DE2059924A1 - Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Spannungen und/oder Stroeme - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Spannungen und/oder Stroeme

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DE2059924A1 DE19702059924 DE2059924A DE2059924A1 DE 2059924 A1 DE2059924 A1 DE 2059924A1 DE 19702059924 DE19702059924 DE 19702059924 DE 2059924 A DE2059924 A DE 2059924A DE 2059924 A1 DE2059924 A1 DE 2059924A1
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Description

Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Spannungen und/oder Ströme
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Spannungen und/oder Ströme bzw. deren Differenzen, insbesondere von bei der Fotometrie aus Proben und Vergleichsproben gewonnenen Meßwerten.■
Die bei der Fotometrie entstehenden Meßströme liegen im Bereich von Zehntel Mikroampere. Diese geringen Ströme können zwar verstärkt und anschließend miteinander verglichen werden. Am Ausgang solcher Schaltungen erhält man aber dann nicht die gewünschten Meßwerte in ausreichender Genauigkeit, weil die Meßsignale nach Verstärkung in den Fehlern oder Schwankungen der für die einzelnen Meßwerte benutzten Verstärker meistens untergehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, daher, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit welcher auch so kleine Ströme, wie sie bei der
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Fotometrie auftreten, mit ausreichender Genauigkeit (im Promillbereich) gemessen bzw. miteinander verglichen werden können.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zu messenden bzw. zu vergleichenden Werte in eine Impulsfolge aus wechselweise in Zeitabstand aufeinanderfolgenden in ihren Amplituden den Meßwerten entsprechenden Impulsen umgewandelt werden, daß die Impulsfolge, gegebenenfalls nach erforderlicher Verstärkung, in zwei getrennten Kanälen weiterverarbeitet wird in der Weise, daß während des Vorliegens eines dem einen - bzw. dem anderen - Meßwert zugeordneten Impulses der Impulsfolge im einen - bzw. im anderen - Kanal das Potential der Impulsfolge im jeweiligen Kanal um den jeweiligen Amplitudenwert in gleicher Richtung verschoben wird und daß die so verschobenen Impulsfolgen einem Differenzbildner zugeführt werden.
Durch die Erfindung ist also erreicht, daß kleine Meßsignale in einem einzigen gemeinsamen Verstärker auf leicht verarbeitbare Größen gebracht werden können, so daß bei der anschließenden Differenzbildung alle diese Fehler eliminiert werden. Die Meßsicherheit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung ist auch deshalb sehr groß, weil die Folgefrequenz der den einzelnen Meßwerten zugeordneten Impulse relativ hoch gewählt werden kann (z.B. 1 kHz), so daß auch rasche Änderungen der Meßwerte mit Sicherheit erfaßt werden.
Die Erfindung kann jedoch nicht nur mit Vorteil für die Messung kleiner elektrischer Signale benutzt werden, sondern wird auch in Fällen zweckmäßigerweise eingesetzt, in denen die Meßwerte nur kurzzeitig vorliegen. Der Vergleich nur kurzzeitig vorliegender Meßwerte ist durch die vorgeschlagene Schaltungsanordnung wesentlich vereinfacht und gegenüber bekannten Methoden . eine erhöhte Meßsicherheit erreichbar.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird zur Erzeugung der Impulsfolge ein von einem Taktgeber gesteuertes Umschaltglied verwendet, welches die Meßwerte zeitlich nacheinander abwechselnd abtastet. Die Taktfrequenz; des Taktgebers ist einstellbar; damit kann die Abtastfrequenz in einfacher Weise an das jeweilige Meßproblem angepaßt und der Geschwindigkeit der Meßwertschwankungen Rechnung getragen werden. Pur die Messung fotometrischer Werte bei der Blutfarbs.toffmessung liegt die Taktfrequenz vorzugsweise in der Größenordnung von kHz.
Zur Vermeidung zu großer Totzeiten soll das Verhältnis zwischen Pulsdauer und Pausendauer größer als eins, vorzugsweise 3:1 »ein. Die Dauer der den einzelnen Meßwerten zugeordneten Impulse ißt vorzugsweise gleich groß.
Die Verstärkung der Impulsfolge geschieht vorzugsweise mittels eines logarithmisch arbeitenden Verstärkers. Auf diese Weise werden die den ImpulBamplituden überlagerten Störspannungen, insbesondere der Rauschspannungen des Verstärkers, so weit gedämpft, daß sie praktisch das Meßergebnis nicht mehr beeinflussen. Die während der Pulspausen anfallenden SttJrspannungen eind dabei ohne Bedeutung, da sie bei der nachfolgenden Differenzbildung im Differenzbildner automatisch herausfallen.
Gemäß weiterer Erfindung ist für die Zuführung der Impulsfolge «u den Kanälen je ein Eingangskondensator vorgesehen. Jedem Kanal ist weiterhin ein dem jeweiligen Eingangskondensator nachgeschalteter, auf dem Nullinienpotential der Impulsfolge liegender Umschalter zugeordnet. Es ist ferner eine Steuereinrichtung vorgesehen, die beim Vorliegen eines aus einem ersten Meßwert abgeleiteten Impulses einen Umschalter und beim Vorliegen eines aus einem weiteren Meßwert abgeleiteten Impulses den anderen !!schalter im Sinne der Anschaltung des Nullinienpotentials an
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den jeweiligen Kanal umschaltet. Die jeweilige sinngerechte Umschaltung der Umschalter durch die Steuereinrichtung kann dabei nicht nur aufgrund eines zeitlich festgelegten und vom Taktgeber gesteuerten Programmes sondern auch aufgrund von Steuersignalen geschehen, welche aus der Impulsfolge selbst, z.B. mittels Peak-Detektoren, abgeleitet werden. Bei Steuerung vom Taktgeber wird jedoch die eindeutige Zuordnung der die Umschalter betätigenden Steuersignale zu den entsprechenden aus den Meßwerten abgeleiteten Impulsen wesentlich vereinfacht.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und seine Wirkungsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild der Erfindung,
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der an den wesentlichen Punkten des Prinzipschaltbildes auftretenden Spannungen.
In Fig. 1 werden miteinander zu vergleichende, z.B. bei der Fotometrie aus einer Probe und einer Vergleichsprobe gewonnene Meßwerte I und II einem Umschaltglied 1 zugeführt, welches die Meßwerte in eine Impulsfolge aus wechselweise in Zeitabstand aufeinanderfolgenden in ihren Amplituden den Meßwerten entsprechenden Impulsen umwandelt. Die so gewonnene Impulsfolge wird in einem logarithmischen Verstärker 2 verstärkt und hat dann die Form der Spannung U1,- nach Fig. 2, wobei der Impuls I jeweils aus dem Meßwert I und der Impuls II jeweils aus dem Meßwert II abgeleitet ist.
Die Impulsfolge U1 ,. wird den Eingangskondensatoren 3 und 4 zweier Verarbeitungskanäle 3' und 4' zugeführt, deren nicht mit dem
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Ausgang des Verstärkers 2 verbundenen Elektroden wechselweise über als Umschalter arbeitende Feldeffekttransistoren 5 und 6 unmittelbar an das Nullinienpotential der Impulsfolge U^(Masse) oder an die hochohmigen nicht invertierenden Eingänge je eines Operationsverstärkers 7 bzw. 8 anschaltbar sind. Die Zeiten, während der die Elektroden unmittelbar mit Masse verbunden sind, werden dabei durch von einer Steuervorrichtung 9, 10 erzeugte Öffnungsimpulse U1- und U^. für die Transistoren 5 und 6 festgelegt. Während der Umschaltung bleiben die Kondensatorelektroden mit den Verstärkern 7, 8 verbunden. Den als Impedanzwandler arbeitenden Operationsverstärkern 7 und 8 ist ein weiterer Operationsverstärker 11 nachgeschaltet, der die Differenz aus den jeweiligen Ausgangsspannungen der Verstärker 7 und 8 bildet. Die jeweils vorliegende Differenzspannung wird einem abschließenden, als Spannungs-Stromwandler arbeitenden Operationsverstärker 12 zugeführt und an einem Anzeigegerät 13 zur Anzeige gebracht.
Die Schaltungselemente 17 bis 23 sind invertierende UND-Glieder, welche von einem Taktgeber 14 sowie von zwei bistabilen Kippstufen 15 und 16 erzeugte Spannungsimpulse zu Steuersignalen für die sinngerechte Steuerung d"es Umschaltgliedes 1 einerseits und der Steuervorrichtung 9» 10 für die Umschalter 5 und 6 andererseits verknüpfen.
Die Wirkungsweise der Erfindung ergibt sich nach den Fig. 1 und 2 wie folgt:
Der Taktgeber 14 erzeugt Ausgangsimpulse U-(t) (Impulsfolgefrequenz z.B. 1 kHz), welche durch die Flip-Flop-Stufen 15 und 16 in Impulsfolgen U„(t) bis Up-(t) umgesetzt werden. Durch Verknüpfung der Spannungen U1 bis U5 in den UND-Gliedern 17 bis ergeben sich an den Ausgängen der Glieder 18 und 19 Spannungen,
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*■" D ™"
deren Verläufe den gezeichneten Kurven U7(t) und U8(t) in Fig. 2 entsprechen.
Die Spannungen U7 und UQ steuern nunmehr das Umsehaltglied in der Weise, daß jeweils während der Zeitdauer eines Nulldurchganges der Spannung U7 das Umschaltglied 1 auf die Meßspannung I geschaltet ist und somit der während dieser Zeit anliegende Meßwert I in einen Impuls (I) mit einer dem Meßwert entsprechenden Amplitude umgewandelt wird. Entsprechend wird jeweils bei einem Nulldurchgang der Spannung Uß das Umschaltglied 1 auf die Meßgröße II geschaltet und während die- L· ser Zeitdauer ein Impuls (II) mit einer dem Meßwert II entsprechenden Amplitude erzeugt.
Aufgrund der logischen Verknüpfungen der Spannungen U... und U~ bis U,- in den Gliedern 20 bis 23 ergeben sich Ausgangsepannungen an den Gliedern 22 und 23, deren zeitlicher Verlauf durch die in Fig. 2 dargestellten Impulsfolgen U11Ct) und U12(t) gegeben ist. Jeweils während der Zeitdauer eines Nulldurchganges.4er Spannung U11 wird der Feldeffekttransistor 6 geöffnet und jeweils während eines Nulldurchganges der Spannung U12 der Transistor (Ausgangs spannung en der Steuervorrichtung 9, 10 entsprechen U14(t) und U13(t) in Fig. 2).
™ Dadurch ergeben sich Eingangsspannungen U^ und U17 an den nicht invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 8 und entsprechend den in Fig. 2 gezeichneten Spannungszügen und U1
Die sich am Ausgang des Operationsverstärkers 11 daraus ergebende Differenzspannung U1^ - U17 ist nach dem Auftreten des ersten, den Transistor 5 öffnenden Steuerimpulses bei konstant bleibenden Meßwerten I und II ebenfalls konstant und entspricht exakt
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der Differenz zwischen den Amplituden der Impulse (I) und (II) der Impulsfolge ϋ-^(ΐ)· Bsi sich ändernden Meßwerten I und II ändert sich die Differenzspannung entsprechend der sich jeweils neu ergebenden Amplitudendifferenz.
Die sonstigen Schaltungselemente stellen Widerstände und Dioden dar, wie sie üblicherweise für die Dimensionierung von Operationsverstärkern bzw. Schalttransistoren verwendet werden. Auf eine besondere Beschreibung dieser Elemente kann daher verzichtet werden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich nicht nur vorteilhaft zum Messen einer einzigen Spannung oder eines Stro7 mes (Bezugswert entspricht Nullinienpotential) bzw. zum Messen der Differenz zwischen zwei Spannungswerten oder Stromwerten. Durch eine entsprechende Abwandlung der Schaltungsanordnung bzw. des Steuerprogramms lassen sich bei Bedarf auch mehr als nur lediglich zwei unterschiedliche Spannungen bzw. Ströme verarbeiten. Dazu kann entweder die Zahl der Verarbeitungskanäle entsprechend der Anzahl der zu verarbeitenden Spannungen bzw. Ströme erhöht werden, wobei durch eine entsprechende Programmsteuerung zeitlich nacheinander sämtliche Kanäle miteinander verglichen werden. Es ist jedoch auch ebenso möglich, das Zweikanal-System zu belassen, wobei durch eine entsprechende Programmsteuerung jeweils immer nur die zu vergleichenden Meßimpulse den beiden Kanälen zugeführt, die restlichen jedoch am Kanaleingang unterdrückt werden.
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Claims (12)

  1. Patentansprüche
    (1J Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Spannungen und/oder Ströme bzw. deren Differenzen, insbesondere von bei der Fotometrie aus Proben und Vergleichs-proben gewonnenen Meßwerten, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden bzw. zu vergleichenden Werte (I, II) in eine Impulsfolge (U1,-) aus wechselweise in Zeitabstand aufeinanderfolgenden in ihren Amplituden den Meßwerten entsprechenden Impulsen umgewandelt werden, daß die Impulsfolge (U..J-), ge-" gebenenfalls nach erforderlicher Verstärkung, in zwei getrennten Kanälen (31, 4') weiterverarbeitet wird in der Weise, daß während des Vorliegens eines dem einen - bzw. dem anderen Meßwert zugeordneten Impulses der Impulsfolge im einen - bzw. im anderen - Kanal das Potential der Impulsfolge im jeweiligen Kanal um den jeweiligen Amplitudenwert in gleicher Richtung verschoben wird und daß die so verschobenen Impulsfolgen (U-jg, U17) einem Differenzbildner (11) zugeführt werden.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Impulsfolge (U15) ein von einem Taktgeber (14) gesteuertes Umschaltglied (1) die Meßwerte (I,II)
    fc zeitlich nacheinander abwechselnd abtastet.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Taktgebers (14) einstellbar ist und für die Messung fotometrischer Werte vorzugsweise in der Größenordnung, von kHz liegt.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Pulsdauer und Pausendauer größer als eins, vorzugsweise 3:1, ist.
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  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der den einzelnen Meßwerten zugeordneten Impulse gleich groß ist.
  6. 6. Schaltungeanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verstärkung der Impulsfolge ein vorzugsweise logarithmisch arbeitender Verstärker (2) vorgesehen ist.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zuführung der Impulsfolge (U^) zu den Kanälen je ein Eingangskondensator (3, 4) vorgesehen ist.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kanal ein dem jeweiligen Eingangskondensator (3 bzw. 4) nachgeschalteter, auf dem Nullinienpotential der Impulsfolge (U^c) liegender Umschalter (5 bzw. 6) zugeordnet ist.
  9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (9, 10), die beim Vorliegen eines aus einem ersten Meßwert (I) abgeleiteten Impulses einen Umschalter (6) und'beim Vorliegen eines aus einem weiteren Meßwert (II) abgeleiteten Impulses den anderen Umschalter (5) im Sinne der Anschaltung des Nullinienpotentials an den jeweiligen Kanal umschaltet.
  10. 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (9, 10) ihrerseits vom Taktgeber (H) gesteuert ist.
    - 10 -
    209826/0187
    - ίο -
  11. 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Kanäle über je einen als Impedanzwandler arbeitenden Verstärker (7, 8) mit den Eingängen dea Differenzbildners (11) verbunden sind.
  12. 12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Differenzbildner (11) ein Operationsverstärker verwendet ist.
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    Lee rs e i te
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