DE1150412B

DE1150412B - Circuit arrangement for amplifying or measuring a direct current quantity

Info

Publication number: DE1150412B
Application number: DEK41650A
Authority: DE
Inventors: Henry P Kalmus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1960-09-09
Filing date: 1960-09-09
Publication date: 1963-06-20

Description

Schaltungsanordnung zur Verstärkung bzw. Messung einer Gleichstromgröße Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung bzw. Messung einer Gleichstromgröße, insbesondere eines Lichtwerts.Circuit arrangement for amplifying or measuring a direct current quantity The invention relates to a circuit arrangement for amplifying or measuring a Direct current quantity, in particular a light value.

Vakuumphotozellen bilden außerordentlich stabile Verstärker für unmittelbar ablesbare Instrumente zur Anzeige von Lichtintensitäten. Bei der Messung von sehr schwachen Lichtintensitäten spielt jedoch das Verhältnis von Rauschen zu Signalstärke eine wesentliche Rolle, so daß die verwendete Schaltung jeweils einen Kompromiß zwischen der Gewährleistung einer guten Nullstabilität und einer optimalen Ansprechzeit darstellt. So ergeben Gleichstrom-Meßverfahren das beste Verhältnis von Signal zu Rauschen, doch besitzen sie eine geringe Nullstabilität. Um diesem Nachteil zu begegnen, wird normalerweise irgendeine Art von Modulation angewandt.Vacuum photocells are extremely stable amplifiers for direct readable instruments for displaying light intensities. When measuring very However, weak light intensities play a role in the ratio of noise to signal strength play an essential role, so that the circuit used in each case a compromise between ensuring a good zero stability and an optimal response time represents. Thus, direct current measurement methods give the best signal to ratio Noise, but they have low zero stability. To counter this disadvantage, some type of modulation is usually applied.

Modulierte Systeme müssen zwei grundliegenden Forderungen genügen, indem nämlich einerseits das Potential der Modulationswelle zwecks Gewährleistung der Nullstabilität vom Verstärkereingang getrennt sein muß oder zumindest verhindert werden muß, daß es den zu Meßzwecken verwendeten Teil des Stromkreises in irgendeiner Weise beeinflußt, und andererseits, daß der Dunkelstrom keinen Ausschlag des Meßinstruments bewirkt.Modulated systems must meet two basic requirements, namely by on the one hand the potential of the modulation wave for the purpose of guarantee the zero stability must be separated from the amplifier input or at least prevented must be that it is the part of the circuit used for measuring purposes in some Way, and on the other hand, that the dark current does not have a deflection of the measuring instrument causes.

So ist bereits eine Photozellenschaltung für die Erzeugung einer der Belichtung der Zelle proportionalen Trägerfrequenz durch Bildung der Differenz von zwei entgegengesetzten hochfrequenten Schwingungen bekannt. Diese als Zwischenfrequenz bezeichnete Differenzfrequenz läßt sich jedoch nur sehr schwer konstant halten, da bereits jede geringe prozentuale Schwankung einer der beiden Frequenzen eine starke Änderung der Zwischenfrequenz hervorbringt. Wenn dieser Nachteil auch keinen großen Einfluß auf die durch die bekannte Schaltung zu erzielende Trägerfrequenzverstärkung bei Fernsehsendern hat, machen sie diese Schaltung jedoch für den vorstehend genannten Zweck der Messung von Strahlungswerten unbrauchbar.So is already a photocell circuit for the generation of one of the Exposure of the cell proportional to the carrier frequency by taking the difference of two opposite high frequency oscillations known. This as an intermediate frequency However, it is very difficult to keep the specified difference frequency constant, since every small percentage fluctuation in one of the two frequencies is a brings about strong change in the intermediate frequency. Even if this disadvantage is not a great influence on the carrier frequency gain to be achieved by the known circuit in the case of television broadcasters, however, they make this circuit for the aforementioned Purpose of measuring radiation values useless.

Bei der Messung schwacher Strahlungen muß eine Verstärkerschaltung angewendet werden, die ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet. Die bekannte Schaltung dient in erster Linie zur Fernhaltung des Dunkelstroms vom Verstärker und nicht zur Vergrößerung des Signal-Rausch-Verhältnisses, was auch gar nicht notwendig ist, da das verwendete Signal eine für die Wiedergabe vollkommen ausreichende Stärke besitzt. Die bekannte Anordnung ist nicht zur Messung von Absolutwerten gedacht und läßt sich auch nicht zur Messung von Absolutwerten verwenden, zumindest nicht von verhältnismäßig kleinen Beträgen, sondern befaßt sich nur mit der Wiedergabe von Schwankungen der Lichtintensität.An amplifier circuit is required when measuring weak radiation be used, which ensures a favorable signal-to-noise ratio. the known circuit is primarily used to keep the dark current away from the amplifier and not to increase the signal-to-noise ratio, which is not even necessary is because the signal used is of sufficient strength for playback owns. The known arrangement is not intended for measuring absolute values and cannot be used to measure absolute values, at least not of relatively small amounts, but only deals with the reproduction from fluctuations in light intensity.

Demgegenüber betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung bzw. Messung einer Gleichstromgröße, insbesondere eines Lichtwerts, unter Verwendung einer in Reihe mit einem RC-Glied geschalteten Gleichrichterröhre mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie im Leitbereich, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch parallel zur Röhren-RC-Reihenschaltung liegende Wechselstromquellen, welche der Röhre und dem RC-Glied eine durch eine verhältnismäßig niederfrequente Rechteckwelle modulierte verhältnismäßig hochfrequente Trägerwelle aufprägen, eine auf die Röhre einwirkende Vorrichtung, unter deren Einfluß der von den Wechselstromquellen erzeugte, dusch die Röhre fließende Strom ein meßbares Signal hervorbringt, und einen durch die RC-Glieder gesteuerten, auf die Grundkomponente des niederfrequenten Rechteck-Modulationssignals abgestimmten Verstärker an sich bekannten Aufbaus.In contrast, the invention relates to a circuit arrangement for amplification or measurement of a direct current variable, in particular a light value, using a rectifier tube connected in series with an RC element with a non-linear Current-voltage characteristic curve in the control area, which is characterized according to the invention by alternating current sources lying parallel to the tube RC series circuit, which the tube and the RC element a relatively low-frequency square wave Imprint modulated, relatively high-frequency carrier wave, one on the tube Acting device, under the influence of which the generated by the alternating current sources, shower current flowing through the tube produces a measurable signal, and one through the RC elements controlled, on the basic component of the low-frequency square-wave modulation signal tuned amplifier structure known per se.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen, in denen eine spezielle Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, aus welcher der Aufbau, die Kombination der einzelnen Schaltelemente und die elektrischen Verbindungen der nachstehend erläuterten Systeme beispielhaft hervorgehen. Das Wesen und der Umfang der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden, ins einzelne gehenden und auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung. Es zeigt Fig. 1 ein Schaltbild eines Meßsystems mit den Merkmalen der Erfindung, Fig. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig.3 mehrere graphische Darstellungen, die die mit Hilfe verschiedener Systeme einschließlich des in Fig. 2 dargestellten Systems erhaltenen Signalstromamplituden darstellt, Fig.4 mehrere Kurven, die den Zusammenhang zwischen Rauschspannung und Zeit darstellen, Fig.5 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Wahrscheinlichkeitsverteilung der in Fig. 4 dargestellten Enveloppe und der tatsächlichen Spannungsabweichung darstellt.Further features of the invention emerge from the following description with reference to the drawings, in which a specific embodiment of the invention is shown is what the structure, the combination of the individual switching elements and the electrical connections of the systems explained below emerge by way of example. That The essence and scope of the invention result from the following, in detail and referring to the drawings. It shows Fig. 1 a Circuit diagram of a measuring system with the features of the invention, FIG. 2 is a circuit diagram a preferred embodiment of the invention, Figure 3 several graphical representations, which is carried out using various systems including that illustrated in FIG System shows signal current amplitudes obtained, Fig.4 several curves that the Represent the relationship between noise voltage and time, Fig. 5 a graph Representation showing the relationship between the probability distribution of the 4 and the actual voltage deviation.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 im allgemeinen eine Elektronenröhre, beispielsweise eine Photozelle und vorzugsweise eine Vakuumröhre mit einer Anode 11 und einer lichtempfindlichen Kathode 12. Zusammen mit der Photozelle 10 kann irgendeine beliebige Lichtquelle verwendet werden, beispielsweise eine Glühlampe 13, deren Faden 14 über einen veränderbaren Widerstand 16 von einer Batterie 15 geheizt wird. Die der Kathode 12 zugeführte Lichtmenge kann durch geeignete Vorrichtungen, bewegbare Mittel 17, verändert werden.In Fig. 1, the reference numeral 10 generally designates an electron tube, for example a photocell and preferably a vacuum tube with an anode 11 and a photosensitive cathode 12. Any light source can be used with the photocell 10 , for example an incandescent lamp 13, the filament 14 of which is heated by a battery 15 via a variable resistor 16. The amount of light supplied to the cathode 12 can be changed by suitable devices, movable means 17 .

Der Photozellenkreis enthält weiterhin eine aus einem Kondensator 18 in Parallelschaltung mit einem Widerstand 19 bestehende Impedanz, die, wie dargestellt, in Reihe zur Photozelle 10 und insbesondere zu deren Anode 11 geschaltet ist.The photocell circuit also contains an impedance consisting of a capacitor 18 in parallel with a resistor 19, which, as shown, is connected in series with the photocell 10 and in particular with its anode 11 .

Erfindungsgemäß kann an die Photozelle 10 und die damit in Reihe geschaltete, aus dem Kondensator 18 und dem Widerstand 19 bestehende Impedanz eine von einem Wechselstromgenerator 20 gelieferte modulierte Trägerfrequenz, bestehend aus einem verhältnismäßig hochfrequenten Wechselstrom von beispielsweise 8 MHZ, gelegt werden. Diese vom Generator erzeugte Trägerfrequenz wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz, beispielsweise einer Frequenz von 1 kHz moduliert, die von einem Wechselstromgenerator 21 geliefert wird. Die Generatoren 20 und 21 können beliebiger Art sein, beispielsweise werden elektronische Oszillatoren verwendet. Die Modulationsfrequenz kann der Trägerfrequenz in geeigneter Weise überlagert werden.According to the invention, a modulated carrier frequency supplied by an alternator 20, consisting of a relatively high-frequency alternating current of, for example, 8 MHz, can be applied to the photocell 10 and the impedance consisting of the capacitor 18 and the resistor 19, which is connected in series. According to the invention, this carrier frequency generated by the generator is modulated with the aid of a relatively low frequency, for example a frequency of 1 kHz, which is supplied by an alternating current generator 21. The generators 20 and 21 can be of any type, for example electronic oscillators are used. The modulation frequency can be superimposed on the carrier frequency in a suitable manner.

Die Photozelle 10 wirkt in ihrem Stromkreis als Gleichrichter, dessen Innenwiderstand eine Funktion der auf die Kathode 12 auffallenden Lichtmenge ist. Wenn kein Licht auf die Photozelle 10 fällt, wirkt diese mit allen ihren unvermeidbaren Verlusten als ein lineares Element, dessen Widerstand im wesentlichen unabhängig von der angelegten Spannung ist, so daß keine Energie von Modulationsfrequenz entwickelt wird. Wenn dagegen auf die Kathode 12 Licht fällt, Wirkt die Photozelle 10 als ein nichtlineares Element, so daß über dem Widerstand 19 eine Spannung von Modulationsfrequenz erzeugt wird.The photocell 10 acts in its circuit as a rectifier, its Internal resistance is a function of the amount of light incident on cathode 12. If no light falls on the photocell 10, this works with all of its unavoidable Losses as a linear element whose resistance is essentially independent from the applied voltage so that no energy is evolved from the modulation frequency will. On the other hand, when light falls on the cathode 12, the photocell 10 acts as a non-linear element, so that across the resistor 19 a voltage of modulation frequency is produced.

Das auf diese Weise über dem Widerstand 19 erzeugte Potential wird dem Gitter 22g einer allgemein mit 22 bezeichneten Röhre in Kathodenbasisschaltung zugeführt, deren Anode mit 22a und deren über den Kathodenwiderstand 23 an Erde und an das andere Ende des Widerstands 19 gelegte Kathode mit 22c bezeichnet sind. Parallel zum Kathodenwiderstand 23 liegt ein abgestimmter Verstärker 24, der seinerseits in Reihe mit einem Meßinstrument 25, vorzugsweise einem d'Arsonval-Instrument, geschaltet ist.The potential generated in this way across the resistor 19 is fed to the grid 22g of a tube generally designated 22 with a cathode base circuit, the anode of which is designated by 22a and the cathode connected to earth via the cathode resistor 23 and to the other end of the resistor 19 by 22c . In parallel with the cathode resistor 23 is a tuned amplifier 24, which in turn is connected in series with a measuring instrument 25, preferably an d'Arsonval instrument.

Das beschriebene, in Fig.1 dargestellte System kennzeichnet sich durch eine gute Nullstabilität, da irgendwelche Verluste in und um die Photozelle einen linearen Widerstand hervorbringen und der größte Teil des Dunkelstroms dieser Art ist. Der auf der Wärmeanregung der Photozelle beruhende Teil des Dunkelstroms bringt eine Spannung von Modulationsfrequenz hervor, doch ist dieser Anteil so gering, daß er vernachlässigt werden kann. Die vom Generator 21 gelieferte Modulationsfrequenz ist vorzugsweise so hoch gewählt, daß weder Stöße noch Vibrationen Fehlsignale und falsche Ablesungen am Meßinstrument 25 hervorbringen.The system described and shown in FIG. 1 is characterized by a good zero stability, since any losses in and around the photocell will cause a loss produce linear resistance and most of the dark current of this type is. The part of the dark current based on the thermal excitation of the photocell brings a voltage of modulation frequency emerges, but this proportion is so small that that it can be neglected. The modulation frequency supplied by the generator 21 is preferably selected so high that neither shocks nor vibrations cause false signals and produce false readings on meter 25.

Zwecks Vermeidung einer Demodulation in der Röhre muß verhindert werden, daß die Trägerfrequenzenergie am Gitter der Kathodenbasisröhre erscheint. Kein elektronisches Schaltelement besitzt eine genau lineare Charakteristik, so daß im Fall des Durchlasses des modulierten Trägerfrequenzpotentials auch dann durch die Kathodenbasisröhre eine Spannung von Modulationsfrequenz erzeugt würde, wenn kein Licht auf die Photozelle trifft. Erfindungsgemäß wird die Eingangsröhre einerseits durch eine Entkopplungseinrichtung und andererseits durch eine Filteranordnung gegen die Trägerfrequenz geschützt. Diese Schutzmaßnahme ist in der Schaltung gemäß Fig. 2 dargestellt.In order to avoid demodulation in the tube, it must be prevented that the carrier frequency energy appears on the grid of the cathode base tube. No electronic Switching element has an exactly linear characteristic, so that in the case of passage of the modulated carrier frequency potential also then through the cathode base tube a voltage of modulation frequency would be generated if there was no light on the photocell meets. According to the invention, the input tube is on the one hand by a decoupling device and on the other hand protected against the carrier frequency by a filter arrangement. This protective measure is shown in the circuit according to FIG.

Bei dem an Hand von Fig.2 erläuterten System werden einige Schaltelemente der in Fig. 1 dargestellten Anordnung benutzt. Soweit möglich, wurden daher gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die die Generatoren 20 und 21 und die Generatorimpedanz 28 aufweisende Quelle für die modulierte Hochfrequenz ist über eine Spule 29 an einen Schwingungskreis 33 angekoppelt, dessen Spule 31 eine an Erde liegende Mittelanzapfung 32 besitzt, während die Spulenenden parallel zu einem Kondensator 34 geschaltet sind. Der Schwingungskreis 33 läßt die Trägerfrequenz und deren beide Seitenbänder an die mit ihm in Reihe geschaltete Photozelle 10 durch, verhindert jedoch vollständig den Durchtritt des Potentials von Modulationsfrequenz. Die dargestellte Ankopplung der hochfrequenten Energie an den Schwingungskreis 33 wurde nur beispielhaft gewählt, und selbstverständlich können auch andere Kopplungsarten benutzt werden.In the system explained with reference to FIG. 2, some switching elements of the arrangement shown in FIG. 1 are used. As far as possible, the same elements have therefore been given the same reference numerals. The source for the modulated high frequency, comprising the generators 20 and 21 and the generator impedance 28, is coupled via a coil 29 to an oscillating circuit 33, the coil 31 of which has a center tap 32 connected to earth, while the coil ends are connected in parallel to a capacitor 34. The oscillating circuit 33 lets the carrier frequency and its two sidebands through to the photocell 10 connected in series with it, but completely prevents the potential of the modulation frequency from passing through. The illustrated coupling of the high-frequency energy to the oscillating circuit 33 was chosen only as an example, and of course other types of coupling can also be used.

Das erfindungsgemäße System weist weiterhin einen Entkopplungskondensator 26 auf, der das Trägerpotential über einen Widerstand 27 auf einem Minimalwert hält. Dieser dem Widerstand 19 des in Fig. 1 dargestellten Systems entsprechende Widerstand ist einseitig an die Photozelle 10 angeschlossen und ist so eingestellt, daß sein Widerstandswert gleich dem Wert der durch die als Kondensator 35 gestrichelt eingezeichnete Eigenkapazität der Photozelle 10 ist. Eine derartige Einstellung hält das Trägerpotential am Endpunkt 36 des Widerstands 27 so niedrig wie möglich. Der Widerstand 27 wird aus nachfolgend beschriebenen Gründen mit Hilfe einer Batterie 37 positiv vorgespannt.The system according to the invention also has a decoupling capacitor 26, which holds the carrier potential via a resistor 27 at a minimum value. This resistance corresponds to the resistance 19 of the system shown in FIG is connected on one side to the photocell 10 and is set so that its Resistance value equal to the value drawn by the dashed line as capacitor 35 Self-capacitance of the photocell 10 is. Such an adjustment holds the carrier potential at the end point 36 of the resistor 27 as low as possible. The resistor 27 is positively biased with the aid of a battery 37 for reasons described below.

Zwecks weiterer Unterdrückung von Trägerfrequenzspannungen am Verzweigungspunkt 36 ist ein allgemein mit 39 bezeichnetes Niederfrequenz-Bandfilter vorgesehen, das irgendwelche auf Grund unvollständiger Entkopplung durch den Kondensator 26 etwa am Gitter 22g erscheinende Spannungen von Trägerfrequenz abschneidet. Das Niederfrequenz-Bandfilter 39 ist über einen Kondensator 40 an das bisher beschriebene System angekoppelt, der das Gitter 22g von Gleichspannungen freihält, jedoch Wechselstromsignale frei durchläßt. Der Widerstand 41 und der Kondensator 42 wirken als Niederfrequenz-Bandfilter, das jegliche Spannung von Trägerfrequenz abschneidet. Der Kondensator 42 verringert nicht die Eingangsimpedanz der Kathodenbasisröhre für die Modulationsfrequenz, da er nicht an Erde, sondern an der Kathode liegt, die bei Modulationsfrequenz im wesentlichen auf Gitterpotential liegt. Über den Abschnitten 44 und 46 des Kathodenwiderstands liegt ein Kondensator 47, der irgendwelche Wechselspannungen von Trägerfrequenz durchläßt, die sonst über die Kathodenwiderstände 44 und 46 fließen würden. Der Anschluß 43 des Kathodenwiderstands 44 steht über einen Kondensator 48 mit einem abgestimmten Engpaß-Selektiv-Verstärker 49 in Verbindung, der seinerseits an das vorstehend beschriebene Meßinstrument 25 angeschlossen ist.For the purpose of further suppression of carrier-frequency voltages at branching point 36, a low-frequency bandpass filter, generally designated 39, is provided, which cuts off any voltages from the carrier frequency that may appear on grid 22g due to incomplete decoupling by capacitor 26. The low-frequency bandpass filter 39 is coupled to the system described above via a capacitor 40, which keeps the grid 22g free of direct voltages, but allows alternating current signals to pass freely. The resistor 41 and the capacitor 42 act as a low frequency band filter that cuts off any voltage from the carrier frequency. The capacitor 42 does not reduce the input impedance of the cathode base tube for the modulation frequency, since it is not connected to earth but to the cathode, which is essentially at grid potential at the modulation frequency. A capacitor 47 is located above the sections 44 and 46 of the cathode resistor and allows any alternating voltages of carrier frequency to pass through which would otherwise flow via the cathode resistors 44 and 46. The connection 43 of the cathode resistor 44 is connected via a capacitor 48 to a matched bottleneck selective amplifier 49, which in turn is connected to the measuring instrument 25 described above.

Das in Fig.2 dargestellte System gestattet einen freien Durchtritt des Hüllpotentials an die Kathodenbasisröhre 22, deren Ausgang, wie beschrieben, dem abgestimmten Engpaß-Selektiv-Verstärker 49 zugeführt wird. Die Bandbreite des Verstärkers 49 wird mit Hilfe von abgestimmten Schaltelementen und durch synchrone Gleichrichtung gering gehalten. Bei schwachem Lichteinfall auf die Photozelle 10 besitzt diese einen sehr hohen Innenwiderstand, und es kann angenommen werden, daß diese unter den beschriebenen Arbeitsbedingungen eine Gleichstromquelle darstellt. Die Signalspannung für die Kathodenbasisröhre 22 wird durch den Spannungsabfall über dem einen Arbeitswiderstand darstellenden Widerstand 27 geliefert, der mit RL bezeichnet werden kann. Um ein optimales Verhältnis von Signal zu Rauschen zu erzielen, muß RL so groß wie möglich gemacht werden, da das Signal eine Funktion von RL ist, während das Rauschen proportional zu yI- ist. Demgemäß ist das Verhältnis von Signal zu Rauschen eine Funktion von j;/iiL . Das in der Kathodenbasisröhre 22 und über den Abschnitten 44 und 46 des Kathodenwiderstands entwickelte Rauschen kann vernachlässigt werden.The system shown in FIG. 2 allows the envelope potential to pass freely to the cathode base tube 22, the output of which, as described, is fed to the matched bottleneck selective amplifier 49. The bandwidth of the amplifier 49 is kept low with the aid of matched switching elements and synchronous rectification. When the light incidence on the photocell 10 is weak, the latter has a very high internal resistance, and it can be assumed that it represents a direct current source under the working conditions described. The signal voltage for the cathode base tube 22 is provided by the voltage drop across the resistor 27, which represents an operating resistance and which can be referred to as RL. In order to achieve an optimal signal to noise ratio, RL must be made as large as possible since the signal is a function of RL while the noise is proportional to yI-. Accordingly, the signal to noise ratio is a function of j; / iiL. The noise developed in the cathode base tube 22 and over the sections 44 and 46 of the cathode resistor can be neglected.

Im eigentlichen Instrumenten- oder Meßkreis ist die Last für die Photozelle 10 komplex, d. h., sie setzt sich aus einem durch eine Kapazität geshunteten Widerstand zusammen. Bezeichnet man die Last mit ZL = a -f- j b, so ist das Signal proportional az -f- b= und das Rauschen nach der Theorie von Nyguist proportional va . Es läßt sich leicht zeigen, daß das Verhältnis von Signal zu Rauschen immer noch proportional vxL ist und daß der Shuntkondensator 26 keine nachteilige Wirkung ausübt. Trotzdem sollte seine Kapazität so gering wie möglich gehalten werden, um die Signalspannung möglichst groß zu halten, damit das Rauschatmen und der Mikrophoneffekt im Verstärker 49 vernachlässigt werden können. Die Potentialdifferenz zwischen der Kathode 22c der Kathodenbasisröhre und Erde ist praktisch gleich der an das Gitter 22g gelegten Spannung, so daß die Kapazität des Kondensators 42 für das 1-kHz-Signal stark herabgesetzt ist. Aus dem gleichen Grund sollten alle elektrostatischen Abschirmungen ebenfalls mit der Kathode 22c in Verbindung stehen.In the actual instrument or measuring circuit, the load for the photocell 10 is complex, ie it is composed of a resistor shunted by a capacitance. If the load is denoted by ZL = a -f- jb, the signal is proportional to az -f- b = and the noise according to Nyguist's theory is proportional to va. It can easily be shown that the signal to noise ratio is still proportional to vxL and that the shunt capacitor 26 has no adverse effect. Nevertheless, its capacity should be kept as low as possible in order to keep the signal voltage as large as possible so that the noise breathing and the microphone effect in the amplifier 49 can be neglected. The potential difference between the cathode 22c of the cathode base tube and earth is practically equal to the voltage applied to the grid 22g, so that the capacitance of the capacitor 42 for the 1 kHz signal is greatly reduced. For the same reason, all electrostatic shields should also be in communication with cathode 22c.

Das nach dem erfindungsgemäßen Doppelmodulationsverfahren erzielte Verhältnis von Signal zu Rauschen sei nunmehr mit dem nach anderen Systemen erzielten Verhältnissen verglichen. Hierzu sei angenommen, daß eine Rechteckmodulation angewendet wird und die Photozelle 10 als idealer Gleichrichter wirkt. Weiter sei angenommen, daß das Instrument 25 nach synchroner Gleichrichtung eine dem mittleren Strom durch den einen Widerstandswert RL besitzenden Widerstand 27 proportionale Anzeige liefert.That achieved by the double modulation method according to the invention The ratio of signal to noise is now achieved with that according to other systems Conditions compared. For this purpose, it is assumed that square modulation is used and the photocell 10 acts as an ideal rectifier. Let us further assume that the instrument 25 after synchronous rectification a mean current through the resistor 27 having a resistance value RL provides a proportional display.

In Fig. 3 ist bei 50 der Signalstrom eines herkömmlichen Gleichstromsystems bei vernachlässigtem Dunkelstrom dargestellt. In diesem Fall ist der Strommittelwert iav gleich dem Signalstrom i. Bei Verwendung eines Lichtzerhackers oder eines Magnetschalters werden die bei 51 dargestellten Rechteckwellen erzeugt. In diesem Fall ist der Strommittelwert iav gleich dem halben Signalstrom Das Verhältnis von Signal zu Rauschen ist dabei auf 6 db reduziert. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Doppelmodulation muß ersichtlicherweise eine weitere Verringerung um 6 db angenommen werden, da die Rechteckwellen 52 nur noch in der halben Anzahl gegenüber der bei 51 dargestellten Zahl auftreten und der Strommittelwert iav nur noch ein Viertel des Signalstroms ist. In der Praxis unterscheiden sich die beiden bei 51 bzw. 52 dargestellten Wechselstrommethoden wegen des großen Flackereffekts und der bei Anwendung magnetischer Modulation im Niederfrequenzverstärker unvermeidbaren Mikrofonstörungen kaum voneinander.In FIG. 3, the signal current of a conventional direct current system with neglected dark current is shown at 50. In this case, the mean current value iav is equal to the signal current i. When using a light chopper or a magnetic switch, the square waves shown at 51 are generated. In this case, the mean current value iav is equal to half the signal current The signal-to-noise ratio is reduced to 6 db. When using the double modulation according to the invention, a further reduction of 6 db must obviously be assumed, since the square waves 52 occur only in half the number compared to the number shown at 51 and the mean current value iav is only a quarter of the signal current. In practice, the two alternating current methods shown at 51 and 52 hardly differ from one another because of the large flicker effect and the microphone interference that is unavoidable when using magnetic modulation in the low-frequency amplifier.

Vakuumphotozellen besitzen in ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik zwei Knicke, von denen jeder für die Demodulation ausgenutzt werden kann. Es zeigt sich jedoch, daß der bei der Sättigung liegende Knick eine größere Gleichrichterwirksamkeit besitzt, weshalb die Batterie 37 so geschaltet ist, daß sie eine positive Vorspannung liefert.Vacuum photocells have current-voltage characteristics two kinks, each of which can be used for demodulation. It shows However, the kink at the saturation point has a greater rectifier efficiency possesses, which is why the battery 37 is connected to have a positive bias supplies.

Die Innenimpedanz der Photozelle 10 ist proportional zur einfallenden Lichtintensität, so daß im System eine gute Linearität gewährt bleibt. In dieser Hinsicht hat das erfindungsgemäße Verfahren dieselbe Arbeitscharakteristik wie die herkömmlichen Gleichstromverfahren.The internal impedance of the photocell 10 is proportional to the incident light intensity, so that good linearity is guaranteed in the system. In this regard, the method according to the invention has the same operating characteristics as the conventional direct current methods.

Um die Schwankungen des Meßinstruments 25 in einem einen Verstärker 49 mit einer Bandbreite von 1 Hz aufweisenden System zu bestimmen, wurden mit Hilfe des in Fig. 2 dargestellten Kreises die Signal- und Rauschspannungen für eine volle Ausschlagsempfindlichkeit von 0,1 Mikrolumen berechnet. Die Gesamtkapazität für die 1-kHz-Welle betrug zwischen dem Punkt 36 und Erde 8 t,@,F. Der Widerstand des Belastungswiderstands 27 betrug 40 Mü. Der Kondensator 42 und der Widerstand 45 können vernachlässigt werden, da diese Elemente, wie vorstehend beschrieben, mit der Kathode 22c der Kathodenbasisröhre 22 verbunden sind. Die Gesamtimpedanz Z läßt sich durch den Ausdruck a -I- jb ausdrücken. Der den Widerstandswert RL besitzende Widerstand 27 ist durch die Kapazität geshunted. Dann ist Die das Signal hervorbringende Last beträgt während die das Rauschen hervorbringende Last und = -20 MQ für 1 kHz beträgt. Hieraus folgt, daß Zs = 18 MQ und Zn = 8 MQ ist. Besitzt die Photozelle beispielsweise eine Empfindlichkeit von 40 #tA/1, so wird bei einer Belichtung mit 0,1 Mikrolumen ein Photostrom iDC = 4 - 10-12 hervorgebracht. Bei Zimmertemperatur beträgt die durch einen Widerstand mit einem Widerstandswert Zn unter Verwendung eines Verstärkers 49 mit einer Bandbreite von d f Hz hervorgebrachte Rauschspannung En: Bei einer angenommenen Bandbreite von 1 Hz ergibt sich demnach: En = 0,4 @tV.In order to determine the fluctuations of the measuring instrument 25 in a system having an amplifier 49 with a bandwidth of 1 Hz, the signal and noise voltages for a full deflection sensitivity of 0.1 microlumen were calculated with the aid of the circle shown in FIG. The total capacitance for the 1 kHz wave between point 36 and earth was 8 t, @, F. The resistance of the load resistor 27 was 40 mu. The capacitor 42 and the resistor 45 can be neglected because these elements are connected to the cathode 22c of the cathode base tube 22 as described above. The total impedance Z can be expressed by the expression a -I-jb. The resistor 27 having the resistance value RL is due to the capacitance shunted. Then The load producing the signal is while the noise generating load and = -20 MQ for 1 kHz. It follows from this that Zs = 18 MQ and Zn = 8 MQ. For example, if the photocell has a sensitivity of 40 # tA / 1, an exposure of 0.1 microlumen produces a photocurrent iDC = 4 - 10-12. At room temperature, the noise voltage En produced by a resistor with a resistance value Zn using an amplifier 49 with a bandwidth of df Hz is: With an assumed bandwidth of 1 Hz, the result is: En = 0.4 @tV.

In Fig. 4 ist die augenblickliche Rauschspannung en in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Diese Spannung wird durch einen Träger 53 unregelmäßiger Phase und unregelmäßiger Amplitude gebildet, deren quadratischer Mittelwert En ist. Diese Rauschträgerspannung wird von einer Enveloppe 54-54 mit einer mittleren Frequenz von 0 5 Hz eingehüllt, die eine unregelmäßige Phase und unregelmäßige Amplitude besitzt. Nach Endmodulation in einem synchronisierten Gleichrichter im Verstärker 49 folgt der Zeiger 25p des Meßinstruments 25 der Umhüllenden54 der Rauschspannung. Diese Zeigerschwankungen sind von großer Bedeutung, da sie die Nullstabilität des Instruments bestimmen. Die wahrscheinliche Verteilung der Einhüllenden von En beträgt Diese Kurve 56 ist in Fig. 5 dargestellt, in der eine effektive Rauschspannung En = 1 V angenommen ist. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Amplitude zwischen 3 und 4 V ergibt sich aus dem Verhältnis des unter der Kurve 56 zwischen den Abszissenpunkten 3 und 4 liegenden Fläche zu der von der Kurve umrissenen Gesamtfläche. Ersichtlicherweise beträgt diese Wahrscheinlichkeit etwa 20/" was bedeutet, das im Mittel etwa jeder fünfzehnte Ausschlag des Zeigers 25p einen Wert zwischen 3 und 4 V erreicht. Höhere Ausschläge erscheinen praktisch nie, während etwa 50 °/o aller Ausschläge einen Wert von 1 V besitzen. Wendet man dieses Ergebnis auf die angenommenen Bedingungen mit einer effektiven Rauschspannung von 0,4 p,V an, wenn kein Licht auf die Photozelle 10 fällt, so besitzen 5001, aller Schwankungen des Zeigers 25p Beträge proportional 0,4 @.V, während 2°/o proportional etwa 1,4 @,V sind. Da die Bandbreite des Verstärkers 49 um 1 Hz unter der Frequenz bei den angenommenen Bedingungen liegt, folgen die durch das Rauschen bedingten Schwankungen des Zeigers 25p in Abständen von etwa 2 s aufeinander, so daß die größten Abweichungen etwa 100 s auseinanderliegen. Für einen Lichtstrom von 0,1 Microlumen ist die Abweichung des Zeigers 25p proportional 18 1.V. Das Meßinstrument 25 besitzt daher insbesondere bei Verwendung eines synchronen Detektors eine ausreichende Nullstabilität, so daß die Amplituden der Rauschenveloppe gleichmäßig zu beiden Seiten des Nullstriches verteilt sind. Bei einer einfachen linearen Messung würden die Schwankungen nur auf einer Seite auftreten und würden eine genaue Feststellung der Nullage unmöglich machen.In FIG. 4, the instantaneous noise voltage en is plotted as a function of time. This voltage is formed by a carrier 53 of irregular phase and irregular amplitude, the root mean square of which is En . This noise carrier voltage is enveloped by an envelope 54-54 with a mean frequency of 0.5 Hz, which has an irregular phase and irregular amplitude. After final modulation in a synchronized rectifier in the amplifier 49, the pointer 25p of the measuring instrument 25 follows the envelope 54 of the noise voltage. These pointer fluctuations are of great importance because they determine the zero stability of the instrument. The probable distribution of the envelope of En is This curve 56 is shown in FIG. 5, in which an effective noise voltage En = 1 V is assumed. The probability of the occurrence of an amplitude between 3 and 4 V results from the ratio of the area lying below the curve 56 between the abscissa points 3 and 4 to the total area outlined by the curve. Obviously, this probability is about 20 / ", which means that on average about every fifteenth deflection of the pointer 25p reaches a value between 3 and 4 V. Higher deflections practically never appear, while about 50% of all deflections have a value of 1 V If one applies this result to the assumed conditions with an effective noise voltage of 0.4 p, V, when no light falls on the photocell 10, then 5001, of all fluctuations of the pointer 25p have magnitudes proportional to 0.4 @ .V, while 2 ° / o are proportional to about 1.4 @, V. Since the bandwidth of the amplifier 49 is 1 Hz below the frequency under the assumed conditions, the fluctuations of the pointer 25p caused by the noise follow one another at intervals of about 2 s, so that the greatest deviations are about 100 s apart. For a luminous flux of 0.1 microlumen, the deviation of the pointer 25p is proportional to 18 1.V. The measuring instrument 25 therefore has, especially when used The invention of a synchronous detector provides sufficient zero stability so that the amplitudes of the noise envelope are evenly distributed on both sides of the zero line. In the case of a simple linear measurement, the fluctuations would only occur on one side and would make an exact determination of the zero position impossible.

Das erfindungsgemäße Doppelmodulationsverfahren ist nicht auf die Messung von Strahlungen beschränkt, sondern kann überall dort angewandt werden, wo nichtlineare Effekte durch das zu ermittelnde Phänomen hervorgebracht werden. Beispielsweise kann bei einem Hitzdraht-Meßinstrument der Kathoden-Gitter-Gleichstrom als Demodulator für die modulierte Trägerwelle verwendet werden.The double modulation method according to the invention is not limited to Measurement of radiation is limited, but can be applied anywhere where non-linear effects are produced by the phenomenon to be determined. For example, in a hot wire measuring instrument, the cathode-grid can be direct current can be used as a demodulator for the modulated carrier wave.

Ersichtlicherweise können die vorbeschriebenen Schaltungen und Ausführungsformen der Erfindung in vielfacher Hinsicht abgewandelt werden, ohne daß dadurch das Wesen und der Umfang der Erfindung abgewandelt wird. Demgemäß sollen die an Hand der vorstehenden Beschreibung und der Zeichnungen erläutertenen Ausführungsformen nur beispielhaften Charakter besitzen.Obviously, the circuits and embodiments described above the invention can be modified in many ways, without thereby affecting the essence and the scope of the invention is varied. Accordingly, on the basis of the above Description and the drawings illustrated embodiments are only exemplary Have character.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Circuit arrangement for amplifying or measuring a direct current quantity, in particular a light value, using a rectifier tube connected in series with an RC element with a non-linear current-voltage characteristic in the control area, characterized by alternating current sources parallel to the tube RC series circuit (20, 21), which impress the tube (10) and the RC element (18, 19) with a relatively high-frequency carrier wave modulated by a relatively low-frequency square wave, a device (13) acting on the tube (10), under the influence of which the current generated by the alternating current sources and flowing through the tube produces a measurable signal, and an amplifier (24) which is known per se and is controlled by the RC elements (18, 19) and tuned to the basic component of the low-frequency square-wave modulation signal.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the tube (10) generating an electrical signal that is dependent on the incident radiation energy photosensitive element -is.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that that the RC circuit has a resistance on the order of MO, together with the other switching elements a relatively high signal-to-noise ratio and increases the signal output voltage of the circuit.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized by one between the alternating current sources (20, 21) and the tube RC series circuit (10; 18, 19) switched on, the impressing the Modulation frequency on the RC element preventing, on the relatively high Frequency tuned circuit (33).

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that a measuring circuit in the form of a cathode base circuit via the RC element with anode (22a) connected to one branch point of the RC element (18, 19) Grid (22g), cathode (22c), between the cathode and the other branch point of the RC element (18, 19) inserted resistor (23) and one controlled by the RC element, matched to the basic component of the low-frequency square-wave modulation signal, is connected in series with a measuring instrument (25) amplifier (24), wherein the measuring instrument (25) and the amplifier (24) parallel to the resistor (23) lie, and between the RC element (18, 19) and the grid (22g) an impingement the carrier frequency on the grating preventing low-frequency bandpass filter switched on is.

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the amplifier (24) is a narrow band amplifier.

7. Arrangement according to claim 5, characterized in that the low-frequency band filter (39) has resistors and capacitors connected in series. Considered publications: German Patent Specifications No. 921995, 650 667; German Auslegeschriften No. 1032 342; V 6486 VIIIa / 21 a2 (published October 18, 1956).