DE1230458B

DE1230458B - Filterkreis zur Unterdrueckung hochfrequenter Stoerbestandteile eines Signals

Info

Publication number: DE1230458B
Application number: DEB61150A
Authority: DE
Inventors: Harold Gribble Camnitz; East Aurora
Original assignee: Bausch and Lomb Inc
Current assignee: Bausch and Lomb Inc
Priority date: 1960-02-18
Filing date: 1961-02-06
Publication date: 1966-12-15

Description

Filterkreis zur Unterdrückung hochfrequenter Störbestandteile eines Signals Die Erfindung betrifft einen Filterkreis zur Unterdrückung hochfrequenter Störbestandteile eines abgetasteten Eingangssignals mit einer Eingangsschaltung und einer Ausgangsschaltung sowie einem Umschalter, dessen beweglicher Kontakt im Querzweig des Kreises liegt.
Der besondere Zweck der Erfindung besteht in der Verminderung des Anteils an Harmonischen bei einem elektrischen Signal und der Behandlung verhältnismäßig komplizierter Signale, deren zweite und höhere Harmonische eine größere Amplitude aufweisen als die Grundschwingung, wobei ein Signal als Anzeige des Wertes der Grundfrequenz erzeugt wird, dessen Anteile an zweiten und höheren Harmonischen einen verhältnismäßig kleinen Wert besitzen.
Bei gewissen elektrischen Geräten werden Wandler mit veränderlicher Verstärkung zum Erzeugen eines elektrischen Signals auf Grund eines Umgebungs-oder Außenzustandes verwendet. Gewisse Wandler, beispielsweise Photoverstärkerröhren, zeigen verhältnismäßig große Empfindlichkeitsschwankungen als Funktion des Zustandes, den sie ermitteln, und es ist zur Erzielung des höchsten Wirkungsgrades oftmals eine Schaltung erwünscht, die die Verstärkung des Wandlers im umgekehrten Verhältnis zu den Schwankungen der Empfindlichkeit infolge Schwankungen bei dem zu ermittelten Zustand verändert, wobei das Ausgangssignal des Wandlers kompensiert wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß der Wandler periodisch einem elektrischen Bezugssignal ausgesetzt wird, das in Ausdrücken der Empfindlichkeit des Wandlers dem unbekannten, zu untersuchenden elektrischen Signal entspricht, wobei die Verstärkung des Wandlers so eingestellt wird, daß dessen Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem Bezugssignal auf einen vorherbestimmten Wert gebracht wird.
Indem der Wandler periodisch abwechselnd einem elektrischen Bezugssignal und einem zu messenden elektrischen Signal ausgesetzt wird, erhält die Ausgangsleistung des Wandlers die Form einer Reihe von elektrischen Impulsen. Die Erfindung sieht ein verbessertes Filter vor, um aus diesem Impulssignal unerwünschte und unechte Teile zu entfernen und den Anteil an zweiten und höheren Harmonischen zu vermindern, wobei die Impulse mit einem verhältnismäßig hohen Grad von Genauigkeit gemessen werden.
Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten elektrischen Schaltung, die auf ein elektrisches, aus in Zeitabständen auftretenden Impulsen zusammengesetztes Signal anspricht, wobei die elek- trischen Signale zur Verminderung des Anteils an Harmonischen gefiltert werden, die ferner auf verhältnismäßig niederfrequente Signalschwankungen anspricht und für verhältnismäßig hochfrequente Signalschwankungen unter Einschluß der zweiten und dritten Harmonischen der Grundfrequenz des erwünschten Signals außerordentlich hochempfindlich ist, jedoch eine verhältnismäßig kurze Verzögerung aufweist, die zum Messen von elektrischen Impulsen, die während vorgewählter Perioden auftreten, deren Dauer begrenzt veränderlich ist, dient, und bei der Schaltmittel vorhanden sind, die einen Teil der Schaltung abwechselnd öffnen und schließen.
Ferner erzeugt die Schaltung ein Ausgangssignal als Anzeige des Durchschnittswertes eines ausgewählten Merkmals desjenigen Teiles eines Eingangssignals, das während der Zeitspanne auftritt, in der der Schaltungsteil geschlossen ist.
Die Erfindung stellt außerdem einen verbesserten elektrischen Tiefpaßfilterkreis mit einer verhältnismäßig hohen Selektivität und Unterscheidungskraft zwischen erwünschten und unerwünschten Teilen eines Signals dar, welcher den erwünschten Teil des Signals von einem Eingangskreis mit geringster Verzögerung zu einem Ausgangskreis leitet, der gleichzeitig unerwünschte Teile aus einem aus in Zeitabständen auftretenden Impulsen zusammengesetzten Signal entfernt und der die relativen Werte der aufeinanderfolgenden Impulse miteinander vergleicht.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist verhältnismäßig einfach und billig aufiubauen und arbeitet zuverlässig und genau.
Gegenstand der Erfindung ist ein Filterkreis, der ein Ausgangssignal auf Grund mindestens eines Eingangssignals erzeugt, mit einer Eingangsschaltung, einer Ausgangsschaltung sowie einem Umschalter, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß in den Längszweig zwischen die Eingangsschaltung und die Ausgangsschaltung ein Obertragungskondensator (42) gelegt ist, der so mit den beiden festen Kontakten des Umschalters verbunden ist, daß er abwechselnd die Eingangsseite oder die Ausgangsseite des Filterkreises abschließt, und daß ein Signal auf die Ausgangsseite übertragen wird, dessen Größe sich nach Maßgabe der Ladung eines Eingangskondensators (40) in der Eingangsschaltung ändert.
Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In der Zeichnung ist die F i g. 1 ein Schaltbild eines bisher bekannten Filterkreises, F i g. 2 ein Schaltbild eines Filterkreises nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, F i g. 3 ein Schaltbild eines Filterkreises nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Eingangskreisen und die Fig. 4 ein Schaltbild, zum Teil in symbolischer Darstellung, einer auf ein Signal oder einen Zustand ansprechenden Schaltung nach der Erfindung, die beispielsweise in einem Spektralphotometer verwendet werden kann.
Die offenbarte Ausführungsform besteht aus einer elektrischen Schaltung mit einem ersten Kondensator zum Empfangen und Speichern einer elektrischen Ladung, mit Schaltmitteln, die den Kondensator abwechselnd mit dem Eingangs- und dem Ausgangsteil der Schaltung verbinden, mit einem Hilfskondensator und mit Schaltmitteln, die den Hilfskondensator abwechselnd zum ersten Kondensator parallel schalten und über einen vom Ausgangsteil gesonderten Schaltungsteil entladen. Die Verwendung eines Hilfskondensators ist zum Erzielen besserer Betriebsmerkmale der eriindungsgemäßen Schaltungen wesentlich, da er ermöglicht, die Eingangs- und die Ausgang'steile der Schaltung mit verhältnismäßig großen Zeitkonstanten zu versehen ohne bei der Signalübertragung eine unerwünschte Verzögerung zu bewirken.
Zuerst soll der sich mit dem Filtern des Signals befassende Teil der Erfindung an Hand der F i g. 1, 2 und 3 erläutert werden. Der in Fig. 1 dargestellte ältere Filterkreis enthält einen Kommutatorschalter 10, der sich vor dem Schließen öffnet und verhältnismäßig rasch wiederholt arbeiten kann und der aus jeder gewünschten Ausführung bestehen kann, beispielsweise aus der dargestellten, sogenannten »Zerhacker«-Ausführung. Der Schalter 10 besteht aus einem einpoligen Zweiwegeumschalter und kann mit irgendeiner gewünschten, nicht dargestellten Einrichtung verbunden sein, die den Schalter mit der gewünschten Schaltgeschwindigkeit betreibt, die üblicherweise entsprechend der Art des Eingangssignals e gewählt wird. Der bewegbare Kontakt 12 des Schalters ist an die eine Seite eines Kondensators 14 angeschlossen, dessen andere Seite mit der gemeinsamen Leitung 16 des Kreises verbunden ist. Das Eingangssignal ei wird zwischen einem unabhängigen Eingangsanschluß 20 und der gemeinsamen Leitung 16 zugeführt. Zwischen die unabhängige Eingangsklemme 20 und einen ortsfesten Kontakt 22 des Schalters ist ein Eingangswiderstand 18 geschaltet.
Das Ausgangssignal eO wird am Ausgangswiderstand 24 erzeugt, der zwischen den anderen ortsfesten Kontakt des Schalters und die gemeinsame Leitung 16 geschaltet ist.
Der Kondensator 14 kann als tSbertragungskondensator bezeichnet werden, da er das Signalspeicherelement darstellt, das zur Übertragung des gewünschten Signals vom Eingang zum Ausgang dient. Der Kondensator 14 wird vom Eingangssignal ei über den Eingangswiderstand 18 während der Zeit aufgeladen, in der der bewegbare Kontakt 12 auf dem ersten ortsfesten Kontakt 22 ruht. Bewegt sich danach der bewegbare Kontakt 12 zum zweiten ortsfesten Kontakt 26, so entlädt sich der Kondensator 14 über den Ausgangswiderstand 24, wobei an diesem eine Spannung erzeugt wird, die proportional der Ladung ist, die vorher vom Kondensator 14 aus dem Eingangssignal ei aufgenommen wurde.
Diese Schaltung wirkt als Tiefpaßfilter und filtert unechte oder unerwünschte Signale aus, deren Frequenz im Vergleich zur Schaltfrequenz verhältnismäßig hoch ist. Diese Schaltung weist jedoch erhebliche Nachteile auf, die die Wirkung beeinträchtigen.
Damit die Zeitverzögerung zwischen dem Auftreten einer Veränderung des Eingangssignals ei und dem Auftreten einer entsprechenden Änderung des Ausgangssignals eO möglichst klein wird, muß die Zeitkonstante des Eingangs- oder Ausgangsteiles der Schaltung im Vergleich zur Schaltperiode kurz sein, d. h. entweder die Zeitkonstante des Eingangswiderstandes und des mit diesem in Reihe geschalteten Kondensators 14, oder die Zeitkonstante des mit dem Kondensator in Reihe geschalteten Ausgangswiderstandes muß in bezug auf die Schaltperiode kurz sein. Ist die Zeitkonstante des Eingangsteiles kleiner als die Schaltperiode und die Zeitkonstante des Ausgangsteiles viel größer als die Schaltperiode, so ist der Wert des Ausgangssignals nicht proportional dem Durchschnittswert des Eingangssignals, sondern wird möglichst proportional den Augenblickswerten des Eingangssignals zu den Zeitpunkten sein, in denen sich der bewegbare Kontakt 12 vom ersten ortsfesten Kontakt 22 entfernt. Dieser Nachteil kann jedoch überwunden und die Zeitverzögerung dennoch dadurch klein gehalten werden, daß die Zeitkonstante des Eingangsteiles viel größer bemessen wird als die Schaltperiode, während die Zeitkonstante des Ausgangsteiles kleiner bemessen wird als die Schaltperiode, in welchem Fall jedoch die Ausgangswellenform infolge der Differentiation sich verschlechtert.
Werden die Zeitkonstanten des Eingangs- sowie des Ausgangsteiles viel größer bemessen als die Schaltperiode, so weist das Filter eine verhältnismäßig lange Verzögerung auf.
Daraus ist zu ersehen, daß das in Fig. 1 dargestellte ältere Filter Beschränkungen aufweist und nur begrenzt verwendet werden kann, da es nicht möglich ist, die kleinste Verzögerung zu erzielen, sowie auch nicht den geeigneten Signaldurchschnitt bei einer größten Filterwirkung zusammen mit einer erwünschten Ausgangssignalform.
Durch die Erfindung werden diese Nachteile und Einschränkungen wirksam beseitigt und ein Filterkreis geschaffen, der die folgenden Vorzüge aufweist: Der Ausgangskreis ist vom Eingangskreis im wesentlichen vollständig isoliert, es wird ein Ausgangssignal mit einer sogenannten »reinen« Wellenform und mit einem verhältnismäßig geringen Anteil an Harmonischen erzeugt sowie ein Ausgangssignal, das eine lineare Funktion des Eingangssignals ist, das sich in Abhängigkeit vom Eingangssignal mit geringster Verzögerung ändert und das in gleichem Maß allen Teilen des Eingangssignals entspricht.
Der in F i g. 2 dargestellte erfindungsgemäße Filterkreis enthält einen einpoligen Zweiwegekommutatorschalter 10, dessen bewegbarer Kontakt 12 über einen Kurzschlußwiderstand 30 mit der gemeinsamen Leitung 32 des Kreises verbunden ist. Zwischen die unabhängige Eingangsklemme 36 und den ersten ortsfesten Kontakt 38 des Schalters ist ein Eingangswiderstand 34 geschaltet. Zwischen den ersten ortsfesten Kontakt 38 und die gemeinsame Leitung 32 ist ein Eingangskondensator 40 geschaltet. Zwischen den ersten ortsfesten Kontakt 38 und den zweiten ortsfesten Kontakt 44 des Schalters ist ein Übertragungskondensator 42 geschaltet. Das Ausgangssignal eO wird an einem Ausgangswiderstand 46 erzeugt, der zwischen den zweiten ortsfesten Kontakt 44 des Schalters und die gemeinsame Leitung 32 geschaltet ist. Der Kurzschlußwiderstand 30 dient zum Begrenzen der Kontaktströme des Schalters 10 und soll so groß wie möglich bemessen werden, ohne jedoch die Zeitkonstanten des Kreises zu beeinträchtigen. Ein für die Praxis geeigneter oberer Grenzwert für den Kurzschlußwiderstand 30 stellt die Schaltperiode dar, d. h. die Dauer einer Periode im Betrieb des Schalters 10 dividiert durch den 2()fachen Wert des Übertragungskondensators 42.
Im Betrieb wird sowohl der Eingangskondensator 40 als auch der Obertragungskondensator 42 (parallel) über den Eingangswiderstand 34 vom Eingangssignal ei während desjenigen Teiles der Schaltperiode aufgeladen, in dem der bewegbare Kontakt 12 den zweiten ortsfesten Kontakt 44 berührt, d. h. den rechtsliegenden Kontakt nach der F i g. 2.
Bewegt sich der bewegbare Kontaktl2 nach links zum ersten ortsfesten Kontakt 38, dann wird der Eingangskondensator 40 über den Kurzschlußwiderstand 30 rasch entladen, während der thbertragungskondensator 42 an den Ausgangswiderstand 46 angeschlossen und dabei eine Ausgangsspannung eO erzeugt wird, deren Wert entsprechend der vom Übertragungskondensator 42 aus dem Eingangssignal ei aufgenommenen Ladung schwankt.
Bei diesem Kreis ist die wirksame Zeitkonstante des Eingangsteiles das Produkt aus dem Wert des Eingangswiderstandes und den Summen der Werte des Eingangskondensators 40 und des Übertragungskondensators 42. (Der Kurzschlußwiderstand 30 weist einen kleinen Wert auf und hat einen vernachlässigbar geringen Einfluß auf die Zeitkonstante.) Diese Zeitkonstante wird vorzugsweise viel größer bemessen als die Periode des Schalters 10. Die wirksame Zeitkonstante des Ausgangsteiles ist das Produkt aus den Werten des Ausgangswiderstandes 46 und des Übertragungskondensators 42 und wird vorzugsweise gleichfalls viel größer bemessen als die Periode des Schalters 10. Außerdem wird der Wert des Übertragungskondensators 42 vorzugsweise viel kleiner bemessen als der Wert des Eingangskondensators 40.
Der Eingangskondensator 40 wird über einen vom Ausgangs kreis getrennten Kreis während jeder Schalt- periode entladen, in der der bewegbare Kontakt 12 des Schalters den ersten ortsfesten Kontakt 38 berührt. Dementsprechend sucht die Schaltung nicht das Eingangssignal e über mehr als eine Periode zu integrieren mit Ausnahme der verhältnismäßig geringen Abweichung, daß ein Teil der vom Übertragungskondensator 42 gespeicherten und zurückbleibenden Ladung zum Eingangskondensator 40 zurückgeleitet wird, wenn der bewegbare Kontakt 12 den zweiten ortsfesten Kontakt 44 berührt. Ist der Eingangskondensator 40 viel größer als der Übertragungskondensator 42, dann kann diese Wirkung vernachlässigt werden.
Wie bereits bemerkt, ist die Zeitkonstante des Eingangsteiles viel größer als die Periode des Schalters 10, und der Eingangskreis mittelt oder integriert in vollem Umfang das Eingangssignal ei über die ganze Halbperiode hinweg, d. h. während der gesamten Zeit, in der der bewegbare Kontakt 12 vom ersten ortsfesten Kontakt 38 entfernt ist. In dieser Weise bewirkt die Schaltung im Ausgangssignal eO eine gleichmäßige Bewertung aller Teile des Eingangssignals el während der Periode des Herausgreifens.
Die Ausgangswellenform weist ferner eine erwünschte rechteckige Charakteristik auf, da die Zeitkonstante des Ausgangsteiles verhältnismäßig groß ist. Während der bewegbare Kontakt 12 auf dem ersten ortsfesten Kontakt ruht (38 links) wird der Übertragungskondensator 42 über den Ausgangswiderstand 46 nicht nennenswert entladen.
Die Verzögerung des Filters beträgt ungefähr die Hälfte der Periode des Schalters 10. Jede diese Zeit überschreitende Verzögerung wird dadurch vermindert, daß der Wert des tXbertragungskondensators 42 in bezug auf den Wert des Eingangskondensators 40 klein bemessen wird. Wird der tÇbertragungskondensator 42 größer bemessen, so wird auch die Filterwirkung des Kreises vergrößert, d. h., das Filter sondert gegen verhältnismäßig niederfrequente Komponenten des Signals ab, jedoch auf Kosten einer Erhöhung der Verzögerung. Für praktische Zwecke kann die geringste Verzögerung dadurch erzielt werden, daß die Kapazität des tJbertragungskondensators 42 kleiner als ein Viertel der Kapazität des Eingangskondensators 40 bemessen wird. In den Fällen, in denen die kleinste Verzögerung nicht von kritischer Bedeutung ist und die größte Filterwirkung gewünscht wird, kann der Übertragungskondensator verhältnismäßig größer bemessen werden.
Die F i g. 3 zeigt eine Schaltung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese Schaltung erzeugt ein Signal als Anzeige der Differenzen zwischen den Integralen der Potentiale in bezug auf die Zeit von ausgewählten Teilen zweier Eingangssignale eil und e12 und enthält einen Hilfskondensator 50, der im Betrieb periodisch entladen wird.
Der Hilfskondensator 50 ist an die Eingangsseite der Schaltung in bezug auf das erste Signal e t und an die Ausgangsseite in bezug auf das zweite Signalen, angeschlossen. Dieser wirkt in der gleichen Weise wie der Eingangskondensator 40 in der in der Fig.2 dargestellten Schaltung und gestattet die Verwendung von verhältnismäßig langen Zeitkonstanten ohne eine unerwünschte Verzögerung der Ansprache des Ausgangssignals eO auf die Eingangssignale el, und e12 einzuführen.
Die in der Fig. 3 dargestellte Schaltung enthält zwei einpolige Zweiwegekommutatorschalter 52 und 54, die synchron und in demselben Sinne betrieben werden, d. h., beide bewegbare Kontakte 56 und 58 der Schalter bewegen sich zugleich nach links und in demselben Zeitpunkt nach rechts. Die Schalter 52 und 54 sind in ein Netzwerk eingeschaltet, das abwechselnd die beiden Eingangssignale e,1 und e 2 auf Zeitfolgebasis abtastet, miteinander vergleicht und ein Ausgangssignal eO erzeugt, das die Differenz zwischen den Integralen der abgetasteten Teile der beiden Eingangssignale ei 1 und e 2 darstellt.
Das erste Eingangssignal eil wird zwischen der gemeinsamen Leitung 60 der Schaltung und der ersten Eingangsklemme 62 zugeführt. Das zweite Eingangssignal ei, wird zwischen der gemeinsamen Leitung 60 und der zweiten Eingangsklemme 64 zugeführt. Die ortsfesten Kontakte 66,68,70,72 der Kommutatorschalter sind in Reihe zwischen die zweite Eingangsklemme 64 und der unabhängigen Ausgangsklemme 74 geschaltet, wobei der rechte ortsfeste Kontakt 68 des ersten Schalters 52 direkt mit dem linken Kontakt 70 des zweiten Schalters 54 verbunden ist. Der Hilfskondensator 50 ist zwischen die ortsfesten Kontakte 68, 70 und die gemeinsame Leitung 60 der Schaltung geschaltet. Die erste Eingangsklemme 62 ist mit den ortsfesten Kontakten 68, 70 über einen ersten Eingangswiderstand 76 und die zweite Eingangsklemme 64 über einen zweiten Eingangswiderstand 78 mit dem linken ortsfesten Kontakt 66 des ersten Schalters verbunden.
Der bewegbare Kontakt 56 des ersten Schalters steht über einen Kurzschlußwiderstand 80 mit der gemeinsamen Leitung 60 in Verbindung, welcher Widerstand vorzugsweise einen verhältnismäßig kleinen Wert besitzt und in der Hauptsache zum Begrenzen der Kontaktströme im Schalter dient. Der bewegbare Kontakt 58 des zweiten Schalters steht über den Obertragungskondensator 84 und den mit diesem in Reihe geschalteten Strombegrenzungswiderstand 82 mit einem verhältnismäßig kleinen Widerstandswert mit der gemeinsamen Leitung 60 in Verbindung; Der Ausgangswiderstand 86 ist zwischen den zweiten ortsfesten Kontakt 72 des zweiten Schalters und die gemeinsame Leitung 60 geschaltet.
Stehen im Betrieb die bewegbaren Kontakte auf der linken Seite und mit den betreffenden ersten ortsfesten Kontakten 66, 70 in Berührung, so wird das zweite Eingangssignal e2 dem mit dem Kurzschlußwiderstand 80 in Reihe geschalteten Eingangswiderstand 78 zugeführt und übt daher keine Einwirkung auf die anderen Teile der Schaltung aus, da der Kurzschlußwiderstand 80 viel kleiner ist als der zweite Eingangswiderstand 78. Während dieser Zeit lädt das erste Eingangssignalei, die drei Kondensatoren50, 84, 88 auf, die zueinander parallel und mit dem ersten Eingangswiderstand 76 in Reihe geschaltet sind. Die Zeitkonstante dieses Eingangskreises, die gleich dem Wert des ersten Eingangswiderstandes 76 multipliziert mit der Summe der. Werte der drei Kondensatoren 50, 84, 88 ist, ist viel größer bemessen als die Periode der Schalter, so daß die Ladung auf den Kondensatoren 50, 84, 88 proportional der Durchschnittsspannung des ersten Eingangssignals e11 während der gesamten Ruhezeit der Schalter 52 und 54 in der linken Stellung ist.
Bewegen sich nunmehr die Kontakte 56 und 58 nach rechts, so wird die Ladung auf dem Ubertragungskondensator 84 dem Ausgangswiderstand 86 zugeführt; - wobei ein Ausgangssignal erzeugt wird, während der Hilfskondensator 50 verhältnismäßig rasch über den Strombegrenzungswiderstand 80 entladen wird, und das zweite Eingangssignal e2 lädt den zweiten Eingangskondensator 88 auf, der direkt an die ortsfesten Kontakte 66, 68 des ersten Schalters angeschlossen ist. Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Polarität des zweiten Eingangskondensators 88 in bezug auf das zweite Eingangssignal et2 dessen Polarität in bezug auf das erste Eingangssignalei, entgegengesetzt ist, so daß, wenn die beiden Eingangssignale in bezug auf die gemeinsame Leitung 60 die gleiche Polarität aufweisen, der Kondensator 88 in entgegengesetzten Richtungen aufgeladen wird.
Kehren die bewegbaren Kontakte56, 58 in die linke Stellung zurück, so wird die auf dem zweiten Eingangskondensator 88 gespeicherte Ladung auf alle drei Kondensatoren verteilt, und zwar auf den Ubertragungskondensator 84, den Hilfskondensator 50 und den zweiten Eingangskondensator 88.
Die Zeitkonstante des Eingangsteiles für das zweite Eingangssignal e,2 ist das Produkt aus dem Wert des zweiten Eingangswiderstandes 78 und des zweiten Eingangskondensators 88, welche Zeitkonstante in bezug auf die Periode der Schalter groß bemessen ist, so daß die vom zweiten Eingangskondensator 88 während der Zeit, in der die bewegbaren Kontakte 56, 58 ihre rechte Stellung einnehmen, gespeicherte Ladung proportional dem Durchschnittswert des zweiten Eingangssignals e, 2 über die ganze Ruheperiode hinweg ist. Die gespeicherte Ladung wird auf alle drei Kondensatoren verteilt, wenn die bewegbaren Kontakte 56, 58 in die linke Stellung zurückkehren. Danach werden die drei parallelgeschalteten Kondensatoren88, 50, 84 vom ersten Eingangssignal wieder aufgeladen. Die resultierende Ladung auf den drei Kondensatoren 50, 84, 88 am Ende der linken Ruheperiode der bewegbaren Kontakte 56, 58 stellt die Differenz zwischen der Durchschnittsspannung des ersten Eingangssignals eil während einer halben Schaltperiode und einem vorherbestimmten Bruchteil der Durchschnittsspannung des zweiten Eingangssignals e,2 während der unmittelbar vorhergehenden halben Schaltperiode dar.
Die bei dieser Aufladung am Übertragungskondensator erzeugte Spannung wird zum Ausgangswiderstand 86 geleitet und erzeugt dort ein Ausgangsspannungssignal.
Werden die Zeitkonstanten der beiden Eingangskreise einander gleichbemessen, so bewirkt die Schaltung eine größere Bewertung des ersten Eingangssignals e11 als des zweiten Eingangssignals e2 entsprechend der relativen Werte der drei Kondensatoren 86, 50, 82. Dies kann leicht dadurch kompensiert werden, daß das erste Eingangssignal durch irgendein Mittel (nicht dargestellt), beispielsweise durch ein Spannungsteilernetzwerk, gedämpft wird.
Soll die Verzögerungscharakteristik vermindert werden, so muß der Wert des Hilfskondensators 50 groß bemessen werden in bezug auf die Summe der Werte des Übertragungskondensators 84 und des zweiten Eingangskondensators 88, weshalb bei Rückkehr der bewegbaren Kontakte56, 58 in die linke Stellung die auf dem Übertragnngskondensator 84 zurückbleibende Ladung verhältnismäßig klein ist und eine verhältnismäßig kleine Wirkung bei der Wiederaufladung des Hilfskondensators 50 und des zweiten Eingangskondensators 88 hat. Soll in der Praxis die Verzögerung verkleinert werden, - so muß der Wert des Hilfskondensators 50 mindestens das Vierfache der Summe der Werte des Obertragungskondensators 84 und des zweiten Eingangskondensators 88 betragen.
Im Hinblick auf die Art des zu erzeugenden Ausgangssignals weist der Wert des tJbertragungskondensators 84 eine untere Grenze auf. Ist im Ausgangskreis eine verhältnismäßig glatte Rechteckwellenform erwünscht, so wird die Zeitkonstante des Ausgangsteiles (das Produkt aus den Werten des Ausgangswiderstandes 86 und des tÇbertragungskondensators 84) vorzugsweise viel größer bemessen als die Periode der Schalter.
Die Spannung, die sich bei der Übertragung der Ladung des zweiten Eingangssignals vom Kondensator 88 aus zu den drei Parallelkondensatoren ergibt, hängt von dem Wert des zweiten Eingangskondensators 88 in bezug auf den Wert des Hilfskondensators 50 ab. Soll die resultierende Spannung erhöht werden, so muß der zweite Eingangskondensator groß bemessen werden in bezug auf die Summe der Werte des Hilfskondensators 50 und des hub er tragungskondensators 84, obwohl dies eine Erhöhung der Verzögerungscharakteristik des Netzwerkes in sich schließt.
Die erfindungsgemäßen Schaltungen können mit Vorteil in vielen verschiedenen Gebieten Verwendung finden und können mehrere verschiedene Funktionen ausüben. Die in der F i g. 2 dargestellte Schaltung beispielsweise kann als Tiefpaßfilter zum Übertragen von verhältnismäßig niederfrequenten Schwankungen eines Signals übertragen werden, wobei eine verhältnismäßig hohe Abgrenzung gegen verhältnismäßig hohe Frequenzschwankungen und gegen die zweiten und alle höheren Harmonischen der gewünschten Signalkomponente erfolgt. Die Schaltung kann auch als Polaritätsumkehrkreis zum Umkehren der Polarität eines Signals benutzt werden.
Die in der F i g. 3 dargestellte Schaltung kann zum Vergleichen von zwei elektrischen Signalen in bezug auf die Durchschnittsspannungen herausgegriffener Teile benutzt werden oder zum Addieren zweier Signale unter Erzeugung eines Ausgangssignals, daß die Summe der Durchschnittsspannungen der herausgegriffenen Teile der beiden Signale darstellt anstatt deren Differenz. Ferner kann durch geeignete Phasierung der beiden Schalter 52, 54 in bezug auf die Eingangssignale die Schaltung zum Erzeugen eines Ausgangssignals benutzt werden, das die Phasenbeziehung zwischen den beiden Eingangssignalen anzeigt.
Die in den F i g. 2 und 3 gesondert dargestellten beiden Schaltungen sind beide in den in der F i g. 4 dargestellten verhältnismäßig verwickelten Meßkreis eingeschaltet, der sich besonders für die Verwendung in einem Meßgerät eignet, beispielsweise ein Spektralphotometer. In dieser Schaltung werden elektrische Signale von einem auf einen Zustand oder eine Bedingung ansprechenden Wandler, z. B. von der dargestellten Photoverstärkerröhre 100, erzeugt und einem Vorverstärker 102 zugeführt. Der Ausgang des Vorverstärkers 102 steht mit den Eingängen von zwei gesonderten Verstärkern 104 und 106 in Verbindung.
Bei einem Spektralphotometer empfängt die Photoverstärkerröhre 100 Licht in Impulsen abwechselnd aus einer Bezugsquelle und einer Prüfquelle, die durch Vergleichen mit der Bezugsquelle untersucht werden soll. Der Photoverstärker 100 erzeugt daher ein elektrisches Signal, das aus einer Reihe von in Zeitabständen auftretenden Impulsen besteht, die abwechselnd dem Zustand der Bezugsquelle und dem Zustand der zu untersuchenden Quelle entsprechen. Die Anordnung ist so getroffen, daß die relativen Werte der auf Grund des Zustandes der Bezugsquelle erzeugten Signalimpulse mit den Werten der auf Grund des Zustandes der zu untersuchenden Quelle verglichen werden, um ein Maß der Charakteristika der zu untersuchenden Quelle in bezug auf die Bezugsquelle zu erhalten.
Das vom Photoverstärker 100 erzeugte elektrische Signal wird vom Vorverstärker 102 und den beiden Verstärkern 104, 106 verstärkt. Die entsprechenden Ausgangsleistungen der beiden Verstärker 104, 106 werden den entgegengesetzten ortsfesten Kontakten 108, 110 eines Kommutatorschalters 112 zugeführt, dessen bewegbarer Kontakt 114 direkt mit einem Bezugspotentialpunkt, hiernach als Erde bezeichnet, verbunden ist. Der bewegbare Kontakt 114 wird synchron mit den vom Photoverstärker 100 erzeugten Signalimpulsen betrieben und ist vorzugsweise so angeordnet, daß die Zeit, in der der bewegbare Kontakt 114 mit jedem der ortsbesten Kontakte 108, 110 in Berührung steht, länger ist als die Dauer eines Signalimpulses. Beträgt beispielsweise die Dauer der idealisiert dargestellten einzelnen Signalimpulse 115, 117 ungefähr t/240 Sekunde und der Zeitabstand der Impulse von einander ungefähr 1/240 Sekunde, so wird die Berührungszeit des bewegbaren Kontaktes 114 vorzugsweise möglichst mit l/t20 Sekunde bemessen, um sicher zu gehen, daß ein ganzer Signalimpuls während jeder Berührungszeit des bewegbaren Kontaktes 114 trotz schwankender Betriebsbedingungen auftritt.
Der Schalter 112 wird in der dargestellten Schaltung so betrieben, daß die dem Bezugszustand entsprechenden Signalimpulse von den dem zu untersuchenden Zustand entsprechenden Signalimpulsen getrennt werden, so daß sie mit einander verglichen werden können. Zwecks Vereinfachung der Darstellung und Beschreibung sei angenommen, daß die in der Zeichnung schematisch dargestellten, eine verhältnismäßig große Amplitude aufweisenden Signalimpulse 115 diejenigen Impulse sind (hiernach als Bezugsimpuls bezeichnet), die in Abhängigkeit vom Bezugszustand erzeugt werden, während die Impulse 117 mit verhältnismäßig kleiner Amplitude diejenigen Impulse sind (hiernach als Prüfimpulse bezeichnet), die in Abhängigkeit von dem zu untersuchenden Zustand erzeugt werden.
Der Schalter 112 ist so synchronisiert, daß die Ausgangsleistung des ersten Verstärkers 104 während derjenigen Zeit zur Erde geleitet wird, während der die Bezugsimpulse 115 am Ausgang des Verstärkers erscheinen. Die Bezugsimpulse 115 werden daher aus der Ausgangsspannung des ersten Verstärkers 104 entfernt. Ebenso steht während der Zeit, in der die Prüfimpulse 117 in den beiden Verstärkern 104 und 106 verstärkt werden, der bewegbare Kontakt 114 des Schalters mit dem zweiten ortsfesten Kontakt 110 in Berührung, wodurch die Ausgangsleistung des zweiten Verstärkers 106 zu Erde abgeleitet wird, so daß die Ausgangsspannung den Prüfimpulsen nicht entspricht.
Die Ausgangsleistungen der beiden Verstärker 104, 106 werden dem Vergleichskreis 116 gesondert zugeführt, der im allgemeinen der in der Fig.3 dargestellten Schaltung gleicht und zwei Kommutatorschalter 118, 120 aufweist, die synchron mit dem ersten Kommutatorschalter 112 betrieben werden.
Während der Zeit, in der die Schalter 112, 118, 120 in der mit voll ausgezogenen Linien dargestellten Stellung stehen, werden die Bezugsimpulse vom zweiten Verstärker 106 verstärkt, und von der Ausgangsleistung wird der Eingangskondensator 122 über einen Dämpfungswiderstand 124 aufgeladen sowie über einen veränderlichen Dämpfungswiderstand 126 und den ersten Eingangswiderstand 128.
Der zwischen den bewegbaren Kontakt 132 des Kommutatorschalters 118 und Erde geschaltete Kurzschlußwiderstand 130 weist einen verhältnismäßig kleinen Wert auf und dient zum Begrenzen der Kontaktströme im Schalter 118. Der Wert dieses Widerstandes 130 ist vernachlässigbar klein in bezug auf den Signalladekreis des Eingangskondensators 122.
Kehren die Schalter 112, 118, 120 ihre Stellung um, so wird die Ladung auf dem Eingangskondensator 122 zum Teil auf den Hilfskondensator 134 übertragen und auf die drei Kondensatoren 122, 134 und 136 verteilt, während in der Kontaktberührungszeit der Schalter 112, 118, 120, wenn diese in der umgekehrten, gestrichelt dargestellten Stellung stehen, die Prüfimpulse auftreten und vom ersten Verstärker verstärkt werden. Während dieser Perioden werden die drei parallelgeschalteten Kondensatoren 122, 134 und 136 von der Ausgangsleistung des ersten Verstärkers 104 über einen Dämpfungswiderstand138 und einen Eingangswiderstand 140 (im entgegengesetzten Sinne der Ausgangsleistung aus dem zweiten Verstärker) aufgeladen.
Die auf Grund der Bezugsimpulse 115 auf dem Hilfskondensator 134 und dem tSberleitungskondensator136 gespeicherte Ladung weist die entgegengesetzte Polarität auf als die Impulse selbst. Dies wird vom Eingangskondensator 122 bewirkt, der als Polaritätsumkehreinrichtung wirkt. Daher werden die Bezugsimpulse 115 und die Prüfimpulse 117, obwohl sie an den Ausgängen der beiden Verstärker 104 und 106 die gleiche Polarität aufweisen, in entgegengesetztem Sinne miteinander verglichen, wobei bei Gleichheit deren Durchschnittsspannungen je nach den verschiedenen Schaltungsparametern am Übertragnngskondens ator 134 eine vorherbestimmte Spannung auftritt. Die Schaltungsparameter können so gewählt werden, daß die Prüfimpulse 117 gedämpft werden, wobei am Übertragungskondensator 136 keine Spannung liegt, wenn die Amplituden der Bezugsimpulse 115 und der Prüfimpulse 117 einander gleich sind. In diesem Fall ist die am hub er tragungskondensator 136 erzeugte Spannung direkt proportional der Differenz zwischen den Durchschnittsspannungen der Bezugsimpulse und der Prüfimpulse.
Kehren die Kommutatorschalter 112, 118, 120 in die dargestellten Stellungen zurück, so wird die auf dem Übertragungskondensator 136 befindliche Ladung zum Schlußverstärker 141 geleitet, dessen Ausgangsleistung einer Anzeigevorrichtung 142 der gewünschten Art zugeführt werden kann.
Die Empfindlichkeit gewisser Wandler, wie z. B. der dargestellten Photoverstärkerröhre 100, ist eine Funktion der abgetasteten Zustandes, wobei es oftmals erwünscht ist, die Verstärkung des Wandlers zu verändern, um Empfindlichkeitsschwankungen zu kompensieren und dabei eine gleichmäßigere Ansprache über den verwendbaren Bereich hinweg zu erhalten. Die vorliegende Schaltung weist Mittel zum Einstellen der Verstärkung der Photoverstärkerröhre 100 auf, um Schwankungen deren Empfindlichkeit zu kompensieren. Die Dynoden 144 des Photoverstärkers sind mit einer veränderlichen elektrischen Hochspannungsquelle 146 verbunden, wobei die Verstärkung des Photoverstärkers 100 sich entsprechend den Veränderungen der Ausgangsspannung der Spannungsquelle 146 verändert.
Die Schaltung steuert die Spannungsquelle 146 in Abhängigkeit von verhältnismäßig kleinen Veränderungen der Amplitude der Bezugsimpulse 115 und hält dabei die Bezugsimpulse auf einer im wesentlichen konstanten Amplitude. Die Ausgangsleistung des zweiten Verstärkers 106, die nur die Bezugsimpulse 115 umfaßt, wird mit der Ausgangsleistung eines Normalimpulsgenerators 148 verglichen, der synchron mit den Kommutatorschaltern 112, 118 und 120 und mit anderen (nicht dargestellten) Teilen arbeitet, die die Erzeugung der Bezugsimpulse 115 zeitlich bestimmen. Die vom Impulsgenerator 148 erzeugten Impulse 150 weisen eine gleichbleibende Amplitude, jedoch von entgegengesetzter Polarität auf wie die Bezugsimpulse 115 am Ausgang des zweiten Verstärkers 106. Die erzeugten Impulse 150 treten annähernd zugleich mit den Bezugsimpulsen 115 auf, welche beiden Impulse 115 und 150 zum Vergleichskreis 152 geleitet werden, der das Signal filtert und eine Ausgangsspannung zum Steuern der Spannungsquelle 146 erzeugt.
Die Bezugsimpulse 115 aus dem zweiten Verstärker 106 laden den Eingangskondensator 154 über den Eingangswiderstand 158 in dem einen Sinne auf, während die erzeugten Impulse 150 mit der entgegengesetzten Polarität den Kondensator 154 über einen weiteren Eingangswiderstand 156 im entgegengesetzten Sinne aufladen. Sind die Zeitintegrale der Spannungen der Impulse 115 und 150 einander gleich, so sind die Wirkungen der beiden Impulse einander gleich, und entgegengesetzt, so daß weder der Eingangskondensator 154 noch der tÇbertragungskondensatorl55 eine Aufladung erhält. Der Kommutatorschalter 160 wird synchron mit den anderen Teilen der Schaltung unter Einschluß der Kommutatorschalter 112, 118 und 120 betrieben. Während der Perioden, in denen die Bezugsimpulse 115 und die erzeugten Impulse 150 auftreten, steht der bewegbare Kontakt 162 des Schalters in der rechten Stellung, wie dargestellt, so daß der tÇbertragungskondensator 155 über den einen verhältnismäßig kleinen Wert aufweisenden Kurzschlußwiderstand 164 und einen weiteren Strombegrenzungswiderstand 166 zum Eingangskondensator 166 parallel geschaltet wird, welcher Widerstand 166 in dieser Schaltung enthalten ist und zum Begrenzen des Entladungsstromes des Eingangskondensators 154 über den Kommutatorschalter 162 dient. Der Begrenzungswiderstand 166 weist im Verhältnis zu den beiden Eingangswiderständen 156 und 158 einen kleinen Widerstandswert auf und übt auf die Signalhandhabungsmerkmale der Schaltung nur einen vernachlässigbar geringen Einfluß aus.
Die am Übertragnngskondensator 155 auf Grund einer Differenz zwischen den gemittelten Spannungen der Bezugsimpulse 115 und den erzeugten Impulsen 150 erzeugte Spannung wird zu einem Verstärker 168 geleitet, wenn der bewegbare Kontakt 162 des Schalters sich aus der dargestellten rechten Stellung in die linke Stellung bewegt. Der Verstärker 168 steuert den Ausgang der Hochspannungsquelle 146 und verändert dadurch den Verstärkungsgrad der Photoverstärkerröhre 100 entsprechend den Veränderungen der Amplitude der Bezugsimpulse 115.
Durch Verwenden eines besonders erzeugten Impulses als Vergleichsnorm für die Bezugsimpulse 115 in der Schaltung wird ein verhältnismäßig hoher Grad von Stabilität und eine verhältnismäßig rasche und genaue Ansprache erzielt. Da beide Impulse 115 und 150 kürzer sind als die Kontaktberührungszeit des Kommutatorschalters und während dieser Zeit auftreten, so ist die Amplitude des Ausgangssignals vollständig unabhängig von kleinen und unvermeidbaren Schwankungen der Länge der Kontaktberührungszeit, die gelegentlich durch Veränderungen der Betriebs- und anderen Bedingungen verursacht werden können.
Obwohl die Arbeitsweise der in der Fig.4 dargestellten Schaltung in Verbindung mit einem impulsartigen Signal beschrieben wurde, so ist jedoch einzusehen, daß die Schaltung nicht hierauf beschränkt ist, sondern mit Vorteil auch zum Handhaben von Signalen verschiedener Arten verwendet werden kann. Die erfindungsgemäßen Schaltungen können viele verschiedenartige Signale handhaben, wenn eine Unterscheidung gegen verhältnismäßig hochfrequente Signalkomponenten und eine Übertragung einer Signalinformation von einem Eingangskreis aus zu einem Ausgangskreis mit geringster Verzögerung gewünscht wird.
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer besonderen Ausführung von Kommutatorschaltern begrenzt. Der in dieser Anmeldung gebrauchte Ausdruck »Kommutatorschalter« soll jede Einrichtung umfassen, die ein Schaltungselement abwechselnd mit zwei anderen Schaltungselementen elektrisch verbindet. Diese Schalter können aus vielen verschiedenen Vorrichtungen bestehen, beispielsweise aus den obengenannten Zerhackern, Elektronen- oder Ionenentladungsröhren, unbeweglichen Vorrichtungen wie Transistoren und rotierende Kommutatoren.

Claims

Patentansprüche: 1. Filterkreis zur Unterdrückung hochfrequenter Störbestandteile eines abgetasteten Eingangssignals mit einer Eingangs schaltung und einer Ausgangsschaltung sowie einem Umschalter, dessen beweglicher Kontakt im Querzweig des Kreises liegt, dadurch gekennzeichnet, daß in den Längszweig zwischen die Eingangsschaltung und die Ausgangs schaltung ein hub er tragungskondensator (42) gelegt ist, der so mit den beiden festen Kontakten des Umschalters verbunden ist, daß er abwechselnd die Eingangsseite oder die Ausgangsseite des Filterkreises abschließt, und daß ein Signal auf die Ausgangsseite übertragen wird, dessen Größe sich nach Maßgabe der Ladung eines Eingangskondensators (40) in der Eingangsschaltung ändert.
2. Filterkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung eine Impedanz (34) enthält, daß die Ausgangsschaltung eine Impedanz (46) enthält, daß der Umschalter (12) abwechselnd einen Pfad niedriger Impedanz über die Eingangs- und die Ausgangsschaltung mit einer praktisch konstanten zyklischen Geschwindigkeit schaltet, so daß eine Ladung auf dem Eingangskondensator (40) proportional auf die Ausgangsschaltung übertragen wird, wobei die Zeitkonstante der Schaltung mit der Impedanz (34) der Eingangsschaltung, dem Eingangskondensator (40) und dem tJbertragungskondensator (42), wenn der Schalter einen Pfad niedriger Impedanz über die Ausgangsschaltung legt, lang ist im Vergleich zu der Periode des Schaltkreises, und wobei die Zeitkonstante der Schaltung, die die Ausgangsimpedanz (46) und den Übertragungskondensator (42) enthält, wenn der Schalter eine niedrige Impedanz über die Eingangsschaltung legt, lang ist im Vergleich zur Periode des Schaltkreises.
3. Filterkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kurzschlußwiderstand (30 oder 80) zwischen den bewegbaren Kontaktarm (12 oder 56) und eine gemeinsame Leitung gelegt ist, die eine der Eingangsklemmen mit einer der Ausgangsklemmen verbindet.
4. Filterkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem weiteren Kreis gemäß Anspruch 1 so verbunden ist, daß der zweite Kreis ein erstes Eingangssignal vom Ausgang des ersten Kreises an der Verbindungsstelle zwischen einem Eingangswiderstand (76) und einem Eingangskondensator (50) erhält und daß ein zweites Signal an den Eingangsklemmen (60, 62) empfangen und damit ein Differenzausgangssignal von dem zweiten Kreis erhalten wird, der auf die beiden Eingangssignale anspricht.
5. Filterkreis nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder von zwei Eingangswiderständen (156, 158) mit einer Eingangsklemme und einem Eingangskondensator (154) verbunden ist und daß ein proportionales zusammengesetztes Signal an dem Eingangskondensator entsprechend der Größe der beiden Eingangssignale erzeugt wird.