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Elektris che Impuls-Meßeinrichtung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur genauen Messung sehr kurzdauernder elektrischer Impulse bzw. einzelner Abschnitte
derselben, vorzugsweise im ImpuAauer-Bereich von Nanosekunden (10 9 sec).
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Während die Scheitelwerte von Impulsamplituden relativ einfach meßbar
sind, werden Dauer und Kurvenform von Impulsen meistens durch Auswertung oszillographischer
Aufnahmen gemessen. Die Genauigkeit solcher Messungen ist begrenzt durch die Bandbreite
und Phasendrehungen des Veriikalverstärkers des Oszillographen.
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Verschiedentlich werden Impuls-Anstieg-und Abfallzeit und auch die
gesamte Impulsdauer durch punktweise Abtastung der Impulskurve gemessen. Diese
Meßmethode
besteht bekanntlich in der periodisch wiederholten sehr kurz-. zeitigen Abtastung
der jeweiligen Impulsamplitude, wobei die Abtastzeitpunkte in den aufeinanderfolgenden
Perioden fortschreitend um bekannte kleine Zeitabschnitte verzögert werden. Die
Abtastverzögerung entspricht kleinen gleichbleibenden Zeitintervallen, die gewöhnlich
durch die Taktimpulse eines frequenzkonstanten sogenannten Taktgebers bestimmt werden.
Der im jeweiligen Abtastzeitpunkt vorhandene Amplitudenwert der zu messenden Impulskurve
wird konstant gespeichert, bis er durch den bei der folgenden Abtastung des nächsten
Impulses gemessenen Amplitudenwert vergrößert oder verkleinert wird. Dieses Verfahren
liefert auf diese Weise eine stark verlangsamte treppenförmige, feinstufige Nachbildung
der veränderlichen Amplitude der Impulskurve. Wird nun beim Erreichen eines ersten
vorbestimmten Amplitudenwertes eine Zählung der Verzögerungsintervalle begonnen
und bei einem zweiten vorbestimmten Amplitudenwert beendet, so stellt die gemessene
Anzahl dieser Intervalle den zwischen beiden Amplituden- (Ordinaten-) werten liegenden
Zeitabschnitt auf der Abszissenachse dar. Um die zwischen dem Kleins twert und dem
Höchstwert der Amplitude sowohl auf der Vorder-als auch Rückflanke der Impulskurve
liegenden Zeitabschnitte, also die gesamte Impulsbreite bzw.-dauer zu messen, müssen
zwei solche Zähleinrichtungen in entsprechender Anordnung verwendet werden. Die
zur Durchfthrung dieses Meßverfahrens erforderliche technische Einrichtung ist also
umfangreich und kostspielig und die Messung wegen der vermehrten Fehlerquellen Ungenauigkeiten
unterworfen.
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Bekannt ist ferner eine Meßeinrichtung für den veränderlichen Zeitabstand
der Impulse einer frequenzkonstanten Impulsfolge von denen einer ändern Impulsfolge
gleicher Frequenz. Sie erzeugt aus der ersten Impulsfolge und einer aus ihr mittels
eines einstellbaren Verzögerungsgliedes abgeleiteten verzögerten Hilfsimpulsfolge
eine Rechteckimpulsfolge einstellbarer Impulsbreite. Diese Rechteckimpulse werden
nacheinander durch die Kurzimpulse der zweiten Impulsfolge abgetastet, die entsprechend
ihrer Lage zur Rückflanke der Rechteckimpulse eine Abtastspannung unterschiedlicher
Polarität liefern. Die Abtastspannungen werden integriert und regeln als Gleichspannung
veränderlicher Größe und Polarität in einer geschlossenen Regelungsschleife die
Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes und somit den Abstand der Rückflanke der
Rechteckimpulse von ihrer Vorderflanke so lange, bis die Rückflanke mit den Impulsen
der zweiten Impulsfolge zusammenfällt. Dann ist die Regelungsspannung ein Maß Sir
den mit der Impulsbreite identischen Impulsabstand der ersten und zweiten Impulsfolge.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der
vorgenannten Nachteile äußerst kurze Impulse mit einer Gesamtdauer in der Größenordnung
von 1/10 Nanosekunde (10's) mit möglichst geringem Aufwand, großer Genauigkeit und
Zuverlässigkeit zu messen, und zwar die Impulsbreite direkt sowie indirekt punktweise
auch die Impulskurve.
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Die Einrichtung zur automatischen Messung der zu einer vorbestimmten
Ordinate
eines Spannungsimpulses gehörenden Zeit-Abszisse mit geschlossener Regelschleife
gemäß der Erfindung erreicht dieses Ziel ohne komplizierte und teure Breitbandverstärker
in der Regelschleife dadurch, daß die Regelschleife besteht aus einer den periodischen
Spannungsimpuls abtastenden Torschaltung, einem die abgetastete Spannungsordinate
speichernden und ihre Differenz mit dem vorbestimmten Ordinatenwert in Form einer
festen Bezugsspannung bildenden Impulsspeicher, einem Gleichstromverstärker für
die Differenzspannung, einer Torschaltung für den impulsweisen Durchlaß der Differenzspannung
zu einer Integrierschaltung, einem deren Summenspannung mit einer periodischen zeitproportionalen
Spannung aus einem Sägezahngenerator vergleichenden Spannungsvergleicher, der im
Abszissenzeitpunkt der Spannungsgleichheit einen Abtastimpuls-Generator zur Erzeugung
eines die Abtast-Torschaltung steuernden Abtastimpulses veranlaßt und dessen Zeitabszisse
so lange regelt, bis die abgetastete Ordinate des Spannungsimpulses der vorbestimmten
Ordinate (Bezugsspannung) gleich ist, und daß ein von der Integrierschaltung gesteuerter
Anzeigeverstãrker einen verstärkten Gleichgewichtswert der Summenspannung zur Anzeige
der gesuchten Zeitabszisse liefert.
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Ein Ausftihrungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Impuls-Meßeinrichtung
wird nachstehend an Hand von Zeichnungen genauer beschrieben. Von letzteren zeigen
: Fig. 1 : ein Blockschaltbild der vollständigen Meßeinrichtung,
Fig.
2 : Zeitdiagramme verschiedener in der Schaltung nach Fig. 1 wirksamer Impulsspannungen,
Fig. 3 : ein Schaltbild des Abtast-Torkreises und zugehörigen Impulsspeichers in
Fig. 1, Fig. 4 : ein Schaltbild der Tor-, Integrier-, Verstärker-und Vergleicher-mit
Abtastimpulserzeuger-Schaltung nach Fig. 1 und Fig. 5 : ein Schaltbild des Sågezahn-Generators
nach Fig. 1.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist als Meßobjekt 10 eine Halbleiter-Diode
11 angenommen, für welche die beim Übergang vom leitenden in den nichtleitenden
Zustand auftretende Nachwirkungsspannung (recovery voltage) nach Größe und Verlauf
sowie die bis zum Wiedererreichen des Ruhe-Gleichgewichts der Ladungsträger im Halbleitermaterial
vr Nachwirkungszeit (recovery time) zu messen sind. Zu diesem Zweck wird die Diode
11 normalerwQese in Durchgangsrichtung durch eine Gleichstromquelle mit den Klemmen
+e und-e liber einen Begrenzungswider stand 12 und einen Belastungswiderstand 13
entsprechend dem horizontalen positiven Teil der Spannungskurve C in Fig. 2 belastet.
Die Diode 11 wird nun periodisch gesperrt, indem an die Reihenschaltung aus Diode
und Belastungswiderstand
13 negative Rechteckprtfimpulse entsprechend
Kurve B in Fig. 2 angelegt werden. Sie werden von einem Prüfimpulsgenerator 14 (Fig.
1) bekannter Art mit Impulsform-Regeneration erzeugt unter Steuerung durch Taktimpulse
mit einer Impulsfrequenz von z. B. 100 kHz gemäß Kurve A in Fig. 2 aus einem Taktgeber
16, die zuvor durch einen Verzögerungskreis 15 um einen konstanten kleinen Zeitbetrag
verzögert werden. Nach dem Einsatz des Prüfimpulses B sinkt der Diodenstrom nicht
entsprechend seiner Steilflanke sofort auf Null, sondern nimmt linear ab und kehrt
sogar seine Richtung um, behält kurzzeitig einen negativen Wert bei und kehrt dann
erst exponentiell auf Null zurtick.
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Dieser Nachwirkungsstrom der Diode erzeugt am Widerstand 13 einen
Spannungsabfall, dessen beispielsweiser Verlauf als Nachwirkungspannungskurve C
in Fig. 2 gezeigt ist.
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Erfindungsgemäß werden nun punktfdrmig zu vorbestimmten Amplituden-(Ordinaten-)
Werten dieser periodisch erzeugten Diodenspannungskurve C die zugehörigen Zeit-Abszissenwerte
automatisch ermittelt, indem ein spitzer Abtastimpuls mit regelbarer Abszisse die
Diodenkurve abtastet und eine Regelschaltung den Abtastzeitpunkt so lange ändert,
bis die abgetastete Amplitude gleich dem vorbestimmten Wert ist und somit der Abtastzeitpunkt
dem gesuchten Abszissenwert entspricht.
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Die Abtastung der Diodenkurve C erfolgt nach Fig. 1 durch eine mit
ihren
Eingangsklemmen an den Diodenbelastungswiderstand 13 geschaltete
Abtast-Torschaltung 17, die durch den spitzen Abtastimpuls aus einem Abtastimpuls-Generator
45 gesteuert wird. Der jeweils abgetastete augenblickliche Ordinatenwert der Diodenspannungskurve
wird durch einen anschließenden kapazitiven Impulsspeicher 18 bis zum nächsten Abtastimpuls
konstant gehalten. Tor-und Speicherschaltung 17 bzw. 18 werden später noch genauer
beschrieben.
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Der vorbestimmte, jeweils zu untersuchende Ordinatenwert der Dioden-Spannungskurve
C (Fig. 2) wird, beispielsweise von Hand, nach Fig. 1 an einem durch eine Batterie
26 gespeisten Potentiometer 25 als Bezugsspannung eR gleicher Größe, aber entgegengesetzten
Vorzeichens zwischen dem Abgriff 23 und dem Anschluß 24 eingestellt. Dieses Potentiometer
25 Hefert positive Bezugsspannungen eR für die in der Hauptsache interessierenden
negativen Amplituden der Dioden-Nachwirkungsspannung C. Von dem positiven Teil ihrer
abfallenden Vorderflanke interessiert eigentlich nur der Anfangspunkt der letzteren
am rechten Ende der konstanten positiven Diodenspannung als derjenige positive Ordinatenwert,
der den Beginn tl (Fig. 2, Kurve D) der Nachwirkungszeit bestimmt. Um zunächst diesen
Zeitpunkt zu ermitteln, wird zu Beginn der Messungen eine negative Bezugsspannung
e26 wirksam gemacht, deren Betrag wenig kleiner ist als der der konstanten positiven
Diodenspannung C ; sie wird einer getrennten Batterie 26'entnommen. Zur wahlweisen
Einschaltung der negativen oder
positiven Bezugsspannung e26, bzw.
eR dient ein Umschalter 21 mit den Kontakten 22a bzw. 22. tuber einen mit der Ausgangsklemme
des Impulsspeichers 18 verbundenen Entkopplungswiderstand 20 wird eine der beiden
Bezugsspannungen e. bzw. eR mit der jeweils abgetasteten und gespeicherten Ordinatenspannung
der Diodenkurve C überlagert. Dadurch erfolgt eine algebraische Addition, also Differenzbildung
der Beträge und somit ein Vergleich der Diodenspannung und der Bezugsspannung.
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Die Differenzspannung veränderlicher Größe und Vorzeichens als Ergebnis
dieses Spannungsvergleichs wird nach Fig, 1 einem Gleichstromverstärker. 19 bekannter
Art mit starker Gegenkopplung und einem im Frequenzbereich 0 - 105 Hz konstanten
hohen Verstärkungsgrad zugeführt.
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Üblicherweise ist der Eingangswiderstand größer als 108 Chm, der
VerstSrkungsfaktor bei offenem Gegenkopplungskreis größer als 30 000 (90 dB), die
Ausgangsspannung maximal + 50 Volt bei einem Ausgangsstrom von + 50 mA und gegenüber
der Eingangsspannung um 180° phasenverschoben, fUr ein Signal-/Rauschpegelverhältnis
von 10 dB das Mindest-Eingangssignal 10-11 A bei 10-3 V und das Verhältnis Verstärkung/Frequenz
20dB bis 0 db pro Dekade zwischen 5 Hz und 107 Hz.
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Die Ausgangsspannung des GleichstromverstErkers 19 wird nach Fig.
1 , tibr zwei Umschalter 29 und 34 an die Eingangsklemme einer Torschaltung
35
gelegt, und zwar wahlweise direkt oder über einen Inverter 31 liblicher Art mit
180 Phasendrehung und dem Verstärkungsgrad 1.
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Die Torschaltung 35 wird vom Taktgeber 16 gesteuert und leitet wShrend
jedes Taktimpulses A (Fig. 2) die verstärkte Differenzspannung aus der abgetasteten
Diodenspannungsordinate und der jeweilig eingestellten Bezugsspannung gleich-oder
gegenphasig (mit gleichem oder entgegengesetztem Vorzeichen) an eine Integrierschaltung
44 mit einem Kondensator als wirksamem Schaltelement weiter. Dessen Ladung bzw.
Spannung wird durch den während des Taktimpulses durchgelassenen Differenzspannungsimpuls
gemäß dessen Vorzeichen und Amplitude um einen größeren oder kleineren Betrag geändert
und der erreichte Wert bis zum nächsten Taktimpuls konstant gehalten. Dieser integrierte
Wert wird in internen Gleichstromverstärkerstufen des Integrierkreises 44 verstärkt
und von dessen Ausgang einer Spannungsvergleicher-und Abtastimpulserzeuger-Schaltung
45 zugeführt.
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Der Spannungflvergleicher 45 vergleicht nun die verstärkte integrierte
(Summen-) Spannung aus dem Integrierkreis 44 mit einer periodischen Sägezahnspannung
entsprechend Kurve D in Fig. 2, die von einem Suagezahngenerator 46 unter Steuerung
durch die Taktimpulse A aus dem Taktgeber 16 erzeugt wird. In dem Augenblick, wenn
die ansteigende Suagezahnspannung D den Wert der gespeicherten Summenspannung erreicht,
erzeugt
der Vergleicher 45 einen sehr kurzen und spitzen Impuls, der als Abtastimpuls zur
Steuerung der bereits beschriebenen Abtast-Torschaltung 17 dient.
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Somit stellen die spalter noch genauer zu beschreibenden Tor-, Integrier-und
Vergleicher-/Abtastimpulserzeuger-Schaltungen 35 bzw. 44 bzw. 45 die letzten Glieder
einer geschlossenen Regelschleife dar, die auf deren Eingangalieder, nämlich die
Abtasttor-und Impulsspeicherschaltungen 17 bzw.
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18, zurtckwirken. Der Gleichstromverstärker 19, gegebenenfalls in
Verbindung mit dem Inverter 31, stellt das Hauptglied dieser Regelschleife, den
Regelverstärker, dar.
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Die verstärkte Summenspannung der Integrierschaltung 44 ist laut Fig.
1 von deren Ausgangsklemme auch noch liber einen Entkopplungswiderstand 47 an den
Eingang eines weiteren Gleichstrom-Anzeigeverstärkers 48 normaler Bauart geschaltet.
Seinem Eingang wird außerdem über einen weiteren Entkopplungswiderstand 49 eine
konstante Bezugs-Gleichspannung eR' zugeführt, die nach Größe und Vorzeichen mittels
des Abgriffs 50 eines Potentiometers 51 einstellbar ist, das seinerseits von der
Reihenschaltung zweier Batterien 52 und 53 mit geerdeter Mitte gespeist wird.
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Die Bezugsspannung eR' dient dazu, wahlweise einen konstanten Teil
der vom Integrierkreis 44 zugeführten Summenspannung zu kompensieren und dadurch
den Nullpunkt der resultierenden Eingangsspannung des Anzeigeveratärkers 48 und
somit auch von dessen Aus gangsspannung e entsprechend
den Erfordernissen
der Messung festzulegen. Diese Ausgangsspannung e ist in noch zu erläuternder Weise
dem zu messenden Abszissen-0 Zeitwert proportional ; der zum jeweils untersuchten
Ordinaten-Spannungswert der Diodenspannungskurve C (Fig. 2) gehört. Die Ausgangsspannung
eo kann daher unmittelbar zur Anzeige der gemessenen Abszissen-Zeitpunkte benutzt
werden. Der richtige Zeit-Maßstab wird dabei durch entsprechende Wahl des üblichen
Gegenkopplungs-Widerstandes 54 für den Anzeigeverstärker 48 festgelegt.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Impulsmesseinrichtung und
ihrer Regelschaltung ergibt sich aus Fig. 1 und 2 wie folgt.
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Zur Messung des Anfangs-Zeitpunktes tl der Dioden-Nachwirkungsspannungs-Kurve
C (Fig. 2) am Ende der normalen konstanten positiven Diodenspannung werden die negative
Bezugsspannung e26, durch Verbindung des Umschalters 21 (Fig. 1) mit dem Kontakt
22a sowie der Inverter 31 in Reihe mit dem Gleichstromverstärker 19 durch Verbindung
der Kontakte 27 und 33 der Umschalter 29 bzw. 34 mit den Kontakten 28 bzw.
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3Z wirksam gemacht.
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Der Taktgeber 16 erzeugt positive Rechteck-Taktimpulse A (Fig. 2)
mit einer Impulsdauer vom Zeitpunkt t0 bis t6. Diese Taktimpulse steuern die gleichzeitige
Erzeugung van Sägezahnimpulsen D durch den Sägezahn-I
generator
46 mit einer ebenfalls zwischen den Zeitpunkten t0 und t6 linear ansteigender Flanke.
Die durch den Verzögerungskreis 15 verzögerten Taktimpulse veranlassen den Prtifimpulsgenerator
14 zur Erzeugung gleich langer, aber um den konstanten Zeitabstand t0 bis tl verzögerter
negativer Rechteck-Prüfimpulse B, damit die von ihnen erzeugten Diodenspannungsimpulse
mit Sicherheit in den linearen Teil der Sagezahnspannung fallen. Die bei tl steil
abfallende Vorderflanke der Prüfimpulse B legt augenblicklich Sperrpotential an
die Diode 11, woraufhin deren Strom bzw. der Spannungsabfall am Diodenwiderstand
13 jedoch nicht ebenso schnell auf Null abfallen, sondern wie bereits beschrieben,
erst nach einer allerdings sehr kurzen Nachwirkungszeit und nach vorherigen Vorzeichenumkehr
gemäß der Nachwirkungsspannungskurve C. auf Null zurtickkehren. Von tl bis t2 2
fgllt die Diodenspannung linear bis Null, kehrt ihre Polarität um und fällt bis
t3 ebenso linear weiter bis zu einem negativen Maximum. Von diesem bis t4 beibehaltenen
negativen Wert kehrt dann die Diodenspannung bis nach dem Zeitpunkt t5 exponentiell
if Null zurtck.
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Zu Beginn der Messung sei am Eingang des Verstärkers 19 nur die negative
Bezugsspannung e26, mit einem etwas unter dem der normalen positiven Diodenspannung
liegenden Betrag wirksam. Sie wird vom Verstärker 19 unter Vorzeichenumkehr verstärkt.
Der Inverter 31 kehrt ihr Vorzeichen erneut um, so daß am Torkreis. 35 eine verstärkte
negative Spannung
wirksam ist, die während des nächsten Taktimpulses
A zum Integrierkreis 44 durchgelassen wird.
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Angenommen, nach diesem ersten negativen Eingangsimpuls habe der Integrierkreis
(in Verbindung mit einer vorher in ihm noch enthaltenen Spannung) eine kleine positive
Summenspannung angenommen, die gleich ist der Sägezahnspannung D im Zeitpunkt t2.
Dann erzeugt in diesem Zeitpunkt t2 der Vergleicher mit dem Abtastimpulsgenerator
45 einen spitzen Abtastimpuls, der den Abtast-Torkreis 17 kurzzeitig zum Durchlaß
des gerade erreichten, durch eine gestrichelte horizontale Linie in Fig. 2 angedeuteten,
negativen Ordinatenwertes der Diodenspannungskurve C öffnet. Dieser durch den Impulsspeicher
18 konstant gehaltene negative Ordinatenwert addiert sich nun am Eingang des Verstärkers
19 zur negativen Bezugsspannung e- so daB dort und somit auch am Ausgang des Inverters
31 eine gegen vorher stärker negative Spannung entsteht.
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Demnach läßt beim nächsten Taktimpuls der Torkreis 35 einen Impuls
mit vergrößerter negativer Amplitude zum Integrierkreis 44 durch, der dessen Summenspannung
auf einen kleineren positiven Wert erniedrigt.
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Er entspreche beispielsweise der zum Zeitpunkt t2'gehörenden Ordinate
der Sägezahnspannung D, so dafi der Vergleicher und Abtastimpulsgenerator 45 nun
im Zeitpunkt t2'einen Abtastimpulsr zeugt. Da in diesem Zeitpunkt die Diodenspannung
C einen kleinen positiven Wert hat, tberlagert sich jetzt dieser der negativen Bezugsspannung
e26 am Eingang des Verstärkers 19, so daß nun eine kleinere negative resultierende
Spannung
entsteht und auch ein entsprechender Impuls am Integrierkreis
44 wirksam wird. Infolgedessen wird die Summenspannung des letzteren nochmals, jedoch
jetzt um einen kleineren Betrag erniedrigt, so daß der Abtastzeitpunkt abermals
etwas nach links verschoben wird. Diese Linksverschiebung wird bei den folgenden
Taktimpulsen immer kleiner, da die abgetasteten Ordinatenspannungen der Diodenkurve
C immer größere positive Werte annehmen und somit der Betrag ihrer negativen Differenz
zur negativen Bezugsspannung e-immer kleiner wird. Dementsprechend wird auch die
Amplitude der die Aus gangs spannung des Integrierkreises 44 verändernden Impulse
immer kleiner, bis sie schließlich bei Gleichheit von abgetasteter Diodenspannungs-Ordinate
und Bezugsspannunge. zu Null wird. In diesem Fall ändert sich die Summenspannung
des Integrier. kreises 44 also nicht mehr. Ihr konstanter Gleichgewichtswert ist
dann auch mit der den gesuchten Abtastzeitpunkt tl bestimmenden Ordinate L (Fig.
2) der Sågezahnspannung D identisch und wegen deren Linearität der Abszisse tl des
Anfangspunktes der Nachwirkungsspannungskurve der untersuchten Diode 11 direkt proportional.
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Der Abstand tO-tl entspricht dann der konstanten Verzögerungszeit
des Verzögerungskreises 15 und des Prüfimpulsgenerators 14. Will man nun diese Verzögerungszeit
aus der Messung ausschalten und die Abszisse tl des Kurvenanfangspunktes als Koordinaten-Anfangspunkt,
d. h. als Abszisse Null betrachten, so kann man der ihr entsprechenden Spannung
des Integrierkreises
44 für die Anzeige ebenfalls den Wert Null
erteilen, indem man sie am Eingang des AnzeigeverstSrkers 48 mittels der am Potentiometer
51 abgegriffenen Spannung kompensiert und die entsprechende Stellung des Potentiometerabgriffs
50 bei allen weiteren Messungen an dieser Diode 11 beibehält.
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Selbstverständlich kann der Koordinatenursprung, d. h. die Bzugszeit
Null, an jede Stelle der Zeitachsekelegt werden, beispielsweise auf den Zeitpunkt
t2, in dem die Vorderflanke der Diodenspannungskurve durch Null geht, oder auf den
Zeitpunkt t2, in dem die Diodenspannung den halben um Wert ihres negativen Maximums
hat, die sogenannte Halbwertsbreite des negativen Kurvenzuges zu messen. In diesen
Fällen wird zuerst der betreffende der eben genannten Abszissenwerte in der nachstehend
beschriebenen Weise gemessen und die entsprechende Anzeigespannung des Verstärkers
48 mit dem Potentiometer 51 auf Null kompensiert.
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Sollen nach der beschriebenen Messung des Zeitpunktes tl und seiner
Festlegung als Koordinatenursprung (Bezugszeit Null) die Abszissen für negative
Ordinatenwerte auf der absteigenden Vorderflanke der Diodenspannungskurve gemessen
werden, so wird zwecks Einstellung der diesen Ordinatenwerten entsprechenden positiven
Bezugsspannungen eR am Eingang des Verstårkers 19 der Umschalter 21 mit dem Kontakt
22 verbunden und dadurch das Potentiometer 25 wirksam gemacht.
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Angenommen, mit dem Potentiometerabgriff 23 sei eine positive Bezugsspannung
eR
eingestellt, deren Betrag der durch eine gestrichelte waagerechte Linie eR gekennzeichneten
und zum Zeitpunkt t2 gehörenden negativen Ordinate der Diodenspannung entspricht.
Diese positive Bezugsspannung eR überlagert sich am Eingang des Regelverstärkers
19 mit der im Impulsspeicher 18 noch gespeicherten positiven Abtastspannung zu einer
noch größeren positiven resultierenden Spannung, die einen durch den Torkreis 35
erzeugten Impuls gleicher Polaritãt und entsprechend verstärkter Amplitude am Eingang
des Integrierkreises 44 zur Folge hat.
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Dessen Ausgangsspannung wird dadurch auf einen höheren positiven Wert
geändert als dem vorher bei der Abtastung zum Zeitpunkt tl herrschenden.
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Infolgedessen erzeugt der Vergleicher und Abtastimpulsgenerator einen
Abtastimpuls jetzt etwas später, beispielsweise im Zeitpunkt t2'. Dieser Impuls
steuert nun die Abtastung einer Diodenspannungsordinate etwa vom Wert Null durch
den Abtast-Torkreis 17, so daß als resultierende Spannung am Eingang des Verstärkers
nur noch die (kleinere) positive Bezugs-' spannung eR wirksam ist. Sie bedingt einen
positiven Eingangsimpuls 44, so daß dessen Summenspannung nun etwas weniger erhöht
und somit der Zeitpunkt des vom Vergleicher 45 erzeugten Abtastimpulses erneut etwas
verzögert wird, in dem die Diodenspannung schon einen kleinen negativen Wert hat.
Diese abgetastete negative Spannung erniedrigt wiederum die positive resultierende
Spannung am Verstärker 19 und bewirkt daher beim, nächsten Taktimpuls eine kleinere
Verzögerung des Abtastzeitpunktes. Während der folgenden Taktimpulse wird der Abtastzeitpunkt
in immer
kleineren Schritten weiter verzögert und wächst der Betrag
der abgetasteten negativen Diodenspannungs-Ordinaten, bis er im Zeitpunkt t2 den
Betrag der positiven Bezugsspannung eR erreicht. Die vom Verstärker 19 gelieferte
Regelspannung ist dann wieder auf Null abgesunden und die positive Summenspannung
des Integrierkreises 44 hat nun einen konstanten höheren Wert erreicht, der der
Zeit t2 proportional ist. Die von ihr gesteuerte Ausgangsspannung e des Anzeigeverstärkers
48 ist durch die vorangegangene Eichung um den dem Zeitpunkt tl entsprechenden Wert
verkleinert, so daß sie unmittelbar den Abszissenabschnitt tl-t2, also den @u messenden
Zeitabstand der Diodenspannungs- Ordinate eR vom Kurvenanfangspunkt (entsprechend
t1) anzeigt.
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Wenn der Ausmessung des Kurvenpunktes eR auf der Vorderflanke eine
andere Messung, beispielsweise des negativen Maximums im Zeitpunkt t4, vorausging
und der Impulsspeicher 18 noch eine entsprechend große negative Abtastspannung speichert,
so ergibt diese zusammen mit der eingestellten positiven Bezugsspannung eR halber
Größe eine negative resultierende Spannung am Eingang des Verstärkers 19. Dementsprechend
läßt der Torkreis 35 während einer Reihe von Taktimpulsen gleiche negative Impulse
zum Integrierkreis 44, durch, bis dessen dem Zeitpunkt t4 entsprechende relativ
hohe positive Ausgangsspannung dadurch schrittweise so wSit verkleiner int, daß
der dadurch entsprechend schrittweise vorverlegte Abtastimpuls des Vergleichers
45 den Zeitpunkt t3 erreicht. WSthrond der
nächsten schrittweise
vorverlegten Abtastungen nimmt dann die abgetastete negative Diodenspannung linear
ab und ebenso auch die resultierende negative Eingangsspannung des Verstärkers 19
sowie die Amplitude der negativen Eingangsimpulse des Integrierkreises 44. In diesem
Fall wird also dessen Summenspannung von höheren Werten abnehmend geregelt und dementsprechend
die Abtastung vorverlegt, bis sie wieder den gesuchten Zeitpunkt t2 erreicht, in
dem abgetastete Diodenspannung und Bezugsspannung eR den gleichen Betrag haben.
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Zur Messung von Abszissenwerten der Rückflanke der Dioden-Nachwirkungsspannung
C zwischen den Zeitpunkten t3 und t6 muß wegen der umgekehrten Anderungstendenz
der Kurve auch die Polarit$t der Regelspannung gewechselt werden. Zu diesem Zweck
wird durch Umlegen der Umschalter 29 und 34 der Inverter 31 unwirksam gemacht und
der Regelverstärker 19 über die Kontakte 27 und 38 bzw. 39 und 33 direkt mit dem
Torkreis 35 verbunden. Gleichzeitig wird durch eine später noch zu beschreibende
Umschaltung im Integrierkreis 44 dafür gesorgt, daß seine Summen-Ausgangsspannung
nicht unter einen positiven Wert sinken kann, der demjenigen der Sägezahnspannung
im Zeitpunkt t3 entspricht.
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Soll z. B. die Abszisse t-des negativen Rtickflanken-Ordinatenwertes
eR gemessen werden, so wird am Potentiometer 25 wieder eine gleich große positive
Bezugsspannung eR eingestellt. angenommen, der Integrierkreis 44 liefere die durch
die Umschaltung eingestellte niedrigste positive Ausgangsspannung
an
den Vergleicher 45. Dann erzeugt letzterer voraussetzungsgemäß im Zeitpunkt t3 einen
Abtastimpuls, so daß der negative Höchstwert der Diodenspannung durch den Abtastkreis
17 abgetastet, im Impulsspeicher 18 gespeichert und vor dem Verstärker 19 mit der
kleineren positiven Bezugsspannung eR zu einer negativen resultierenden Spannung
vereinigt wird. Der Verstärker 19 liefert daraufhin eine verstärkte positive Spannung
an den Torkreis 35, der tatsynchron den Integrierkreis 44 mit entsprechenden positiven
Impulsen speist und dessen positive Ausgangsspannung schrittweise erhöht. Dadurch
werden die Zeitpunkte der vom Vergleicher 45 erzeugten Abtastimpulse in gleichen
Schritten bis zum Zeitpunkt t4 verzögert. Währenddessen behalten die abgetasteten
Diodenspannungen und somit auch die negative Eingangsspannung des Verstärkers 19
ihre Werte bei. Danach wird die negative Abtastspannung schrittweise kleiner und
ebenso die resultierende negative Eingangsspannung des Verstärkers 19. Die dementsprechend
verkleinerten positiven Eingangsimpulse des Integrierkreises 44 vergrößern dessen
Ausgangsspannung in immer kleineren Schritten, bis der Vergleicher 45 die Erzeugung
der Abtastimpulse ebenso schrittweise bis zum Zeitpunkt tR verzögert hat, in dem
abgetastete negative Diodenspannung und positive Bezugsspannung eR gleiche Beträge
erreichen.
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Wenn der eben beschriebenen Messung eine Messung beispielsweise der
Abszisse t5 vorausging, so erfolgt eine Regelung der resultierenden Eingangsspannung
des
Verstärkers 19 von positiven Werten bis Null, der entsprechenden negativen Eingangsimpulse
des Integrierkreises 44 bis Null und von dessen Ausgangsspannung von größeren auf
kleinere positive Werte sowie eine Vorverlegung des Abtastzeitpunktes von t5 auf
tR.
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In derselben Weise erfolgt nach Einstellung einer gestrichelt angedeuteten
kleinen positiven Bezugsspannung eR durch selbsttätige Regelung der Summenspannung
des Integrierkreises 44 auf einen Wert L1 und entsprechende Verzögerung des Abtastzeitpunktes
bib t5 die automatische Messung der gesamten Impulsbreite tl-t5 der zu untersuchenden
Dioden-Nachwirkungs spannung. Diesem gesuchten Abszissen-Zeitraum ist die Differenz
der in die Kurve der Sägezahn-Spannungskurve D (Fig. 2) eingezeichneten Spannungswerte
L1 und L proportional, die durch die Ausgangsspannung e des Anzeigeverstärkers 48
in der schon beschriebenen Weise direkt angezeigt wird.
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Durch Einstellung weiterer beliebiger Zwischenwerte der positiven
Bezugsspannung eR wird die automatische Messung der zu den entsprechenden negativen
Ordinaten der Diodenspannung gehörenden Abszissenwerte eingeleitet, und zwar gemäß
der beschriebenen jeweiligen Stellung der Umschalter 29, 34 entweder auf der Vorder-oder
Rückflanke des Spannungsimpulses, dessen Form dadurch punktweise genau ermittelt
werden kann..
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Das genaue Schaltbild des Abtast-Torkreises 17 und des Impulsspeichers
18 nach Fig. 1 ist in Fig. 3 wiedergegeben. Der Abtast-Torkreis umfaßt eine Gleichrichter-Brückenschaltung
59 aus vier Dioden 60-63, die normalerweise durch eine an zwei gegenüberliegende
Brtickenpunkte über Entkopplungswiderstände 64 und 65 gelegte Vorspannung nichtleitend
gemacht sind. Die Dioden werden kurzzeitig leitend infolge des denselben Brückenpunkten
gegenphasig und mit entgegengesetzten Vorzeichen über Kondensatoren 66 und 67 zugeführten
spitzen Abtastimpulses, der vom Vergleicher und Abtastimpulsgenerator 45 in der
Sekundärwicklung 68 seines Ausgangsübertragers 69 in noch zu beschreibender Weise
erzeugt wird. In diesem kurzzeitigen leitenden Zustand läßt die Gleichrichterbrtcke
59 die gerade am Belastungswiderstand 13 der zu untersuchenden Diode 11 (Fig. 1)
herrschende und den Eingangsklemmen 70 zugeleitete Diodenspannung zum Impulsspeicher
18 durch. Dessen Kondensator 73 wird über den in diesem Augenblick sehr kleinen
Widerstand der Gleichrichterbrücke 59 auf den jeweiligen Augenblickswert der Diodenspannung
C (Fig. 2) genügend schnell auf-bzw. umgeladen, da die Zeitkonstante des Eingangskreises
des Impulsspeicherkondensators 73 ausreichend klein ist. Die im Kondensator 73 gespeicherte
Diodenspannung wird über einen Widerstand 74 urddie Ausgangsklemmen 75 und 76 dem
Gleichstromverstärker 19 (Fig. 1) zugeführt. Der WideSstand 74 und somit die Zeitkonstante
des Ausgangskreises des Impulsspeichers 18 ist genügend groß gewählt, so daß die
Kondensatorspannung bis zum nächsten Abtastimpuls unveråndert bleibt. Wahrend der
Sperrperiode
der Gleichrichterbrücke 59 ist deren Widerstand so
groß, daß dadurch die Ausgangs-Zeitkonstante nicht verkleinert wird.
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Fig. 4 zeigt das genaue Schaltbild der Torschaltung 35, des Integrierkreisea
44 und des Vergleichers mit Abtastimpulserzeuger 45 nach Fig. 1, Aufbau und Wirkungsweise
der Torschaltung 35 stimmen mit denen des eben beschriebenen Abtast-Torkreises 17
weitgehend überein, weswegen für die gleichen Schaltelemente auch dieselben Bezugszeichen
wie dort verwendet werden, Die Gleichrichterbrücke 59 wird in diesem Fall durch
die längeren Rechteck-Taktimpulse aus dem Taktgeber 16 (Fig. 1) leitend gemacht
und läßt während dieser Zeit die vom Gleichstromverstärker 19 oder Inverter 31 (Fig.
1) über die Eingangsklemme 79 und den Widerstand 82 zugeführte verstärkte Differenzspannung
zum Integrierkreis 44 und dessen Kondensator 81 durch. Da der Widerstand 8Z und
die Kapazität des Kondensators 81 relativ groß und somit die Eingangs-Zeitkonstante
des Integrierkreises 44 wesentlich größer gewählt ist als die des Abtast-Torkreises
17 (Fig. 3), wird der Kondensator 81 während jedes Taktimpulses nicht auf den vollen
Wert der jeweiligen Ausgangsspannung des Verstärkers 19 (Fig. 1) auf-bzw. umgeladen,
sondern seine Spannung wird jeweils nur um einen relativ kleinen Betrag entsprechend
ihrer Differenz gegenUber der Verstärkerspannung geändert. Die Gleichgewichtseinstellung
der summierten Kondensatorspannung erfolgt daher genügend gedSmpft und schwingungsfrei.
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Die jeweilige Summenspannung des Kondensators 81 wird durch drei
anschließende Gleichstromverstärkerstufen verstärkt. Diese enthalten drei direkt
gekoppelte npn-Transistoren 83-85 in Collectorschaltung mit den Emitterwiderständen
86-88, Die verstärkte Summenspannung wird am letzten Emitterwiderstand 88 abgegriffen
und tber die Ausgangsklemmen 89 und 90 dem Vergleicher und Abtastimpulsgenerator
45 zugeleitet.
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Diese Ausgangs-Summenspannung des Integrierkreises 44 könnte nun
bei Messungen von Abszissenwerten, die zu Punkten auf dem waagerechten Minimum-Abschnitt
oder der aufsteigenden Rückflanke der Diodenspannungskurve C (Fig. 2) gehören unter
Umständen zu niedrige positive Werte annehmen, die zum Bereich ihrer abfallenden
Vorderflanke gehören, wo die Regelung unstabil werden würde. Um dies zu verhindern,
wird bei diesen Messungen mittels eines Schalters 95 über dessen Kontakte 93 und
94 mit dem Emitter des Transistors 85 der Emitter 92 eines weiteren npn-Transistors
96 verbunden, dessen Collector zusammen mit denen der anderen Transistoren an +
Spannung liegt und dessen Basis mit dem + Pol einer andererseitseerdeten Batterie
97 verbunden ist. Die positive Spannung dieser Batterie ist etwas gröBer als der
Wert, den die Sägezahnspannung D (Fig. 2) des Sägezahn-Generators 46 (Fig. 1) im
Zeitpunkt t3 hat und unter den die Summenspannung des Integrierkreises 44 nicht
sinken darf, damit nicht die Vorderflanke des Diodenspannungsimpulses D (Fig. 2)
abgetastet wird. Dieser Transistor wird leitend, sobald die Summenspannung auf den
Spannungswert der Batterie 97 sinkt und verhindert
dadurch ein
weiteres Absinken der ersteren. Transistor 96 mit Batterie 97 und Schalter 95 stellen
somit eine Sperrschaltung 91 zur wahlweisen Gewährleistung eines unteren Grenzwertes
der Summenspannung des Integrierkreises 44 dar.
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Die Vergleicher-und Abtastimpulserzeuger-Schaltung 45 enthält nach
Fig. 4 einen npn-Lawinen-Transistor 100, beispielsweise von der bekannten Art des
gesteuerten Silizium-Gleichrichters. Sein Collector 102 liegt über einen hochohmigen
Widerstand 103 am + Pol der Stromquelle und ist durch einen Kondensator 104nach
Erde tiberbrückt. Die Transistor-Basis 101 ist mit dem Ausgang des Sägezahngenerators
46 (Fig. 1, 5) verbunden, während der Emitter 105 über die Primärwicklung 106 des
schon in Fig. 3 gezeigten Ausgangsübertragers 69 an die Ausgangsklemme 89 des Integrierkreises
44 sowie einen geerdeten Kondensator 107 geschaltet ist. Sobald die ansteigende
Sägezahnspannung an der Basis 101 die am Emitter 105 wirksame Summenspannung des
Integrierkreises 44 ein wenig übersteigt, so wird der Transistor sofort voll leitend,
da der Kondensator 104 während der vorhergehenden Sperrperiode über den Widerstand
103 auf die volle Stromquellen-Spannung aufgeladen wurde und der letzte Emitterwiderstand
88 im Integrierkreis 44 durch den Kondensator 107 ilberbrilckt ist, Der Transistorstrom
hat demnach einen sehr hohen Anfangswert, der nur durch den Widerstand der tSbertrager-Primärwicklung
106 und den kleinen Innenwiderstand des Transistors 100
begrenzt
ist. Wegen des hohen Widerstandes 103 nimmt der Transistorstrom dann entsprechend
der Ent-bzw. Aufladung der Kondensatoren 104 und 107 wieder sehr schnell ab. Dieser
die Primärwicklung 106 durchfließende sehr steile und schmale Transistorstrom-Impuls
erzeugt in der Sekundärwicklung 68 des tSbertragers 69 einen entsprechenden spitzen
Spannungsimpuls, der als Abtastimpuls zur Steuerung der Abtast-Torschaltung 17 (Fig.
1, 3) verwendet wird und dessen Form in Fig. 3 angedeutet ist, Von der Ausgangsklemme9
des Integrierkreises 44 wird dessen Summenspannung gemäß Fig. l, wie bereits beschrieben,
auch noch dem Anzeigeverstärker 48 zugefthrt.
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Die Schaltung des Sägezahngenerators 46 nach Fig. 1 ist in Fig. 5
genauer angegeben. Sie enthält drei npn-Transistoren 110, 121 und 128. Der Collector
111 des Transistors 110 wird in Emitterschaltung über einen Widerstand 112 und eine
Diode 113 vom + Pol der Spannungsquelle gespeist.
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Die Basis 115 ist normalerweise über einen Widerstand 117 positiv
vorgespannt, der Transistor 110 also leitend. Das Potential seines Collectors ist
infolgedessen Null und sperrt daher die beiden folgenden Transistoren 121 und 128
in Collectorschaltung, deren Basen 120 und 127 es direkt zugeführt ist. Gelangt
nun an die Basis 115 des Transistors 110, die außerdem über einen Kondensator 116
mit dem Taktgeber 16 (Fig. 1) verbunden ist, aus letzterem ein negativer Taktimpuls,
so sperrt dieser den Transistor 110. Nun beginnt ein zwischen dessen Collector 111
und
Emitter 114 geschalteter Kondensator 118 sich iiber den Widerstand
112 und die Diode 113 aufzuladen. Seine an der Basis 120 des nächsten Transistors
121 wirksame ansteigende Spannung macht letzteren mehr und mehr leitend, so daß
an dessen Emitterwiderstand 124 eine entsprechend ansteigende Spannung entsteht.
Diese Emitterspannung wird nun über einen Kondensator 125 dem Verbindungspunkt zwischen
Widerstand 112 und Diode 113 überlagert, so daß nunmehr fUr die Aufladung des Kondensators
118 eine erhöhte Spannung zur Verfügung steht. Dadurch wird die Aufladung des Kondensators
118 beschleunigt, d. h. dessen exponentielle Aufladecharakteristik linear gemacht.
Am Ende des negativen Taktimpulses wird dann der Transistor 110 wieder leitend und
entladet den Kondensator 118 sehr schnell. Die dergestalt am Kondensator 118 entstehende
Sägezahnspannung liegt auch an der Basis 127 des Transistors 128, so daß an dessem
Emitterwiderstand 129 eine gleiche Sägezahnspannungentsteht, die als Zeit-Bezugsspannung
dem Vergleicher 45 (Fig. 1, 4) zugeführt wird.
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Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, ist der Aufbau der erfindungsgemäßen
Impuls-Messeinrichtung relativ einfach und daher billig sowie die Wirkungsweise
genau, zuverlässig und stabil und somit die gestellte Aufgabe gelöst.