DE102021101653A1 - Spannungsversorgung - Google Patents

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Philipp Cochems
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Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
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Abstract

Es sind eine Spannungsversorgung und ein Verfahren zum Kalibrieren der Spannungsversorgung bereitgestellt.Die Spannungsversorgung dient zum Bereitstellen einer Referenzspannung, um mindestens einer Elektrode Spannung zuzuführen.Die Spannungsversorgung umfasst: eine ultrastabile Gleichspannungsquelle, eine genaue Gleichspannungsquelle, eine Abstimmeinheit, einen Komparator und eine Steuereinheit.An die Abstimmeinheit wird eine ultrastabile Spannung angelegt, die basierend auf einer zugeführten Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird.Die Abstimmeinheit stellt eine Ausgangsspannung bereit. Eine auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basierende Spannung wird vom Komparator mit einer genauen Spannung verglichen.Die genaue Spannung wird basierend auf einer zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt. Der Komparator stellt ein Signal bereit, das sich aus dem Vergleich mit der Steuereinheit ergibt, wobei die Steuereinheit die Abstimmeinheit während einer Abstimmungsperiode entsprechend dem vom Komparator bereitgestellten Signal abstimmt, um die absolute Differenz zwischen der Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der genauen Spannung zu minimieren. Die Referenzspannung der Spannungsversorgung wird basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit nach der Abstimmungsperiode bereitgestellt.

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft eine Spannungsversorgung, die eine Referenzspannung bereitstellt. Diese Referenzspannung wird verwendet, um mindestens einer Elektrode eine Spannung zuzuführen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In einem Massenspektrometer werden Ionen durch geladene Elektroden übertragen und analysiert. An diese Elektroden werden Gleichspannungen und/oder HF-Spannungen angelegt.
  • Die Leistung der Massenspektrometer hängt sehr oft von der Stabilität und/oder Genauigkeit der angelegten Spannungen ab. Diese kann durch eine Spannungsquelle, eine Spannungsversorgung oder eine Referenzspannung bereitgestellt werden, die durch eine Spannungsversorgung bereitgestellt wird und die dann durch einen Spannungsverstärker auf die an einer Elektrode angelegte Spannung verstärkt werden kann.
  • Die Anforderungen an die Stabilität und Genauigkeit der angelegten Spannungen hängen von der Funktion einer Elektrode in einem Massenspektrometer ab.
  • Eine Spannung, die von einer Gleichspannungsquelle für einige Funktionen in einem Massenspektrometer bereitgestellt wird, sollte im Zeit- und Temperaturverlauf stabil sein.
  • Daher ist die Stabilität und entsprechend die Präzision einer von einer Gleichspannungsquelle bereitgestellten Spannung im Zeit- und Temperaturverlauf definiert und weist vorzugsweise in Bezug auf einen spezifischen Zeitraum und einen spezifischen Temperaturbereich den gleichen Wert auf.
  • Die Stabilität einer Spannung einer Gleichspannungsquelle im Zeitverlauf ist definiert als das 6-Fache der Standardabweichung der Spannung in einem spezifischen Zeitraum bei konstanter Temperatur (ΔT < 1 °C). Typischerweise liegt der spezifische Zeitraum zum Definieren der Stabilität einer Spannung zwischen 12 und 36 Stunden, vorzugsweise wird sie für einen Zeitraum von 24 Stunden definiert. Die Stabilität der Spannung im Zeitverlauf wird meistens als das 6-Fache der Standardabweichung der Spannung in Bezug auf den Mittelwert der von der Gleichspannungsquelle zugeführten Spannung bereitgestellt und wird typischerweise als ppm-Wert bereitgestellt. Wenn also die durchschnittliche Spannung einer Spannungsquelle 6 V beträgt und die Stabilität der Spannung im Zeitverlauf 12 ppm beträgt, beträgt die Standardabweichung der Spannung in dem spezifischen Zeitraum, der die Stabilität der Spannungsquelle definiert, 12 µV.
  • Die Stabilität einer Spannung einer Gleichspannungsquelle, d. h. der von der Gleichspannungsquelle bereitgestellten durchschnittlichen Spannung, über den Temperaturverlauf ist definiert als die maximale Abweichung eines Maximalwerts und eines Minimalwerts der Spannung in einem spezifischen Temperaturbereich. Typischerweise wird die Stabilität einer Spannung über einen Temperaturbereich von mindestens 10 °C, vorzugsweise von mindestens 20 °C und insbesondere bevorzugt von mindestens 25 °C definiert. Vorzugsweise ist der Temperaturbereich bezüglich einer Betriebstemperatur der Gleichspannungsquelle symmetrisch.
  • Diese Stabilität der Spannung einer Gleichspannungsquelle im Temperaturverlauf kann bei einer spezifischen Betriebstemperatur der Gleichspannungsquelle zur Verfügung stehen. Vorzugsweise ist sie in einem Bereich der Betriebstemperatur der Gleichspannungsquelle verfügbar. Der Bereich der Betriebstemperatur, in dem die Stabilität der Spannung einer Gleichspannungsquelle im Temperaturverlauf zur Verfügung steht, kann größer als 2 °C, vorzugsweise größer als 10 °C, bevorzugter größer als 50 °C und am meisten bevorzugt größer als 100 °C sein. Ein typischer Bereich der Betriebstemperatur, in dem die Stabilität der Spannung einer Gleichspannungsquelle im Temperaturverlauf verfügbar ist, liegt zwischen 15 °C und 40 °C. Vorzugsweise liegt der Bereich der Betriebstemperatur, in dem die Stabilität der Spannung einer Gleichspannungsquelle im Temperaturverlauf verfügbar ist, zwischen 5 °C und 60 °C, bevorzugter zwischen -10 °C und 90 °C und am meisten bevorzugt zwischen -40 °C und 110 °C.
  • Die Stabilität der Spannung im Temperaturverlauf wird meist als relative maximale Abweichung des Maximalwerts und des Minimalwerts der Spannung in dem spezifischen Temperaturbereich in Bezug auf den Mittelwert der von der Gleichspannungsquelle zugeführten Spannung angegeben und ist typischerweise als ppm-Wert angegeben. Wenn also die durchschnittliche Spannung einer Spannungsquelle 6 V beträgt und die Stabilität der Spannung im Temperaturverlauf 10 ppm beträgt, beträgt die maximale Abweichung der Spannung 60 µV, was die maximale Differenz der Spannung in dem spezifischen Temperaturbereich ist, für den die Stabilität der Spannungsquelle bestimmt wird.
  • Die Genauigkeit der von einer Gleichspannungsquelle zugeführten Gleichspannung wird durch die maximale Abweichung definiert, die der Mittelwert der zugeführten Spannung bei der Erzeugung der Gleichspannungsquelle aufweist. Diese Genauigkeit wird ferner als Produktionsgenauigkeit bezeichnet. Der Mittelwert der zugeführten Spannung einer Gleichspannungsquelle weicht also nicht mehr als die durch die Genauigkeit gegebene maximale Abweichung von ihrer Nennspannung ab, die der Wert der Spannung ist, die von der Gleichstromquelle bereitgestellt werden soll.
  • Die Genauigkeit der von einer Gleichspannungsquelle zugeführten Gleichspannung wird als ppm-Wert angegeben, der das Verhältnis der maximalen Abweichung des Mittelwerts einer erzeugten Gleichspannungsquelle von ihrer Nennspannung zu ihrer Nennspannung angibt. Typischerweise ist die Abweichung der Mittelwerte der zugeführten Spannung eines Satzes von erzeugten Gleichspannungsquellen symmetrisch zu ihrer Nennspannung. Es ist aber auch möglich, dass die Abweichung von höheren oder niedrigeren Spannungswerten bezüglich der Nennspannung z. B. aufgrund eines systematischen Fehlers häufiger auftritt.
  • Insbesondere ist die Leistung eines Flugzeit-(TOF)-Massenspektrometers von der Stabilität und/oder Genauigkeit der an den Elektroden angelegten Spannungen abhängig.
  • In einem Flugzeit-(TOF)-Massenspektrometer werden die Flugzeiten von Ionen, die eine bekannte Strecke zurücklegen, aufgezeichnet. Diese Flugzeiten werden verwendet, um das Verhältnis von Masse zu Ladung (m/z) zu bestimmen. Die Umrechnung von der Flugzeit in das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis erfolgt durch eine Kalibrierfunktion.
  • Bei Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometern schwingen Ionen zwischen Ionenspiegeln des Massenanalysators, die mindestens eine Spiegelelektrode umfassen; die Stabilität der Kalibrierung dieser Flugzeit-Massenspektrometer wird unter anderen Parametern durch die Stabilität und Genauigkeit der an die Spiegelelektroden angelegten Spannungen beeinflusst. Das Verhältnis der Massengenauigkeit des Massenspektrometers zur Spannungsstabilität seiner Spiegelelektroden, denen eine stabile Spannung zugeführt wird, beträgt mehr oder weniger eins zu eins. Um beispielsweise eine typischerweise beabsichtigte Massengenauigkeit von 1 ppm zu erreichen, ist daher für mindestens eine der Spiegelelektroden eine Spannungsstabilität von 1 ppm erforderlich. Für ein weiter erhöhtes hohes Auflösungsvermögen und eine hohe Massengenauigkeit des Massenspektrometers ist eine Spannungsstabilität von mindestens einer Spiegelelektrode unter 0,8 ppm vorteilhaft, und eine Spannungsstabilität von mindestens einer Spiegelelektrode unter 0,5 ppm ist vorteilhafter.
  • Auch die Leistung eines Fourier-Transformations-Massenspektrometers, das eine elektrostatische Falle als Massenanalysator umfassen kann, ist abhängig von der Stabilität und/oder Genauigkeit der an deren Elektroden angelegten Spannungen.
  • In einem Fourier-Transformations-Massenspektrometer zirkulieren die Ionen in einer Ionenfalle. Die gemessene Zyklusfrequenz der Ionen wird verwendet, um deren Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse zu bestimmen. Die Umrechnung von der Frequenz in das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis erfolgt unter Verwendung einer Kalibrierfunktion. Die Stabilität der Kalibrierung wird unter anderen Parametern durch die Stabilität der Spannungen beeinflusst, die an die Elektroden der Ionenfalle angelegt werden, insbesondere an die Mittelelektrode einer elektrostatischen Falle, z. B. die Mittelelektrode eines OrbitrapRTM-Massenanalysators, der durch Thermo Fisher Scientific Inc. vertrieben wird. Das Verhältnis zwischen der Massengenauigkeit des Massenspektrometers und der Spannungsstabilität beträgt mehr oder weniger eins zu eins. Um eine Massenstabilität von 1 ppm zu erreichen, ist daher eine Spannungsstabilität von 1 ppm erforderlich.
  • Es stehen nur sehr wenige genaue Spannungsreferenzen zur Verfügung, die eine Temperaturstabilität von 1 ppm/°C beanspruchen. Dies reicht jedoch nicht aus, um ein Massenspektrometer in einem gemeinsamen Temperaturbereich von etwa 10 °C zu betreiben.
  • Insbesondere in Hochpräzisionsspannungs-Instrumenten werden Spannungsversorgungen verwendet, die Referenzspannungen bereitstellen, die äußerst stabil und präzise, aber leider nicht genau sind. Die Ausgangsspannung dieser ultrastabilen Gleichspannungsquellen kann im Bereich von 2 V bis 20 V liegen, meist im Bereich von 5 V bis 10 V und vorzugsweise im Bereich von 5,5 V und 8 V. Die Ausgangsspannung unterscheidet sich jedoch typischerweise beträchtlich, typischerweise um mehr als +/-4 %. Diese ultrastabilen Gleichspannungsquellen verwenden insbesondere Zenerdioden. Beispiele für solche Spannungsversorgungen sind die Referenzspannungsquellen LM399 und LTZ1000, die von Linear Technology Corp. vertrieben werden.
  • Die in der Massenspektrometrie für eine Referenzspannung erforderliche Genauigkeit ist nicht so hoch wie die erforderliche Stabilität. Trotzdem ist eine Toleranz von +/-4 % in den meisten Fällen nicht genau genug, um ein Massenspektrometer erfolgreich zu betreiben.
  • In vielen Anwendungen, beispielsweise in Digitalmultimetern, wird eine stabile Referenzspannung verwendet und der genaue Ablesewert einer Gleichspannung mit einem Kalibrator eingestellt. Dies kann durch Potentiometer erfolgen, um die Verstärkung in der Referenzschaltung so einzustellen, dass der erforderliche genaue Spannungswert erzeugt wird. In den meisten modernen Test- und Messinstrumenten, die auf einer stabilen Referenzspannung basieren, ist der Analog-Digital-Wandlerbereich groß genug, um Referenzspannungen über das gesamte Toleranzband zu verarbeiten. Die Kalibrierung erfolgt in Software nach diesem Ansatz. Bei beiden Ansätzen ist eine Kalibrierung für jedes einzelne Instrument erforderlich, um die Spezifikationen zu erfüllen. Diese Produktionsverfahren sind aus mehreren Gründen zeitaufwändig und teuer. Eine präzise und kostspielige Ausrüstung ist unabdingbar, und außerdem wird geschultes Personal benötigt, das eine genaue Kalibrierung durchführen kann. Andere Nachteile sind die relativ schlechte Stabilität von Potentiometern, die die Stabilität der Schaltung beeinträchtigen. Die Notwendigkeit eines breiten Abstimmbereichs ist auch eine Quelle von Instabilitäten bei Hochspannungsanwendungen. Je kleiner der Abstimmbereich ist, desto kleiner ist der erzeugte Einfluss der Schaltung.
  • Zusammenfassend ist ein hoher Aufwand erforderlich, um eine ultrastabile und präzise Spannungsreferenz in eine genaue Spannungsreferenz mit derselben Stabilität umzuwandeln. Darüber hinaus beeinflussen die Techniken, um eine genaue Referenzspannung aus einer präzisen Spannung zu erhalten, deren Stabilität.
  • Es ist daher die erste Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Spannungsversorgung bereitzustellen, die eine Referenzspannung bereitstellt, die eine hohe Genauigkeit und auch eine hohe Stabilität aufweist.
  • Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, ein Kalibrierungsverfahren für die verbesserte Spannungsversorgung bereitzustellen, die eine Referenzspannung bereitstellt, die eine hohe Genauigkeit und auch eine hohe Stabilität aufweist, die es ermöglicht, dass die Referenzspannung von der Spannungsversorgung so bald wie möglich bereitgestellt wird, nachdem die Spannungsversorgung aktiviert wurde, insbesondere nach einer unbeabsichtigten Unterbrechung der Spannungsversorgung, z. B. durch Stromausfall, wieder aktiviert wurde.
  • Es ist eine dritte Aufgabe der Erfindung, dass das bereitgestellte Kalibrierungsverfahren bereits eine Referenzspannung bereitstellt, bevor die Kalibrierung der Referenzspannung mit hoher Genauigkeit und hoher Stabilität abgeschlossen ist.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Die erste Aufgabe wird durch die Spannungsversorgung nach Anspruch 1 gelöst.
  • Die Spannungsversorgung stellt eine Referenzspannung bereit, um mindestens einer Elektrode eine Spannung zuzuführen. Die bereitgestellte Referenzspannung kann direkt an die mindestens eine Elektrode angelegt werden oder kann an mindestens einen Verstärker angelegt werden, der dann eine verstärkte Spannung bereitstellt, die mindestens einer der Elektroden zugeführt wird. Die zugeführte Referenzspannung kann verwendet werden, um mehr als einer Elektrode eine Spannung zuzuführen. Die von dem mindestens einen Verstärker als verstärkte Spannung bereitgestellte zugeführte Spannung kann für alle Elektroden gleich oder für einige Elektroden oder jede der Elektroden unterschiedlich sein.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung umfasst zwei verschiedene Gleichspannungsquellen, eine ultrastabile Gleichspannungsquelle und eine genaue Gleichspannungsquelle.
  • Die ultrastabile Gleichspannungsquelle stellt eine sehr stabile Ausgangsspannung bereit. Die Stabilität der Ausgangsspannung wird im Zeitverlauf und in einem spezifischen Temperaturbereich bereitgestellt. Typischerweise hat die Ausgangsspannung, die von einer ultrastabilen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, eine Spannungsstabilität unter 5 ppm, vorzugsweise unter 1 ppm, bevorzugter unter 0,5 ppm und besonders bevorzugt unter 0,3 ppm. Die Stabilität der Ausgangsspannung wird typischerweise über mehr als 12 Stunden, vorzugsweise über mehr als 24 Stunden, bevorzugter über mehr als 48 Stunden und insbesondere über mehr als 96 Stunden bereitgestellt. Die Stabilität der Ausgangsspannung wird typischerweise über einen Temperaturbereich von mehr als 10 °C, vorzugsweise über mehr als 15 °C, bevorzugter über mehr als 20 °C und insbesondere über mehr als 25 °C bereitgestellt.
  • Die Stabilität der Ausgangsspannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle über den Temperaturbereich kann bei einer spezifischen Betriebstemperatur der ultrastabilen Gleichspannungsquelle oder vorzugsweise in einem Bereich der Betriebstemperatur der ultrastabilen Gleichspannungsquelle verfügbar sein.
  • Der Bereich der Betriebstemperatur, in dem die Stabilität der Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle im Temperaturverlauf zur Verfügung steht, kann größer als 2 °C, vorzugsweise größer als 10 °C, bevorzugter größer als 50 °C und am meisten bevorzugt größer als 100 °C sein. Ein typischer Bereich der Betriebstemperatur, in dem die Stabilität der Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle im Temperaturverlauf verfügbar ist, liegt zwischen 15 °C und 40 °C. Vorzugsweise liegt der Bereich der Betriebstemperatur, in dem die Stabilität der Spannung einer ultrastabilen Gleichspannungsquelle im Temperaturverlauf verfügbar ist, zwischen 5 °C und 60 °C, bevorzugter zwischen -10 °C und 90 °C und am meisten bevorzugt zwischen -40 °C und 110 °C.
  • Die genaue Gleichspannungsquelle stellt eine sehr genaue DC-Ausgangsspannung mit einer Genauigkeit bereit, die typischerweise unter 1000 ppm, vorzugsweise unter 400 ppm, bevorzugter unter 250 ppm und am meisten bevorzugt unter 100 ppm liegt.
  • Die von der ultrastabilen Gleichstromquelle zugeführte Spannung kann vorzugsweise einen höheren Absolutwert aufweisen als die von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführte Spannung. In diesem Fall sind in der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung keine zusätzlichen Verstärker erforderl ich.
  • Typischerweise ist in diesen Ausführungsformen der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle mindestens 2 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle. Vorzugsweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle mindestens 10 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle. Bevorzugter ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle mindestens 25 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle.
  • Typischerweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle nicht mehr als 500 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle. Vorzugsweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle nicht mehr als 200 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle. Bevorzugter ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle nicht mehr als 100 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle.
  • In einer anderen Ausführungsform wird die von der ultrastabilen Gleichstromquelle bereitgestellte Spannung einem Verstärker zugeführt, und dann weist die verstärkte Spannung einen höheren Absolutwert auf als die von der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellte Spannung.
  • Typischerweise stellen beide Spannungsquellen, die ultrastabile Gleichstromquelle und die genaue Gleichspannungsquelle, Spannungen mit Absolutwerten im Bereich von 0,5 V bis 100 V, vorzugsweise im Bereich von 2 V bis 20 V, und bevorzugter im Bereich von 5 V bis 10 V und am meisten bevorzugt im Bereich von 5,5 V bis 8 V bereit. Vorzugsweise verwenden ultrastabile Gleichspannungsquellen Z-Dioden und/oder Zenerdioden, insbesondere auf Siliziumbasis, die vorzugsweise Spannungen im Bereich von 5 V bis 8 V zuführen.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung umfasst auch eine Abstimmeinheit.
  • Eine Spannung wird von einer Spannungsquelle der Abstimmeinheit zugeführt, die an mindestens einem (Eingangs-) Anschluss der Abstimmeinheit, vorzugsweise zwei (Eingangs-) Anschlüssen der Abstimmeinheit, anliegt. Die Abstimmeinheit stellt eine Ausgangsspannung an mindestens einen (Ausgangs-) Anschluss bereit, wobei die bereitgestellte Ausgangsspannung von der Abstimmeinheit eingestellt werden kann.
  • Die Abstimmeinheit kann einen oder mehrere abstimmbare Spannungsteiler umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Abstimmeinheit ein abstimmbarer Spannungsteiler sein.
  • Ein abstimmbarer Spannungsteiler umfasst vorzugsweise mindestens einen Widerstand, bevorzugter ein Netzwerk verbundener Widerstände. Dann stellt der abstimmbare Spannungsteiler eine Ausgangsspannung an mindestens einen (Ausgangs-) Anschluss bereit, indem die Spannung vom Widerstand oder vom Widerstandsnetzwerk abgegriffen wird.
  • Ein abstimmbarer Spannungsteiler, der in der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung verwendet werden kann, ist ein Spannungsteiler, der abstimmbar ist, was bedeutet, dass die Ausgangsspannung eingestellt werden kann. Eine Art abstimmbarer Spannungsteiler wird auch als Potentiometer bezeichnet. Bei einem klassischen Potentiometer wird der Spannungsteiler durch einen Gleitkontakt abgestimmt, der mit einem Ausgangsanschluss verbunden ist. Ein abstimmbarer Spannungsteiler der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung kann analog oder digital abgestimmt werden. In einem analogen abstimmbaren Spannungsteiler kann die Abstimmung auch durch eine elektrische Komponente des Stromkreises des Spannungsteilers ausgeführt werden, durch welche eine abgestimmte Ausgangsspannung an einen (Ausgangs-) Anschluss des Spannungsteilers bereitgestellt wird. Wenn der Spannungsteiler digital abgestimmt ist, kann es sich um einen Digital-Analog-Wandler (DAC) handeln, für den ein digitales Signal mit mehreren Bits als Abstimmeingang bereitgestellt wird, wobei die Bits Widerstände in einem parallelen Widerstandsnetzwerk des Digital-Analog-Wandlers (DAC) schalten, der ein R-2R-Leiter-DAC sein kann, der eine wiederholte kaskadierte Struktur von Widerständen mit den Werten R und 2R umfasst. In diesem Fall ist jedes Bit binär gewichtet.
  • Ein weiterer Typ eines Digital-Analog-Wandlers (DAC), der als Abstimmeinheit in der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung verwendet werden kann, umfasst einen Impulsbreitenmodulator, der durch ein Einzelbitsignal gesteuert wird, und einen Tiefpassfilter, um die Gleichstromkomponente des modulierten Signals als Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitzustellen.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abstimmeinheit der Spannungsversorgung mindestens einen Widerstand und einen abstimmbaren Spannungsteiler, die in Reihe geschaltet sind. Wenn eine Spannung der Abstimmeinheit von einer Spannungsquelle zugeführt wird, wird nur ein Anteil der Spannung an dem abstimmbaren Spannungsteiler angelegt und nur dieser Anteil der angelegten Spannung kann durch den abstimmbaren Spannungsteiler abgestimmt werden, um eine Ausgangsspannung zum (Ausgangs-) Anschluss bereitzustellen.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abstimmeinheit der Spannungsversorgung zwei abstimmbare Spannungsteiler. Die der Abstimmeinheit von einer Spannungsquelle zugeführte Spannung wird an einen ersten abstimmbaren Spannungsteiler der zwei abstimmbaren Spannungsteiler angelegt, der eine erste Ausgangsspannung an einen (Ausgangs-) Anschluss bereitstellt. Diese erste Ausgangsspannung wird dann an einen zweiten abstimmbaren Spannungsteiler der zwei abstimmbaren Spannungsteiler angelegt, der eine zweite Ausgangsspannung, die die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit ist, an einen (Ausgangs-) Anschluss bereitstellt. Vorzugsweise dient der erste einstellbare Spannungsteiler zur Grobabstimmung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der zweite abstimmbare Spannungsteiler dient zur Feinabstimmung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abstimmeinheit der Spannungsversorgung mindestens einen Widerstand und einen Digital-Analog-Wandler (DAC), die parallel geschaltet sind, und einen Strom-Spannungs-Wandler, typischerweise einen Transimpedanzverstärker. Vorzugsweise ist der Digital-Analog-Wandler (DAC) mit mindestens einem weiteren Widerstand in Reihe geschaltet. Wenn der Abstimmeinheit eine Spannung von einer Spannungsquelle zugeführt wird, wird diese an dem parallel geschalteten Digital-Analog-Wandler (DAC) und mindestens einen Widerstand angelegt. Das andere Ende dieser Parallelschaltung ist mit dem Eingang des Strom-Spannungs-Wandlers verbunden, der die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitstellt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abstimmeinheit der Spannungsversorgung mindestens einen Widerstand und zwei Digital-Analog-Wandler (DAC), die parallel geschaltet sind, und einen Strom-Spannungs-Wandler, typischerweise einen Transimpedanzverstärker. Wenn der Abstimmeinheit eine Spannung von einer Spannungsquelle zugeführt wird, wird diese an die parallel geschalteten Digital-Analog-Wandler (DAC) und mindestens einen Widerstand angelegt. Das andere Ende dieser Parallelschaltung ist mit dem Eingang des Strom-Spannungs-Wandlers verbunden, der die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitstellt. In dieser Konfiguration ist vorzugsweise einer von zwei Digital-Analog-Wandlern (DAC) zur Grobabstimmung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt und der andere von zwei Digital-Analog-Wandlern (DAC) ist zur Feinabstimmung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt. Vorzugsweise sind beide Digital-Analog-Wandler (DAC) mit mindestens einem weiteren Widerstand in Reihe geschaltet. Für die Feinabstimmung ist der Digital-Analog-Wandler (DAC) bereitgestellt, der mit dem Widerstand mit einem höheren spezifischen Widerstand in Reihe geschaltet ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abstimmeinheit der Spannungsversorgung mindestens einen Widerstand und einen Digital-Analog-Wandler (DAC), denen zwei Spannungen zugeführt werden, die der Abstimmeinheit von zwei Spannungsquellen zugeführt werden, und einen Strom-Spannungs-Wandler, typischerweise einen Transimpedanzverstärker. Der mindestens eine Widerstand und ein Digital-Analog-Wandler (DAC) sind an einem Knoten angeschlossen, der mit dem Eingang des Strom-Spannungs-Wandlers verbunden ist, der der Abstimmeinheit die Ausgangsspannung bereitstellt. Der Digital-Analog-Wandler (DAC) ist mit mindestens einem weiteren Widerstand in Reihe geschaltet.
  • In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung wird die zugeführte Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle direkt an mindestens einen (Eingangs-) Anschluss der Abstimmeinheit angelegt.
  • In einer anderen Ausführungsform wird die von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle bereitgestellte Spannung einem Verstärker zugeführt, und dann wird die verstärkte Spannung an mindestens einen (Eingangs-) Anschluss der Abstimmeinheit angelegt.
  • Diese Ausführungsformen stellen einfache Anordnungen dar, die zeigen, wie eine ultrastabile Spannung basierend auf der zugeführten Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle an die Abstimmeinheit angelegt werden kann. Beispielsweise könnten andere dem Fachmann bekannte Anordnungen verwendet werden, um eine Spannung, die von der zugeführten Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle abgeleitet ist, als ultrastabile Spannung an die Abstimmeinheit anzulegen.
  • In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit verwendet, um die von der Spannungsversorgung bereitgestellte Referenzspannung zuzuführen. In dieser Ausführungsform stellt die Abstimmeinheit die Referenzspannung direkt als ihre Ausgangsspannung bereit.
  • In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit einem Verstärker zugeführt, und dann ist die verstärkte Spannung die von der Spannungsversorgung bereitgestellte Referenzspannung.
  • In der gesamten Spezifikation darf die Verstärkung einer Spannung durch einen Verstärker nicht auf die Erhöhung der Spannung beschränkt sein, die verstärkt wird. Durch die Verstärkung ist auch eine Reduzierung einer Spannung möglich. Entsprechend kann jeder in dieser Spezifikation beschriebene Verstärker im Allgemeinen eine Verstärkung aufweisen, die typischerweise über 1 liegt, aber auch darunter liegen kann, wenn eine Spannung durch einen Verstärker verringert wird.
  • Diese Ausführungsformen stellen einfache Anordnungen dar, die zeigen, wie die Referenzspannung der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt werden kann. Beispielsweise könnten andere dem Fachmann bekannte Anordnungen verwendet werden, um die Referenzspannung der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung, die aus der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit abgeleitet wird, bereitzustellen.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung umfasst auch einen Komparator. Ein Komparator ist eine elektrische Komponente, die zwei Eingangsspannungen vergleicht. Um das Abstimmen der Spannungsversorgung zu ermöglichen, stellt der Komparator ein Ausgangssignal bereit, das sich aus dem Vergleich der zwei Eingangsspannungen ergibt. Das Ausgangssignal kann ein Signal sein, das gleich oder proportional zu der Differenz der verglichenen Spannungen ist. Vorzugsweise umfasst der Komparator einen Operationsverstärker, der ein Differenzverstärker sein kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ausgangssignal des Komparators ein digitales Signal, das nur das Ausgangssignal 0 und 1 aufweist. Durch diese Signale wird nur angegeben, welche der zwei Eingangsspannungen den höheren Wert hat. Für einen derartigen Komparator kann ein Differenzverstärker mit hoher Verstärkung verwendet werden, der eine sehr niedrige oder eine sehr hohe Spannung bereitstellt, die dann als Signal 0 und 1 identifiziert sind.
  • Der Komparator kann auch ein digitaler Komparator sein. Mit diesem Komparator werden zwei digitale Signale verglichen. Es ist auch möglich, einem digitalen Komparator zwei analoge Spannungen zuzuführen, wenn diese von einem Analog-Digital-Wandler umgewandelt wurden. In dieser Ausführungsform verwendet der digitale Komparator vorzugsweise einen Switch, um beide Signale über dieselbe Verbindung mit demselben Analog-Digital-Wandler zu messen.
  • Eine Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und eine genaue Spannung, die basierend auf der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt werden, werden dem Komparator der erfindungsgemäßen Stromversorgung, der die Spannungssignale vergleicht, bereitgestellt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung werden die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und die Spannung der genauen Spannungsquelle direkt dem Komparator der erfindungsgemäßen Stromversorgung, der die Spannungssignale vergleicht, bereitgestellt.
  • In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit vom Komparator mit der genauen Spannung verglichen, um der Steuereinheit das Signal bereitzustellen, entsprechend dem die Steuereinheit die Abstimmeinheit während der Abstimmungsperiode abstimmt. Durch das Abstimmen der Abstimmeinheit wird die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der genauen Spannung minimiert.
  • In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung ist die Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit, die dem Komparator bereitgestellt wird, eine verstärkte Spannung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit. Dann wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit einem Verstärker zugeführt, der die verstärkte Spannung der Ausgangsspannung bereitstellt. Diese verstärkte Spannung wird dann vom Komparator für den Vergleich verwendet.
  • Diese Ausführungsformen stellen einfache Anordnungen dar, die zeigen, wie eine Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit dem Komparator zum Vergleichen mit einer genauen Spannung bereitgestellt werden kann. Beispielsweise könnten andere dem Fachmann bekannte Anordnungen verwendet werden, um dem Komparator eine Spannung bereitzustellen, die aus der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit abgeleitet ist, um sie mit einer genauen Spannung zu vergleichen.
  • In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung ist die zugeführte Spannung der genauen Gleichspannungsquelle die genaue Spannung, die vom Komparator mit der Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit verglichen wird.
  • In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung ist die genaue Spannung, die basierend auf der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird und dem Komparator bereitgestellt wird, eine verstärkte Spannung der genauen Spannung, die von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführt wird. Die genaue Spannung, die von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführt wird, wird einem Verstärker zugeführt, der die verstärkte Spannung der genauen Spannung, die von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführt wird, bereitstellt. Diese verstärkte Spannung wird dann vom Komparator für den Vergleich verwendet.
  • Diese Ausführungsformen stellen einfache Anordnungen dar, die zeigen, wie eine genaue Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung einer genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, bereitgestellt werden kann, um mit einer Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit verglichen zu werden. Beispielsweise könnten andere dem Fachmann bekannte Anordnungen verwendet werden, um dem Komparator eine genaue Spannung, die von der zugeführten Spannung einer genauen Gleichspannungsquelle abgeleitet ist, bereitzustellen, um sie mit einer Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit zu vergleichen.
  • Das Ausgangssignal, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen des Komparators ergibt, kann ein Signal sein, das gleich oder proportional zur Differenz der verglichenen Spannungen ist. Das Ausgangssignal, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt, kann auch ein digitales Signal sein.
  • Die erfindungsgemäße Stromversorgung umfasst auch eine Steuereinheit.
  • Die Steuereinheit kann einen Prozessor umfassen. Auf dem Prozessor kann ein Computerprogramm ausgeführt werden, um die Spannungsversorgung gemäß den beschriebenen Schritten des Verfahrens zu betreiben.
  • Das vom Komparator bereitgestellte Signal, das sich aus dem Vergleich der Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der genauen Spannung ergibt, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, wird der Steuereinheit als Eingangssignal bereitgestellt.
  • Während einer Abstimmungsperiode, die typischerweise anfänglich nach Aktivierung oder Reaktivierung der Spannungsversorgung liegt, stimmt die Steuereinheit die Abstimmeinheit entsprechend dem bereitgestellten Signal ab, um die Differenz zwischen den dem Komparator bereitgestellten Spannungen zu minimieren, wobei es sich um die Spannung handelt, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert, und der genauen Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird. Um dies zu erreichen, stellt die Steuereinheit ein Ausgangssignal bereit, das der Abstimmeinheit bereitgestellt wird.
  • Wenn das vom Komparator bereitgestellte Signal, das der Steuereinheit bereitgestellt wird, gleich oder proportional zu der Differenz der verglichenen Spannungen ist, reagiert die Steuereinheit entsprechend der erfassten Spannungsdifferenz und stellt der Abstimmeinheit ein Signal bereit, um ihre Ausgangsspannung entsprechend der erfassten Spannungsdifferenz zu erhöhen oder zu verringern, um die Differenz der dem Komparator bereitgestellten Spannungen zu reduzieren.
  • Das von der Steuereinheit bereitgestellte Ausgangssignal erhöht den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit, wenn der Absolutwert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, höher ist als der Absolutwert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert.
  • Wenn in der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und die von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführte Spannung direkt dem Komparator der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellt werden, erhöht das von der Steuereinheit bereitgestellte Ausgangssignal den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit, wenn der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle höher ist als der Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit, die dem Komparator bereitgestellt wird.
  • Insbesondere wenn der Komparator ein digitales Signal bereitstellt, gibt in einer Ausführungsform das vom Komparator bereitgestellte digitale Signal durch einen ersten Wert an, dass der Absolutwert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, höher ist als der Absolutwert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert. Die Steuereinheit reagiert auf den ersten Wert des vom Komparator bereitgestellten digitalen Signals und stellt der Abstimmeinheit ein Signal, vorzugsweise ein digitales Signal, bereit, um den Absolutwert ihrer Ausgangsspannung zu erhöhen.
  • In dieser Ausführungsform verringert das von der Steuereinheit bereitgestellte Ausgangssignal den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit, wenn der Absolutwert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, niedriger ist als der absolute Wert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert.
  • Das vom Komparator bereitgestellte digitale Signal gibt in einer Ausführungsform durch einen zweiten Wert an, dass der absolute Wert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, niedriger ist als der Absolutwert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert. Die Steuereinheit reagiert auf den zweiten Wert des vom Komparator bereitgestellten digitalen Signals und stellt der Abstimmeinheit ein Signal, vorzugsweise ein digitales Signal, bereit, um den Absolutwert ihrer Ausgangsspannung zu verringern.
  • Vorzugsweise wird das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit schrittweise reduziert, indem die Steuereinheit entsprechend der Abstimmeinheit ein Signal bereitstellt. Durch diese reduzierte Änderung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit wird die absolute Differenz zwischen den dem Komparator bereitgestellten Spannungen, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der genauen Spannung basiert, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, minimiert, d. h. die absolute Differenz zwischen den dem Komparator bereitgestellten Spannungen, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der genauen Spannung basiert, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, zunehmend geringer.
  • Für diesen Ansatz ist es nur wichtig, dass die schrittweise Reduzierung der Änderung der Ausgangsspannung während des Abstimmprozesses zu einer Minimierung der absoluten Differenz der vom Komparator verglichenen Spannungen führt.
  • Wenn in der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und die Spannung der genauen Spannungsquelle dem Komparator der erfindungsgemäßen Stromversorgung direkt, durch die reduzierte Änderung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit, bereitgestellt werden, wird die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle minimiert, d. h. die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle wird zunehmend geringer.
  • Wenn in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung das vom Komparator bereitgestellte Signal angibt, dass die absolute Differenz der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit zu der genauen Spannung basiert, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, unter einem definierten Minimalwert liegt, kann die Abstimmung durch die Steuereinheit gestoppt werden. Dann stellt die Abstimmeinheit eine Ausgangsspannung bereit, die eine Spannung ist, die die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle und die Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle aufweist, und dadurch kann diese Spannung als abgestimmt oder kalibriert betrachtet werden. Die von der Abstimmeinheit bereitgestellte Ausgangsspannung kann direkt als Referenzspannung der Stromversorgung verwendet werden, oder die Referenzspannung der Stromversorgung kann auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basieren. Dann wird vorzugsweise die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit einem Verstärker zugeführt und die verstärkte Spannung ist die Referenzspannung, die von der Spannungsversorgung bereitgestellt wird. Die bereitgestellte Referenzspannung wurde basierend auf der genauen Spannung eingestellt, die dem Komparator bereitgestellt wird, und basiert auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle und weist aufgrund dieser Einstellung die gleiche Genauigkeit auf wie die genaue Spannung, die dem Komparator bereitgestellt wird, die die Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle aufweist. Aufgrund des Schaltungsdesigns der erfindungsgemäßen Stromversorgung weist diese nun jedoch die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle aufgrund der an die Abstimmeinheit angelegten ultrastabilen Spannung auf, die basierend auf der zugeführten Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle bereitgestellt wird. Dies ist insbesondere dann zutreffend, wenn eine elektrische Komponente wie ein Verstärker keinen Einfluss auf die Genauigkeit der dem Komparator bereitgestellten genauen Spannung und die Stabilität der an die Abstimmeinheit angelegten ultrastabilen Spannung hat. Andernfalls kann die Leistung der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung reduziert werden. Trotzdem stellt jedoch die erfindungsgemäße Spannungsversorgung eine Referenzspannung von hoher Genauigkeit und hoher Stabilität bereit.
  • Wenn in der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und die Spannung der genauen Spannungsquelle direkt dem Komparator der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellt werden und das vom Komparator bereitgestellte Signal angibt, dass die absolute Differenz der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit zur Spannung der genauen Gleichspannungsquelle unter einem definierten Minimalwert liegt, kann die Abstimmung durch die Steuereinheit gestoppt werden. Dann stellt die Abstimmeinheit eine Ausgangsspannung bereit, die die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle und die Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle aufweist und basierend auf der die Referenzspannung der Stromversorgung bereitgestellt wird. Vorzugsweise kann die von der Abstimmeinheit bereitgestellte Ausgangsspannung direkt als die von der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellte Referenzspannung verwendet werden. Der Durchschnitt der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit ist gleich dem Durchschnitt der von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführten Spannung. Wenn also die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit direkt als die Referenzspannung verwendet wird, die von der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellt wird, weist die bereitgestellte Referenzspannung - abgesehen von einer Differenz, die kleiner als der definierte Minimalwert ist - den Wert der von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführten Spannung und die gleiche Genauigkeit auf. Aufgrund des Schaltungsdesigns der erfindungsgemäßen Stromversorgung weist diese nun die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle auf.
  • Vorzugsweise liegt das Verhältnis des definierten Minimalwerts, wenn die Abstimmung der Abstimmeinheit gestoppt ist, zum nominalen Mittelwert der von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführten Spannung unter 100 ppm, vorzugsweise unter 40 ppm, bevorzugter unter 25 ppm und am meisten bevorzugt unter 10 ppm.
  • In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung ist das Abstimmen der Abstimmeinheit durch die Steuereinheit ein Prozess, der die absolute Differenz der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert, zu der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, unterhalb eines definierten Minimums minimiert. Die Abstimmung der Abstimmeinheit durch die Steuereinheit ist am Ende des Prozesses beendet und dann stellt die Abstimmeinheit eine Ausgangsspannung bereit, basierend auf der die Referenzspannung der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellt werden kann. Wie bereits zuvor erläutert, führt die Reduzierung der absoluten Differenz der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert, auf die genaue Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, zu einer Referenzspannung der erfindungsgemäßen Stromversorgung mit mindestens hoher Genauigkeit und Stabilität und könnte in Abhängigkeit vom detaillierten Schaltungsdesign der erfindungsgemäßen Stromversorgung die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle und die Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle aufweisen.
  • Wie bereits zuvor erwähnt, kann die Abstimmeinheit der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung ein Digital-Analog-Wandler sein. In einer solchen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung stellt die Steuereinheit der Spannungsversorgung dem Digital-Analog-Wandler ein digitales Signal bereit, um die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers abzustimmen.
  • Wie ebenfalls zuvor erwähnt, kann die Abstimmeinheit der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung einen oder mehrere Digital-Analog-Wandler umfassen. In einer solchen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung stellt die Steuereinheit der Spannungsversorgung jedem Digital-Analog-Wandler ein digitales Signal bereit, um die Ausgangsspannung der Digital-Analog-Wandler abzustimmen.
  • Vorzugsweise umfasst ein Digital-Analog-Wandler der Abstimmeinheit ein Widerstandsleiternetzwerk, insbesondere ein R-2R-Widerstandsleiternetzwerk. Dann ist das von der Steuereinheit bereitgestellte digitale Signal ein digitales Signal mit einer spezifischen Anzahl von Bits. Vorzugsweise ist das digitale Signal ein Signal von mindestens 12 Bit, insbesondere bevorzugt von mindestens 16 Bit und am meisten bevorzugt von mindestens 20 Bit. Wenn ein solches digitales Signal von mehreren Bits als Abstimmeingang bereitgestellt wird, sind die Bits schaltende Switches, die Widerstände in einem parallelen Widerstandsnetzwerk des Digital-Analog-Wandlers (DAC) hinzufügen, der ein R-2R-Leiter-DAC sein kann, der eine wiederholte kaskadierte Struktur von Widerständen mit den Werten R und 2R umfasst. In diesem Fall ist jedes Bit binär gewichtet.
  • Das von der Steuereinheit bereitgestellte digitale Signal kann aber auch ein Signal mit einem einzelnen Bit sein. Ein solches Signal wird insbesondere dann verwendet, wenn ein Digital-Analog-Wandler der Abstimmeinheit einen Impulsbreitenmodulator und einen Tiefpassfilter umfasst. Dann wird dieses Ein-Bit-Signal der Steuereinheit diesem Digital-Analog-Wandler über einen Eingang der Abstimmeinheit zugeführt.
  • Wenn die Steuereinheit der Abstimmeinheit ein digitales Signal bereitstellt, umfasst die Steuereinheit vorzugsweise einen Prozessor oder eine programmierbare Logikschaltung, wie ein feldprogrammiertes Gate-Array (Field Programmable Gate Array - FPGA) oder eine komplexe programmierbare Logikvorrichtung (Complex Programmable Logic Device - CPLD).
  • Vorzugsweise stellt die Steuereinheit jedem Digital-Analog-Wandler der Abstimmeinheit ein digitales Signal entsprechend dem vom Komparator bereitgestellten digitalen Signal bereit. Die von der Steuereinheit in einer bevorzugten Ausführungsform bereitgestellten digitalen Signale erhöhen den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit, wenn der Absolutwert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, höher ist als der Absolutwert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert. In diesem Fall gibt das vom Komparator bereitgestellte digitale Signal durch einen ersten Wert an, dass der Absolutwert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, höher ist als der Absolutwert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert. Die Steuereinheit reagiert auf den ersten Wert des vom Komparator bereitgestellten digitalen Signals und stellt an jeden Digital-Analog-Wandler der Abstimmeinheit ein digitales Signal bereit, um den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit zu erhöhen. Die von der Steuereinheit in dieser bevorzugten Ausführungsform bereitgestellten digitalen Signale verringern den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit, wenn der Absolutwert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, niedriger ist als der Absolutwert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert. In diesem Fall gibt das vom Komparator bereitgestellte digitale Signal durch einen zweiten Wert an, dass der Absolutwert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, niedriger ist als der Absolutwert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert. Die Steuereinheit reagiert auf den zweiten Wert des vom Komparator bereitgestellten digitalen Signals und stellt digitale Signale an jeden Digital-Analog-Wandler der Abstimmeinheit bereit, um den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit zu verringern.
  • Wenn die Steuereinheit ein digitales Signal an eine Abstimmeinheit bereitstellt, die ein Digital-Analog-Wandler ist, wird entsprechend einem vom Komparator bereitgestellten digitalen Signal ein digitales Signal von der Steuereinheit bereitgestellt, um in einer anderen bevorzugten Ausführungsform den Absolutwert der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers zu erhöhen, wenn der Absolutwert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, höher ist als die dem Komparator bereitgestellte absolute Spannung, die auf der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers basiert. In diesem Fall gibt das vom Komparator bereitgestellte digitale Signal durch einen ersten Wert an, dass der Absolutwert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, höher ist als der Absolutwert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers basiert. Die Steuereinheit reagiert auf den ersten Wert des vom Komparator bereitgestellten digitalen Signals und stellt dem Digital-Analog-Wandler ein digitales Signal bereit, um den Absolutwert von dessen Ausgangsspannung zu erhöhen. Ein digitales Signal wird von der Steuereinheit bereitgestellt, um in dieser bevorzugten Ausführungsform den Absolutwert der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers zu verringern, wenn der Wert des Absolutwerts der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, niedriger ist als der Absolutwert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers basiert. In diesem Fall gibt das vom Komparator bereitgestellte digitale Signal durch einen zweiten Wert an, dass der Absolutwert der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, niedriger ist als der Absolutwert der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers basiert. Die Steuereinheit reagiert auf den zweiten Wert des vom Komparator bereitgestellten digitalen Signals und stellt dem Digital-Analog-Wandler ein digitales Signal bereit, um den Absolutwert von dessen Ausgangsspannung zu verringern.
  • Vorzugsweise wird das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit schrittweise reduziert, indem die Steuereinheit entsprechend digitale Signale an Analogwandler der Abstimmeinheit bereitstellt. Durch diese reduzierte Änderung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit wird die absolute Differenz zwischen der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert, und der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, minimiert.
  • Wenn die Abstimmeinheit ein Digital-Analog-Wandler ist, wird vorzugsweise auch das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers schrittweise reduziert, indem die Steuereinheit entsprechend ein digitales Signal bereitstellt. Durch diese reduzierte Änderung der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers wird die absolute Differenz zwischen der dem Komparator bereitgestellten Spannung, die auf der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers basiert, und der genauen Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, minimiert.
  • In vielen Fällen wird die von der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellte Referenzspannung an mindestens einen Spannungsverstärker angelegt, der eine verstärkte Spannung an die mindestens eine Elektrode anlegt. Die von der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellte Referenzspannung kann über einen Switch an dem mindestens einen Spannungsverstärker angelegt werden.
  • Wenn die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit direkt von der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung als Referenzspannung bereitgestellt wird, kann die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit an mindestens einen Spannungsverstärker angelegt werden, der eine verstärkte Spannung an die mindestens eine Elektrode anlegt. Die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit kann dann über einen Switch an dem mindestens einen Spannungsverstärker angelegt werden.
  • In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung kann eine genaue Spannung, die auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle basiert, auch über den Switch, der eine weitere Komponente der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung ist, an dem Spannungsverstärker angelegt werden. Die genaue Spannung, die an dem Switch angelegt wird, kann insbesondere eine verstärkte Spannung der genauen Spannung sein, die von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführt wird. Die genaue Spannung, die von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführt wird, wird einem anderen Verstärker zugeführt, der in der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellt ist, der die verstärkte Spannung der genauen Spannung bereitstellt, die von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführt wird. Diese verstärkte Spannung wird dann an dem Switch angelegt. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung kann die genaue Spannung, die dem Komparator basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, auch an den Spannungsverstärker über den Switch angelegt werden, der eine weitere Komponente der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung ist.
  • In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung kann auch die zugeführte Spannung der genauen Gleichspannungsquelle über den Switch, der eine weitere Komponente der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung ist, an dem Spannungsverstärker angelegt werden.
  • Die von der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellte Referenzspannung kann verwendet werden, um einer oder mehreren Elektroden eines Massenspektrometers eine Spannung zuzuführen.
  • Die eine oder die mehreren Elektroden können vorzugsweise eine oder mehrere Einfangelektroden zum Einfangen von Ionen einer elektrostatischen Falle sein, und die an die eine oder die mehreren Einfangelektroden angelegte Referenzspannung ist vorzugsweise eine Einfangspannung.
  • Insbesondere kann die von der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellte Referenzspannung verwendet werden, um der Mittelelektrode einer elektrostatischen Falle eine Spannung zuzuführen.
  • Typischerweise wird an die Elektrode der elektrostatischen Falle eine Spannung im Bereich von 0,7 kV bis 12 kV angelegt. Typischerweise wird an eine Mittelelektrode der elektrostatischen Falle eine Spannung im Bereich von 1 kV bis 8 kV, vorzugsweise eine Spannung im Bereich von 2 kV bis 7 kV, angelegt.
  • Insbesondere kann es von Vorteil sein, die von der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellte Referenzspannung zu verwenden, indem die Referenzspannung verstärkt wird, um eine genaue und ultrastabile Spannung der Mittelelektrode einer elektrostatischen Falle bereitzustellen, insbesondere einer elektrostatischen Orbitalfalle, die als Massenanalysator verwendet werden kann, wie beispielsweise der von Thermo Fisher Scientific Inc. vertriebene OrbitrapRTM-Massenanalysator. Die Mittelelektrode eines solchen Massenanalysators ist beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO96/30930 offenbart, deren Inhalt hiermit in diese Beschreibung aufgenommen wird.
  • Die Mittelelektrode ist vorzugsweise radial zentral in einer elektrostatischen Falle mit einer Längsachse und bevorzugter radial zentral und axial zentral in einer elektrostatischen Falle mit einer Längsachse angeordnet. Die Mittelelektrode kann aber auch nur axial zentral in einer elektrostatischen Falle mit einer Längsachse angeordnet sein.
  • Die Elektrode eines Massenspektrometers kann auch eine Elektrode eines Flugzeit-Massenspektrometers sein, insbesondere eines Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometers. In einem Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer kann die von der Spannungsversorgung bereitgestellte Referenzspannung verwendet werden, um eine Spannung an Spiegelelektroden, vorzugsweise alle Spiegelelektroden, bereitzustellen. Vorzugsweise wird die Referenzspannung an einen Spannungsverstärker bereitgestellt, der dann eine Spannung im Bereich von Kilovolt (kV) an Spiegelelektroden bereitstellt, vorzugsweise an alle Spiegelelektroden, die vorzugsweise als ionenoptische Spiegel fungieren. Typischerweise werden die Ionen in einem Typ eines Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometers mehrmals zwischen gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln reflektiert, während sie entlang einer Driftrichtung driften. Aufgrund der Multireflexion der Ionen an den ionenoptischen Spiegeln, die mehrere Spiegelelektroden umfassen, muss vorzugsweise jede Elektrode mit einer genauen und ultrastabilen Spannung versehen sein. Jede Instabilität könnte die Flugbahn der Ionen, die zwischen den reflektierenden ionenoptischen Spiegeln schwingen, verändern. Entsprechend würde eine geänderte Flugzeit der analysierten Ionen zu Flugzeit-Massenspektren mit geringerem Auflösungsvermögen oder zu einer Änderung der Masse-zu-Ladungs-Kalibrierung der erfassten Flugzeit-Massenspektren führen.
  • In einem zusätzlichen Aspekt stellt diese Offenbarung auch ein Massenspektrometer bereit, das eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung umfasst, die in Anspruch 28 beansprucht ist.
  • Die ultrastabile Gleichspannungsquelle der erfindungsgemäßen Stromversorgung weist vorzugsweise eine Spannungsstabilität unter 1 ppm über einen Zeitraum von 24 Stunden auf.
  • Die ultrastabile Gleichspannungsquelle der erfindungsgemäßen Stromversorgung weist vorzugsweise eine Spannungsstabilität unter 1 ppm über einen Temperaturbereich von 10 °C auf.
  • Die ultrastabile Gleichspannungsquelle der erfindungsgemäßen Stromversorgung weist insbesondere vorzugsweise eine Spannungsstabilität unter 1 ppm über einen Zeitraum von 24 Stunden und einen Temperaturbereich von 10 °C auf.
  • Die genaue Gleichspannungsquelle der erfindungsgemäßen Stromversorgung weist vorzugsweise eine Produktionsgenauigkeit ihrer zugeführten Spannung unter 1000 ppm, vorzugsweise unter 400 ppm, bevorzugter unter 250 ppm und am meisten bevorzugt unter 100 ppm auf.
  • Das zweite Ziel wird durch das Verfahren zum Kalibrieren einer Spannungsversorgung nach Anspruch 23 gelöst.
  • Das Verfahren kalibriert eine Spannungsversorgung der vorliegenden Erfindung, die eine Referenzspannung bereitstellt, um mindestens einer Elektrode eine Spannung zuzuführen. Die Spannungsversorgung kann über einen Switch nach der Kalibrierung eine Spannung als Referenzspannung bereitstellen, die auf der Ausgangsspannung ihrer Abstimmeinheit basiert. Wie bereits zuvor erwähnt, kann beispielsweise die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit verwendet werden, um direkt die Referenzspannung zuzuführen, oder die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit kann einem Verstärker zugeführt werden, und dann ist die verstärkte Spannung die Referenzspannung, die von der Spannungsversorgung bereitgestellt wird.
  • Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
    • - Wenn die Spannungsversorgung aktiviert ist, wird eine basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung an den Switch angelegt. Diese Spannung wird jedoch nicht über den Switch als Referenzspannung bereitgestellt, mit der mindestens einer Elektrode eine Spannung zugeführt wird.
    • - Die Steuereinheit der Spannungsversorgung stimmt die Abstimmeinheit entsprechend dem vom Komparator bereitgestellten Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der genauen Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen vom Komparator verglichenen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, zu minimieren.
    • - Wenn die absolute Differenz zwischen den vom Komparator verglichenen Spannungen unter einem definierten Minimalwert liegt und die Abstimmung durch die Steuereinheit gestoppt ist, sendet die Steuereinheit ein Schaltsignal an den Switch; der Switch, der das Schaltsignal empfängt, wird betätigt, und dann wird die an den Switch angelegte, basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung durch die Spannungsversorgung über den Switch als Referenzspannung bereitgestellt, die dann verwendet wird, um mindestens einer Elektrode eine Spannung zuzuführen.
  • Im Allgemeinen kann jede Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert, an den Switch angelegt werden. Diese Spannung kann von der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit durch jede geeignete Anordnung, die einem Fachmann bekannt ist, abgeleitet werden.
  • Insbesondere können unterschiedliche Spannungen, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basieren und vom Komparator verglichen werden, an dem Switch angelegt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann jedoch dieselbe Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert, an dem Switch angelegt und vom Komparator verglichen werden. Somit ist die an den Switch angelegte Spannung, die basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt wird, die Spannung basierend auf der vom Komparator verglichenen Ausgangsspannung der Abstimmeinheit.
  • Die an den Switch angelegte Spannung, die basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt wird, wird nur dann als Referenzspannung verwendet, wenn der Abstimmprozess der Abstimmeinheit abgeschlossen ist. Aufgrund der geringen absoluten Differenz zwischen den vom Komparator verglichenen Spannungen weist die an den Switch angelegte, basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung eine hohe Genauigkeit und hohe Stabilität eines definierten Spannungswerts auf, der nur durch die elektrische Komponenten der Stromversorgung vorgegeben wird, insbesondere die genaue Gleichspannungsquelle und möglicherweise vorhandene Spannungsverstärker, vorzugsweise Spannungsverstärker, die die von der genauen Gleichspannungsquelle und/oder der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung verstärken.
  • Das zweite Ziel kann auch durch das Verfahren zum Kalibrieren einer Spannungsversorgung nach Anspruch 25 gelöst werden. Auch das dritte zweite Ziel kann durch das Verfahren zum Kalibrieren einer Spannungsversorgung nach Anspruch 25 gelöst werden.
  • Das Verfahren kalibriert eine Spannungsversorgung der vorliegenden Erfindung, die eine Referenzspannung bereitstellt, um mindestens einer Elektrode eine Spannung zuzuführen. Bei dem Verfahren umfasst die erfindungsgemäße Spannungsversorgung einen Switch, an den eine basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung und eine basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellte genaue Spannung angelegt werden.
  • Die genaue Spannung, die an dem Switch angelegt wird, hat vorzugsweise nahezu den gleichen Wert wie die Referenzspannung der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung. Der Wert der genauen Spannung, die an den Switch angelegt wird, weicht typischerweise nicht mehr als 1 % vom Wert der Referenzspannung der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung ab, vorzugsweise nicht mehr als 1.000 ppm und besonders bevorzugt nicht mehr als 100 ppm.
  • Wie bereits zuvor erwähnt, kann die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit direkt zur Zuführung der Referenzspannung verwendet und an den Switch der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung angelegt werden, oder die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit kann einem Verstärker zugeführt werden, und dann wird die verstärkte Spannung an den Switch der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung angelegt und ist die von der Spannungsversorgung bereitgestellte Referenzspannung.
  • Diese Ausführungsformen stellen einfache Anordnungen dar, die zeigen, wie eine basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung an den Switch angelegt werden kann. Beispielsweise könnten andere dem Fachmann bekannte Anordnungen verwendet werden, um dem Switch eine Spannung bereitzustellen, die von der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit abgeleitet ist.
  • Die von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführte Spannung kann auch direkt an den Switch der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung angelegt werden, oder die von der genauen Gleichspannungsquelle zugeführte Spannung kann einem Verstärker zugeführt werden, und dann wird die verstärkte Spannung an den Switch der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung angelegt.
  • Diese Ausführungsformen stellen einfache Anordnungen dar, die zeigen, wie eine genaue Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, dem Switch bereitgestellt werden kann. Beispielsweise könnten andere dem Fachmann bekannte Anordnungen verwendet werden, um dem Switch eine genaue Spannung bereitzustellen, die von der zugeführten Spannung einer genauen Gleichspannungsquelle abgeleitet wird.
  • Über den Switch wird während eines ersten Zeitraums die genaue Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, dem Spannungsverstärker zugeführt, während die an dem Switch angelegte, basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung nicht über den Switch dem Verstärker zugeführt wird. Nach dem Abstimmen wird die Referenzspannung, die dann die an dem Switch angelegte, basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung ist, an dem Spannungsverstärker angelegt, der die Spannung mindestens einer Elektrode zuführt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
    • - Wenn die Spannungsversorgung aktiviert ist, werden eine Spannung, die basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt wird, und eine genaue Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, an den Switch angelegt und die an den Switch angelegte, basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung wird nicht über den Switch mit dem Spannungsverstärker verbunden, und die genaue Spannung, die an den Switch angelegt wird, wird über den Switch mit dem Spannungsverstärker verbunden.
    • - Die Steuereinheit der Spannungsversorgung stimmt die Abstimmeinheit entsprechend dem vom Komparator bereitgestellten Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der genauen Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen vom Komparator verglichenen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, zu minimieren.
    • - Wenn die absolute Differenz der vom Komparator verglichenen Spannungen unter einem definierten Minimalwert liegt und die Abstimmung durch die Steuereinheit gestoppt ist, sendet die Steuereinheit ein Schaltsignal an den Switch. Der Switch, der das Schaltsignal empfängt, wird betätigt, und dann wird die Spannung, die basierend auf der an den Switch angelegten Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt wird, über den Switch mit dem Spannungsverstärker als Referenzspannung verbunden, und die genaue an den Switch angelegte Spannung wird durch den Switch vom Spannungsverstärker getrennt.
  • Im Allgemeinen kann jede Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert, an den Switch angelegt werden. Diese Spannung kann von der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit durch jede geeignete Anordnung, die einem Fachmann bekannt ist, abgeleitet werden.
  • Insbesondere können unterschiedliche Spannungen, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basieren und vom Komparator verglichen werden, an dem Switch angelegt werden.
  • Im Allgemeinen kann jede genaue Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, an den Switch angelegt werden. Diese Spannung kann von der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle durch jede geeignete Anordnung abgeleitet werden, die einem Fachmann bekannt ist
  • Insbesondere können unterschiedliche genaue Spannungen, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt werden, an dem Switch angelegt und vom Komparator verglichen werden.
  • Die gleiche Spannung, die basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt wird, kann an den Switch und den Komparator angelegt werden. Somit ist die an den Switch angelegte Spannung, die basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt wird, die Spannung basierend auf der vom Komparator verglichenen Ausgangsspannung der Abstimmeinheit.
  • Die gleiche genaue Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, kann an den Switch und den Komparator angelegt werden. Somit ist die genaue Spannung, die an den Switch angelegt wird, also die genaue Spannung, die vom Komparator verglichen wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die gleiche Spannung, die basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt wird, und die gleiche genaue Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, an den Switch und den Komparator angelegt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erfindungsgemäße Spannungsversorgung einen Switch, an den die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle angelegt werden. Der Komparator der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung dieser Ausführungsform vergleicht die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle. Über den Switch wird während eines ersten Zeitraums die genaue Gleichspannungsquelle mit dem Spannungsverstärker verbunden, während die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit nicht mit dem Verstärker verbunden ist. Nach dem Abstimmen wird die von der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Referenzspannung an einen Spannungsverstärker angelegt, der die Spannung mindestens einer Elektrode zuführt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
    • - Wenn die Spannungsversorgung aktiviert ist, werden die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und die zugeführte Spannung der genauen Gleichspannungsquelle an den Switch angelegt, und die an den Switch angelegte Ausgangsspannung der Abstimmeinheit wird nicht über den Switch mit dem Spannungsverstärker verbunden, und die zugeführte Spannung der genauen Gleichspannungsquelle wird über den Switch mit dem Spannungsverstärker verbunden.
    • - Die Steuereinheit der Spannungsversorgung stimmt die Abstimmeinheit entsprechend dem vom Komparator bereitgestellten Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle zu minimieren.
    • - Wenn die absolute Differenz der vom Komparator verglichenen Spannungen unter einem definierten Minimalwert liegt und die Abstimmung durch die Steuereinheit gestoppt ist, sendet die Steuereinheit ein Schaltsignal an den Switch. Der Switch, der das Schaltsignal empfängt, wird betätigt, und dann wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit über den Switch mit dem Spannungsverstärker als Referenzspannung verbunden, und die zugeführte Spannung der genauen Gleichspannungsquelle wird durch den Switch vom Spannungsverstärker getrennt.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung, die digitale Komponenten umfasst.
    • 4 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 5 zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 6 zeigt schematisch eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 7 zeigt schematisch eine siebte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 8 zeigt schematisch eine achte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 9 zeigt schematisch eine neunte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 10 zeigt schematisch eine zehnte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 11 zeigt schematisch eine elfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 12 zeigt schematisch eine zwölfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • Die 13a - 13d zeigen Details der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung.
    • 14 zeigt das Zeitstabilitätsverhalten der Referenzspannung, die von einer genauen Spannungsversorgung bereitgestellt wird, und der Referenzspannung, die von einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung bereitgestellt wird.
    • 15 zeigt das Temperaturverhalten der Referenzspannung, die von einer genauen Spannungsversorgung bereitgestellt wird, und der Referenzspannung, die von einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung bereitgestellt wird.
    • 16a und 16b zeigen eine erste Ausführungsform eines Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators, an den unter Verwendung der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung eine Spannung angelegt werden kann.
    • 17 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators, an den unter Verwendung der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung eine Spannung angelegt werden kann.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2. Schematisch sind die Hauptkomponenten der Spannungsversorgung 2 dargestellt, die für die Erfindung wesentlich sind.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 umfasst zwei verschiedene Gleichspannungsquellen, eine ultrastabile Gleichspannungsquelle 4 (V1) und eine genaue Gleichspannungsquelle 6 (V2).
  • Die ultrastabile Gleichspannungsquelle 4 stellt eine sehr stabile Ausgangsspannung bereit. Die Stabilität der Ausgangsspannung wird im Zeitverlauf und in einem spezifischen Temperaturbereich bereitgestellt. Typischerweise hat die Ausgangsspannung, die von einer ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 bereitgestellt wird, eine Spannungsstabilität unter 5 ppm, vorzugsweise unter 1 ppm, bevorzugter unter 0,5 ppm und besonders bevorzugt unter 0,3 ppm. Die Stabilität der Ausgangsspannung wird typischerweise über mehr als 12 Stunden, vorzugsweise über mehr als 24 Stunden, bevorzugter über mehr als 48 Stunden und insbesondere über mehr als 96 Stunden bereitgestellt. Die Stabilität der Ausgangsspannung wird typischerweise über einen Temperaturbereich von mehr als 10 °C, vorzugsweise über mehr als 15 °C, bevorzugter über mehr als 20 °C und insbesondere über mehr als 25 °C bereitgestellt.
  • Zum Beispiel kann in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine ultrastabile Gleichspannungsquelle 4 mit einer Spannungsstabilität unter 2 ppm über mehr als 24 Stunden und einen Temperaturbereich von mehr als 10 °C verwendet werden.
  • Die genaue Gleichspannungsquelle 6 stellt eine sehr genaue DC-Ausgangsspannung mit einer Produktionsgenauigkeit bereit, die typischerweise unter 1.000 ppm, vorzugsweise unter 400 ppm, bevorzugter unter 250 ppm und am meisten bevorzugt unter 100 ppm liegt.
  • Zum Beispiel kann in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine genaue Gleichspannungsquelle 6 mit einer Produktionsgenauigkeit unter 500 ppm verwendet werden.
  • In der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 hat die von der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 zugeführte Spannung einen höheren Absolutwert als die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführte Spannung.
  • Typischerweise ist in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 mindestens 2 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Vorzugsweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 mindestens 10 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Bevorzugter ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 mindestens 25 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6.
  • Typischerweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 nicht mehr als 500 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Vorzugsweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 nicht mehr als 200 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Bevorzugter ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 nicht mehr als 100 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6.
  • Typischerweise stellen beide Spannungsquellen der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung, die ultrastabile Gleichstromquelle 4 und die genaue Gleichspannungsquelle 6, Spannungen mit einem Absolutwert im Bereich von 0,5 V bis 100 V, vorzugsweise im Bereich von 2 V und 20 V, und bevorzugter im Bereich von 2,5 V bis 10 V, bereit. Zum Beispiel kann in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine ultrastabile Gleichstromquelle 4 verwendet werden, die eine durchschnittliche Spannung von 9 V bereitstellt, und eine genaue Gleichspannungsquelle 6, die eine Nennspannung von 7 V bereitstellt. Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 stellt dann eine Referenzspannung von 7 V bereit.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 umfasst auch eine Abstimmeinheit 8, die ein abstimmbarer Spannungsteiler sein kann. Ein abstimmbarer Spannungsteiler umfasst mindestens einen Widerstand, vorzugsweise ein Netzwerk verbundener Widerstände. In der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 wird die Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 an zwei (Eingangs-) Anschlüsse (nicht dargestellt) der durch den Pfeil 10 dargestellten Abstimmeinheit 8 angelegt. Die Abstimmeinheit 8 umfasst einen Ausgangsanschluss (nicht dargestellt), an den die Abstimmeinheit 8 eine Ausgangsspannung bereitstellt. Wenn die Abstimmeinheit 8 ein abstimmbarer Spannungsteiler ist, wird die Ausgangsspannung durch Abgreifen der Spannung vom Widerstand oder vom Widerstandsnetzwerk des abstimmbaren Spannungsteilers bereitgestellt.
  • Die Abstimmeinheit 8 stellt eine Ausgangsspannung bereit, die eingestellt werden kann.
  • Die Abstimmeinheit 8 der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 kann analog oder digital abgestimmt werden. In einer analogen Abstimmeinheit kann die Abstimmung auch durch eine elektrische Komponente des Stromkreises oder eine mechanische Komponente der Abstimmeinheit 8 ausgeführt werden, wodurch dem (Ausgangs-) Anschluss der Abstimmeinheit 8 eine abgestimmte Ausgangsspannung bereitgestellt wird. Wenn die Abstimmeinheit digital abgestimmt ist, wird mindestens einem Abstimmeingang (nicht dargestellt) der Abstimmeinheit 8 ein digitales Signal von einem oder mehreren Bits bereitgestellt.
  • In der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 ist die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 die Referenzspannung, die von der Spannungsversorgung 2 bereitgestellt wird.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 umfasst auch einen Komparator 12. Vorzugsweise umfasst der Komparator 12 einen Operationsverstärker, der bevorzugter ein Differenzverstärker ist, und insbesondere vorzugsweise ein Differenzverstärker mit hoher Verstärkung, der ein digitales Signal bereitstellt.
  • In der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 werden die Ausgangsspannung des durch den Pfeil 14 dargestellten abstimmbaren Spannungsteilers 8 und die durch den Pfeil 16 dargestellte Spannung der genauen Spannungsquelle 6 dem Komparator 12 der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 bereitgestellt, der die Spannungssignale vergleicht. Der Komparator 12 stellt ein Ausgangssignal bereit, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt. Das Ausgangssignal kann ein Signal sein, das gleich oder proportional zu der Differenz der verglichenen Spannungen ist. Das Ausgangssignal, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt, kann auch ein digitales Signal sein, das nur die Ausgangssignale 0 und 1 aufweist. Durch diese Signale wird nur angegeben, welche der zwei Eingangsspannungen den höheren Wert hat.
  • Für einen derartigen Komparator kann ein Differenzverstärker mit hoher Verstärkung verwendet werden, der eine sehr niedrige oder eine sehr hohe Spannung bereitstellt, die dann als Signal 0 und 1 identifiziert sind.
  • Die erfindungsgemäße Stromversorgung 2 umfasst auch eine Steuereinheit 18.
  • Das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal, das sich in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 aus dem Vergleich der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Spannungsquelle 6 ergibt, wird der Steuereinheit 18 als Eingangssignal bereitgestellt, das durch den Pfeil 20 dargestellt ist.
  • Die Steuereinheit 18 in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 stimmt die Abstimmeinheit 8 entsprechend dem vom Komparator 12 bereitgestellten Signal ab, um die Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren. Um dies zu erreichen, stellt die Steuereinheit 18 ein Ausgangssignal bereit, das der durch den Pfeil 22 dargestellten Abstimmeinheit 8 bereitgestellt wird.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal angibt, dass die Gesamtdifferenz der Ausgangsspannung der Abstimmung 8 zur Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 unter einem definierten Minimalwert liegt, wird die Abstimmung durch die Steuereinheit 18 gestoppt. Vorzugsweise liegt das Verhältnis des definierten Minimalwerts, wenn die Abstimmung des abstimmbaren Spannungsteilers 8 gestoppt ist, zum nominalen Mittelwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung unter 500 ppm, vorzugsweise unter 200 ppm, bevorzugter unter 50 ppm und am meisten bevorzugt unter 10 ppm.
  • Beispielsweise kann in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der definierte Minimalwert 140 µV betragen. Für eine Nennspannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 von 7 V beträgt dann das Verhältnis des definierten Minimalwertes zum nominalen Mittelwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung 20 ppm.
  • Dann stellt die Abstimmeinheit 8 eine Ausgangsspannung bereit, die in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung mit der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 und der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 ist. Der Durchschnitt der Ausgangsspannung des Teilers der Abstimmeinheit 8 ist gleich dem Durchschnitt der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung. Die bereitgestellte Referenzspannung weist also - abgesehen von einer Differenz, die kleiner als der definierte Minimalwert ist - den Wert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung und die gleiche Genauigkeit auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 weist sie nun die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 auf.
  • Wenn das von dem Komparator 12 bereitgestellte Signal, das der Steuereinheit 18 bereitgestellt wird, gleich oder proportional zu der Differenz der verglichenen Spannungen ist, reagiert die Steuereinheit 18 entsprechend der erfassten Spannungsdifferenz und stellt der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereit, um ihre Ausgangsspannung entsprechend der erkannten Spannungsdifferenz zu erhöhen oder zu verringern. In der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 wird die Differenz der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 reduziert.
  • Das von der Steuereinheit 18 (Pfeil 22) in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 bereitgestellte Signal erhöht die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8, wenn der Wert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher ist als die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8.
  • Insbesondere wenn der Komparator 12 in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 ein digitales Signal bereitstellt, gibt das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen ersten Wert an, dass die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher ist als die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8. Die Steuereinheit reagiert auf den ersten Wert des vom Komparator bereitgestellten digitalen Signals und stellt der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereit, um deren Ausgangsspannung zu erhöhen.
  • Das von der Steuereinheit 18 in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 bereitgestellte Ausgangssignal verringert die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8, wenn der Wert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 niedriger ist als die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8.
  • Insbesondere wenn der Komparator 12 in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 ein digitales Signal bereitstellt, gibt das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen zweiten Wert an, dass die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 niedriger ist als die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8. Die Steuereinheit reagiert auf den zweiten Wert des vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signals und stellt der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereit, um ihre Ausgangsspannung zu verringern.
  • Vorzugsweise wird das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 schrittweise reduziert, indem die Steuereinheit 18 entsprechend der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereitstellt.
  • Durch diese reduzierte Änderung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 wird die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 minimiert.
  • In der ersten Ausführungsform von 1 wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 als Referenzspannung an einen durch den Pfeil 26 dargestellten Spannungsverstärker 24, der eine verstärkte Spannung an eine durch den Pfeil 30 dargestellte Elektrode 28 anlegt, angelegt. Die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 wird über einen Switch 32 an den Spannungsverstärker 24 angelegt. Entsprechend wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 direkt an den durch den Pfeil 34 dargestellten Switch 32 angelegt.
  • Der Switch 32 wird in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 mit dem Spannungsverstärker 24 zu einem definierten Zeitpunkt nach Aktivierung der Spannungsversorgung 2 verbinden. Vorzugsweise wird die Zeitverzögerung zum Verbinden der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 mit dem Spannungsverstärker 24 so gewählt, dass die Abstimmung der Abstimmeinheit 8 durch die Steuereinheit 18 beendet ist, bevor die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 mit dem Spannungsverstärker 24 verbunden wird. Dann ist die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 eine Referenzspannung mit der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 und der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4, die an den Spannungsverstärker 24 angelegt wird. Dann führt der Spannungsverstärker 24 der Elektrode 28 eine Spannung von hoher Genauigkeit und Stabilität basierend auf der Referenzspannung zu, die von der Stromversorgung 2 bereitgestellt wird.
  • In einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 ist der Switch 32 eine Komponente der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 und die Steuereinheit 18 sendet ein Schaltsignal an den Switch 32, wenn die Abstimmung der Abstimmeinheit 8 durch die Steuereinheit 18 gestoppt wird. Dann wird der Switch 32 aufgrund des empfangenen Schaltsignals betätigt und eine Spannung, die basierend auf der an den Switch angelegten Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 bereitgestellt wird, wird von der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 über den Switch 32 als Referenzspannung bereitgestellt.
  • Wenn die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 die gleichen Komponenten aufweist wie die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 und ferner die Steuereinheit 18 mit dem Switch 32 verbunden ist, um ein Schaltsignal an den Switch 32 zu senden, und der Switch 32 aufgrund des empfangenen Schaltsignals, das nachdem Abstimmen der Abstimmeinheit 8 gesendet wird, betätigt wird, wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 nach der Betätigung des Switches mit dem Spannungsverstärker 24 verbunden. Dann wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 an dem Spannungsverstärker 24 als ultrastabile und genaue Referenzspannung angelegt.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2. Schematisch sind die Hauptkomponenten der Spannungsversorgung 2 dargestellt, die für die Erfindung wesentlich sind. Für Komponenten der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der zweiten und aller weiteren Ausführungsformen werden die gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsformen verwendet, wenn die gleichen Komponenten in den Ausführungsformen verwendet werden.
  • Da die meisten Komponenten in den folgenden Ausführungsformen dieselben sind wie in den vorhergehenden Ausführungsformen, werden diese Komponenten für die folgenden Ausführungsformen nicht beschrieben und es wird auf die Beschreibung dieser Komponenten in Bezug auf 1 oder andere vorhergehende Ausführungsformen und deren verwandte Figuren verwiesen.
  • Der Hauptunterschied der ersten und zweiten Ausführungsform besteht darin, dass der Switch 32 eine Komponente der Spannungsversorgung 2 in der zweiten Ausführungsform ist. Der Switch 32 kann auch die an den Switch 32 angelegten Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 mit dem Spannungsverstärker 24 verbinden, der eine verstärkte Spannung an eine Elektrode 28 anlegt. Die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 wird jedoch auch an den durch den Pfeil 36 dargestellten Switch 32 bereitgestellt.
  • Ein zusätzlicher Unterschied der ersten und zweiten Ausführungsform besteht darin, dass die Steuereinheit 18 auch ein durch den Pfeil 38 dargestelltes Schaltsignal an den Switch 32 bereitstellt.
  • Die zweite Ausführungsform der Spannungsversorgung 2 kann das folgende Kalibrierungsverfahren der Spannungsversorgung 2 ausführen, um eine Referenzspannung mit hoher Genauigkeit und Stabilität bereitzustellen.
  • Wenn die Spannungsversorgung 2 aktiviert ist, verbindet der Switch 32 in einem ersten Schritt die genaue Gleichspannungsquelle 6 mit dem Spannungsverstärker 24, der eine verstärkte Spannung an eine Elektrode 28 anlegt. Auf dieser Stufe des Kalibrierungsverfahrens ist die Nennspannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 bereits an dem Spannungsverstärker 24 angelegt. Die angelegte Spannung ist also bereits genau, weist jedoch entsprechend der Stabilität der genauen Gleichspannungsquelle 6 eine begrenzte Stabilität auf.
  • In diesem ersten Schritt wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 nicht über den Switch 32 mit dem Spannungsverstärker 24 verbunden.
  • Wie bereits für die erste Ausführungsform im Detail beschrieben, stimmt die Steuereinheit 18 der Spannungsversorgung 2 im zweiten Schritt die Abstimmeinheit 8 entsprechend dem vom Komparator 12 bereitgestellten Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal angibt, dass die absolute Differenz der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 zur Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 unter einem definierten Minimalwert liegt, wird die Abstimmung durch die Steuereinheit 18 gestoppt. Dann sendet die Steuereinheit in einem dritten Schritt ein Schaltsignal an den durch den Pfeil 38 dargestellten Switch 32. Wenn der Switch 32 das Schaltsignal empfangen hat, wird der Switch 32 betätigt, und dann wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 mit dem Spannungsverstärker 24 verbunden und die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführte Spannung durch den Switch von dem Spannungsverstärker 24 getrennt. Dann ist die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 eine Referenzspannung mit der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 und der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4, die an dem Spannungsverstärker 24 angelegt ist. Dann führt der Spannungsverstärker 24 der Elektrode 28 eine Spannung von hoher Genauigkeit und Stabilität basierend auf der Referenzspannung zu, die von der Stromversorgung 2 bereitgestellt wird.
  • Somit wird in der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 zunächst die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 kalibriert, um die beabsichtigte Referenzspannung mit hoher Genauigkeit und Stabilität bereitzustellen, und wenn die Steuerschaltung 18 der Spannungsversorgung 2 dies erreicht hat, wird der Switch 32 betätigt, um die optimierte Referenzspannung dem Spannungsverstärker 24 bereitzustellen. Während dieser Kalibrierung wird die Nennspannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 an den Spannungsverstärker 24 mit einer begrenzten Stabilität angelegt.
  • Diese begrenzte Stabilität der an den Spannungsverstärker 24 während der Abstimmungsperiode der Referenzspannung mit hoher Genauigkeit und Stabilität angelegten Spannung ist unkritisch, da die Abstimmungsperiode typischerweise im Bereich von einigen Sekunden liegt, während der Warmlauf einer aktivierten Spannungsversorgung der Elektrode, die typischerweise eine hohe Spannung im kV-Bereich bereitstellt, erheblich länger dauert, typischerweise im Bereich von 30 bis 60 Minuten. Und selbst wenn ein Instrument nur für kurze Zeit ausgeschaltet wird, benötigt die Elektronik, die der Elektrode die Spannung zuführt, einige Zeit, typischerweise im Bereich von einigen Sekunden bis einigen Minuten, um sich zu stabilisieren. In dieser Phase ist es hilfreich, wenn die genaue Gleichspannungsquelle 6 eine Spannung bereitstellt, die bereits den Wert der erforderlichen Referenzspannung aufweist, da den elektrischen Komponenten, insbesondere den Widerständen, bereits die richtige Leistung zugeführt wird. Dass in dieser Phase die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 bereitgestellte Spannung eine begrenzte Stabilität aufweist, ist nicht relevant.
  • 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2. Schematisch sind die Hauptkomponenten der Spannungsversorgung 2 dargestellt, die für die Erfindung wesentlich sind. Für Komponenten der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der dritten Ausführungsform werden dieselben Referenzzeichen wie in der ersten Ausführungsform von 1 oder der zweiten Ausführungsform von 2 verwendet, wenn dieselben Komponenten verwendet werden.
  • Die Spannungsversorgung 2 der dritten Ausführungsform umfasst im Prinzip die gleichen Komponenten wie die zweite Ausführungsform, jedoch kommt für mehrere Komponenten eine digitale Technologie zur Anwendung, die die Funktionalität der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 weiter verbessern kann.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 der dritten Ausführungsform umfasst zwei verschiedene Gleichspannungsquellen, eine ultrastabile Gleichspannungsquelle 4 (V1) und eine genaue Gleichspannungsquelle 6 (V2).
  • Die Parameter einer solchen ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 (V1) und einer genauen Gleichspannungsquelle 6 (V2) sind die gleichen wie für die erste Ausführungsform beschrieben. Auch das Verhältnis der Absolutwerte der Spannungen dieser Gleichspannungen ist das gleiche wie für die erste Ausführungsform beschrieben.
  • Zum Beispiel kann in der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine ultrastabile Gleichstromquelle 4 verwendet werden, die eine durchschnittliche Spannung von 7 V bereitstellt, und eine genaue Gleichspannungsquelle 6, die eine Nennspannung von 5 V bereitstellt. Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 stellt eine Referenzspannung von 5 V bereit.
  • Die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 umfasst eine Abstimmeinheit, die ein Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 ist. Ein digitales Signal mit mehreren Bits wird dem digitalen Eingang des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 bereitgestellt, um den Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 digital abzustimmen.
  • Die Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 wird an zwei (Eingangs-) Anschlüssen (nicht dargestellt) des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108, dargestellt durch den Pfeil 10, angelegt. Der Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 umfasst einen Ausgangsanschluss (nicht dargestellt), dem der Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 eine Ausgangsspannung durch Abgreifen der Spannung aus dem Widerstandsnetzwerk des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 bereitstellt.
  • Die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 ist die Referenzspannung, die von der Spannungsversorgung 2 bereitgestellt wird.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 umfasst auch einen Komparator 12. Vorzugsweise umfasst der Komparator 12 einen Operationsverstärker, der ein Differenzverstärker ist.
  • Die durch den Pfeil 14 dargestellte Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 und die durch den Pfeil 16 dargestellte Spannung der genauen Spannungsquelle 6 werden dem Komparator 12 der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2, der die Spannungssignale vergleicht, bereitgestellt. Der Komparator 12 stellt ein Ausgangssignal bereit, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt. Das Ausgangssignal, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt, ist ein digitales Signal, das nur das Ausgangssignal 0 und 1 aufweist. Durch diese Signale wird nur angegeben, welche der zwei Eingangsspannungen den höheren Wert hat.
  • Für einen derartigen Komparator kann ein Differenzverstärker mit hoher Verstärkung verwendet werden, der eine sehr niedrige oder eine sehr hohe Spannung bereitstellt, die dann als Signal 0 und 1 identifiziert sind.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 umfasst auch eine Steuereinheit, die der Prozessor 118 ist. Ein Computerprogramm kann vom Prozessor ausgeführt werden, um die Spannungsversorgung 2 gemäß den beschriebenen Schritten zu betreiben.
  • Das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal, das sich aus dem Vergleich der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 und der Spannung der genauen Spannungsquelle 6 ergibt, wird dem Prozessor 118 als Eingangssignal bereitgestellt, wie durch den Pfeil 20 dargestellt.
  • Der Prozessor 118 stimmt den Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 entsprechend dem vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren. Um dies zu erreichen, stellt der Prozessor 118 ein digitales Ausgangssignal bereit, das dem durch den Pfeil 22 dargestellten Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 bereitgestellt wird.
  • Das vom Prozessor 118 (Pfeil 22) bereitgestellte Ausgangssignal erhöht die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108, wenn der Wert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher ist als die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen ersten Wert angibt, dass die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher als die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 ist, reagiert der Prozessor 118 auf den ersten Wert des vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signals und stellt ein digitales Signal an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 bereit, um dessen Ausgangsspannung zu erhöhen.
  • Das vom Prozessor 118 bereitgestellte Ausgangssignal verringert die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108, wenn der Wert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 niedriger ist als die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen zweiten Wert angibt, dass die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 niedriger als die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 ist, reagiert der Prozessor 118 auf den zweiten Wert des vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signals und stellt ein digitales Signal an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 bereit, um dessen Ausgangsspannung zu verringern.
  • Vorzugsweise wird die Zunahme und Abnahme der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 schrittweise reduziert, indem der Prozessor 118 dem Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 entsprechend ein Signal bereitstellt. Durch diese reduzierte Änderung der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 wird die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 minimiert.
  • Dann stellt der Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 eine Ausgangsspannung bereit, die eine Referenzspannung ist, die die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 und die Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 aufweist. Der Durchschnitt der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 ist gleich dem Durchschnitt der Spannung, die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführt wird. Die bereitgestellte Referenzspannung weist also - abgesehen von einer kleinen Differenz - den Wert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung und die gleiche Genauigkeit auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 weist sie nun die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Digital-Analog-Wandler 108 ein Widerstandsleiternetzwerk, insbesondere ein R-2R-Widerstandsleiternetzwerk. Das vom Prozessor 118 in dieser bevorzugten Ausführungsform bereitgestellte digitale Signal ist ein digitales Signal mit einer spezifischen Anzahl von Bits. Vorzugsweise ist das digitale Signal ein Signal von mindestens 16 Bit, insbesondere vorzugsweise von mindestens 20 Bit. Basierend auf dem vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signal wendet der Prozessor das Verfahren der sukzessiven Näherung an, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren. Bei diesem Verfahren wird gemäß den Bits des vom Prozessor 118 an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 bereitgestellten digitalen Signals die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 durch das R-2R-Widerstandsleiternetz bestimmt. Das Widerstandsnetzwerk teilt mit jedem gesetzten Bit (Wert 1) die bereitgestellte Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 in gleiche Anteile. Das erste Bit teilt also die Spannung in Anteile von ½, das zweite die verbleibende Spannung in Anteile von ¼, das dritte die verbleibende Spannung in Anteile von 1/8 und so weiter.
  • Vor der Näherung werden alle Bits des digitalen Signals auf 0 gesetzt (alternativ können sie alle auf 1 gesetzt werden). Wenn der Komparator 12 zu Beginn der Näherung zum ersten Mal ein digitales Signal bereitstellt, das angibt, ob die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher oder niedriger als die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 ist, wird das erste Bit entsprechend vom Prozessor gesetzt, um die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 entsprechend anzupassen. Normalerweise wird in diesem ersten Iterationsschritt das erste Bit auf 1 gesetzt und entsprechend ist die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 die Hälfte der Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4. Dann stellt der Komparator 12 in der nächsten Iteration ein zweites digitales Signal bereit, das angibt, ob die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher oder niedriger als die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 ist. Wenn nun die Spannung der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 deshalb, weil das Bit zuvor auf 1 gesetzt wurde, zu hoch ist, wird das Bit zurückgesetzt und das zweite Bit wird auf 1 gesetzt. Andernfalls wird das zweite Bit auf 1 gesetzt und das erste Bit bleibt unverändert. Dann stellt der Komparator 12 in der nächsten Iteration ein drittes digitales Signal bereit, das angibt, ob die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher oder niedriger als die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 ist. Wenn nun die Spannung der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 deshalb, weil das (zweite) Bit zuvor auf 1 gesetzt wurde, zu hoch ist, wird das Bit zurückgesetzt und das dritte Bit wird auf 1 gesetzt. Andernfalls wird nur das dritte Bit auf 1 gesetzt und das zweite Bit bleibt unverändert.
  • Während der Iterationsschritte des Verfahrens wird jedes der Bits des vom Prozessor 118 an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 bereitgestellten digitalen Signals gesetzt und die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 korrekt auf die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 eingestellt. Die Genauigkeit dieser Einstellung nimmt schnell zu und somit beträgt das Verhältnis der verbleibenden absoluten Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 am Ende der Näherung an den nominalen Mittelwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 für ein 20-Bit-Signal, das vom Prozessor 118 dem Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 bereitgestellt wird, 1 ppm, für ein 16-Bit-Signal 15 ppm und ein 14-Bit-Signal 61 ppm. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Komparators könnte die verbleibende absolute Differenz auch größer als diese Werte sein, dies ist jedoch nicht relevant, solange die Referenzspannung nun die erforderliche Stabilität aufweist.
  • In der Ausführungsform von 3 wird die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 als Referenzspannung an einen durch den Pfeil 26 dargestellten Spannungsverstärker 24, der eine verstärkte Spannung an eine durch den Pfeil 30 dargestellte Elektrode 28 anlegt, angelegt. Die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 wird nach Beendigung des Abstimmprozesses über einen Switch 32 an dem Spannungsverstärker 24 angelegt. Entsprechend wird die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 direkt an den durch den Pfeil 34 dargestellten Switch 32 angelegt.
  • Die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 wird auch an den durch den Pfeil 36 dargestellten Switch 32 bereitgestellt.
  • Der Prozessor 118 stellt dem durch den Pfeil 38 dargestellten Switch 32 ein Schaltsignal bereit.
  • Die dritte Ausführungsform der Spannungsversorgung 2 kann das folgende Kalibrierungsverfahren der Spannungsversorgung 2 ausführen, um eine Referenzspannung mit hoher Genauigkeit und Stabilität bereitzustellen.
  • Wenn die Spannungsversorgung 2 aktiviert ist, verbindet der Switch 32 in einem ersten Schritt die genaue Gleichspannungsquelle 6 mit dem Spannungsverstärker 24, der eine verstärkte Spannung an eine Elektrode 28 anlegt. Auf dieser Stufe des Kalibrierungsverfahrens ist die Nennspannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 bereits an dem Spannungsverstärker 24 angelegt. Die angelegte Spannung ist also bereits genau, weist jedoch entsprechend der Stabilität der genauen Gleichspannungsquelle 6 eine begrenzte Stabilität auf.
  • In diesem ersten Schritt ist die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 nicht über den Switch 32 mit dem Spannungsverstärker 24 verbunden.
  • Der Prozessor 118 der Spannungsversorgung 2 stimmt im zweiten Schritt den Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 entsprechend dem vom Komparator 12 bereitgestellten Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6, wie zuvor beschrieben, vorzugsweise unter Verwendung des Verfahrens der sukzessiven Näherung zu minimieren.
  • Wenn die Abstimmung durch den Prozessor 118 beendet ist, was bedeutet, dass alle Bits gesetzt sind, wenn das Verfahren der sukzessiven Näherung verwendet wird, sendet der Prozessor 118 in einem dritten Schritt ein Schaltsignal an den durch den Pfeil 38 dargestellten Switch 32. Wenn der Switch 32 das Schaltsignal empfangen hat, wird der Switch betätigt und dann wird die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 mit dem Spannungsverstärker 24 verbunden und die zugeführte Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 wird durch den Switch vom Spannungsverstärker 24 getrennt. Dann ist die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 eine Referenzspannung mit der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 und der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4, die an dem Spannungsverstärker 24 angelegt wird. Dann führt der Spannungsverstärker 24 der Elektrode 28 eine Spannung von hoher Genauigkeit und Stabilität basierend auf der Referenzspannung zu, die von der Spannungsversorgung 2 bereitgestellt wird.
  • Somit wird in der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 zunächst die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 kalibriert, um die beabsichtigte Referenzspannung mit hoher Genauigkeit und Stabilität bereitzustellen, und wenn die Steuerschaltung der Spannungsversorgung 2 dies erreicht hat, wird der Switch 32 betätigt, um dem Spannungsverstärker 24 die optimierte Referenzspannung bereitzustellen. Während dieser Kalibrierung wird die Nennspannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 an dem Spannungsverstärker 24 angelegt, der eine begrenzte Stabilität aufweist.
  • 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2.
  • In dieser Ausführungsform, in der im Allgemeinen alle Komponenten die gleichen wie in der ersten Ausführungsform sind, wird die von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführte Spannung nicht direkt an (Eingangs-) Anschlüsse (nicht dargestellt) der Abstimmeinheit 8 angelegt. Die Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 wird an einen Spannungsverstärker 180 angelegt - in der weiteren Spezifikation als ultrastabiler Spannungsverstärker 180 bezeichnet - der durch den Pfeil 182 dargestellt wird. Die am Ausgang des ultrastabilen Spannungsverstärkers 180 bereitgestellte verstärkte Spannung wird dann zwei (Eingangs-) Anschlüssen (nicht dargestellt) der Abstimmeinheit 8, dargestellt durch den Pfeil 10 als Beispiel einer ultrastabilen Spannung, die auf der zugeführten Spannung der ultrastabilen Spannungsquelle 4 basiert, bereitgestellt.
  • In der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 weist die am Ausgang des ultrastabilen Spannungsverstärkers 180 bereitgestellte verstärkte Spannung einen höheren Absolutwert als die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführte Spannung auf. Die von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführte Spannung kann einen niedrigeren Absolutwert aufweisen als die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführte Spannung.
  • Typischerweise ist in der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der Absolutwert der am Ausgang des ultrastabilen Spannungsverstärkers 180 bereitgestellten verstärkten Spannung mindestens 2 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Vorzugsweise ist der Absolutwert der am Ausgang des ultrastabilen Spannungsverstärkers 180 bereitgestellten verstärkten Spannung mindestens 10 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Bevorzugter ist der Absolutwert der am Ausgang des ultrastabilen Spannungsverstärkers 180 bereitgestellten verstärkten Spannung mindestens 25 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6.
  • Typischerweise ist der Absolutwert der am Ausgang des ultrastabilen Spannungsverstärkers 180 bereitgestellten verstärkten Spannung nicht mehr als 500 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Vorzugsweise ist der Absolutwert der am Ausgang des ultrastabilen Spannungsverstärkers 180 bereitgestellten verstärkten Spannung nicht mehr als 200 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Bevorzugter ist der Absolutwert der am Ausgang des ultrastabilen Spannungsverstärkers 180 bereitgestellten verstärkten Spannung nicht mehr als 100 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6.
  • Zum Beispiel kann in der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine ultrastabile Gleichstromquelle 4 verwendet werden, die eine durchschnittliche Spannung von 4 V bereitstellt, und eine genaue Gleichspannungsquelle 6, die eine Nennspannung von 5 V bereitstellt. Der ultrastabile Spannungsverstärker 180 verstärkt dann die durchschnittliche Spannung von 4 V, die von der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 bereitgestellt wird, auf eine verstärkte Spannung von 7 V, die den zwei (Eingangs-) Anschlüssen (nicht dargestellt) der Abstimmeinheit 8 bereitgestellt wird. Dann stellt die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung von 5 V bereit.
  • Da alle anderen Komponenten der ersten und vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung gleich sind, stellt die Abstimmeinheit 8 der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Ausgangsspannung bereit, die die von der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 bereitgestellte Referenzspannung ist, die die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 und die Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 aufweist. Dies ist insbesondere dann zutreffend, wenn der ultrastabile Spannungsverstärker 180 keinen Einfluss auf die Stabilität der an die Abstimmeinheit 8 angelegten verstärkten Spannung hat, so dass die am Ausgang des ultrastabilen Spannungsverstärkers 180 und der Abstimmeinheit 8 bereitgestellte verstärkte Spannung die gleiche Stabilität wie die von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführte Spannung aufweist. Andernfalls kann die Leistung der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 etwas reduziert sein. Trotzdem stellt jedoch die vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung von hoher Genauigkeit und hoher Stabilität bereit.
  • Der Durchschnitt der Ausgangsspannung des Teilers der Abstimmeinheit 8 der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 ist nach der Abstimmungsperiode gleich dem Durchschnitt der Spannung, die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 während der Abstimmungsperiode zugeführt wird. Die bereitgestellte Referenzspannung hat also - abgesehen von einer Differenz, die kleiner ist als der definierte Minimalwert der Gesamtdifferenz der Ausgangsspannung der Abstimmung 8 zur Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6, unterhalb derer die Abstimmung durch die Steuereinheit 18 gestoppt wird - den Wert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung und die gleiche Genauigkeit. Aber wegen der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 weist nun die bereitgestellte Referenzspannung die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 auf.
  • 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2.
  • In dieser Ausführungsform, in der im Allgemeinen alle Komponenten die gleichen sind wie in der ersten Ausführungsform, wird die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8 einem Verstärker 183 bereitgestellt, der in der weiteren Spezifikation als Ausgangsspannungsverstärker 183 bezeichnet ist. Der Ausgangsspannungsverstärker 183 verstärkt die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8. Somit wird am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 eine verstärkte Ausgangsspannung bereitgestellt. Diese verstärkte Ausgangsspannung ist ein Beispiel für eine Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 basiert.
  • In der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 werden die am Ausgang des durch den Pfeil 184 dargestellten Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung und die durch den Pfeil 16 dargestellte Spannung der genauen Spannungsquelle 6 dem Komparator 12 der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2, der die Spannungsignale vergleicht, bereitgestellt. Der Komparator 12 stellt ein Ausgangssignal bereit, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt. Das Ausgangssignal kann ein Signal sein, das gleich oder proportional zu der Differenz der verglichenen Spannungen ist. Das Ausgangssignal, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt, kann auch ein digitales Signal sein, das nur die Ausgangssignale 0 und 1 aufweist. Durch diese Signale wird nur angegeben, welche der zwei Eingangsspannungen den höheren Wert oder den höheren Absolutwert hat.
  • In der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 kann die von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführte Spannung einen höheren Absolutwert aufweisen als die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführte Spannung.
  • Das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal, das sich in der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 aus dem Vergleich der verstärkten Ausgangsspannung, die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellt wird, und der Spannung der genauen Spannungsquelle 6 ergibt, wird der Steuereinheit 18 als Eingangssignal bereitgestellt, das durch den Pfeil 20 dargestellt ist.
  • Die Steuereinheit 18 in der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 stimmt die Abstimmeinheit 8 entsprechend dem vom Komparator 12 bereitgestellten Signal ab, um die Differenz zwischen der am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellten verstärkten Ausgangsspannung und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren. Um dies zu erreichen, stellt die Steuereinheit 18 ein Ausgangssignal bereit, das der durch den Pfeil 22 dargestellten Abstimmeinheit 8 bereitgestellt wird.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal angibt, dass die Gesamtdifferenz der am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellten verstärkten Ausgangsspannung zur Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 unter einem definierten Minimalwert liegt, wird die Abstimmung durch die Steuereinheit 18 gestoppt. Vorzugsweise liegt das Verhältnis des definierten Minimalwerts, wenn die Abstimmung des abstimmbaren Spannungsteilers 8 gestoppt ist, zum nominalen Mittelwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung unter 500 ppm, vorzugsweise unter 200 ppm, bevorzugter unter 50 ppm und am meisten bevorzugt unter 10 ppm.
  • Beispielsweise kann in der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der definierte Minimalwert 210 µV betragen. Für eine Nennspannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 von 7 V beträgt dann das Verhältnis des definierten Minimalwertes zum nominalen Mittelwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung 30 ppm.
  • Wenn das Ausgangssignal des Komparators 12 ein digitales Signal ist, das nur angibt, welche der zwei Komponenten einen höheren Wert oder einen höheren Absolutwert hat; und ein Ausgangssignal 22, das der Abstimmeinheit 8 von der Steuereinheit 18 bereitgestellt wird, eine Änderung der am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellten verstärkten Ausgangsspannung nur für einen Wert induziert, der unter dem definierten Minimalwert der Gesamtdifferenz der am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellten verstärkten Ausgangsspannung zur Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 liegt, wenn der Abstimmprozess gestoppt werden soll, gibt eine Änderung des vom Komparator aufgrund der induzierten Änderung bereitgestellten digitalen Signals an, dass die Gesamtdifferenz der verstärkten Ausgangsspannung, die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellt wird, zur Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 unter dem definierten Minimalwert liegt. Entsprechend wird der Abstimmprozess von der Steuereinheit 18 gestoppt.
  • Dann stellt die Abstimmeinheit 8 eine Ausgangsspannung bereit, die in der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Spannung mit der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 und der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 ist. Der Durchschnitt der am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellten verstärkten Ausgangsspannung ist gleich dem Durchschnitt der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung. Somit hat die bereitgestellte Referenzspannung, die in der fünften Ausführungsform die verstärkte Ausgangsspannung ist, die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellt wird, - abgesehen von einer Differenz, die kleiner als der definierte Minimalwert ist - den Wert der Spannung, die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführt wird, und die gleiche Genauigkeit. Aufgrund der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 weist sie nun die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 auf.
  • Somit ist die durch die fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung bereitgestellte Referenzspannung, die die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung ist, eine Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit basiert. In dieser Ausführungsform ist die bereitgestellte Referenzspannung eine verstärkte Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8, wobei die Verstärkung der Verstärkung durch den verstärkenden Ausgangsspannungsverstärker 183 definiert wird.
  • Wenn das von dem Komparator 12 bereitgestellte Signal, das der Steuereinheit 18 bereitgestellt wird, gleich oder proportional zu der Differenz der verglichenen Spannungen ist, reagiert die Steuereinheit 18 entsprechend der erfassten Spannungsdifferenz und stellt der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereit, um ihre Ausgangsspannung entsprechend der erkannten Spannungsdifferenz zu erhöhen oder zu verringern. In der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 wird die absolute Differenz der am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellten verstärkten Ausgangsspannung und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 reduziert.
  • Das von der Steuereinheit 18 (Pfeil 22) in der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 bereitgestellte Ausgangssignal erhöht die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8 und entsprechend die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung, wenn der Wert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher ist als die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung.
  • Insbesondere wenn der Komparator 12 in der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 ein digitales Signal bereitstellt, gibt das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen ersten Wert an, dass die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher ist als die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung. Die Steuereinheit reagiert auf den ersten Wert des vom Komparator bereitgestellten digitalen Signals und stellt der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereit, um deren Ausgangsspannung und entsprechend die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung zu erhöhen.
  • Das von der Steuereinheit 18 in der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 bereitgestellte Ausgangssignal verringert die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und entsprechend die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung, wenn der Wert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 niedriger ist als die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung.
  • Insbesondere wenn der Komparator 12 in der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 ein digitales Signal bereitstellt, gibt das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen zweiten Wert an, dass die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 niedriger ist als die verstärkte Ausgangsspannung, die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellt wird. Die Steuereinheit reagiert auf den zweiten Wert des vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signals und stellt der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereit, um deren Ausgangsspannung und entsprechend die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung zu verringern.
  • Vorzugsweise wird das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und entsprechend der am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellten verstärkten Ausgangsspannung schrittweise reduziert, indem die Steuereinheit 18 entsprechend der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereitstellt.
  • Durch diese reduzierte Änderung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und entsprechend die reduzierte Änderung der verstärkten Ausgangsspannung, die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 in der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 bereitgestellt ist, wird die absolute Differenz zwischen der am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellten verstärkten Ausgangsspannung und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 minimiert.
  • In der fünften Ausführungsform von 5 wird die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung als Referenzspannung an einen durch den Pfeil 185 dargestellten Spannungsverstärker 24 angelegt, der an eine durch den Pfeil 30 dargestellte Elektrode 28 eine verstärkte Spannung anlegt. Die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung wird über einen Switch 32 an den Spannungsverstärker 24 angelegt. Entsprechend wird die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung an dem durch den Pfeil 185 dargestellten Switch 32 angelegt.
  • Der Switch 32 wird in der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 die verstärkte Ausgangsspannung, die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 zu einem definierten Zeitpunkt nach Aktivierung der Spannungsversorgung 2 bereitgestellt wird, verbinden. Vorzugsweise wird die Zeitverzögerung zum Verbinden der am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellten verstärkten Ausgangsspannung mit dem Spannungsverstärker 24 so gewählt, dass die Abstimmung der Abstimmeinheit 8 durch die Steuereinheit 18 beendet ist, bevor die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung mit dem Spannungsverstärker 24 verbunden wird. Dann ist die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung eine Referenzspannung mit der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 und der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4, die an den Spannungsverstärker 24 angelegt wird. Dann führt der Spannungsverstärker 24 der Elektrode 28 eine Spannung von hoher Genauigkeit und Stabilität basierend auf der Referenzspannung zu, die von der Stromversorgung 2 bereitgestellt wird. Dies ist insbesondere dann zutreffend, wenn der Ausgangsspannungsverstärker 183 keinen Einfluss auf die Stabilität der an den Komparator 12 angelegten verstärkten Spannung hat, so dass die am Ausgang des Ausgangsspannungsverstärkers 183 bereitgestellte verstärkte Spannung die gleiche Stabilität wie die Spannung aufweist, die von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführt wird. Andernfalls kann die Leistung der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 etwas reduziert sein. Aber trotzdem stellt die fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung von hoher Genauigkeit und hoher Stabilität bereit.
  • 6 zeigt eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2.
  • In dieser Ausführungsform, in der im Allgemeinen alle Komponenten die gleichen sind wie in der ersten Ausführungsform, wird die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8 einem Verstärker 186 bereitgestellt, der in der weiteren Spezifikation als Referenzspannungsvorverstärker 186 bezeichnet wird. Der Referenzspannungsvorverstärker 186 verstärkt die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8. Somit wird am Ausgang des Referenzspannungsvorverstärkers 186 eine verstärkte Ausgangsspannung bereitgestellt. Diese verstärkte Ausgangsspannung ist eine Spannung, die auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 basiert und als Referenzspannung der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 bereitgestellt wird.
  • In der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 werden die Ausgangsspannung des durch den Pfeil 14 dargestellten abstimmbaren Spannungsteilers 8 und die durch den Pfeil 16 dargestellte Spannung der genauen Spannungsquelle 6 dem Komparator 12 der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 bereitgestellt, der die Spannungssignale vergleicht. Der Komparator 12 stellt ein Ausgangssignal bereit, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt. Das Ausgangssignal kann ein Signal sein, das gleich oder proportional zu der Differenz der verglichenen Spannungen ist. Das Ausgangssignal, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt, kann auch ein digitales Signal sein, das nur die Ausgangssignale 0 und 1 aufweist. Durch diese Signale wird nur angegeben, welche der zwei Eingangsspannungen den höheren Wert hat.
  • In der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 hat die von der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 zugeführte Spannung einen höheren Absolutwert als die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführte Spannung.
  • Typischerweise ist in der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 mindestens 2 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Vorzugsweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 mindestens 10 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Bevorzugter ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 mindestens 25 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6.
  • Typischerweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 nicht mehr als 500 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Vorzugsweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 nicht mehr als 200 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Bevorzugter ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 nicht mehr als 100 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6.
  • Zum Beispiel kann in der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine ultrastabile Gleichstromquelle 4 verwendet werden, die eine durchschnittliche Spannung von 9 V bereitstellt, und eine genaue Gleichspannungsquelle 6, die eine Nennspannung von 7 V bereitstellt.
  • Das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal, das sich in der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 aus dem Vergleich der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Spannungsquelle 6 ergibt, wird der Steuereinheit 18 als Eingangssignal bereitgestellt, das durch den Pfeil 20 dargestellt ist.
  • Die Steuereinheit 18 in der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 stimmt die Abstimmeinheit 8 entsprechend dem vom Komparator 12 bereitgestellten Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren. Um dies zu erreichen, stellt die Steuereinheit 18 ein Ausgangssignal bereit, das der durch den Pfeil 22 dargestellten Abstimmeinheit 8 bereitgestellt wird.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal angibt, dass die Gesamtdifferenz der Ausgangsspannung der Abstimmung 8 zur Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 unter einem definierten Minimalwert liegt, wird die Abstimmung durch die Steuereinheit 18 gestoppt. Vorzugsweise liegt das Verhältnis des definierten Minimalwerts, wenn die Abstimmung des abstimmbaren Spannungsteilers 8 gestoppt ist, zum nominalen Mittelwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung unter 500 ppm, vorzugsweise unter 200 ppm, bevorzugter unter 50 ppm und am meisten bevorzugt unter 10 ppm.
  • Beispielsweise kann in der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der definierte Minimalwert 140 µV betragen. Für eine Nennspannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 von 7 V beträgt dann das Verhältnis des definierten Minimalwertes zum nominalen Mittelwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung 20 ppm.
  • Dann stellt die Abstimmeinheit 8 eine Ausgangsspannung bereit, die in der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 dem Referenzspannungsvorverstärker 186 bereitgestellt wird, der die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8 verstärkt. Dann ist die vom Referenzspannungsvorverstärker 186 bereitgestellte verstärkte Spannung die Referenzspannung der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 mit der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 und der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6. Der Durchschnitt der Ausgangsspannung des Teilers der Abstimmeinheit 8 ist gleich dem Durchschnitt der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung. Somit weist die dem Referenzspannungsvorverstärker 186 bereitgestellte Spannung - abgesehen von einer Differenz, die kleiner als der definierte Minimalwert ist - den Wert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung und die gleiche Genauigkeit auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 weist die am Ausgang des Referenzspannungsvorverstärkers 186 als Referenzspannung bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung nun die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 auf.
  • Vorzugsweise wird das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 schrittweise reduziert, indem die Steuereinheit 18 entsprechend der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereitstellt.
  • Durch diese reduzierte Änderung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 in der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 wird die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 minimiert.
  • In der sechsten Ausführungsform von 6 wird die am Ausgang des Referenzspannungsvorverstärkers 186 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung als Referenzspannung an einen durch den Pfeil 187 dargestellten Spannungsverstärker 24 angelegt, der eine verstärkte Spannung an eine durch den Pfeil 30 dargestellte Elektrode 28 anlegt. Die am Ausgang des Referenzspannungsvorverstärkers 186 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung wird über einen Switch 32 an den Spannungsverstärker 24 angelegt. Entsprechend wird die am Ausgang des Referenzspannungsvorverstärkers 186 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung an dem durch den Pfeil 187 dargestellten Switch 32 angelegt.
  • Der Switch 32 wird in der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 die verstärkte Ausgangsspannung, die am Ausgang des Referenzspannungsvorverstärkers 186 bereitgestellt wird, zu einem definierten Zeitpunkt nach Aktivierung der Spannungsversorgung 2 mit dem Spannungsverstärker 24 verbinden. Vorzugsweise wird die Zeitverzögerung zum Verbinden der am Ausgang des Referenzspannungsvorverstärkers 186 bereitgestellten verstärkten Ausgangsspannung mit dem Spannungsverstärker 24 so gewählt, dass die Abstimmung der Abstimmeinheit 8 durch die Steuereinheit 18 beendet ist, bevor die am Ausgang des Referenzspannungsvorverstärkers 186 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung mit dem Spannungsverstärker 24 verbunden wird. Dann ist die am Ausgang des Referenzspannungsvorverstärkers 186 bereitgestellte verstärkte Ausgangsspannung eine Referenzspannung mit der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 und der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4, die an den Spannungsverstärker 24 angelegt wird. Dann führt der Spannungsverstärker 24 der Elektrode 28 eine Spannung von hoher Genauigkeit und Stabilität basierend auf der Referenzspannung zu, die von der Stromversorgung 2 bereitgestellt wird. Dies ist insbesondere dann zutreffend, wenn der Referenzspannungsvorverstärkers 186 keinen Einfluss auf die Stabilität der als Referenzspannung bereitgestellten verstärkten Spannung hat, so dass die am Ausgang des Referenzspannungsvorverstärkers 186 bereitgestellte verstärkte Spannung die gleiche Stabilität wie die Spannung aufweist, die von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführt wird. Andernfalls kann die Leistung der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 etwas reduziert sein. Aber trotzdem stellt die sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung von hoher Genauigkeit und hoher Stabilität bereit.
  • 7 zeigt eine siebte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2.
  • In dieser Ausführungsform, in der im Allgemeinen alle Komponenten die gleichen sind wie in der ersten Ausführungsform, wird die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführte Spannung einem Verstärker 188 bereitgestellt, der in der weiteren Spezifikation als genauer Spannungsverstärker 188 bezeichnet ist. Der genaue Spannungsverstärker 188 verstärkt die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführte Spannung. Somit wird die verstärkte Spannung an dem durch den Pfeil 189 dargestellten Komparator 12 bereitgestellt. Die verstärkte Spannung am Ausgang des genauen Spannungsverstärkers 188, die eine genaue Spannung ist, ist eine Spannung, die auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle basiert.
  • In der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 werden die Ausgangsspannung des durch den Pfeil 14 dargestellten abstimmbaren Spannungsteilers 8 und die verstärkte Spannung, die durch den genauen Spannungsverstärker 188, der durch den Pfeil 189 dargestellt ist, dem Komparator 12 der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 bereitgestellt, der die Spannungssignale vergleicht. Der Komparator 12 stellt ein Ausgangssignal bereit, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt. Das Ausgangssignal kann ein Signal sein, das gleich oder proportional zu der Differenz der verglichenen Spannungen ist. Das Ausgangssignal, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt, kann auch ein digitales Signal sein, das nur die Ausgangssignale 0 und 1 aufweist. Durch diese Signale wird nur angegeben, welche der zwei Eingangsspannungen den höheren Wert hat.
  • Das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal, das sich in der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 aus dem Vergleich der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 mit der verstärkten Spannung ergibt, die durch den genauen Spannungsverstärker 188 verstärkt wurde, wird der Steuereinheit 18 als Eingangssignal bereitgestellt, das durch den Pfeil 20 dargestellt ist.
  • Die Steuereinheit 18 in der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 stimmt die Abstimmeinheit 8 entsprechend dem vom Komparator 12 bereitgestellten Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der verstärkten Spannung, die durch die genaue Gleichspannungsquelle 188 verstärkt wurde, zu minimieren. Um dies zu erreichen, stellt die Steuereinheit 18 ein Ausgangssignal bereit, das der durch den Pfeil 22 dargestellten Abstimmeinheit 8 bereitgestellt wird.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal angibt, dass die Gesamtdifferenz der Ausgangsspannung der Abstimmung 8 zur verstärkten Spannung, die durch den genauen Spannungsverstärker 188 verstärkt wurde, unter einem definierten Minimalwert liegt, wird die Abstimmung durch die Steuereinheit 18 gestoppt. Vorzugsweise liegt das Verhältnis des definierten Minimalwerts, wenn die Abstimmung des abstimmbaren Spannungsteilers 8 gestoppt ist, zum nominalen Mittelwert der durch den genauen Spannungsverstärker 188 verstärkten Spannung unter 500 ppm, vorzugsweise unter 200 ppm, bevorzugter unter 50 ppm und am meisten bevorzugt unter 10 ppm.
  • Beispielsweise kann in der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der definierte Minimalwert 280 µV betragen. Bei einer Nennspannung des genauen Spannungsverstärkers 6 von 3,5 V, verstärkt durch den genauen Spannungsverstärker 188 mit einer Verstärkung von 2, ist das Verhältnis des definierten Minimalwertes zum nominalen Mittelwert der verstärkten Spannung, die vom genauen Spannungsverstärker 188 verstärkt wurde, 40 ppm.
  • Dann stellt die Abstimmeinheit 8 eine Ausgangsspannung bereit, die in der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung mit der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 und der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 ist. Der Durchschnitt der Ausgangsspannung des Teilers der Abstimmeinheit 8 ist gleich dem Durchschnitt der verstärkten Spannung, die vom genauen Spannungsverstärker 188 verstärkt wurde. Die bereitgestellte Referenzspannung weist also - abgesehen von einer Differenz, die kleiner als der definierte Minimalwert ist - den Wert der von der verstärkten Spannung, die von der genauen Gleichspannungsquelle 188 verstärkt wurde, und die gleiche Genauigkeit auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 weist sie nun die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 auf.
  • Wenn das von dem Komparator 12 bereitgestellte Signal, das der Steuereinheit 18 bereitgestellt wird, gleich oder proportional zu der Differenz der verglichenen Spannungen ist, reagiert die Steuereinheit 18 entsprechend der erfassten Spannungsdifferenz und stellt der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereit, um ihre Ausgangsspannung entsprechend der erkannten Spannungsdifferenz zu erhöhen oder zu verringern. In der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 wird die absolute Differenz der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der verstärkten Spannung, die vom genauen Spannungsverstärker 188 verstärkt wurde, minimiert.
  • Das von der Steuereinheit 18 (Pfeil 22) in der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 bereitgestellte Signal erhöht die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8, wenn der Wert der verstärkten Spannung, die durch den genauen Spannungsverstärker 188 verstärkt wurde, höher ist als die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8.
  • Insbesondere wenn der Komparator 12 in der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 ein digitales Signal bereitstellt, gibt das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen ersten Wert an, dass die verstärkte Spannung, die durch den genauen Spannungsverstärker 188 6 verstärkt wurde, höher ist als die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8. Die Steuereinheit reagiert auf den ersten Wert des vom Komparator bereitgestellten digitalen Signals und stellt der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereit, um deren Ausgangsspannung zu erhöhen.
  • Das von der Steuereinheit 18 in der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 bereitgestellte Ausgangssignal verringert die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8, wenn die verstärkte Spannung, die durch den genauen Spannungsverstärker 188 verstärkt wurde, niedriger ist als die Ausgangsspannung des abstimmbaren Spannungsteilers 8.
  • Insbesondere wenn der Komparator 12 in der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 ein digitales Signal bereitstellt, gibt das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen zweiten Wert an, dass die verstärkte Spannung, die durch den genauen Spannungsverstärker 188 verstärkt wurde, niedriger ist als die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8. Die Steuereinheit reagiert auf den zweiten Wert des vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signals und stellt der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereit, um ihre Ausgangsspannung zu verringern.
  • Vorzugsweise wird das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 schrittweise reduziert, indem die Steuereinheit 18 entsprechend der Abstimmeinheit 8 ein Signal bereitstellt.
  • Durch diese reduzierte Änderung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 in der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 wird die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der verstärkten Spannung, die durch den genauen Spannungsverstärker 188 verstärkt wurde, minimiert.
  • In der siebten Ausführungsform von 7 wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 als Referenzspannung an einen durch den Pfeil 26 dargestellten Spannungsverstärker 24, der eine verstärkte Spannung an eine durch den Pfeil 30 dargestellte Elektrode 28 anlegt, angelegt. Die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 wird über einen Switch 32 an den Spannungsverstärker 24 angelegt. Entsprechend wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 direkt an dem durch den Pfeil 34 dargestellten Switch 32 angelegt.
  • Der Switch 32 wird in der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 mit dem Spannungsverstärker 24 zu einem definierten Zeitpunkt nach Aktivierung der Spannungsversorgung 2 verbinden. Vorzugsweise wird die Zeitverzögerung zum Verbinden der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 mit dem Spannungsverstärker 24 so gewählt, dass die Abstimmung der Abstimmeinheit 8 durch die Steuereinheit 18 beendet ist, bevor die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 mit dem Spannungsverstärker 24 verbunden wird. Dann ist die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 eine Referenzspannung mit der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 und der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4, die an den Spannungsverstärker 24 angelegt wird. Dann führt der Spannungsverstärker 24 der Elektrode 28 eine Spannung von hoher Genauigkeit und Stabilität basierend auf der Referenzspannung zu, die von der Stromversorgung 2 bereitgestellt wird. Dies ist insbesondere dann zutreffend, wenn der genaue Spannungsverstärker 188 keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Referenzspannung hat, so dass die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 die gleiche Genauigkeit aufweist wie die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführte Spannung. Andernfalls kann die Leistung der siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 etwas reduziert sein. Aber trotzdem stellt die siebte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung von hoher Genauigkeit und hoher Stabilität bereit.
  • 8 zeigt eine achte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2.
  • In dieser Ausführungsform, in der im Allgemeinen alle Komponenten die gleichen wie in der ersten Ausführungsform sind, wird nur eine andere Ausführungsform der Abstimmeinheit 8 bereitgestellt. In dieser Ausführungsform umfasst die Abstimmeinheit 8 der Spannungsversorgung 2 mindestens einen Widerstand 161 und einen abstimmbaren Spannungsteiler 162, die in Reihe geschaltet sind.
  • In der achten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 wird die von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführte Spannung an zwei (Eingangs-) Anschlüsse der Abstimmeinheit 8 angelegt, wobei ein Verbinder mit dem mindestens einen Widerstand 161 und der andere mit dem abstimmbaren Spannungsteiler 162 verbunden ist.
  • Die Abstimmeinheit 8 umfasst einen Ausgangsanschluss (nicht dargestellt), an den die Abstimmeinheit 8 eine Ausgangsspannung bereitstellt, die dann dem durch den Pfeil 14 dargestellten Komparator bereitgestellt wird. Die Ausgangsspannung wird durch Abgreifen der Spannung vom Widerstand oder vom Widerstandsnetzwerk des abstimmbaren Spannungsteilers 162 bereitgestellt. Nur ein Anteil der von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführten Spannung wird auf den abstimmbaren Spannungsteiler 162 angelegt und nur dieser Anteil der zugeführten Spannung kann durch den abstimmbaren Spannungsteiler 162 abgestimmt werden, um eine Ausgangsspannung an den (Ausgangs-) Anschluss bereitzustellen. Entsprechend kann nur der Anteil der Spannung, der von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 dem abstimmbaren Spannungsteiler 162 zugeführt wird, dazu verwendet werden, die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 an die Spannung anzupassen, die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführt wird. Typischerweise ist der anpassbare Anteil der von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführten Spannung höher als 10 % der Spannung, vorzugsweise höher als 15 % der Spannung und bevorzugter höher als 20 % der Spannung. Typischerweise liegt der anpassbare Anteil der von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführten Spannung unter 50 % der Spannung, vorzugsweise unter 40 % der Spannung und bevorzugter unter 30 % der Spannung.
  • 9 zeigt eine neunte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2.
  • In dieser Ausführungsform, in der im Allgemeinen alle dargestellten Komponenten die gleichen wie in der dritten Ausführungsform sind, wird nur eine andere Ausführungsform der Abstimmeinheit 8 bereitgestellt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass in der neunten Ausführungsform nur die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 an den Switch 32 angelegt wird.
  • In dieser Ausführungsform umfasst die Abstimmeinheit 8 der Spannungsversorgung 2 einen ersten Widerstand 167 (R2) und einen Digital-Analog-Wandler 164 (DAC), die parallel geschaltet sind, und einen Strom-Spannungs-Wandler, der ein Transimpedanzverstärker ist. Der Transimpedanzverstärker umfasst einen Operationsverstärker 165 und einen Rückkopplungswiderstand 166 (R1). Der Digital-Analog-Wandler 164 (DAC) ist mit einem zweiten Widerstand 163 (R3) in Reihe geschaltet. Die von der ultrastabilen Spannungsquelle 4 der Abstimmeinheit 8 zugeführte Spannung wird an dem parallel geschalteten Digital-Analog-Wandler 164 (DAC) und den ersten Widerstand 167 (R2) angelegt. Das andere Ende dieser Parallelschaltung ist mit dem Eingang des Transimpedanzverstärkers verbunden, der an seinem Ausgang die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 bereitstellt, die dem durch den Pfeil 14 dargestellten Komparator 12 zugeführt wird und direkt an den durch den Pfeil 34 dargestellten Switch 32 angelegt wird. Diese Spannung hat die umgekehrte Polarität als die von der ultrastabilen Spannungsquelle 4 zugeführte Spannung. Die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und die von der genauen Spannungsquelle 6 zugeführte Spannung haben in dieser Ausführungsform jedoch die gleiche Polarität.
  • In der neunten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 werden die Ausgangsspannung des durch den Pfeil 14 dargestellten abstimmbaren Spannungsteilers 8 und die durch den Pfeil 16 dargestellte Spannung der genauen Spannungsquelle 6 dem Komparator 12 der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 bereitgestellt, der die Spannungssignale vergleicht. Der Komparator 12 stellt ein Ausgangssignal bereit, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen mit derselben Polarität ergibt.
  • Der Wert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 ist abhängig von den Widerstandswerten des ersten Widerstands 167 (R2), des zweiten Widerstands 163 (R3), des Rückkopplungswiderstands 166 (R1) und der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 164 (DAC), wie sie einem Fachmann bekannt sind.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 umfasst auch eine Steuereinheit, die ein Prozessor 118 ist. Ein Computerprogramm kann vom Prozessor 118 ausgeführt werden, um die Spannungsversorgung 2 gemäß den beschriebenen Verfahren zu betreiben.
  • Das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal, das sich aus dem Vergleich der Ausgangsspannung der Steuereinheit 8 und der Spannung der genauen Spannungsquelle 6 ergibt, wird dem Prozessor 118 als Eingangssignal bereitgestellt, wie durch den Pfeil 20 dargestellt.
  • Der Prozessor 118 stimmt den Digital-Analog-Wandler (DAC) 164 der Abstimmeinheit 8 entsprechend dem vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Steuereinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren. Um dies zu erreichen, stellt der Prozessor 118 ein digitales Ausgangssignal bereit, das dem durch den Pfeil 22 dargestellten Digital-Analog-Wandler (DAC) 164 bereitgestellt wird.
  • Das vom Prozessor 118 bereitgestellte Ausgangssignal (Pfeil 22) erhöht den Absolutwert der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 164 und entsprechend den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8, wenn der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher ist als der Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen ersten Wert angibt, dass der Absolutwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung höher ist als der Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8, reagiert der Prozessor 118 auf den ersten Wert des vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signals und stellt ein digitales Signal an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 164 bereit, um den Absolutwert seiner Ausgangsspannung zu erhöhen.
  • Das vom Prozessor 118 bereitgestellte Ausgangssignal verringert den Absolutwert der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 164, wenn der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 niedriger ist als der Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen zweiten Wert angibt, dass der Absolutwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung niedriger ist als der Absolutwert der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108, reagiert der Prozessor 118 auf den zweiten Wert des vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signals und stellt ein digitales Signal an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 164 bereit, um den Absolutwert seiner Ausgangsspannung zu verringern.
  • Vorzugsweise wird das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 schrittweise durch den Prozessor 118 reduziert, der dem Digital-Analog-Wandler (DAC) 164 entsprechend ein Signal bereitstellt. Durch diese reduzierte Änderung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 wird die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 minimiert.
  • Dann stellt die Abstimmeinheit 8 eine Ausgangsspannung bereit, die eine Referenzspannung mit der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 und der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 ist. Der Durchschnitt der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 ist gleich dem Durchschnitt der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung. Die bereitgestellte Referenzspannung weist also - abgesehen von einer kleinen Differenz - den Wert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung und die gleiche Genauigkeit auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 weist sie nun die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 auf. Dies ist insbesondere dann zutreffend, wenn die Komponenten der Abstimmeinheit 8 keinen Einfluss auf die Stabilität der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 haben. Andernfalls kann die Leistung der neunten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 etwas reduziert sein. Aber trotzdem stellt die neunte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung von hoher Genauigkeit und hoher Stabilität bereit.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Digital-Analog-Wandler 164 ein Widerstandsleiternetzwerk, insbesondere ein R-2R-Widerstandsleiternetzwerk. Das vom Prozessor 118 in dieser bevorzugten Ausführungsform bereitgestellte digitale Signal ist ein digitales Signal mit einer spezifischen Anzahl von Bits. Vorzugsweise ist das digitale Signal ein Signal von mindestens 16 Bit, insbesondere vorzugsweise von mindestens 20 Bit. Basierend auf dem vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signal wendet der Prozessor 118 das Verfahren der sukzessiven Näherung an, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren, wie zuvor ausführlich erläutert. Bei diesem Verfahren wird gemäß den Bits des vom Prozessor 118 an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 164 bereitgestellten digitalen Signals die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 164 durch das R-2R-Widerstandsleiternetz bestimmt. Das Widerstandsnetzwerk teilt mit jedem gesetzten Bit (Wert 1) die am Digital-Analog-Wandler (DAC) 164 angelegte Spannung in gleiche Anteile. Das erste Bit teilt also die Spannung in Anteile von ½, das zweite die verbleibende Spannung in Anteile von ¼, das dritte die verbleibende Spannung in Anteile von 1/8 und so weiter. Entsprechend den vom Prozessor 118 bereitgestellten gesetzten Bits wird die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 164 bereitgestellt.
  • Während der Iterationsschritte des Verfahrens wird jedes der Bits des vom Prozessor 118 an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 164 bereitgestellten digitalen Signals gesetzt und die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 wird korrekt auf die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 eingestellt. Die Genauigkeit dieser Einstellung nimmt schnell zu.
  • In der Ausführungsform von 9 wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 als Referenzspannung an einen durch den Pfeil 26 dargestellten Spannungsverstärker 24, der eine verstärkte Spannung an eine durch den Pfeil 30 dargestellte Elektrode 28 anlegt, angelegt. Die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 wird nach Beendigung des Abstimmprozesses über einen Switch 32 an dem Spannungsverstärker 24 angelegt. Entsprechend wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 direkt an den durch den Pfeil 34 dargestellten Switch 32 angelegt.
  • 10 zeigt eine zehnte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2.
  • In dieser Ausführungsform, in der im Allgemeinen alle dargestellten Komponenten die gleichen wie in der dritten Ausführungsform sind, wird nur eine andere Ausführungsform der Abstimmeinheit 8 bereitgestellt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass in der zehnten Ausführungsform nur die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 an den Switch 32 angelegt wird.
  • In dieser Ausführungsform umfasst die Abstimmeinheit 8 der Spannungsversorgung 2 einen ersten Widerstand 171 (R2) und einen Digital-Analog-Wandler 172 (DAC) und einen Strom-Spannungs-Wandler, der ein Transimpedanzverstärker ist. Der Transimpedanzverstärker umfasst einen Operationsverstärker 173 und einen Rückkopplungswiderstand 174 (R1).
  • Am ersten Widerstand 171 (R2) wird die von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 bereitgestellte Spannung angelegt, und am Digital-Analog-Wandler 172 (DAC) wird die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 bereitgestellte Spannung angelegt.
  • Der Digital-Analog-Wandler 172 (DAC) ist mit einem zweiten Widerstand 175 (R3) in Reihe geschaltet.
  • Der erste Widerstand 171 (R2) und der Digital-Analog-Wandler 172 (DAC) sind an einem Knoten verbunden, der mit dem Eingang des Transimpedanzverstärkers verbunden ist, der seinen Ausgang an einen Eingang eines invertierenden Verstärkers 199 bereitstellt. Am Ausgang des invertierenden Verstärkers 199 ist die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 bereitgestellt. Diese Spannung wird dem durch den Pfeil 14 dargestellten Komparator 12 bereitgestellt und direkt an den durch den Pfeil 34 dargestellten Switch 32 angelegt.
  • In der zehnten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 werden die Ausgangsspannung der durch den Pfeil 14 dargestellten Abstimmeinheit 8 und die durch den Pfeil 16 dargestellte Spannung der genauen Spannungsquelle 6 dem Komparator 12 der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 bereitgestellt, der die Spannungssignale vergleicht. Der Komparator 12 stellt ein Ausgangssignal bereit, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen ergibt.
  • Der Wert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 ist abhängig von den Widerstandswerten des ersten Widerstands 171 (R3), des zweiten Widerstands 175 (R2), des Rückkopplungswiderstands 174 (R1) und der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 172 (DAC), wie sie einem Fachmann bekannt sind. Die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 172 (DAC) bezieht sich auf die Spannung, die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 dem Digital-Analog-Wandler 172 (DAC) zugeführt wird.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 umfasst auch eine Steuereinheit, die ein Prozessor 118 ist. Ein Computerprogramm kann vom Prozessor ausgeführt werden, um die Spannungsversorgung 2 gemäß den beschriebenen Verfahren zu betreiben.
  • Das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal, das sich aus dem Vergleich der Ausgangsspannung der Steuereinheit 8 und der Spannung der genauen Spannungsquelle 6 ergibt, wird dem Prozessor 118 als Eingangssignal bereitgestellt, wie durch den Pfeil 20 dargestellt.
  • Der Prozessor 118 stimmt den Digital-Analog-Wandler (DAC) 172 der Abstimmeinheit 8 gemäß dem vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Steuereinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren. Um dies zu erreichen, stellt der Prozessor 118 ein digitales Ausgangssignal bereit, das dem durch den Pfeil 22 dargestellten Digital-Analog-Wandler (DAC) 172 bereitgestellt wird.
  • Das vom Prozessor 118 bereitgestellte Ausgangssignal (Pfeil 22) erhöht den Absolutwert der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 172 und entsprechend den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8, wenn der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 höher ist als der Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen ersten Wert angibt, dass der Absolutwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung höher ist als der Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8, reagiert der Prozessor 118 auf den ersten Wert des vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signals und stellt ein digitales Signal an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 172 bereit, um den Absolutwert seiner Ausgangsspannung zu erhöhen.
  • Das von dem Prozessor 118 bereitgestellte Ausgangssignal verringert den Absolutwert der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 172, wenn der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 niedriger ist als der Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8.
  • Wenn das vom Komparator 12 bereitgestellte digitale Signal durch einen zweiten Wert angibt, dass der Absolutwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung niedriger ist als der Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8, reagiert der Prozessor 118 auf den zweiten Wert des vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signals und stellt ein digitales Signal an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 172 bereit, um den Absolutwert seiner Ausgangsspannung zu verringern.
  • Vorzugsweise wird das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 schrittweise durch den Prozessor 118 reduziert, der dem Digital-Analog-Wandler (DAC) 172 entsprechend ein Signal bereitstellt. Durch diese reduzierte Änderung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 wird die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 minimiert.
  • Dann stellt die Abstimmeinheit 8 eine Ausgangsspannung bereit, die eine Referenzspannung mit der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 und der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 ist. Der Durchschnitt der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 ist gleich dem Durchschnitt der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung. Die bereitgestellte Referenzspannung weist also - abgesehen von einer kleinen Differenz - den Wert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung und die gleiche Genauigkeit auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 weist sie nun die Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 auf. Dies ist insbesondere dann zutreffend, wenn die Komponenten der Abstimmeinheit 8 keinen Einfluss auf die Stabilität der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 haben. Andernfalls kann die Leistung der zehnten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 etwas reduziert sein. Aber trotzdem stellt die zehnte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung von hoher Genauigkeit und hoher Stabilität bereit.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Digital-Analog-Wandler 172 ein Widerstandsleiternetzwerk, insbesondere ein R-2R-Widerstandsleiternetzwerk, das auf die gleiche Weise wie für die neunte Ausführungsform beschrieben verwendet werden kann.
  • Während der Iterationsschritte des vorgeschlagenen Verfahrens wird jedes der Bits des vom Prozessor 118 an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 172 bereitgestellten digitalen Signals gesetzt und die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 wird korrekt auf die Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 eingestellt. Die Genauigkeit dieser Einstellung nimmt schnell zu, da mit jedem Satz eines weiteren Bits die Einstellung der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 172 zweigeteilt wird, was die Einstellung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 provoziert.
  • In der Ausführungsform von 10 wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 als Referenzspannung an einen durch den Pfeil 26 gezeigten Spannungsverstärker 24, der eine verstärkte Spannung an eine durch den Pfeil 30 gezeigte Elektrode 28 anlegt, angelegt. Die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 wird nach Beendigung des Abstimmprozesses über einen Switch 32 an dem Spannungsverstärker 24 angelegt. Entsprechend wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 direkt an den durch den Pfeil 34 dargestellten Switch 32 angelegt.
  • 11 zeigt eine elfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2.
  • In dieser Ausführungsform, in der im Allgemeinen alle Komponenten die gleichen wie in der ersten Ausführungsform sind, wird nur eine andere Ausführungsform der Abstimmeinheit 8 bereitgestellt.
  • In dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abstimmeinheit 8 der Spannungsversorgung zwei abstimmbare Spannungsteiler 191 und 192, die vorzugsweise zwei Digital-Analog-Wandler (DAC) sind. Die der Abstimmeinheit 8 von der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 zugeführte Spannung wird an einen ersten abstimmbaren Spannungsteiler 191 (T1) der zwei abstimmbaren Spannungsteiler angelegt, der eine Ausgangsspannung an einen (Ausgangs-) Anschluss bereitstellt. Diese Ausgangsspannung wird dann an dem zweiten abstimmbaren Spannungsteiler 192 (T2) der zwei abstimmbaren Spannungsteiler angelegt, der eine Ausgangsspannung, die die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 ist, an einen (Ausgangs-) Anschluss bereitstellt. Der erste einstellbare Spannungsteiler 191 dient zur Grobabstimmung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der zweite abstimmbare Spannungsteiler 192 dient zur Feinabstimmung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8.
  • Die Abstimmeinheit 8 umfasst einen Ausgangsanschluss (nicht dargestellt), an den die Abstimmeinheit 8 eine Ausgangsspannung bereitstellt, die dann dem durch den Pfeil 14 dargestellten Komparator 12 bereitgestellt wird. Die Ausgangsspannung wird durch Abgreifen der Spannung von einem Widerstand oder vom Widerstandsnetzwerk des zweiten abstimmbaren Spannungsteilers 192 bereitgestellt.
  • In der elften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 hat die von der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 zugeführte Spannung einen höheren Absolutwert als die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführte Spannung.
  • Typischerweise ist in der elften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 mindestens 2 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Vorzugsweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 mindestens 10 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Bevorzugter ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 mindestens 25 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6.
  • Typischerweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 nicht mehr als 500 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Vorzugsweise ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 nicht mehr als 200 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Bevorzugter ist der Absolutwert der Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 nicht mehr als 100 % höher als der Absolutwert der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6.
  • Der erste abstimmbare Spannungsteiler 191, an den die Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle 4 angelegt wird, dient zur Grobabstimmung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8. Typischerweise wird die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 durch den ersten abstimmbaren Spannungsteiler 191 mit einer Selektivität von 1 % bis 5 % der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6, vorzugsweise mit einer Selektivität von 200 ppm bis 1000 ppm der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6, abgestimmt.
  • Der zweite abstimmbare Spannungsteiler 192 wird zur Feinabstimmung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 verwendet, so dass die Gesamtdifferenz der Ausgangsspannung der Abstimmung 8 zur Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 unter einem definierten Minimalwert liegt, wenn die Abstimmung durch die Steuereinheit 18 gestoppt wird. Vorzugsweise liegt aufgrund der Abstimmung des zweiten abstimmbaren Spannungsteilers 192 das Verhältnis des definierten Minimalwerts, wenn die Abstimmung des abstimmbaren Spannungsteilers 8 gestoppt ist, zum nominalen Mittelwert der von der genauen Gleichspannungsquelle 6 zugeführten Spannung unter 500 ppm, vorzugsweise unter 200 ppm, bevorzugter unter 50 ppm und am meisten bevorzugt unter 10 ppm.
  • Die Steuereinheit 18 in der elften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 stimmt den ersten abstimmbaren Spannungsteiler 191 und den zweiten abstimmbaren Spannungsteiler 192 der Abstimmeinheit 8 entsprechend dem vom Komparator 12 bereitgestellten Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren. Um dies zu erreichen, stellt die Steuereinheit 18 zwei Ausgangssignale bereit, ein erstes Ausgangssignal zur Grobabstimmung, das dem ersten abstimmbaren Spannungsteiler 191 der Abstimmeinheit 8, dargestellt durch den Pfeil 193, bereitgestellt wird, und ein zweites Ausgangssignal zur Feinabstimmung, das dem zweiten abstimmbaren Spannungsteiler 192 der Abstimmeinheit 8, dargestellt durch Pfeil 194, bereitgestellt wird.
  • Die Steuereinheit 18 stellt die zwei Ausgangssignale basierend auf dem durch den Pfeil 20 des Komparators 12 dargestellten Ausgangssignal auf die gleiche Weise bereit, wie für die erste Ausführungsform beschrieben. Der Unterschied besteht darin, dass das erste durch den Pfeil 193 dargestellte Ausgangssignal von der Steuereinheit 18 nur zur Grobeinstellung des ersten abstimmbaren Spannungsteilers 191 bereitgestellt wird, und dass das durch den Pfeil 194 dargestellte zweite Ausgangssignal von der Steuereinheit 18 an den zweiten abstimmbaren Spannungsteiler 192 bereitgestellt wird, um die Gesamtdifferenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren, bis die Gesamtdifferenz unter einem definierten Minimalwert liegt und der Abstimmprozess gestoppt wird. Aufgrund der Verwendung von zwei abstimmbaren Spannungsteilern kann die Einstellung schneller erfolgen und reagiert empfindlicher auf kleine Gesamtdifferenzen zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmung 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6. Zu Beginn des Abstimmprozesses stellt die Steuereinheit 18 das erste durch den Pfeil 193 dargestellte Ausgangssignal bereit und kann auch das durch den Pfeil 194 dargestellte zweite Ausgangssignal bereitstellen. Wenn die Gesamtdifferenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 während des Abstimmprozesses unter der Selektivität des ersten abstimmbaren Spannungsteilers 191 liegt, passt die Steuereinheit 18 vorzugsweise nur das zweite durch den Pfeil 194 dargestellte Ausgangssignal weiter an, das dem zweiten abstimmbaren Spannungsteiler 192 bereitgestellt wird, um die Gesamtdifferenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren, bis die Gesamtdifferenz unter einem definierten Minimalwert liegt, wobei das erste durch den Pfeil 193 dargestellte Ausgangssignal unverändert bleibt.
  • In der elften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 stellt die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 eine Referenzspannung mit der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 und der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 bereit. Dies ist insbesondere dann zutreffend, wenn die zwei abstimmbaren Spannungsteiler 191 und 192 keinen Einfluss auf die Stabilität der Referenzspannung haben. Andernfalls kann die Leistung der elften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 etwas reduziert sein. Aber trotzdem stellt die elfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung von hoher Genauigkeit und hoher Stabilität bereit.
  • 12 zeigt eine zwölfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2.
  • In dieser Ausführungsform, in der im Allgemeinen alle Komponenten die gleichen wie in der neunten Ausführungsform sind, umfasst nur die Abstimmeinheit 8 zusätzliche Kom ponenten.
  • In dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abstimmeinheit 8 der Spannungsversorgung 2 einen zweiten Digital-Analog-Wandler 196 (DAC2). Der erste Widerstand 167 (R2) und die zwei Digital-Analog-Wandler, der erste Digital-Analog-Wandler 164 (DAC1) und der zweite Digital-Analog-Wandler 196 (DAC2), sind in parallelen Leitungen bereitgestellt.
  • Der erste Digital-Analog-Wandler 164 (DAC1) ist mit einem zweiten Widerstand 163 (R3) in Reihe geschaltet, und der zweite Digital-Analog-Wandler 196 (DAC2) ist mit einem dritten Widerstand 197 (R4) in Reihe geschaltet. Die von der ultrastabilen Spannungsquelle 4 der Abstimmeinheit zugeführte Spannung wird an dem ersten Digital-Analog-Wandler 164 (DAC1), den zweiten Digital-Analog-Wandler 164 (DAC2) und den ersten Widerstand 167 (R2) angelegt. Das andere Ende der parallelen Leitungen, in denen der erste Widerstand 167 (R2) und die zwei Digital-Analog-Wandler, der erste Digital-Analog-Wandler 164 (DAC1) und der zweite Digital-Analog-Wandler 196 (DAC2), bereitgestellt sind, ist verbunden mit dem Eingang des Transimpedanzverstärkers, der an seinem Ausgang die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 bereitstellt, die dem durch den Pfeil 14 dargestellten Komparator 12 bereitgestellt und direkt an den durch den Pfeil 34 dargestellten Switch 32 angelegt ist. Diese Spannung hat die umgekehrte Polarität als die von der ultrastabilen Spannungsquelle 4 zugeführte Spannung. Die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 hat jedoch die gleiche Polarität wie die von der genauen Spannungsquelle 6 zugeführte Spannung.
  • In der zwölften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 werden die Ausgangsspannung des durch den Pfeil 14 dargestellten abstimmbaren Spannungsteilers 8 und die durch den Pfeil 16 dargestellte Spannung der genauen Spannungsquelle 6 dem Komparator 12 der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 bereitgestellt, der die Spannungssignale vergleicht. Der Komparator 12 stellt ein Ausgangssignal bereit, das sich aus dem Vergleich dieser zwei Eingangsspannungen mit derselben Polarität ergibt.
  • Der Wert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 ist abhängig von den Widerstandswerten des ersten Widerstands 167 (R2), des zweiten Widerstands 163 (R3), des dritten Widerstands 197 (R4), des Rückkopplungswiderstands 166 (R1), der Ausgangsspannung des ersten Digital-Analog-Wandlers 164 (DAC1) und der Ausgangsspannung des zweiten Digital-Analog-Wandlers 196 (DAC2), wie sie einem Fachmann bekannt sind.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 umfasst auch eine Steuereinheit, die der Prozessor 118 ist. Ein Computerprogramm kann vom Prozessor ausgeführt werden, um die Spannungsversorgung 2 gemäß den beschriebenen Verfahren zu betreiben.
  • Das vom Komparator 12 bereitgestellte Signal, das sich aus dem Vergleich der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Spannungsquelle 6 ergibt, wird dem Prozessor 118 als Eingangssignal bereitgestellt, wie durch den Pfeil 20 dargestellt.
  • Der Prozessor 118 stimmt den ersten Digital-Analog-Wandler (DAC1) 164 und den zweiten Digital-Analog-Wandler (DAC2) 196 der Abstimmeinheit 8 entsprechend dem vom Komparator 12 bereitgestellten digitalen Signal ab, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren. Um dies zu erreichen, stellt der Prozessor 118 zwei digitale Ausgangssignale bereit, die dem ersten Digital-Analog-Wandler (DAC1) 164, der durch Pfeil 22 dargestellt ist, und dem zweiten Digital-Analog-Wandler (DAC2) 196, der durch Pfeil 198 dargestellt ist, bereitgestellt werden.
  • In dieser Konfiguration wird der erste Digital-Analog-Wandler 164 (DAC1) zur Grobabstimmung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 bereitgestellt und der zweite Digital-Analog-Wandler 196 (DAC2) wird zur Feinabstimmung der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 bereitgestellt. Der zweite Digital-Analog-Wandler 196 (DAC2) ist zur Feinabstimmung der Abstimmeinheit 8 mit dem dritten Widerstand 197 (R4) in Reihe geschaltet, der einen höheren spezifischen Widerstand als der zweite Widerstand 163 (R3) aufweist.
  • Die Steuereinheit 18 stellt die zwei Ausgangssignale basierend auf dem durch den Pfeil 20 des Komparators 12 dargestellten Ausgangssignal auf die gleiche Weise bereit, wie für die neunte Ausführungsform beschrieben. Der Unterschied besteht darin, dass das erste durch den Pfeil 22 dargestellte Ausgangssignal von der Steuereinheit 18 nur zur Grobeinstellung dem ersten Digital-Analog-Wandler 164 (DAC1) bereitgestellt wird, und dass das durch den Pfeil 198 dargestellte zweite Ausgangssignal von der Steuereinheit 18 an den zweiten Digital-Analog-Wandler 196 (DAC2) bereitgestellt wird, um die Gesamtdifferenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 nach der Grobeinstellung an dem ersten Digital-Analog-Wandler 164 (DAC1) zu minimieren, bis die Gesamtdifferenz unter einem definierten Minimalwert liegt und der Abstimmprozess gestoppt wird.
  • Im Detail stellt die Steuereinheit 18 zu Beginn des Abstimmprozesses das erste Ausgangssignal, das durch den Pfeil 22 dargestellt ist, zur Grobeinstellung dem ersten Digital-Analog-Wandler 164 (DAC1) bereit und kann auch das durch den Pfeil 198 dargestellte zweite Ausgangssignal dem zweiten Digital-Analog-Wandler 196 (DAC2) bereitstellen. Wenn die Gesamtdifferenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 während des Abstimmprozesses unter der Selektivität des ersten Digital-Analog-Wandlers (DAC1) 164 liegt, passt die Steuereinheit 18 vorzugsweise nur das zweite durch den Pfeil 198 dargestellte Ausgangssignal weiter an, das dem zweiten Digital-Analog-Wandler (DAC2) 196 bereitgestellt wird, um die Gesamtdifferenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 zu minimieren, bis die Gesamtdifferenz unter einem definierten Minimalwert liegt, wobei das erste durch den Pfeil 22 dargestellte Ausgangssignal unverändert bleibt.
  • Aufgrund der Verwendung von zwei Digital-Analog-Wandlern kann die Einstellung schneller erfolgen und reagiert empfindlicher auf kleine Gesamtdifferenzen zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 und der Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6.
  • In der zwölften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 stellt die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit 8 eine Referenzspannung mit der Genauigkeit der genauen Gleichspannungsquelle 6 und der Stabilität der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 bereit. Dies ist insbesondere dann zutreffend, wenn die Komponenten des Teilers der Abstimmeinheit 8 keinen Einfluss auf die Stabilität der Referenzspannung haben. Andernfalls kann die Leistung der zwölften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 etwas reduziert sein. Aber trotzdem stellt die zwölfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 eine Referenzspannung von hoher Genauigkeit und hoher Stabilität bereit.
  • In 13a - 13d ist die elektrische Schaltung der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung detailliert dargestellt.
  • In 13 ist die ultrastabile Gleichspannungsquelle 4 im Detail dargestellt. Es sind die Ausgangsanschlüsse 120, 122 der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 dargestellt, die die Spannung an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 bereitstellen.
  • In 13b ist der Komparator 12 detailliert dargestellt. Der Eingangsanschluss 130 ist mit der genauen Gleichspannungsquelle 6 verbunden, und der Eingangsanschluss 132 ist mit dem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 verbunden. Der Komparator 12 stellt dem Prozessor 118 über die Ausgangsverbinder 140 und 142 ein digitales Signal bereit.
  • In 13c ist der Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 detailliert dargestellt. Über die Eingangsanschlüsse 150, 152 wird die Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle 4 an den Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 angelegt. Der Ausgangsverbinder 160 stellt die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 bereit, die die ultrastabile und genaue Referenzspannung ist, die von der Spannungsversorgung 2 bereitgestellt wird. Über den Eingangsanschluss 170 stellt der Prozessor 118 sein Eingangssignal dem Digital-Analog-Wandler (DAC) 108 bereit.
  • In ist der Switch 32 der Spannungsversorgung 2 detailliert dargestellt. Es ist die genaue Gleichspannungsquelle 6 dargestellt, die mit dem Switch 32 verbunden ist. Über den Eingangsanschluss 190 wird die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (DAC) 108 an den Switch bereitgestellt. Ferner wird das Switch-Steuersignal über die Leitung 38 bereitgestellt (in 2 und 3 als Pfeil 38 dargestellt). Der Switch stellt die Spannung bereit, die von der Stromversorgung 2 über den Ausgangsverbinder 195 an den Verstärker 24 bereitgestellt wird.
  • In 14 ist eine Messung des Zeitstabilitätsverhaltens der Referenzspannung dargestellt, die durch die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 der dritten Ausführungsform der Erfindung über einen Zeitraum von 24 Stunden bereitgestellt wird. Es ist die relative absolute maximale Abweichung des Maximal- und Minimalwerts in Bezug auf die durchschnittliche Spannung der Referenzspannung im Zeitverlauf durch die Punkte dargestellt. Durch das Symbol „+“ wird die relative absolute maximale Abweichung des Maximal- und Minimalwerts in Bezug auf die durchschnittliche Spannung im Zeitverlauf der genauen Gleichspannungsquelle 6 zum Vergleich dargestellt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Stromversorgung konnte die relative absolute maximale Abweichung der Referenzspannung über die gesamte Zeit unter 1 ppm, sogar unter 0,6 ppm, reduziert werden. Für die genaue Gleichspannungsquelle 6 ist die relative absolute maximale Abweichung wesentlich höher und variiert über den untersuchten Zeitraum.
  • Durch die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 wird also die Zeitstabilität der bereitgestellten Referenzspannung im Vergleich zu der Spannung, die nur durch die genaue Gleichspannungsquelle 6 bereitgestellt wird, stark erhöht.
  • In 15 ist eine Messung des Temperaturverhaltens der Referenzspannung dargestellt, die von der erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 der dritten Ausführungsform der Erfindung über einen Temperaturbereich zwischen 56°C und 64,5 °C bereitgestellt wird. Durch die Punkte ist die relative absolute Abweichung der durchschnittlichen Spannung der Referenzspannung bei den verschiedenen Temperaturen der Referenzspannung der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 dargestellt. Diese relative absolute Abweichung der durchschnittlichen Spannung ist in Bezug auf die niedrigste durchschnittliche Spannung der Referenzspannung im Temperaturbereich mit der relativen Abweichung von 0 dargestellt. Durch das Symbol „+“ wird die relative absolute Abweichung der durchschnittlichen Spannung der Referenzspannung dargestellt, die von der genauen Gleichspannungsquelle 6 bei den verschiedenen Temperaturen in Bezug auf die niedrigste durchschnittliche Spannung der genauen Gleichspannungsquelle 6 im Temperaturbereich mit der relativen Abweichung von 0 zum Vergleich bereitgestellt wird. Die Messungen begannen bei einer Temperatur von 56°C. Aufgrund der erfindungsgemäßen Stromversorgung konnte die relative absolute maximale Abweichung der Referenzspannung, die die relative maximale Abweichung des Maximalwerts und des Minimalwerts der Spannung im spezifischen Temperaturbereich ist, über den gesamten Temperaturbereich unter 1 ppm reduziert werden. Für die genaue Gleichspannungsquelle 6 ist die absolute relative maximale Abweichung wesentlich höher und variiert über den untersuchten Temperaturbereich. Auch ist ein starker Hystereseeffekt für die genaue Gleichspannungsquelle 6 sichtbar, wenn die Temperatur erhöht und verringert wird, was höhere relative Abweichungen für steigende Temperaturen zeigt.
  • Durch die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 wird also die Temperaturstabilität der bereitgestellten Referenzspannung im Vergleich zu der Spannung, die nur durch die genaue Gleichspannungsquelle 6 bereitgestellt wird, stark erhöht.
  • Die von der erfindungsgemäßen Stromversorgung 2 bereitgestellte Referenzspannung kann verwendet werden, um einer oder mehreren Elektroden eines Massenspektrometers eine Spannung zuzuführen.
  • Die Elektrode eines Massenspektrometers kann insbesondere eine Elektrode eines Flugzeit-Massenspektrometers sein, insbesondere eines Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometers, bei dem die durch die erfindungsgemäße Spannungsversorgung bereitgestellte Referenzspannung dazu verwendet werden kann, eine Spannung an Spiegelelektroden bereitzustellen, z.B. einer spezifischen Elektrode der Spiegelelektroden oder allen Elektroden der Spiegelelektroden.
  • In 16a und 16ba ist eine erste Ausführungsform des Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators 200 dargestellt, der in einem Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer verwendet wird. Die erfindungsgemäße Stromversorgung 2 kann in einem solchen Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer verwendet werden. Die Referenzspannung wird an mindestens einen Spannungsverstärker 24 (nicht dargestellt) eines Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometers bereitgestellt, der dann eine Spannung an Elektroden, z.B. mindestens eine Spiegelelektrode, des Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators 200 bereitstellt, die typischerweise einen Wert im Bereich von Kilovolt (kV) aufweist.
  • Insbesondere in 16a und 16b ist der Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysator 200, der einem Fachmann bekannt ist, schematisch dargestellt. Der Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysator 200 umfasst parallele ionenoptische Spiegel 210, 211, die linear entlang einer Driftlänge verlängert sind. 16a zeigt den Analysator in der X-Y-Ebene und 16b zeigt denselben Analysator in der X-Z-Ebene. Entgegengesetzte ionenoptische Spiegel 210, 211 sind entlang einer Driftrichtung Y verlängert und parallel zueinander angeordnet. Ionen werden aus dem Ioneninjektor 213 mit dem Injektionswinkel Θ zur X-Achse und der Winkeldivergenz δθ in der X-Y-Ebene injiziert. Entsprechend sind drei lonenflugwege dargestellt, 216, 217, 218. Die Ionen bewegen sich in den Spiegel 210 und werden umgekehrt, um sich aus dem Spiegel 210 heraus und zum Spiegel 211 hin zu bewegen, woraufhin sie im Spiegel 211 reflektiert werden und sich einem Zickzack-Ionenflugweg folgend zurück zum Spiegel 210 bewegen und relativ langsam in die Driftrichtung Y driften. Nach mehreren Reflexionen in den Spiegeln 210, 211 erreichen die Ionen einen Detektor 214, auf den sie auftreffen, und werden detektiert. In einigen Ausführungsformen von Analysatoren sind der Ioneninjektor 213 und der Detektor 214 außerhalb des durch die Spiegel begrenzten Volumens angeordnet. 16b ist eine schematische Darstellung des Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators 200 von 16a, der im Querschnitt dargestellt ist, d. h. in der X-Z-Ebene, wobei aber die lonenflugwege 216, 217, 218, der Ioneninjektor 213 und der Detektor 214 der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden.
  • Jeder ionenoptische Spiegel 210, 211 umfasst drei längliche parallele Spiegelelektroden. Der ionenoptische Spiegel 210 umfasst die drei Spiegelelektroden 220, 221, 222 und der ionenoptische Spiegel 211 umfasst die drei Spiegelelektroden 230, 231, 232.
  • Die Ionen in einem Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer 200 werden mehrmals zwischen gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln 210, 211 reflektiert, während sie entlang der Driftrichtung Y driften. Es ist möglich, dass die Ionen in einem kleinen Injektionswinkel Θ zur Achse X injiziert werden. Entsprechend nimmt die Anzahl der Reflexionen der Ionen und die Länge der Flugbahn der Ionen zu. Aufgrund der Multireflexion der Ionen an den ionenoptischen Spiegeln 210, 211, die mehrere Spiegelelektroden 220, 221, 222, 230, 231, 232 umfassen, muss jede Elektrode 220, 221, 222, 230, 231, 232 vorzugsweise mit einer genauen und ultrastabilen Spannung versehen sein. Jede Instabilität könnte die Flugbahn der Ionen, die zwischen den reflektierenden ionenoptischen Spiegeln 210, 211 schwingen, verändern. Entsprechend würde eine geänderte Flugzeit der analysierten Ionen zu Flugzeit-Massenspektren mit geringerem Auflösungsvermögen oder zu einer Änderung der Masse-zu-Ladungs-Kalibrierung der erfassten Flugzeit-Massenspektren führen.
  • Es ist auch möglich und kann ausreichend sein, dass nur für eine spezifische Elektrode in jeder Spiegelelektrode, z.B. die Elektroden 220 und 230, eine genaue und ultrastabile Spannung bereitgestellt wird.
  • Daher wird mindestens eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2, beispielsweise eine der zwölf zuvor beschriebenen Ausführungsformen, in dem Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer verwendet, um eine genaue und ultrastabile Referenzspannung bereitzustellen. Die Referenzspannung wird an den Spannungsverstärker 24 des Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometers bereitgestellt, der dann eine Spannung an die Spiegelelektroden 220, 221, 222, 230, 231, 232 der ionenoptischen Spiegel 210, 211 des Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators 200, der typischerweise im Bereich von Kilovolt (kV) liegt, bereitstellt. Basierend auf dem spezifischen Konzept des Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators 200 wird jeder der Spiegelelektroden 220, 221, 222, 230, 231, 232 eines ionenoptischen Spiegels 210 die gleiche Spannung bereitgestellt, oder bevorzugter wird jeder der Spiegelelektroden 220, 221, 222 eines ionenoptischen Spiegels 210 durch die Spannungsverstärker 24, die die genaue und ultrastabile Referenzspannung einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 verwenden, eine andere Spannung bereitgestellt. Ein Spannungsverstärker 24 kann verwendet werden, um dieselbe Spannung an mehr als eine Elektrode anzulegen. Insbesondere wird typischerweise an Spiegelelektroden mit der gleichen Funktion in beiden ionenoptischen Spiegeln 210, 211 von einem Spannungsverstärker 24 die gleiche Spannung angelegt, beispielsweise an die äußeren Spiegelelektroden 220, 230 von beiden ionenoptischen Spiegeln 210, 211. In ähnlicher Weise kann ein anderer Spannungsverstärker 24 den Spiegelelektroden 221, 231 dieselbe Spannung zuführen, und ein weiterer Spannungsverstärker 24 kann den Spiegelelektroden 222, 232 dieselbe Spannung zuführen. Die an die Spiegelelektroden angelegte Spannung hat typischerweise einen Absolutwert im Bereich von 1 kV bis 12 kV, vorzugsweise im Bereich von 2 kV bis 8 kV. In einem Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer, beispielsweise der dargestellten Ausführungsform, kann eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 verwendet werden, um eine genaue und ultrastabile Referenzspannung bereitzustellen, aber auch mehrere erfindungsgemäße Spannungsversorgungen 2, um genaue und ultrastabile Referenzspannungen bereitzustellen. Beispielsweise kann jedem Spannungsverstärker 24 eine separate Spannungsversorgung 2 zugewiesen werden, um eine genaue und ultrastabile Referenzspannung für jeden Spannungsverstärker 24 bereitzustellen.
  • In 17 ist eine zweite Ausführungsform des Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators 300 dargestellt, der in einem Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer verwendet wird. Die erfindungsgemäße Stromversorgung 2 kann auch in einem solchen Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer verwendet werden. Die Referenzspannung wird an mindestens einen Spannungsverstärker 24 (nicht dargestellt) des Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometers bereitgestellt, der dann eine Spannung an Elektroden des Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators 300 bereitstellt, die typischerweise im Bereich von Kilovolt (kV) liegt. Die Ausführungsform des Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators 300 ist Fachleuten bekannt und in der WO 2013/110587 beschrieben. Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 kann auch in einem anderen in der WO 2013/110587 beschriebenen Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer verwendet werden, um eine genaue und ultrastabile Referenzspannung bereitzustellen.
  • Insbesondere ist in 17 der Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysator 300 schematisch dargestellt. Der Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysator 300 umfasst ionenoptische Spiegel 310, 311, die linear entlang einer Driftlänge verlängert sind. 17 zeigt den Analysator in der X-Y-Ebene. Gegenüberliegende ionenoptische Spiegel 310, 311 sind entlang einer Driftrichtung Y parabolisch verlängert. Der Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysator 300 umfasst ferner Kompensationselektroden 365-1, 366-1, 367-1, 365-2, 366-2, 367-2. Als eine mehr technologische Implementierung könnten parabolische Formen durch Kreisbögen (die dann auf einer Drehmaschine hergestellt werden könnten) angenähert werden. Kompensationselektroden 365-1, 366-1, 367-1, 365-2, 366-2, 367-2 ermöglichen das Bereitstellen weiterer Vorteile, insbesondere den des Reduzierens von Flugzeitaberrationen. Die Ausführungsform von 17 ist ähnlich der von 16a und 16b, und ähnliche Überlegungen gelten für die allgemeine Ionenbewegung vom Injektor 363 zum Detektor 364, wobei die Ionen zwischen den ionenoptischen Spiegeln 310, 311 eine Mehrzahl von Oszillationen 360 durchlaufen. Aufgrund der parabolischen Form der ionenoptischen Spiegel werden die Ionen bei hohen Y-Werten (auf der rechten Seite des Massenanalysators) zurück reflektiert, bewegen sich dann in negativer Driftrichtung Y und treffen schließlich auf den Detektor, der auf derselben Seite wie der Injektor der Ionen 363 angeordnet ist. Drei Paare von Kompensationselektroden 365-1, 365-2 als ein Paar, 366-1, 366-2 als ein anderes Paar und 367-1, 367-2 als ein weiteres Paar umfassen erweiterte Oberflächen in der X-Y-Ebene, die auf den Elektronenstrahl gerichtet sind, wobei die Elektroden in +/- Z aus dem Ionenstrahlflugweg verlagert sind, d. h. jede Kompensationselektrode 365-1, 366-1, 367-1, 365-2, 366-2, 367-2 weist eine Oberfläche auf, die im Wesentlichen parallel zu der X-Y-Ebene ist, die auf einer Seite eines Raums angeordnet ist, der sich zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln 310, 311 erstreckt. Im Gebrauch sind die Kompensationselektroden 365-1, 365-2 elektrisch vorgespannt, wobei an beide Elektroden ein Spannungsoffset U(Y) > 0 im Fall von positiven Ionen angelegt ist und U(Y) < 0 im Fall von negativen Ionen angelegt ist. Der Spannungsoffset U(Y) ist in einigen Ausführungsformen abhängig von Y, d. h. das Potential der Kompensationsplatten variiert entlang der Driftstrecke, in dieser Ausführungsform ist der Spannungsoffset jedoch konstant. Die Elektroden 366, 367 sind nicht vorgespannt und weisen einen Spannungsoffset von Null auf.
  • Jeder ionenoptische Spiegel 310, 311 umfasst drei längliche Spiegelelektroden. Der ionenionenoptische Spiegel 310 umfasst drei Spiegelelektroden 320, 321, 322 und der ionenionenoptische Spiegel 311 umfasst drei Spiegelelektroden 330, 331, 332.
  • Die Ionen in einem Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer 300 werden zwischen gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln 310, 311 mehrmals reflektiert, während sie entlang der Richtung Y driften, reflektiert werden und in die Richtung -Y zurück driften. Es ist möglich, dass die Ionen in einem kleinen Injektionswinkel Θ zur Achse X injiziert werden. Entsprechend nehmen die Anzahl der Reflexionen der Ionen und die Länge der Flugbahn der Ionen zu. Aufgrund der Multireflexion der Ionen an den ionenoptischen Spiegeln 310, 311, die mehrere Spiegelelektroden 320, 321, 322, 330, 331, 332 umfassen, muss mindestens eine Spiegelelektrode 320, 321, 322, 330, 331, 332 von jedem ionenoptischen Spiegel 310, 311 oder jeder Spiegelelektrode 320, 321, 322, 330, 331, 332 der ionenoptischen Spiegel 310, 311 mit einer genauen und ultrastabilen Spannung bereitgestellt werden. Jede Instabilität könnte die Flugbahn der Ionen, die zwischen den reflektierenden ionenoptischen Spiegeln 310, 311 schwingen, verändern. Entsprechend würde eine geänderte Flugzeit der analysierten Ionen zu Flugzeit-Massenspektren mit geringerem Auflösungsvermögen oder zu einer Änderung der Masse-zu-Ladungs-Kalibrierung der erfassten Flugzeit-Massenspektren führen.
  • Daher wird mindestens die erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2, beispielsweise eine der zwölf zuvor beschriebenen Ausführungsformen, in dem Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer verwendet, um eine genaue und ultrastabile Referenzspannung bereitzustellen. Die Referenzspannung wird an den Spannungsverstärker 24 des Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometers bereitgestellt, das dann eine Spannung an Spiegelelektroden 320, 321, 322, 330, 331, 332 der ionenoptischen Spiegel 310, 311 des Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators 300, der typischerweise im Bereich von Kilovolt (kV) liegt, bereitstellt. Basierend auf dem spezifischen Konzept des Multireflexions-Flugzeit-Massenanalysators 230 an jeder der Spiegelelektroden 320, 321, 322, 330, 331, 332 eines ionenoptischen Spiegels 310 wird die gleiche Spannung bereitgestellt, oder bevorzugter wird an jede der Spiegelelektroden 320, 321, 322 eines ionenoptischen Spiegels 210 eine unterschiedliche Spannung von Spannungsverstärkern 24 bereitgestellt, die die genaue und ultrastabile Referenzspannung einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung 2 verwenden. Ein Spannungsverstärker 24 kann verwendet werden, um dieselbe Spannung an mehr als eine Elektrode anzulegen. Insbesondere wird typischerweise an Elektroden mit der gleichen Funktion in beiden ionenoptischen Spiegeln 310, 311 von einem Spannungsverstärker 24 die gleiche Spannung angelegt, beispielsweise die äußeren Spiegelelektroden 320, 330 von beiden ionenoptischen Spiegeln 310, 311. In ähnlicher Weise kann ein anderer Spannungsverstärker 24 den Spiegelelektroden 321, 331 dieselbe Spannung zuführen, und ein weiterer Spannungsverstärker 24 kann den Spiegelelektroden 322, 332 dieselbe Spannung zuführen. Die an die Spiegelelektroden angelegte Spannung hat typischerweise einen Absolutwert im Bereich von 1 kV bis 12 kV, vorzugsweise im Bereich von 2 kV bis 8 kV. In einem Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer, beispielsweise dieser Ausführungsform, kann eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung 2 verwendet werden, um eine genaue und ultrastabile Referenzspannung bereitzustellen, aber auch mehrere erfindungsgemäße Spannungsversorgungen 2, um genaue und ultrastabile Referenzspannungen bereitzustellen. Beispielsweise kann jedem Spannungsverstärker 24 eine separate Spannungsversorgung 2 zugewiesen werden, um eine genaue und ultrastabile Referenzspannung für jeden Spannungsverstärker 24 bereitzustellen.
  • Die in dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen geben Beispiele für die erfindungsgemäße Spannungsversorgung und das erfindungsgemäße Kalibrierungsverfahren. Somit kann die Erfindung durch jede Ausführungsform allein oder durch eine Kombination von mehreren oder allen Merkmalen der beschriebenen Ausführungsformen ohne Einschränkungen realisiert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 96/30930 [0102]
    • WO 2013/110587 [0354]

Claims (28)

  1. Spannungsversorgung zum Bereitstellen einer Referenzspannung zum Zuführen einer Spannung an mindestens eine Elektrode, umfassend: - eine ultrastabile Gleichspannungsquelle, - eine genaue Gleichspannungsquelle, - eine Abstimmeinheit, - einen Komparator, - eine Steuereinheit, wobei eine ultrastabile Spannung an die Abstimmeinheit angelegt wird, die basierend auf einer zugeführten Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, die Abstimmeinheit eine Ausgangsspannung bereitstellt, eine Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit vom Komparator mit einer genauen Spannung verglichen wird, die basierend auf einer zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, und der Komparator ein Signal bereitstellt, das sich aus dem Vergleich mit der Steuereinheit ergibt, wobei die Steuereinheit die Abstimmeinheit während einer Abstimmungsperiode entsprechend dem vom Komparator bereitgestellten Signal abstimmt, um die absolute Differenz zwischen der Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der genauen Spannung zu minimieren, und die Referenzspannung der Spannungsversorgung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit nach der Abstimmungsperiode bereitgestellt wird.
  2. Spannungsversorgung nach Anspruch 1, wobei die zugeführte Spannung der ultrastabilen Gleichstromquelle einen höheren Absolutwert aufweist als die zugeführte Spannung der genauen Gleichspannungsquelle.
  3. Spannungsversorgung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abstimmeinheit ein Digital-Analog-Wandler ist.
  4. Spannungsversorgung nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit dem Digital-Analog-Wandler ein digitales Signal bereitstellt, um die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers abzustimmen.
  5. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das vom Komparator an die Steuereinheit bereitgestellte Signal ein digitales Signal ist, das identifiziert, welche der vom Komparator verglichenen Spannungen einen höheren Absolutwert aufweist.
  6. Spannungsversorgung nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit der Abstimmeinheit ein Signal entsprechend dem vom Komparator bereitgestellten digitalen Signal bereitstellt, um den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit zu erhöhen, wenn der vom Komparator verglichene Absolutwert der genauen Spannung höher ist als der Absolutwert der Spannung basierend auf der vom Komparator verglichenen Ausgangsspannung der Abstimmeinheit, und um den Absolutwert der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit zu verringern, wenn der vom Komparator verglichene Absolutwert der genauen Spannung niedriger ist als der Absolutwert der Spannung basierend auf der vom Komparator verglichenen Ausgangsspannung der Abstimmeinheit.
  7. Spannungsversorgung nach den Ansprüchen 4 und 5, wobei die Steuereinheit dem Digital-Analog-Wandler ein digitales Signal entsprechend dem vom Komparator bereitgestellten digitalen Signal bereitstellt, um den Absolutwert der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers zu erhöhen, wenn der Absolutwert der vom Komparator verglichenen genauen Spannung höher ist als der Absolutwert der Spannung basierend auf der vom Komparator verglichenen Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers, und um den Absolutwert der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers zu verringern, wenn der Absolutwert der vom Komparator verglichenen genauen Spannung niedriger ist als der Absolutwert der Spannung basierend auf der vom Komparator verglichenen Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers.
  8. Spannungsversorgung nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers schrittweise reduziert wird.
  9. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die bereitgestellte Referenzspannung an einen Spannungsverstärker angelegt wird, der der mindestens einen Elektrode eine verstärkte Spannung bereitstellt.
  10. Spannungsversorgung nach Anspruch 9, wobei die bereitgestellte Referenzspannung über einen Switch an dem Spannungsverstärker angelegt wird.
  11. Spannungsversorgung nach Anspruch 10, wobei eine genaue Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, über den Switch an dem Spannungsverstärker angelegt werden kann.
  12. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, die die Referenzspannung bereitstellt, um der Elektrode eines Massenspektrometers eine Spannung zuzuführen.
  13. Spannungsversorgung nach Anspruch 12, wobei die Elektrode eine Mittelelektrode einer elektrostatischen Falle ist.
  14. Spannungsversorgung nach Anspruch 12, wobei das Massenspektrometer ein Flugzeit-Massenspektrometer ist.
  15. Spannungsversorgung nach Anspruch 14, wobei das Flugzeit-Massenspektrometer ein Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer ist.
  16. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die ultrastabile Gleichspannungsquelle über einen Zeitraum von 24 Stunden eine Spannungsstabilität unter 1 ppm aufweist.
  17. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die ultrastabile Gleichspannungsquelle über einen Temperaturbereich von 10 °C eine Spannungsstabilität unter 1 ppm aufweist.
  18. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die genaue Gleichspannungsquelle eine Produktionsgenauigkeit ihrer zugeführten Spannung unter 1000 ppm aufweist.
  19. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die zugeführte Spannung der ultrastabilen Gleichspannungsquelle die ultrastabile Spannung ist, die an die Abstimmeinheit angelegt wird.
  20. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit vom Komparator mit der genauen Spannung verglichen wird, um das Signal an die Steuereinheit bereitzustellen, wobei die Steuereinheit die Abstimmeinheit während der Abstimmungsperiode entsprechend dem Signal abstimmt, um die absolute Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der genauen Spannung zu minimieren.
  21. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die zugeführte Spannung der genauen Gleichspannungsquelle die genaue Spannung ist, die vom Komparator mit der Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit verglichen wird.
  22. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die von der Spannungsversorgung bereitgestellte Referenzspannung die Ausgangsspannung der Abstimmeinheit nach der Abstimmungsperiode ist.
  23. Verfahren zum Kalibrieren einer Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 22, um eine Referenzspannung bereitzustellen, um mindestens einer Elektrode eine Spannung zuzuführen, wobei eine basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung durch die Spannungsversorgung über einen Switch als Referenzspannung bereitgestellt werden kann, umfassend die folgenden Schritte: - Aktivieren der Spannungsversorgung, während die basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung an den Switch angelegt wird und diese Spannung nicht über den Switch als Referenzspannung bereitgestellt wird; - Abstimmen der Abstimmeinheit durch die Steuereinheit entsprechend dem vom Komparator bereitgestellten Signal, um die absolute Differenz zwischen der Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der vom Komparator verglichenen genauen Spannung zu minimieren, und - wenn die absolute Differenz zwischen den vom Komparator verglichenen Spannungen unter einem definierten Minimalwert liegt und die Abstimmung durch die Steuereinheit gestoppt ist, sendet die Steuereinheit ein Schaltsignal an den Switch; der Switch, der das Schaltsignal empfängt, wird betätigt, und dann wird die an den Switch angelegte, basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung durch die Spannungsversorgung über den Switch als Referenzspannung bereitgestellt.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die an den Switch angelegte Spannung, die basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt wird, die Spannung basierend auf der vom Komparator verglichenen Ausgangsspannung der Abstimmeinheit ist.
  25. Verfahren zum Kalibrieren einer Spannungsversorgung nach Anspruch 11, um eine Referenzspannung bereitzustellen, um mindestens einer Elektrode eine Spannung zuzuführen, wobei die Spannungsversorgung den Switch umfasst, umfassend die folgenden Schritte: - Aktivieren der Spannungsversorgung, während eine Spannung, die basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt wird, und eine genaue Spannung, die basierend auf der zugeführten Spannung der genauen Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, an den Switch angelegt werden, und die an den Switch angelegte, basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung nicht über den Switch mit dem Spannungsverstärker verbunden wird, und die genaue Spannung, die an den Switch angelegt wird, über den Switch mit dem Spannungsverstärker verbunden wird; - Abstimmen der Abstimmeinheit durch die Steuereinheit entsprechend dem vom Komparator bereitgestellten Signal, um die absolute Differenz zwischen der Spannung basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit und der vom Komparator verglichenen genauen Spannung zu minimieren, und - wenn die absolute Differenz zwischen den vom Komparator verglichenen Spannungen unter einem definierten Minimalwert liegt und die Abstimmung durch die Steuereinheit gestoppt ist, sendet die Steuereinheit ein Schaltsignal an den Switch; der Switch, der das Schaltsignal empfängt, wird betätigt, und dann wird die an den Switch angelegte, basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellte Spannung über den Switch mit dem Spannungsverstärker als Referenzspannung verbunden und die an den Switch angelegte genaue Spannung wird durch den Switch vom Spannungsverstärker getrennt.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei die an den Switch angelegte Spannung, die basierend auf der Ausgangsspannung der Abstimmeinheit bereitgestellt wird, die Spannung basierend auf der vom Komparator verglichenen Ausgangsspannung der Abstimmeinheit ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, wobei die genaue Spannung, die an den Switch angelegt wird, die vom Komparator verglichene genaue Spannung ist.
  28. Massenspektrometer, umfassend die Spannungsversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 22.
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