustand ist zweckmässig so bemessen, dass sie den Wert TG aufweist.
Die Triggerung des Monoflops-MO-erfolgt bei der Schaltung gemäss Fig. 5 durch jede (steigende und fallende) Flanke des Eingangssignals der Austastschaltung und bei der Schaltung gemäss Fig. 6 durch jede (steigende und fallende) Flanke des rechteckförmigen Referenzsignals, das dem jeweils verwendeten Mess-bzw. Prüfverfahren (z. B. dem Mess-bzw. Prüfverfahren, wie es an Hand des in der Fig. 1 zu ersehenden Blockschaltbildes erläutert wurde) zugrundeliegt.
Durch die bereits beschriebene Steuerung der elektronischen Analogsehalter-AS1 und AS2-- und der Abtast-und Halte-Sehaltung-AH--ist dann gewährleistet, dass a) das Eingangssignal nur während des praktisch unverformten Bereiches mittels des elektroni- schen Analogschalters-AS1--zum Ausgang durchgeschaltet wird, dass weiter
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b) während der übrigen Zeit (Bereich der starken Verformung) mittels der Abtast- und
Halte-Schaltung --AH-- der Spannungswert des vorangegangenen Signaldaches gespeichert bleibt und c) dieser gespeicherte Wert mittels des elektronischen Analogschalters--AS2-- zum Ausgang der
Austast durchgeschaltet wird.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die stark verformten Bereiche des Rechtecksignals keine störenden Auswirkungen auf das Ausgangssignal der Austastschaltung haben. Während der Dauer der starken Verformung des Rechtecksignals liegen ja, wie bereits erwähnt, am Ausgang der Austastschaltung die gespeicherten Spannungswerte des praktisch unverformten Teiles des jeweils vorangegangenen Signaldaches an.
Fig. 7 und 8 zeigen eine einfachere Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltung, bei der die Abtast-und Halte-Schaltung-AH--weggelassen ist.
Die beiden Schaltungen gemäss Fig. 7 und 8 unterscheiden sich nur durch die verschiedene Art der Triggerung des Monoflops --MO--.
Die Triggerung des Monoflops-MO-erfolgt a) bei der Schaltung gemäss Fig. 7 durch jede (steigende und fallende Flanke des Eingangssignals der Austastschaltung und b) bei der Schaltung gemäss Fig. 8 durch jede (steigende und fallende) Flanke des rechteckförmigen
Referenzsignals, das dem jeweils verwendeten Mess- bzw. Prüfverfahren zugrundeliegt.
Die Schaltung Fig. 7 bzw. 8 ist also dadurch gekennzeichnet, dass sie nur ein Monoflop-MO-und zwei elektronische Analogschalter --AS1 und AS2-- aufweist, wobei das Monoflop-MO--die beiden elektronischen Analogschalter derart steuert, dass während der Verweilzeit des Monoflops-MO-im metastabilen Zustand der erste elektronische Analogschalter --AS1-- geöffnet und der zweite elektronische Analogschalter --AS2-- geschlossen ist wogegen während der übrigen Zeit der erste elektronische Analogschalter --AS1-- geschlossen und der zweite elektronische Analogschalter --AS2-- geöffnet ist.
Die Verweilzeit des Monoflops-MO--im metastabilen Zustand ist dabei wie im Fall der Schaltung gemäss Fig. 5 bzw. 6 so zu bemessen, dass sie zweckmässig den Wert TG aufweist.
Durch die soeben beschriebene Steuerung der elektronischen Analogschalter --AS1 und AS2-- ist dann gewährleistet, dass a) das Eingangssignal nur während des praktisch unverformten Bereiches mittels des elektroni- schen Analogschalters --AS1-- zum Ausgang der Austastschaltung durchgeschaltet wird und dass b) während der übrigen Zeit mittels des elektronischen Analogschalters-AS2-- eine Spannung mit dem Wert Null an den Ausgang der Austastschaltung gelegt wird.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die stark verformten Bereiche des Rechtecksignals keine störenden Auswirkungen auf das Ausgangssignal der Austastschaltung haben. Während der Dauer der starken Verformung des Rechtecksignals liegt ja, wie bereits erwähnt, am Ausgang der Austastschaltung eine Spannung mit dem Wert Null an.
Bei dem an Hand des Blockschaltbildes (Fig. 1) beschriebenen Verfahren zur zeitkontinuierlichen Messung von ohmschen Widerständen metallischer Proben leitet man das an der Probe abgegriffene und gegebenenfalls entsprechend verstärkte Spannungssignal dem Eingang einer der beschriebenen Austastschaltungen gemäss den Fig. 5 bis 8 zu. Vom Ausgangssignal dieser Austastschaltung ausgehend erhält man durch Bildung des absoluten Betrages und Bildung des arithmetischen Mittelwertes mittels herkömmlicher Schaltungen eine dem ohmschen Widerstand der Probe proportionale Messspannung.
Bei der Austastschaltung gemäss Fig. 5 bzw. 6 sind die Bedingungen für die Bildung des arithmetischen Mittelwertes mittels herkömmlicher Schaltungen günstiger als bei der vereinfachten Ausführungsform der Austastschaltung gemäss Fig. 7 bzw. 8.
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