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Anordnung zum Abtasten und Festhalten von Spannungs-Augenblickswerten
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Abtasten und Festhalten von Augenblickswerten
von an einer Reihe von wahlweise anschaltbaren Eingangsklemmen auftretenden Eingangsspannungen
mit einem Verstärker hoher Verstärkung, zwischen dessen Ausgang und jeder Eingangsklemme
eine Serienschaltung zweier Widerstände liegt und jeder Verbindungspunkt zweier
Widerstände über einen Schalter mit dem Verstärkereingang verbunden ist, mit einem
zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers liegenden Kondensator zum Festhalten
des jeweils abgetasteten Augenblickswertes und mit Steuermitteln, die zum Abtasten
einer Eingangsspannung den dieser Eingangsspannung zugeordneten Schalter schließen.
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Eine derartige Anordnung zum Abtasten und Festhalten des Augenblickswertes
einer Eingangsspannung ist bereits aus der USA.-Patentschrift 3 156 899 bekannt.
Bei dieser ist der Schalter zum Verbinden des Verstärkereingangs mit dem Verbindungspunkt
der Widerstände der Serienschaltung als mechanischer Schalter ausgeführt. Auf Grund
des mechanischen Schalters kann sie jedoch nur für niedrige Abtastfrequenzen eingesetzt
werden. Demgegenüber vermeidet die Anordnung nach der Erfindung mechanische Schalter
und kann somit auch in den im folgenden beschriebenen Anwendungsfällen bei hohen
Abtastfrequenzen erfolgreich betrieben werden.
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Anordnungen der eingangs angegebenen Art werden z. B. überall dort
verwendet, wo die Aufgabe besteht, den gleichzeitigen Verlauf einer Vielzahl veränderlicher
Spannungen durch Digitalwerte über nur eine Leitung zu übertragen. Zu diesem Zweck
werden von den veränderlichen Spannungen in vorgegebenen Abständen Proben (Abtastwerte)
entnommen, wobei die Abtastzeitpunkte für die verschiedenen Spannungen verschachtelt
sind. Vor der Ubertragung werden die Abtastwerte analogdigital gewandelt. Dem Analog-Digital-Wandler
muß jeder Abtastwert für die gesamte Dauer eines Umwandlungsvorganges angeboten
werden, so daß sich die Notwendigkeit ergibt, jeden Abtastwert für diese Dauer festzuhalten.
Insbesondere tritt diese Aufgabe in hybriden Rechensystemen auf. Hier darf durch
den Abtast- und Festhaltevorgang die durch den Analog-Rechnerteil gegebene Genauigkeit
von z. B. 10-4 der maximalen Rechenspannung nicht verfälscht werden. Durch die Notwendigkeit
des schnellen Datenaustausches zwischen Analog- und Digitalrechner müssen zum Zwecke
des Abtastens schnelle elektronische Schalter eingesetzt werden. Derartige Schalter
weisen aber entweder hohe Restströme (z. B. 0,1 #tA) oder aber große Restwiderstände
(z. B. 1 kü) bzw. Restspannungen auf, wodurch die Probengenauigkeit beeinträchtigt
wird. Unter Restspannung wird hier die Spannung verstanden, die im niederohmigen
Zustand des Schalters bei vernachlässigbarem Laststrom zwischen den Schalterhauptelektroden
liegt. Die Anordnung nach der Erfindung ist insbesondere so getroffen, daß durch
die verwendeten nicht idealen Schalter nur eine vernachlässigbare Verfälschung der
Proben eintritt.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Schalter von Feldeffekttransistoren oder von elektronischen Schaltelementen, deren
Sperr- und Durchlaßwiderstand in ihrer Höhe mit denen von Feldeffekttranistoren
vergleichbar sind, gebildet werden.
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Im folgenden wird die Erfindung mit ihren Vorteilen und Einzelheiten
an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Von den Zeichnungen zeigt F i g. 1 eine
erfindungsgemäße Anordnung mit Schaltern, die einen vernachlässigbaren Reststrom
und einen nicht veri@achlässigbaren Restwiderstand aufweisen, und F i g. 2 die Anordnung
der F i g. 1 mit elektronischen Schaltelementen, insbesondere vernachlässigbarer
Restspannung.
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In beiden Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Anordnung der F i g. 1 hat n Eingangsklemmen u1 ... ul
... u", an denen veränderliche Spannungen liegen. Die Spannungen tragen die
Namen ihrer Klemmen. Die Verläufe dieser Spannungen sollen durch Proben zu jeweils
charakteristischen Zeitpunkten festgestellt werden, wobei jede Probe (Abtastwert)
für eine vorgegebene Zeit d t an einer Ausgangsklernme
u"
erscheint. Zu einem Zeitpunkt kann jeweils nur eine Spannung abgetastet wefden,
und die Reihenfolge des Abtastens der n Spannungen ist prinzipiell willkürlich.
Im allgemeinen liegt jedoch eine zyklische Abtastung vor.
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Die Anordnung besteht aus einem Verstärker 1 hohen Verstärkungsgtädes
(z. B. v x 106), dessen Ausgang mit jedem Eingang ui der Anordnung über je
eine Serienschaltung aus zwei Widerständen verbunden ist: So liegt zwischen der
Klemme ui und dem Verstärkerätisgang eine Serienschaltung aus Widerständen 11 und
12, zwischen der Eingangsklemme tii und dem Verstärkerausgang eine Serienschaltung
aus den Widerständen i 1 und i 2 und zwischen der Eingangsklemme u" und dem Verstärkerausgang
eine Serienschaltung aus Widerständen n1 und n2. Die Mittelpunkte der Serienschaltungen
sind über Schalter 41. . .4i ... 4n mit dem Eingang des Verstärkers
1 verbunden. Die genannten Schalter sind so beschaffen, daß sie im geöffneten Zustand
einen vernachlässigbaren Reststrom liefern, aber im geschlossenen Zustand einen
nicht vernachlässigbaren Durchgangswiderstand (Restwiderstand) aufweisen. Dies soll
durch die Hintereinanderschaltung jeweils eines idealen mechanischen Schalters mit
einem Widerstand angedeutet werden.
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Am Ausgang des Verstärkers 1 liegt ein Kondensator 2, der über einen
Umschalter 3 wahlweise mit dem Massepunkt der Schaltung und mit dem Verstärkereingang
verbindbar ist. Insbesondere wird der Kondensator 2 mit der Masse über die Schaltstrecke
3 a und mit dem Verstärkereingäng über die Schaltstrecke 3b des Umschalters 3 verbunden.
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Alle genannten Schalter werden von einer Steuereinheit 5 gesteuert.
Diese erhält zur Ausübung ihrer Steuerfunktionen ein erstes Steuersignal 7, das
jeweils einen Abtastvorgang einleitet. Zum Zeitpunkt des Auftretens eines Steuersignals
7 muß festliegen, welche der Spannungen u1 . . . ui ... ti" abgetastet
werden soll. Der Steuereinheit 5 wird diese Adresse durch eine Leitungsgruppe 6
mitgeteilt. Zum Umschalten in den Arbeitsmodus »Abtastwert festhalten« wird der
Steuereinheit 5 ein zweites Steuersignal 8 zugeleitet.
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Im folgenden wird der Fall betrachtet, daß auf ein Steuersignal ?
hin der Augenblickswert der Spannung ui abgetastet und auf ein weiteres Steuersignal
8 hin am Ausgang u" festgehalten wird. Beim Auftreten des Steuersignals 7 liegt
somit an der Leitungsgruppe 6 die Adresse i an, und der Schalter 4i wird geschlossen.
Zum gleichen Zeitpunkt wird der Umschalter 3 in seine Schaltstellung 3a gebracht.
Nun ist der Verstärker 1 von seinem Ausgang zu seinem Eingang über den Widerstand
12 zurückgekoppelt, und unter vorläufiger Vernachlässigung des Purchlaßwiderstandes
des Schalters 4i ergibt sich nach vollständiger Aufladung des Kondensators 2 durch
den Verstärker 1 eine Spannung am Ausgang u" der Höhe
und bei hinreichend großer Verstärkung v
K ist eine Koristänte. Nun ist aber der Durchlaßwiderstand des Schalters 4 i nicht
vernachlässigbar und hat z. B. einen Widerstandswert von mehreren hundert CJhin.
Da dieser Widerstand in Reihe zum Eingangswiderstand des Verstärkers liegt, vermindert
sich die Verstärkereingangsspannurig gegenüber derfi@ vorher geschilderten Fall
z. B. tim den Faktor k. In diesem Fall erscheint am Ausgang u" der Anordnung eine
Spannung
Nimmt man nun im ungünstigen Fall für k den Wert 0,9 an, so verändert sich die vernachlässigbare
Größe K um den Wert 1,1, was für die jeweils angestrebte Genauigkeit ohne Belang
ist, so daß auch hier wieder gilt:
Im allgemeinen wird Ra ebenso groß gewählt werden wie Ril, so daß nach Aufladung
des Kondensators 2 (z. B. in 1 t,s) die Ausgangsspannung u" gleich der negativen
Eingangsspannung tii ist.
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Nach Auftreten des den Abtastvorgarig einstellenden Signals 7 gelangt
ein Steuersignal 8 an die Steuereinheit 5, die den Schalter 4i öffnet und den Umschalter
3 von seiner Stellung 3a in seine Stellung 3b umschaltet. Somit liegt der Kondensator!
nunmehr zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkers, und alle weiteren
zum Verstärkereingang führenden Schalter sind geöffnet. In dieser Schaltstellung
wird der Verstärkerausgang auf der jetzt vom Kondensator 2 bestimmten Spannung u"
gehalten. Die zeitliche Fehlerabweichung der Ausgangsspannung hängt dabei im wesentlichen
von der Qualität des Kondensators, den Eigenschaften des Verstärkers 1 und den Sperreigenschaften
aller mit dem Verstärkereingang in Verbindung stehenden Schalter einschließlich
der Schaltstrecke 3tt ab. Der von Null verschiedene Durchlaßwiderstand der Schaltstrecke
3 b des Umschalters 3 hat auf das Ergebnis keinen Einfluß.
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Soll nach Festhalten des abgetasteten Augenblickswertes der Spannung
ui über eine vorgegebene Zeit die Spannung ui+t abgetastet werden, so erscheint
nach Anlegen der Adresse i -h 1 an der Leitungsgruppe 6 wiederum ein Steuersignal
7, auf welches hin die Steuereinheit 5 den Schalter 4(i -I-1) schließt und den Umschalter
3 in die Schaltstellung 3 a bringt.
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Um ein undefiniertes Verhalten des Verstärkers 1 zu vermeiden, muß
durch die Steuereinheit 5 gewährleistet sein, daß im Arbeitsmodus »Abtasten« immer
einer der Schalter 41... 4i ... 4n geschlossen ist.
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Die F i g. 2 zeigt nochmals die Anordnung der F i g. 1, in der jedoch
die mechanischen Schalter gegen elektronische Schalter ausgetauscht sind. Insbesondere
sind die Schalter 41 bis 411 durch Feldeffekttranistoren 41a ... 4ia
... 4nä ersetzt. Feldeffekttransistoren haben im gesperrten Zustand einen
sehr geringen Reststrom, z. B. 1 nA. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die
sich äiri Eingahg des Verstärkers 1 summierenden Restströme der Feldeffekttransistoren
41ä bis 41n ohne wesentlichen Eitifluß auf die jeweilige Ausgangsspatinttfig des
Verstärkers
sind. Dies ist vor allem dann wesentlich, wenn die Anordnung
eine Vielzahl von Eingangsklemmen (z. 13. 20) und mithin auch eine Vielzahl von
Transistoren 4i aufweist. Der hohe Durchschaltwiderstand von Feldeffekttransistoren
von z. B. 1 k -Q spielt andererseits, wie im vorhergehenden gezeigt wurde,
rür die Genauigkeit des Abtastens keine Rolle.
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Die Schaltstrecke 3 a des Umschalters 3 ist durch einen Flächentransistor
3a1 und die Schaltstrecke 3b durch einen weiteren Feldeffekttransistor 3b1 verwirklicht.
Beide Tranistoren werden von der Steuereinheit 5 synchron, aber getrennt angesteuert.
Der Flächentransistor 3 a 1 hat im durchgeschalteten Zustand eine Restspannung von
z. B. 0,5 mV, die in der jeweils festgehaltenen Spannung als Fehler auftritt. Da
die Eingangsspannungen ui der Anordnung sowohl positiv als auch negativ sein können
und somit auch die Ausgangsspannung u" sowohl negativ als auch positiv werden kann,
wird der Transistor 3a1 als inverser Transistor betrieben.
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Der höhere Emitterreststrom gesperrter Flächentransistoren gegenüber
dem von Feldeffekttransistoren ist an der Stelle des Transistors 3a1 ohne Belang,
da dessen Kollektor-Emitter-Spannung im gesperrten Zustand sehr niedrig ist. Dann
nämlich liegt der Emitter dieses Transistors über den leitenden Feldeffekttransistor
3 b 1 an der nahezu 0 Volt betragenden Eingangsspannung des Verstärkers 1, und da
sein Kollektor an Masse liegt, ist die genannte Kollektor-Emitter-Spannung ebenfalls
sehr klein, z. B. wenige iAV. Dadurch ist auch der Emitterreststrom gering.
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Wesentlich ist hingegen, daß der Eingang des Verstärkers 1 im Arbeitsmodus
»Abtasten« vom Kondensator 2 her keinen zusätzlichen Reststrom erhält. Aus diesem
Grunde ist für die Schaltstrecke 3b des Umschalters 3 der Feldeffekttransistor 3b1
vorgesehen.
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Um Ubersteuerungen des Verstärkers 1 zu vermeiden, weist jede Serienschaltung
der Widerstände i 1, i 2 einen Diodenübersteuerungsschutz 9 auf.
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Die spezielle Auswahl der elektronischen Schaltelemente für die erfindungsgemäße
Anordnung erfolgte nach dem derzeitigen Stand der Technik, und es ist selbstverständlich,
daß andere den Erfordernissen genügende elektronische Schaltelemente zur Realisierung
der Anordnung benutzt werden können.