DE2301656A1

DE2301656A1 - Einrichtung und schaltungsanordnung zur erzeugung von ausgangssignalen als logarithmische funktion von eingangssignalen

Info

Publication number: DE2301656A1
Application number: DE2301656A
Authority: DE
Inventors: Alex W Dreyfoos
Original assignee: Photo Electronics Corp
Current assignee: Photo Electronics Corp
Priority date: 1972-01-14
Filing date: 1973-01-13
Publication date: 1973-07-19
Also published as: DE2301656C2; JPS5538708B2; US3724954A; JPS48104447A; CA1012248A; GB1372832A

Description

PcrfentcmwfiJte

Dr.-!ng. Wilhelm Moliel Dipl,Ing. Wolfeonff Reichel

6 Frankfurt a. M. 1

Parksfcaße 13

7301

PHOTO ELECTRONICS CORPORATION, West Palm Beach, Florida, V.St.A,

Einrichtung und Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Ausgangssignalen als logarithmische Funktion von Eingangssignalen

Die Erfindung betrifft eine logarithmische Einrichtung sowie eine logarithmische Schaltungsanordnung, die Ausgangssignale als logarithmische Funktion von Eingangssignalen zu erzeugen vermögen, und zwar mit erheblich verbesserter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, trotz Schwankungen der über lange Zeit hinweg konstanten Betriebsbedingungen der Einrichtung.

Seit einiger Zeit ist bekannt, daß Vorrichtungen mit Halbleiterübergang bzw. -grenzschicht in der Lage sind, eine Spannung zu liefern, die eine logarithmische Funktion eines der Vorrichtung -zugeführten Stromes ist. Halbleitervorrichtungen mit Siliziumhalbleitern sind für diesen Zweck besonders geeignet, weil sie eine Ausgangsspannung nach logarithmischer Funktion über einen viel weiteren Bereich der Eingangsströme abgeben, als dies bei Halbleitervorrichtungen mit anderen Hälbleiterwerkstoffen der Fall ist. Jedoch besteht bei der Verwendung dieser Vorrichtung als Signalgeneratoren mit logarithmischer Abhängigkeit eines der Hauptprobleme darin, daß das Arbeiten der Vorrichtungen bei Schwankungen in den Betriebsbedingungen, insbesondere der Temperatur, starken Änderungen unterliegt.

309829/0939

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer verbesserten logarithmischen Einrichtung bzw. Schaltungsanordnung, die Änderungen in den Betriebsbedingungen, etwa der Temperatur, praktisch vollständig zu kompensieren vermag, so daß die Notwendigkeit entfällt, diese Betriebsbedingungen in engen Bereichen zu regeln.

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das eine genaue, von Schwankungen in den Betriebszuständen unabhängige logarithmische Funktion eines Eingangssignals darstellt, mit einer elektrischen Vorrichtung, die ein Zwischenausgangssignal als logarithmische Funktion des Eingangssignals aus diesem abzuleiten vermag. Diese Einrichtung ist nach dem Grundgedanken der Erfindung gekennzeichnet durch

- in zeitlicher Folge zu betätigende Mittel zur wiederholten Zuführung unterschiedlicher erster und zweiter bekannter Standardeingangssignale und unbekannter Eingangssignale zu der elektrischen Vorrichtung;

- einen ersten Verstärker, der die Zwischensignale aus der elektrischen Vorrichtung aufzunehmen und unter Erzeugung von Ausgangssignalen von logarithmischer Funktion zu verstärken vermag;

- Mittel, die den Ausgang des ersten Verstärkers in Abhängigkeit von dem ersten Standardeingangssignal aufzunehmen und im Einklang damit eine Vorspannung am Eingang des ersten. Verstärkers einzustellen vermögen;

- Mittel, die den Ausgang des ersten Verstärkers in Abhängigkeit von dem zweiten Standardeingangssignal aufzunehmen und im Einklang damit die Verstärkung des ersten Verstärkers einzustellen vermögen;

309829/0939

- wobei die die Vorspannung einstellenden Mittel und die die Verstärkung einstellenden Mittel eine Kompensation im Arbeiten der Kombination der elektrischen Vorrichtung und des ersten Verstärkers bewirken, derart, daß ein Ausgangssignal von echter logarithmischer Funktion' aufgrund des unbekannten Eingangssignals innerhalb des effektiven logarithmisch funktioneilen Eingangssignalbereichs der elektrischen Vorrichtung trotz Änderungen in den Betriebsbedingungen erzeugt wird.

Nachstehend ist die Erfindung mit ihren Merkmalen und Vorteilen an Hand der Zeichnungen näher erläutert; in diesen zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Schar von Kurven, die Aufgabe und Arbeitsweise der Ausführungsform der Erfindung nach Fig.1 veranschaulichen und die logarithmische Funktion des Ausgangssignals erkennen lassen,.die durch die im Rahmen der Erfindung verwendete Diode aus dem Eingangssignal abgeleitet ist;

Fig. 3 einen Abschnitt einer Schaltungsanordnung gemäß einer anderen Ausführüngsform der Erfindung, bei der die Eingangssignale in der Form von Lichtsignalen auftreten;

Fig. 4 ein Zexνdiagramm, das die Arbeitsweise des

Abschnitts der Anordnung gemäß Fig. 3 veranschaulicht;

Fig. 5 in Seitenansicht und teilweise im Schnitt

mechanische Bestandteile zu der Anordnung nach

Fig. 3.

309829/0939

Wie zunächst aus Fig. 1 der Zeichnung hervorgeht, enthält die Schaltung ein Diodenelement 10, das die Eigenschaft besitzt, daß die Spannung an diesem Schaltungselement eine logarithmische Funktion des durch das Element fließenden Stromes ist. In der vorliegenden Schaltung wird diese Eigenschaft dazu ausgenutzt, einen Spannungsausgang an der Klemme 12 vorzusehen, der eine logarithmische Funktion eines Eingangssignals an der Klemme 14 ist. Zusätzlich zu der Diode 10 umfaßt die Schaltung zwischen der Eingangsklemme 14 und der Ausgangsklemme 12 einen Strombegrenzungswiderstand 16, einen Umschalter 18 auf einem Kontakt 19, eine Verbindung 20 zu der Diode 10 und zu einem Operationsbzw. Funktionsverstärker 22. Der Verstärker 22 ist mit seinem umkehrenden bzw. umsteuernden Eingang an eine Seite der Diode 10 angeschlossen, während sein Ausgang mit der anderen Seite der Diode 10 sowie mit dem nicht umkehrenden bzw. nicht umsteuernden Eingang eines zweiten Operations- bzw. Funktionsverstärkers 24 verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 24 steht durch Leitung 26 über einen zweiten Umschalter 28 und einen Kontakt 30 mit der Ausgangsklemme 12 in Verbindung. Die Ausgangsspannung an Klemme 12 kann nach Belieben bzw. nach Bedarf in einem Kondensator 29 gespeichert werden. Der Operationsverstärker 24 ist in der nicht umkehrenden Betriebsart mit Widerständen 31 und 33 verbunden, die einen Spannungsteiler zwischen Ausgang und Erde bilden, und der umkehrende Eingang des Verstärkers ist an diesen Spannungsteiler angeschlossen.

Wie die Einrichtung in Fig. 1 dargestellt ist, wird davon ausgegangen, daß das Eingangssignal an Klemme 14 sich auf einem Gleichstrom- bzw. Gleichspannungspegel unter Erdpotential befindet, so daß gemäß den üblichen Vereinbarungen ein Stromfluß durch Verbindung 20 in Richtung vom umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 22 fort stattfindet. Es ist die Eigenschaft des Operationsverstärkers 22, wenn er in der wiedergegetoenen Weise angeschlossen ist, seinen Ausgang in Abhängig-

309829/0939

keit von einem Eingangssignal einzustellen, um zu versuchen, die Spannung an seinen "beiden Eingangsklemmen im wesentlichen auf Nullwert zu halten. Im vorliegenden Beispiel bedeutet dies, daß der umkehrende Eingang an der Verbindung 20 im wesentlichen auf Erdpotential gehalten wird. Dies bedeutet, daß kein Stromfluß durch den bzw. vom umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers zur Verbindung 20 erfolgen muß. Somit muß der Ausgang des Operationsverstärkers sich so einstellen, daß der ganze Strom aus der Verbindung 20, der an der Eingangsklemme 14 erforderlich ist, über die Diode 10 zugeführt wird. Dies bedeutet, daß der Ausgang des Operationsverstärkers 22 ausreichend positiv gegenüber Erde sein muß, um den Spannungsabfall an der Diode herzugeben, so daß der Strom durch die Diode 10 gleich dem Eingangsstrom ist. Da die Diode 10 die Eigenschaft hat, daß die Spannung an der Diode eine logarithmische Funktion des Stroms durch die Diode ist, bedeutet dies, daß die Spannung über Erde am Ausgang 23 des Operationsverstärkers 22 eine logarithmische Funktion des EingangsStroms an der Eingangsklemme 14 ist. Dieses Ausgangsspannungssignal am Anschluß 23 kann als ein Zwischenausgangssignal bezeichnet werden, da es weiterhin in dem Operationsverstärker 24 verstärkt wird.

Die Diode 10 ist vorzugsweise eine Halbleiterübergangsvorrichtung, also eine Flächen- bzw. Grenzflächendiode, und zwar vorzugsweise eine solche, deren Halbleiter aus Silizium besteht. Es wurde festgestellt, daß Siliziumdioden ein loga~ rithmisches Verhalten über einen weiteren Arbeitsbereich zeigen als Vorrichtungen, die andere Halbleiterstoffe verwenden. Es ist auch möglich, ein ähnliches Ergebnis durch Verwendung eines Transistors, vorzugsweise eines Siliziumtransistors anstelle der Diode 10 zu erhalten, wie unten im einzelnen erläutert wird.

3 09829/0939

Einer der schwerwiegendsten Nachteile mit diesen logarithmischen Vorrichtungen ist der, daß die Ausgangscharakteristiken äußerst empfindlich für Betriebsbedingungen sind. Die in dieser Hinsicht am stärksten ins Gewicht fallende Betriebsbedingung ist die Temperatur. Denn durch eine Temperaturänderung von nur einigen Graden wird das Ausgangssignal ernstlich verändert, so daß aufeinanderfolgende Ausgänge, die aus aufeinanderfolgenden Eingängen hervorgehen, keiner stetigen logarithmischen Beziehung unterliegen. Die Temperaturänderungen verursachen nicht nur einen Wechsel in dem Pegel des Spannungsausgangs für einen gegebenen Eingangswert, sondern durch die Temperaturänderung wird auch der Anstieg bzw. die Steilheit der Ausgangscharakteristik in Bezug auf die Eingangssignalwerte geändert. Um diese Probleme zu meistern, wird gemäß der vorliegenden Erfindung der absolute Pegel des Ausgangs der Schaltung eingestellt bzw. geregelt und nachgestellt bzw. nachgeregelt mittels eines Operationsverstärkers 34, der so geschaltet ist, daß er eine veränderliche Vorspannung an dem Verstärker 24 vorsieht. Ferner wird die Anstiegscharakteristik in rasch wiederkehrenden Intervallen mittels eines Operationsverstärkers 32 nachgestellt, der so geschaltet ist, daß er die Verstärkung des Operationsverstärkers 24 einstellt. Die Eingangssignale für die Verstärker 32 und 34 werden durch das Arbeiten der Umschalter 18 und 28 erhalten, die ständig in Umlauf gehalten werden, etwa durch einen Elektromotor 36 über die schematisch angedeutete Welle 38. Ein weiterer Umschalter 40 wird durch Welle 38 zu einem anderen unten erläuterten Zweck in Drehung versetzt. Der Motor 36 ist vorzugsweise ein Synchronmotor, so daß die Umschalter 18, 28 und 40 synchron mit der Energiequelle arbeiten.

Wenn der Motor sich um eine Viertel Umdrehung über die gezeigte Stellung hinaus gedreht hat, steht der Umschaltarm 18 mit einem neuen Umschalt segment 42 und der Umschaltarm 28 mit einem neuen Umschaltsegment 44 in Berührung. Die Zeitdauer, während dar dies erfolgt, ist unten auch als die erste Muster- bzw. Standard-

309829/09 3 9

Periode bezeichnet. Das Umschaltsegment 42 ist über einen Widerstand 46 und ein Potentiometer 48 mit einer Bezugsstromquelle verbunden, die durch die Klemme 50 versinnbildlicht wird. Diese bewirkt einen Strom auf der Eingangsverbindung 20 zur Diode 10 und zum Operationsverstärker 22, der einem bekannten Eingangssignal entspricht.

Zur gleichen Zeit wird der Ausgang aus dem Operationsverstärker 24, der aus diesem neuen und bekannten Standardeingangssignal zur Diode 10 hervorgeht, über die Verbindung 26, den Umschalter 28, das Umschaltsegment 44 und eine Verbindung 52 einem Widerstand 54 zur Speicherung in einem Kondensator 56 zugeführt.

Der Kondensator 56 dient dazu, den über Verbindung 52 zugeführten Spannungswert von einer Standardperiode zur nächsten zu speichern und einen zusammenhängenden Eingang zum nichtumkehrenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 32 vorzusehen. Die Spannung am Kondensator wird mit einer einstellbaren Standardspannung verglichen, die dem umkehrenden Eingang von Verstärker 32 über einen Widerstand 58 und ein Potentiometer 60 von einer Standardspannungsquelle zugeführt wird, die durch die Klemme 62 versinnbildlicht ist. Das anfallende Ausgangssignal aus dem Operationsverstärker 32 wird über einen Belastungswiderstand 64 einer Licht aussendenden bzw. Fotodiode 66 zugeführt. Ein Rückkopplungswiderstand 68 ist zwischen dem umkehrenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 32 angeschlossen. Der Verstärker 32 ist somit in der Differenzverstärkungs-Betriebsart geschaltet, derart, daß der Ausgang eine Funktion des nicht umkehrenden Eingangs minus einer £ «° Funktion des umkehrenden Eingangs ist.

Der Widerstand 33, der mit der Licht aussendenden Diode 66 vereinigt ist, ist ein Fotoleiter, der aus einem lichtempfindlichen Stoff wie Kadmiumsulfid bestehen kann. Vorrichtungen, die eine derartige Kombination eines Fotoleiters und einer Licht

309829/0939

aussendendenDiode verkörpern, sind als vorgefertigte einheitliche Vorrichtungen handelsüblich. Die Belichtung, die von dem Strom in der Diode 66 auf den Fotoleiter 33 übertragen wird, setzt den Widerstand des Fotoleiters 33 herab und erhöht so die Verstärkung des Operationsverstärkers 24. Dieser regelnde Eingriff in die Verstärkung des Operationsverstärkers 24 bewirkt eine Änderung des Anstiegs bzw. der Steilheit der logarithmischen Ausgangsfunktion, die an der Klemme 12 der kombinierten Schaltung vorliegt. Wie für Operationsverstärker, die nach Art des ; t, Verstärkers 24 geschaltet sind, allgemein bekannt ist, ist die Verstärkung proportional der Summe der Widerstandswerte der Widerstände 31 und 33, geteilt durch den Widerstandswert des Widerstands 33· Somit wird durch eine Abnahme des Werts des Widerstands 33 eine Zunahme der Verstärkung hervorgerufen. Obwohl auch andere Vorrichtungen mit veränderlichem Widerstand anstelle der Kombination des Fotoleiters 33 und der Fotodiode 66 verwendet werden können, wird eine Vorrichtung der letzteren Art vorgezogen.

Statt dessen kann ein ähnliches Ergebnis dadurch erzielt werden, daß ein Fotoleiter für den Widerstand 31 mit optischer Ankopplung an die Fotodiode 66 verwendet wird.

Wenn der Motor 36 um ein weiteres Viertel einer Umdrehung (eine halbe Umdrehung über die gezeigte Stellung hinaus) gedreht wird, kommt der Umschaltarm 18 in Berührung mit einem neuen UmschaItsegment 70. Die Dauer, während der dies der Fall ist, wird als die zweite Muster- bzw. Standardperiode bezeichnet. Umschaltsegment 70 ist über einen Widerstand 72 und das Potentiometer 48 mit der Bezugsstromquelle verbunden, die durch die Klemme 50 versinnbildlicht wird. Hierdurch wird ein Strom durch die Eingangsverbindung 20 zur Diode 10 und zum Operationsverstärker 22 erzeugt, der einem bekannten Eingangssignal entspricht, das von dem über Umschaltsegment 42 zugeführten Eingangssignal verschieden ist.

3Q98?9/G939

Zur gleichen Zeit wird der Ausgang aus dem Operationsverstärker 24, der aus diesem neuen bekannten Mustelngangssignal zur Diode 10 hervorgeht, über die Verbindung 26, den Umschalter 28, ein Umschaltsegment 74 und eine Verbindung 76 einem Widerstand 78 zur Speicherung in einem Kondensator 80 zugeführt. Der Kondensator 80 dient dazu, den über Verbindung 76 zugeführten Spannungswert von einer Musterperiode zur nächsten zu speichern und einen zusammenhängenden Eingang am nichtumkehrenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 34 vorzusehen. Die Spannung am Kondensator 80 wird mit einer einstellbaren Standardspannung verglichen, die dem umkehrenden Eingang von Verstärker 34 über einen Widerstand 82 und ein Potentiometer 84 von einer Standardspannungsquelle zugeführt wird, die durch die Klemme 86 angedeutet ist. Das Ausgangssignal aus dem Operationsverstärker 34 wird über einen Belastungswiderstand 88 dem umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 24 zugeführt. Auf diese Weise wird durch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 34 der Gleichstrom-Vorspannungspegel am umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 24 geändert. Damit wird der Gleichstrom-Ausgangsspannungspegel der gesamten Schaltung an der Klemme 12 eingestellt. Die veränderliche Vorspannung am Operationsverstärker 34 kann am Potentiometer 84 eingestellt werden, so daß"Verstärker 34 die richtige Vorspannung für den Operationsverstärker 24 vorsieht. Ein Rückkopplungswiderstand 90 überbrückt den Operationsverstärker 34 zum umkehrenden Eingang desselben. Somit ist der Verstärker 34 in der "Differenzverstärkungsⁿ-Form geschaltet, derart, daß der Ausgang eine Funktion des nicht umkehrenden Eingangs minus einer Funktion des umkehrenden Eingangs ist.

Die Standardeingangssignale, die von der Quelle 50 über den Widerstand 46 bzw. 72 dem Verstärker 32 bzw. 34 zugeführt werden, sind vorzugsweise wesentlich verschieden, so daß sie zwei verschiedene Punkte auf der logarithmischen Ausgangsspannungskurve des Geräts als Standardwerte festlegen.

309829/0939

- 1C -

Durch die Festlegung von Standardwerten in zwei verschiedenen Punkten und durch die Einstellung sowohl der Gleichstromvorspannung als auch der Steilheit der Ausgangscharakteristik wird das Ausgangssignal im wesentlichen unabhängig von Schwankungen in den Betriebsbedingungen, insbesondere der Temperatur gehalten,

Für das Arbeiten des Verstärkers 34 sei angenommen, daß ein Anstieg des Absolutwertes der Spannung stattfindet, die von der Kombination der Diode 10 und des Operationsverstärkers 22 für ein bekanntes Eingangssignal zur Verfügung steht. Somit wird beim Arbeiten des Verstärkers 34 durch einen Anstieg der im Kondensator 80 gespeicherten Spannung über den Wert, mit dem * sie verglichen wird und die am Potentiometer 84 zur Verfügung steht, bewirkt, daß der Gleichstrompegel der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 34 ansteigt. Hierdurch wird eine mehr positive Gleichstromvorspannung an den umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 24 gelegt, wodurch der Gleichstrompegel der Ausgangs spannung des Verstärkers 24 abwärts verschoben wird, um die Kombination des den Operationsverstärker 24, die Diode 10 und den Operationsverstärker 22 umfassenden Kreises in geeigneter Weise zu kompensieren.

Was das Arbeiten des Operationsverstärkers 32 betrifft, so ist bzw. wird das Potentiometer 60 im wesentlichen auf eine Spannung eingestellt, die der richtigen Spannung entspricht, die im Kondensator 56 aufgrund des Arbeitens des Verstärkers gespeichert werden soll, ausgehend von einer Eingangsspannung aus der Standardquelle, die durch den Widerstand 46 dargestellt wird. Wenn somit ein Betriebszustand der Diode 10, etwa die Temperatur, sich ändert, derart, daß die Ausgangsspannung von Verstärker 24 aufgrund der Standardspannung, die über den Widerstand 46 eingeht, nach unten verändert wird, dann wird durch den Vergleich mit der Spannung vom Potentiometer 60 am Operationsverstärker 32 bewirkt, daß die Ausgangs spannung des

309829/0939

Verstärkers 32 sinkt (indem sie negativer wird in Bezug auf Erde), wodurch der Strom in der Diode 66 zunimmt, was die Belichtung des Fotoleiters 33 erhöht, und so der Widerstand des Fotoleiters 33 herabgesetzt und die Verstärkung des Operationsverstärkers 24 sowie die Ausgangsspannung heraufgesetzt werden.

Somit ergibt sich, daß die am Potentiometer 84 einstellbare Vorspannung im allgemeinen der erwarteten Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 24 während der zweiten Musterperiode entspricht, wenn die Standardspannung über den Widerstand 72 angelegt wird, wogegen die am Potentiometer 60 eingestellte Vorspannung der erwarteten Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 24 während der ersten Musterperiode entspricht, wenn die Standardspannung über den Widerstand 46 angelegt wird.

Da ferner die in den Kondensatoren 56 und 80 gespeicherten Spannungen das Arbeiten der Verstärker 32 und 34 überbrücken und fortlaufend regeln, während des ganzen Arbeitszyklus des Anlegens der Musterspannungen, sind das Arbeiten des Verstärkers 32 und das Arbeiten des Verstärkers 34 notwendigerweise voneinander abhängig. Somit sind die im Kondensator 56 gespeicherte Spannung und das resultierende Arbeiten des Operationsverstärkers 32 und Regeln der Verstärkung des Verstärkers 24 wirksam während der zweiten Musterperiode, wenn eine neue Muster spannung im Kondensator 80 gespeichert wird, um die Vorspannung des Operationsverstärkers 24 zu regeln. Ebenso regelt die im Kondensator 80 gespeicherte Spannung weiterhin die Vorspannung am Operationsverstärker 24 während der Speicherung einer neuen Musterspannung im Kondensator 56 für die Regelung der Verstärkung des Verstärkers 24. Die den Verstärkers 32 und 34 zugeordneten :Kreise können als rückkoppelnde Regelkreise gekennzeichnet werden, da sie in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 24 arbeiten, um die Eingangsspannung dieses Verstärkers einzustellen und dadurch das Arbeiten der ganzen Schaltung für Änderungen in den Betriebsbedingungen, wie der Temperatur zu

309829/0939

kompensieren.

Fig. 2 veranschaulicht die Abweichungen der logarithraisehen Ausgangscharakteristik einer Siliziumdiode in Abhängigkeit von Änderungen der Temperatur, einer der wichtigsten Betriebszustände für diese Vorrichtung. So stellt die Kurve 100 in Fig. 2 die Ausgangscharakteristik bei 25 Grad Celsius dar, in Werten der Vorwärts- bzw. Durchlaßspannung in Millivolt (die Ordinaten sind auf einer linearen Skala aufgetragen) über dem Vorwärtsstrom der Diode in Mikroamper (die Abszissen sind auf einer logarithmischen Skala aufgetragen). Die Kurve 102 veranschaulicht, wie diese Diodencharakteristik sich für eine Temperatur von minus 50 Grad Celsius ändert. Der absolute Pegel der Ausgangsspannung wird aufwärts verschoben, aber die·Steilheit wird verringert. Im Gegensatz dazu zeigt die Kurve 104 die Änderung, die bei einer Zunahme der Temperatur auf 125 Grad Celsius eintritt. Dabei ist der absolute Pegel der Ausgangsspannung abwärts verschoben, während die Steilheit der Kurve zugenommen hat.

Das Arbeiten der Schaltung nach Fig. 1, wie es oben beschrieben ist, wird ferner durch die gestrichelten Kurven 106 und 106A in Fig. 2 veranschaulicht. Es sei angenommen, daß die Betriebstemperatur der Diode 10 in Fig. 1 wesentlich ansteigt, so daß die Kurve der resultierenden Ausgangsspannung durch die gestrichelte Kurve 106 wiedergegeben wird, die im Absolutwert eine Verschiebung nach unten und in der Steilheit einen Zuwachs erfahren hat in Bezug auf die Kurve 100. Es ist erwünscht, daß die Anordnung arbeitet, als ob die Diode der Kennlinie 100 unabhängig von Änderungen der Temperatur beibehält. Wenn der bekannte Eingangsstrom in Fig. 1, der der über den Widerstand 72 während der zweiten Musterperiode zugeführt wird, dreißig Mikroamper beträgt, so entspricht das dem Punkt 110 auf der versetzten Kurve 106. Das sich ergebende Arbeiten des Verstärkers 34 bewirkt eine Verschiebung in der Vorspannung des Operationsverstärkers 24, so daß sich der Punkt 110 aufwärts in den Punkt 110A verschiebt, wodurch die ganze Kurve 106 nach oben an die

309829/0939

Stelle 1O6A verlagert wird. Auf diese Weise wird der allgemeine Pegel der Kurve 106 berichtigt, so daß sie mit der Kurve 100 im Punkt 110 A zusammenfällt.

Als nächstes hat das Standardstromsignal, das über den Widerstand 46 in Fig. 1 während der ersten Musterperiode (des folgenden Musterzyklus) zugeführt wird, den Wert dreitausend Mikroamper, entsprechend dem Punkt 112, Durch die Verschiebung der Vorspannung nach oben und der Kurve 106 nach 106A gelangt der Punkt 112 nach oben in den Punkt 112A. Das Arbeiten des Verstärkers 32 in Abhängigkeit von den dem Standardsignal, das während der ersten Musterperiode zugeführt wird, wird dann dahin wirksam, daß der Anstieg der Ausgangs spannung des Operations- ^ly '" Verstärkers 24 verändert wird, so daß der Punkt 112A nach 112B verlagert wird. Dies bedeutet eine Drehung der Kurve 106A, so daß die ganze Kurve im wesentlichen mit der gewünschten Kurve 100 zusammenfällt. Somit sind sowohl der Pegel als auch der An*· stieg der unrichtigen Kurve 106 berichtigt, um mit der gewünschten Kurve 100 zusammenzufallen.

Es trifft zu, daß die obige Erläuterung stark vereinfacht ist. Die Kurven werden alle in dem Operationsverstärker berichtigt. Demnach ist es nicht so sehr die Ausgangsspannung der Diode 10 als vielmehr die Ausgangsspannung des Verstärkers 24, die berichtigt wird. So wird die Ausgangsspannung des Verstärkers 24 in der Weise berichtigt, daß es ständig den Anschein hat, daß die Diodencharakteristik mit der Kurve 100 zusammenfällt, während die unberichtigte Diodenausgangsspannung entsprechend Kurve tatsächlich von Diode 10 und Verstärker 22 dem Operationsverstärker 24 zugeführt wird.

Wenn, wiederum mit Bezug auf Fig. 1, der Motor 36 sich nochmals um eine viertel Umdrehung weiterdreht (also drei viertel Umdrehungen aus der gezeichneten Stellung), stellt der Umschalter eine Verbindung mit einem Segment 92 für. Nulleingang her, das über einen Widerstand 94 an Erde liegt. Dies erfolgt während der

309829/0939

dritten Musterperiode. Damit wird eine Basis für eine Einstellung der Vorspannung auf Nulleingang am Operationsverstärker 22 geschaffen. Während dieser dritten Musterperiode tritt der Umschalter 40 mit einem Segment 96 in Berührung und stellt damit eine Rückkopplungsverbindung vom Ausgang des Operationsverstärkers 22 zum umkehrenden"Eingang dieses Verstärkers über einen Widerstand 97 her. Dies bewirkt einen Nulleingangs-Vorspannungsstrom zum Operationsverstärker 22. Wenn somit die Spannung am Ausgangsanschluß 23 des Operationsverstärkers 22 sich von einem Nullwert in Bezug auf Erde in Abhängigkeit von dem Nullwerte ingang ändert, der über Widerstand 94 zugeführt wird, dann wird diese Ausgangsspannung in Form einer negativen Rückkopplung zum umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 22 zurückgeführt. Damit wird ein Vorspannungsstrom dem umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 22 zugeleitet, um die Ausgangs spannung am Anschluß 23 herabzusetzen und sich dem Nullwert dichter anzunähern. Daher sucht diese Rückkopplungsschleife, die parallel zur Diode 10 liegt, die Nullausgangscharakteristik des Operationsverstärkers 22 stets von neuem zu. kalibrieren bzw. zu eichen. Diese Eichwirkung wird'über den ganzen Musterzyklus hinweg durchgeführt mittels eines Kondensators 98, der so geschaltet ist, daß er mit der Ausgangsspannung am Anschluß 23 des Operationsverstärkers während der Musterperiode für Nulleichung aufgeladen wird, wenn das Umschaltsegment 96 geschlossen ist. Während des übrigen Musterzyklus ist der Ladestrom zum Kondensator 98 verfügbar, um über Widerstand 97 abzufließen, damit die Stromerfordernisse der Nullvorspannung des Operationsverstärkers 22 erfüllt werden.

Eine große Anzahl von unbekannten Signalen kann während jedes den unbekannten Signalen zugeordneten 'Intervalls verarbeitet werden, das durch die Berührung des Umschalters 18 mit dem dafür vorgesehenen Schaltsegment 19 gekennzeichnet ist. Die einzige Forderung ist die, daß der Eichzyklus, dem die anderen Schaltsegmente zugeordnet sind, in einem schnelleren Tempo wiederholt werden muß als das Tempo, mit dem sich die Betriebs-

309829/0939

bedingungen, wie die Temperatur, die kompensiert werden sollend ändern.

Die Diode 10 in Fig. 1 kann durch einen Transistor ersetzt werden, dessen Basis geerdet ist, während der Kollektor des Transistors mit dem umkehrenden Eingang des Verstärkers 22 und der Emitter mit dem Ausgangsanschluß 23 des Verstärkers 22 verbunden sind. Dieser Anordnung entspricht der Transistor 10A in Fig. 3. Ein in dieser Weise geschalteter Transistor wird als Transdiode bezeichnet, da seine Ausgangsspannung einer' logarithmischen Funktion folgt, gerade wie dies bei der Diode 10 in Fig. 1 der Fall ist. Hierbei wird ein Siliziumtransistor vorgezogen, weil er einen weiteren Bereich für die logarithmische Funktion bietet. Es ist ein Kennzeichen des Transistors, daß die Emitter-Basis-Spannung eine logarithmische Funktion des Kollektor-Basis-Stroms ist. Somit ist bei Verwendung eines Transistors in der Schaltung nach Fig. 3 die Ausgangsspannung am Anschluß 23 (die Emitterspannung des Transistors) eine logarithmische Funktion des Eingangsstroms in der Verbindung 20 (des Kollektorstroms). Der Operationsverstärker 22 dient der gleichen Basis-Betriebsart wie in Fig. 1. Demnach ändert sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 22 in der Weise, daß sie den Eingangsstrom des Operationsverstärkers regelt, um diesen Eingangsstrom auf einem Mindeststromwert zu halten. Dies bedeutet, daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 22 an den Emitter des Transistors gelegt wird, um den Transistor so zu steuern, daß der Kollektor des Transistors im wesentlichen den ganzen Eingangs strom für die Verbindung 20 liefert.

Während das Stromkreisverhalten für die Diode 10 und den Transistor 1OA etwas unterschiedlich ist, üben sie die gleiche Grundfunktion aus und werden sie nachstehend manchmal allgemein als Halbleitervorrichtungen oder als Dioden bezeichnet. Somit ist der Ausdruck "Diode" in der vorliegenden Beschreibung

Ί09879/0939

so zu verstehen, daß er auch den Begriff Transdiode einschließt.

Die Transdiodenschaltung mit dem Transistor 1OA wird in denjenigen Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung, die bei niedrigen Strömen und niedrigen Frequenzen arbeiten, bevorzugt, weil sie einen etwas größeren Strom-Spannungs-Bereich mit logarithmischer Charakteristik als die einfache Diode besitzt. Jedoch hat die einfache Diode bessere Hochfrequenzkennlinien und wird für Hochfrequenzschaltungen bevorzugt. Es ist zu beachten, daß entweder die einfach Diode 10 oder der Transistor 1OA als Transdiode in der Ausführungsform der Fig. 1 verwendet werden kann und ebenso jede Vorrichtung in. der Schaltung nach Fig. 3 Verwendung finden kann, die nachstehend im einzelnen beschrieben wird.

Fig. 3 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der die Eingangssignale die Form von optischen Belichtungssignalen haben können, die einer Fotovervielfacherröhre 114 zugeführt werden, wie durch den Pfeil angedeutet ist. Die beiden Standardsignale für den Eichvorgang der Verstärker 32 und 34 werden durch Belichtungssignale von Standardintensität auf die Fotovervielfacherröhre 114 gegeben, und die unbekannten Signale sind ebenfalls Lichtsignale, die auf die Fotovervielfacherröhre 114 gerichtet sind. Ferner wird das Eichsignal für Nulleingang dadurch erhalten, daß jegliche Belichtung für die Fotovervielfacherröhre 114 gesperrt wird. Eine optische Blendenscheibe, die durch einen Motor in Drehung versetzt wird, dient vorzugsweise dem Zweck, die verschiedenen optischen Signale nacheinanderzu der Fotovervielfacherröhre 114 gelangen zu lassen.-Diese optische Blendenanordnung ist im einzelnen unten in Verbindung mit Fig. 4 und 5 beschrieben. Geeignete Schaltsignale werden synchron mit der optischen Steuerung durch die selbe Blendenvorrichtung ebenfalls zugeführt.

', 0 9 B ? 9 / 0 9 3 9

Weil die Kombination der Transdiode 1OA und der Fotovervielfacherröhre 114 Ausgangssignale erzeugt, die eine logarithmische Funktion von optischen Eingangssignalen sind, können diese beiden Vorrichtungen gemeinsam gelegentlich nachstehend bezeichnet werden als eine "elektrische Vorrichtung", die ein Zwischenausgangssignal zu erzeugen vermag, das eine logarithmische Funktion eines Eingangssignals ist. Das Zwischenausgangssignal ist hierbei das Signal auf der Verbindung 23.

Da die Schaltung nach Fig. 3 so eingerichtet ist, daß sie optische Belichtungssignale empfängt und an Ausgangsklemmen 14R, 14g und 14b Ausgangssignale erzeugt, die logarithraische Funktionen der Eingangssignale sind, kann die Schaltung nach Fig. als Fotometer bezeichnet werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die optischen Blendenanordnungen, die zwischen den Lichtquellen und der Fotovervielfacherröhre 114 eingefügt sind, mit Farbfiltern versehen, so daß das Gerät in der Lage ist, nacheinander Belichtungen in mehreren verschiedenen Farben zu messen. Jedoch erfolgt der Mustervorgang des Geräts grundsätzlich ganz rasch, so daß das Gerät in der Lage ist, ständig die bekannten Signale in drei verschiedenen Farben zu erfassen und wiederholt zu erfassen, wobei die Ausgangssignale gespeichert werden und für alle Farben gleichzeitig verfügbar sind. Somit liefern die Ausgangsklemmen 14R, 14g und 14b fotometrische Messungen für rot, grün bzw. blau. Die Spannungssignale, die die fotothermische Ablesungen für die verschiedenen Farben darstellen, werden in den Kondensatoren 29R, 29G bzw. 29B gespeichert. Die zugeordneten Operationsverstärker 116R, 116G und 116B sind entsprechend mit den Kondensatoren in der als "Spannungsfolge¹' bekannten Schaltungsart verbunden, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die der Kondensatorladespannung im wesentlichen angepaßt ist und einen wesentlichen Strom zu liefern vermag, ohne die Kondensatorladung zu verbrauchen.

309829/0939

Die Fotovervielf acherr öhre 114 ist mit ihrer Anode an die ' Eingangsverbindung 20 und mit ihrer Kathode an eine Hochspannungsquelle negativer Polarität bei 115 angeschlossen. Die Dynoden bzw. Zwischenelektroden der Fot©vervielfacherröhre 114 sind in der üblichen Weise an aufeinanderfolgende ■· Spannungen zwischen dem Erdpotential und der Kathodenspannung gelegt. Somit fließt- in dem gebräuchlichen Sinn der Eingangsstrom von der Verbindung 20 zur Anode der Fotovervielfacherröhre 114. Der Hauptteil dieses Stroms geht von dem Kollektor des Transistors 10A aus. In diesem Transdiodenkreis ist ein Kondensator 118 parallel zum Verstärker geschaltet und ein Widerstand 120 liegt in Reihe mit dem Emitter, um die Stabilität der Rückkopplungsschleife zu erhöhen, die durch den Transistor 1OA für den Verstärker 22 gebildet wird.

Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 weist die Ausführungsform der Fig. 3 einen Stabilisierungskreis mit Nulleingang auf, der eine Schaltvorrichtung 96A enthält, die in einer Rückkopplungsschleife liegt, die einen Widerstand 97 und einen Kondensator 98 einschließt, um einen Nulleingang-Vorspannungsstrom für den Operationsverstärker 22 vorzusehen. Die Schaltvorrichtung 96A besteht aus einer Metalloxid-Halbleitervorrichtung oder einer anderen Schaltvorrichtung, die während der Musterperiode mit Nulleingang geschlossen ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist dies eine Periode, in der kein Licht auf die Fotovervielfacherröhre 114 übertragen wird. Daher wird durch diesen Vorspannungskreis mit Nulleingang, der die Schaltvorrichtung 96A und den Widerstand 97 enthält, nicht nur ein Nulleingangsstrom zum Verstärker 22 kompensiert, der durch Unvollkommenheiten in diesem Verstärker verursacht wird, sondern dieser Kreis kompensiert auch irgend einen Nullbelichtungsstrom, der in der Fotovervielfacherröhre 114 auftritt. Eine Handregelung der Vorspannung für diesen Kreis kann ebenfalls vorgesehen sein in Form eines Potentiometers 122 und eines Widerstands 124. - . = „

309829/0939

Der Operationsverstärker 24 ist in Fig. 3 genau so wie in Fig. 1 mit den zugeordneten Operationsverstärkern 34 und 32 verbunden. Ein Kondensator 126 ist vorzugsweise parallel zum Rückkopplungswiderstand 31 des Verstärkers 24 hinzugefügt, um die Stabilität zu fördern. Ebenso kann ein Kondensator 128 parallel zum Belastungswiderstand 64 des Verstärkers 32 zur Förderung der Stabilität geschaltet sein. Um ferner die Gegenspannung an der Fotodiode 66 zu begrenzen, kann nach Wunsch eine Diode 120 parallel und mit entgegengesetzter Polarität zur Fotodiode geschaltet sein. Auch können der Stabilisierung dienende Kondensatoren 132 und 134 an die nichtumkehrenden Eingänge der Verstärker 34 und 32 gelegt sein. Diese Kondensatoren halten die Verstärkereingänge beständig bzw. gleichmäßig während der Umschaltung, etwa der Umschaltung von einem Speicherkondensator 8OR auf einen anderen Speicherkondensator 8OG durch die Umschaltvorrichtungen 162 und 164. Alle zuletzt erwähnten fünf Elemente sind gestrichelt dargestellt, da sie beliebige Verfeinerungen der Schaltung, bilden.

Eine der Grundfunktionen des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 24 besteht darin, die der Speicherung des Ausgangs- : *r signals dienenden Kondensatoren 29R, 29G und 29B zu laden sowie auch die Eichkondensatoren 8OR, 8OG, 8OB und 56R, 56G, 56B zu laden. Am Ausgang -des Operationsverstärkers 24 ist vorzugsweise ein Kreis mit veränderlicher Zeitkonstante vorgesehen, der aus einem Widerstand 136 und Transistoren 138 und 140 besteht. Der den Widerstand 136 und die Transistoren 138 und 140 enthaltende Kreis wird deswegen als Kreis mit veränderlicher Zeitkonstante bezeichnet, weil er eine veränderliche Impedanz besitzt, der die Xnderungsgeschwindigkeit der Kondensatorladung für die oben erwähnten Kondensatoren verändert. So kann der Widerstand 136 beispielsweise in der Größenordnung von 10 000 0hm liegen. Wenn jedoch eine drastische Änderung in einem bestimmten Signal von einer Musterperiode zur nächsten auftritt, dann ist der Ladungsänderungsstrom durch den Widerstand 136 hoch genug, um einen Spannungsabfall von wenigstens einigen zehntel

it) 9829/0939

Volt zu verursachen, um eine wesentliche Durchlässigkeit in dem Basis-Emitter-Kreis eines der Transistoren 138 oder 140 einzuleiten, wodurch ein Nebenschlußkreis von niedriger Impedanz zum Widerstand 136 vorgesehen und die Zeitkonstante der Ladung für den betreffenden Kondensator, der in dem Augenblick gerade geladen wird, wesentlich herabzusetzen. Nachdem die Ladung sich geändert hat, so daß sie mit dem gemessenen Wert wesentlich zusammenfällt, führen anschließende Mustersignale mit dem selben optischen Eingang zu einem viel kleineren Stromausgang aus dem Verstärker 24, der keine wesentliche Durchlässigkeit in einem der Transistoren 138 oder 140 hervorruft.

Hinter dem Kreis mit veränderlicher Zeitkonstante wird der Ausgang des Verstärkers 24 über Verbindung 26A durch Schaltvorrichtungen 142, 144 und 146 den entsprechenden Kondensatoren 29R, 29G und 29B und so -den Ausgangsklemmen 14R, 14g und 14B zugeführt, Die Schaltvorrichtungen 142, 144 und 146 sind Metalloxidhalb- " leitervorrichtungen, die in geeigneter Reihenfolge betätigt werden, um die den unbekannten Farbsignalen entsprechenden Fotometerausgänge des Verstärkers 24 zu erfassen.

Weil die Schaltung der Fig. 3 nicht nur Änderungen in den Betriebsbedingungen der Transdiode 1ΌΑ, sondern auch Änderungen in den Betriebsbedingungen der Fotovervielfacherröhre 114 kompensiert, ist die Schaltung mit kompensierenden Regelkondensatoren 8OR, 8OG, 8OB und 56R, 56G, 56B ausgestattet, um den Operationsverstärker 24 für jede der drei Farben getrennt und unabhängig zu kompensieren und zu regeln. Dies ist erwünscht, weil das Ansprechen der Fotovervielfacherröhre 114 für optische Signale in den verschiedenen Farben unterschiedlich ist. Alle Signale werden den oben erwähnten Kondensatoren über einen gemeinsamen Widerstand 148 zugeführt und in der erforderlichen Reihenfolge auf die betreffenden Kondensatoren durch Metalloxidhalbleiter- Schaltvorrichtungen 150, 152, 154, 156, 158 und 160 aufgeschaltet. Die demzufolge in den Kondensatoren 8OR, 8OG und 8OB gespeicherten Spannungssignale werden dem Verstärker 34

309ß?9/0939

über Metalloxidhalbleiter-Schaltvorrichtungen 162, 164 und 166 sowie einen Widerstand 168 zugeleitet. Ebenso werden die Spannungen aus den Kondensatoren 56R, 56G und 56B dem Verstärker 32 über Metalloxidhalbleiter-Schaltvorrichtungen 170, 172 und 174 sowie einen Widerstand 176 zugeführt.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 3 wird nun im einzelnen an Hand des in Fig. 4 gezeigten Zeitdiagramms beschrieben, in dem verschiedene Zeit- und Schaltsignale veranschaulicht sind.

Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm, das einen vollständigen Zyklus im Arbeiten der Einrichtung der Fig. 3 umfaßt und die zeitlichen Beziehungen der verschiedenen Schaltsignale für die Steuerung der Schaltung der Fig. 3 wiedergibt. Die Anfangspunkte der sich wiederholenden Zeitintervalle sind am Kopf des Diagramms als T1, T2 usw. angegeben. Zwischen den ersten Zeitpunkten T1 und T2 setzt das rote Durchlaßsignal gemäß Kurve 180 ein. Das hierdurch ausgelöste Intervall fällt mit der Darbietung eines roten Farbfilters zusammen, der alles auf die Fotovervielfacherröhre 114 übertragene Licht abfängt. Das rote Durchlaßsignal steuert unmittelbar die Schaltvorrichtungen 162 und 170, um die Kondensatoren 8OR und 56R mit den Eingängen der Operationsverstärker 34 und 32 zwecks Steuerung derselben zu verbinden. Diese Schalter bleiben während des ganzen roten Durchlaßsignals geschlossen. Das rote Durchlaßsignal dauert an bis zu dem Intervall zwischen den zweiten Zeitpunkten T1 und T2, wenn das rote Durchlaßsignal aufhört und das grüne Durchlaßsignal gemäß Kurve 182 einsetzt. Ein grüner Farbfilter nimmt dann alles Licht zur Fotovervielfacherröhre 114 auf. Anstelle der Schaltvorrichtungen 162 und 170 werden dann die Schaltvorrichtungen 164 und 172 geschlossen, um die betreffenden Kondensatoren 8OG und 56g zur Steuerung der Verstärker 34 und 32 mit diesen zu verbinden. Dies dauert an bis zum folgenden Intervall zwischen den nächsten Zeitpunkten T1 und T2, wenn-das grüne Durchlaß

309829/0939

signal aufhört und das blaue Durchlaßsignal gemäß Kurve 184 einsetzt, um die Halbleitervorrichtungen 166 und 174 durchlässig-zu machen, damit die Kondensatoren 8OB und 56B die Verstärker 34 und 32 steuern. Während dieses blauen Intervalls fängt ein blaues Filter das Licht zur Fotovervielfacherröhre 114 auf. Somit arbeitet die ganze Schaltung in aufeinander folgenden Phasen, um rote, grüne und blaue Eingangssignale zu erfassen, unter fortlaufender Nacheichung in "jeder Farbe, wobei für die Nacheichung der einzelnen Farbe die Ladungen berücksichtigt werden, die in Kondensatoren 8OR, 8OG, 8OB und 56R, 56g, 56b gespeichert sind.

Der Übergang von einem Farbsignal zum andern (Kurven 180, 182 und 184) und die damit verbundenen Wechsel von einem Filter zum andern werden während jeder der aufeinander folgenden Perioden zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 durchgeführt, und dies ist das Intervall des Nulldurchlaßsignals gemäß Kurve 186. Dieses Signal macht die Halbleitervorrichtung -96A in Fig. 3 durchlässig, um die Schaltung ständig zu prüfen und nachzueichen im Hinblick auf den Eingangszustand der Nullbelichtung. Während dieser Nullsignalzeiten besteht eine völlige Unterbrechung der Belichtung der Fotovervielfacherröhre 114.

Während dieses Intervalls von T2 bis T3 ist das Durchlaßsignal für die Verstärkungssteuerung gemäß Kurve 188 wirksam. Dieses Signal steuert die Halbleitervorrichtungen 156, 158 und 160, um ladungsändernde Ströme und Spannungen den Kondensatoren 56R, 56g und 56b zuzuführen. Die Schaltvorrichtung 156 wird nur durchlässig, während des ersten Intervalls zwischen T2 und T3, wenn ein rotes Durchlaßsignal nach Kurve 180 das Durchlaßsignal für die Verstärkungssteuerung nach Kurve 188 zusammenfallen. Ebenso ist Schaltvorrichtung 158 nur durchlässig während des Zusammenfaliens des grünen Durchlaßsignals nach Kurve 182 und des Durchlaßsignals für die Verstärkungssteuerung nach Kurve 188. Schaltvorrichtung 160 ist nur durchlässig, wenn das blaue

309829/0939

Durchlaßsignal nach Kurve 184 und das Durchlaßsignal für die Verstärkungssteuerung nach Kurve 188 zusammenfallen.

In ähnlicher Weise dienen die Durchlaßsignale zur ■Vorspannungssteuerung gemäß Kurve 190 dazu, während der Zeitintervalle von T5 bis T1 nacheinander die Schaltvorrichtungen 150, 152 und 154 durchlässig zu machen, wenn diese Durchlaßsignale mit den roten, grünen und blauen DurchlaßSignalen gemäß Kurven 180, 182 und 184 zusammenfallen. So wird zum Beispiel der Kondensator 8OR durch die Schaltvorrichtung 150 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 24 nur während des Zusammenfaliens des roten Durchlaßsignals und des Durchlaßsignals für die Vorspannungssteuerung verbunden. Das Auftreten der Durchlaßsignale für die Verstärkungssteuerung gemäß Kurve 188 und der Durchlaßsignare für die Vorspannungssteuerung gemäß Kurve 190 fällt zusammen mit dem Auftreten der an die Fotovervielfacherröhre 114 übertragenen Standardbelichtungssignale für die Verstärkungssteuerung und Vorspannungssteuerung.

Desgleichen steht ein Ausgangsdurchlaßsignal zur Verfügung, wenn die bekannten Belichtungssignale auf die Fotovervielfacherröhre 114 auftreffen. Dies tritt während der Zeitintervalle Tj5 bis T5 ein. Während dieser Intervalle· werden die Schaltvorrichtungen 142, 144 und 146 betätigt, bei Koinzidenz mit den roten, grünen und blauen Durchlaßsignalen gemäß Kurven 180, 182 und 184, um die unbekannten Ausgangssignale an die Kondensatoren 29R, 29G und 29B sowie die Ausgangsklemmen 14R, 14G und 14b zu übertragen.

Zum weiteren Verständnis der Erfindung ist eine idealisierte Darstellung des Ausgangs des Verstärkers 24 über alle Zeitintervalle in Kurve 194 in Fig. 4 wiedergegeben. Wie dort ersichtlich, befinden sich das Standardeingangssignal für die

309829/09 3 9

Verstärkungssteuerung auf einem verhältnismäßig hohen Pegel und das Standardeingangssignal für die Vorspannungssteuerung auf einem verhältnismäßig niedrigen Pegel. Jedoch kann dieses Verhältnis umgekehrt werden, falls es gewünscht wird. Der wichtigste Punkt ist der, daß diese beiden Standardsignale eine stark unterschiedliche Größe haben sollen, so daß die Eichung auf der Festlegung von zwei verschiedenen Punkten beruht, wie oben in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben ist.

Die Reihenfolge des Schaltens der Signale für die Verstärkungssteuerung, die Vorspannungssteuerung, der Ausgangsdurchlaß- und Nulldurchlaßsignale ist in Fig. 3 gegenüber der Reihenfolge in Fig. 1 geändert. Dies beweist, daß, da die Eichung in einem ständig sich wiederholenden Zyklus erfolgt, keine bestimmte Randordnung des zeitlichen Ablaufs für die praktische . Anwendung der Erfindung absolut notwendig bzw. wesentlich ist. Doch ist es offenbar sehr erwünscht, den Übergang von einer Farbe zu einer anderen während des Nulldurchlaßsignal-Intervalls vorzunehmen, da während dieses Intervalls keine Färbinformation erforderlich ist.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der optischen und mechanischen Elemente, die der Schaltung der Fig. 3 zugeordnet sind für die Steuerung der Lichtübertragung auf die Fotovervielfacherröhre 114 und für die Erzeugung der oben in Verbindung mit Fig. 4 besprochenen Durchlaßsignale. Die unbekannte Belichtung, die durch den Pfeil 178 angedeutet ist, kann auf die Fotovervi elf acherr öhre 114 übertragen werden von einem Spiegel 180 durch ein Faseroptik-Lichtrohr 182, durch eine Lochscheibe 184 und durch ein Lichtfilter 188, das den Teil einer Filterscheibe 186 bildet. Die Scheiben 184 und 186 sind teilweise im Schnitt gezeigt.

Die optischen Standardeichsignale werden vorzugsweise von einer einfachen Glühlampe 190 geliefert, die mit einer geregelten Spannung betrieben wird, die gut unter ihrer Nennspannung

309829/0939

liegt. Es hat sich gezeigt, daß eine Glühlampe unter diesen O-Zo Betriebsbedingungen eine sehr konsistente und unveränderliche Lichtstärke abgibt, die für Eichzwecke geeignet ist. Das Licht der Lampe 190 wird durch ein Filter 192 und durch ein Stück Glas 194 und ein zweites Filter 196 geleitet, worauf es von einem Spiegel 198 reflektiert wird und dadurch bei 200 durch die Lochscheibe 184 und ein Farbfilter 188 auf die Fotovervielfacherröhre 114 geworfen wird. Das Licht wird durch die Lochscheibe 184 in den richtigen Intervallen auf- und zugeblendet. Die Blendenöffnung für dieses Lichtbündel ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Dieses Licht ist das Bezugsbündel von hoher Intensität, das zur Steuerung der Verstärkung dient, wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 3 erläutert wurde.

Ein kleiner Teil des Lichts aus der Lampe 190, das auf das Glas 194 fällt, wird bei 202 reflektiert und vom Reflektor 204 durch ein Filter 206 und dann vom Reflektor 208 bei 210 durch die Scheiben 184 und 186 auf die Fotovervielfacherröhre geworfen. Der Reflektor 204 ist vorzugsweise ein einfaches Stück Glas, anstelle eines Prismas oder eines Spiegels. Dementsprechend reflektiert er tatsächlich nur etwa 8 oder 10 Prozent des auffallenden Lichts, während das übrige Licht in einem nichtreflektierenden optisch schwarzen Gehäuse (nicht dargestellt) verloren geht bzw. verschluckt wird. Weil von 194 und 204 nur Bruchteile des Lichts reflektiert werden, ist die Lichtstärke des Strahls 210 auf annähernd 1 Prozent der Lichtstärke des Strahls 200 herabgesetzt. Eine genaue Einhaltung eines Verhältnisses von ein Prozent wird bevorzugt. Um das genaue Verhältnis zu erzielen, sind Trimm- bzw. Abgleichfilter 196 und 206 vorgesehen.

Die Loch- oder Blendenscheibe 184 und die Filterscheibe werden vorzugsweise synchronisiert von einem gemeinsamen Zahnradgetriebe durch einen Synchronmotor 36A angetrieben. Das Zahnradgetriebe weist ein Zahnritzel 214 auf der Motorwelle auf, das ein Stirnrad 216 und damit die Welle 218

309829/0939

der Lochscheibe 184.antreibt. Das Ritzel 214 greift ferner in ein Stirnrad 220 ein, das die Welle 222 der Filterscheibe 186 antreibt. Die Farbdurchlaßsignale gemäß den Kurven 180, 182 und 184 in Fig. 4 werden vorzugsweise durch eine zeitbestimmende Lochscheibe 224 erzeugt, die auf der Welle 222 der Filterscheibe angebracht ist und sich daher zwangsweise vollkommen synchron mit dieser dreht. Um die erforderlichen elektrischen Durchlaßsignale in Abhängigkeit von dem Vorbeigang der Blendenöffnungen der Lochscheibe 224 zu erhalten, sind Licht aussendende Dioden 226 einerseits der Scheibe und andererseits der Scheibe angebrachte Fototransistoren 228 vorgesehen, die aufeinander ansprechen, jedesmal wenn das Licht einer Diode 226 den zugeordneten Fototransistor 228 durch die betreffende Blendenöffnung der zeitbestimmenden Lochscheibe 224 erreicht.

Eine ebenso der Zeitgebung dienende Lochscheibe 230 sitzt auf der Welle 218 und dreht sich mit dieser. Wiederum ist eine Mehrzahl von lichtgebenden Dioden 232 mit zugeordneten Fototransistoren 234 vorgesehen, die beim Wirksamwerden die vier Durchlaßsignale erzeugen, die in Verbindung mit den in Fig. 4 gezeigten Kurven 186, 188, 190 und 192 beschrieben*wurden. Da die Zeitsignale und das optische Aufblenden, wofür die Scheiben 230 und 184 erforderlich sind, in einer Reihenfolge vor sich geht, die sich dreimal so schnell wie der Ablauf der Farbfilterscheibe 186 und der zugehörigen Zeitscheibe 224 wiederholt, kann die Welle 218 mit einer Geschwindigkeit gedreht werden, die genau das Dreifache der Geschwindigkeit der Welle 222 beträgt. Eine andere Möglichkeit ist die, drei Satz Blendenöffnungen in der Lochscheibe 184 vorzusehen. Als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird jedoch eine dritte Anordnung verwendet, bei der die Scheibe 184 anderthalb mal so schnell wie die Filterscheibe 186 angetrieben wird und zwei getrennte Sätze von Blendenöffnungen in der Lochscheibe 184 vorgesehen sind, um ein tatsächliches Wieder-

30982970939

holungsverhältnis vom Dreifachen der Drehgeschwindigkeit der Filterscheibe 186 zu erhalten. Bei dieser konkreten Ausführungsform dreht sich.beispielsweise der Synchronmotor 36A mit 1800 Umdrehungen in der Minute, die Farbfilterscheibe mit Umdrehungen/Minute und die Lochscheibe 184 mit 1200 Umdrehungen/ Minute. Dies ergibt einen vollständigen Muster- und Nacheich-Zyklus, der das Mustern und Nacheichen für alle drei Farben umfaßt, in fünfundsiebzig Millisekunden. Immerhin ist dies nur ein Beispiel und es können selbstverständlich auch andere Arbeitsgeschwindigkeiten angewendet werden, ohne von den Grundzügen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Obwohl es aus dem Zeitdiagramm der Fig. 4 nicht ohne weiteres hervorgeht, ist es erwünscht, die Durchlaßkreise der Anordnung zeitlich so abzustimmen, daß sie mit der Energieversorgung von sechzig Hertz vollkommen synchronisiert sind, so daß, wenn die Anordnung mit Lichtquellen zu tun hat, deren Lichtaussendung während der einzelnen Phasen der Spannungswelle der Energieversorgung schwankt, ein konsistentes Ergebnis erzielt wird. Dieses Problem kann besonders bei Lichtquellen auftreten, deren Leistungsregelung mit veränderlichem Strom erfolgt und nur Teile der Wellenform der Wechselspannung verwendet. Eine andere Lösung besteht darin, daß für die Musterung ein Zeittakt angewendet wird, der wesentlich höher als die Frequenz der Energieversorgung ist. Auf diese Weise sind die einzelnen Muster willkürlich verteilt in Bezug auf Lichtpegeländerungen aufgrund der Wellenform der Energieversorgung.

Die in Fig. 3, 4 und 5 veranschaulichte und in Verbindung hiermit beschriebene Ausführungsform der Erfindung bildet ein Farbfotometer, bei dem Ablesungen kontinuierlich wiederholt werden für jede der drei Farben, wobei die Ergebnisse

3 098?9/0939

der Ablesungen für die drei Farben in den Kondensatoren 29R, 29G und 29B gespeichert werden. Somit sind die Ablesungen für die drei Farben ständig und gleichzeitig verfügbar, obwohl die Anordnung zyklisch und mit Musterungen bzw. Eichungen dazwischen betrieben wird, um die drei Ablesungen zu erhalten. Dementsprechend ist das Gerät richtig gekennzeichnet als ein Mehrfarbenfotometer mit gleichzeitiger Ablesung. Das der Fig. 3, 4 und 5 entsprechende Gerät kann mit einer Standard- · lichtquelle und mit Spannungsanzeigevorrichtungen kombiniert werden, um als Gerät zur Dichtemessung bzw. Densitometer zu dienen. Allerdings ist das hier beschriebene Fotometer so ausgelegt, daß es einen höheren"; Spannungsausgang für höhere Lichteingänge liefert. Wenn es als Densitometer arbeiten soll, sind niedrigere Ablesungen für höhere Lichtübertragung, entsprechend geringerer Dichte, erwünscht. Demnach ist ein Spannungsumkehrnetzwerk bei jeder Spannungsanzeigevorrichtung erforderlich.

309829/0939

Claims

Pat entansprüche

Einrichtung zur Erzeugung von Ausgangssignalen als fehlerfreie.· logarithmische Funktion von Eingangssignalen, mit einer elektrischen Vorrichtung (10, 22), die ein Zwischensignal (bei 23) zu erzeugen vermag, das eine logarithmische Funktion des Eingangssignals ist, gekennzeichnet durch

- in zeitlicher Folge zu betätigende Mittel (36, 18, 70, 42, 19) zur wiederholten Zuführung unterschiedlicher erster und zweiter bekannter Standardeingangssignale (bei 70 bzw. 42) und unbekannter Eingangssignale

' (bei 19) zu der elektrischen Vorrichtung (10, 22);

- einen ersten Verstärker (24), der die Zwischensignale

aus der elektrischen Vorrichtung aufzunehmen und unter^ * _Λ Erzeugung von Ausgangssignalen von logarithmischer Funktion (bei 26) zu verstärken vermag;

- Mittel (28, 74, 76, 34), die den Ausgang des ersten Verstärkers (24) in Abhängigkeit von dem ersten Standardeingangs signal aufzunehmen und im Einklang damit eine Vorspannung am Eingang des ersten. Verstärkers einzustellen vermögen;

- Mittel (28, 44, 52, 32), die den Ausgang des ersten Verstärkers (24) in Abhängigkeit von dem zweiten Standardeingangssignal aufzunehmenden und im Einklang damit die Verstärkung des ersten Verstärkers einzustellen vermögen;

- wobei die die Vorspannung einstellenden MIttel und die die Verstärkung einstellenden Mittel eine Kompensation im Arbeiten der Kombination der elektrischen Vorrichtung (10, 22) und des ersten Verstärkers (24) bewirken, derart, daß ein Ausgangssignal von echter logarithmischer Funktion (bei 12) aufgrund des unbekannten Eingangssignals (bei 14) innerhalb des effektiven logarith-

308829/0939

funktioneilen Eingangssignalbereich der elektrischen Vorrichtung trotz Änderungen in den Betriebsbedingungen erzeugt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, " ;; dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Vorrichtung (10, 22) eine Halbleitervorrichtung mit wenigstens zwei Anschlüssen bzw. Klemmen aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2,
•dadurch gekennzeichnet,

daß die Halbleitervorrichtung (10) eine Diode aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (10) eine Siliziumdiode ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichne" t, daß die Diode (10) eine einfache Diode ist.

6. Einrichtung nach Anspruch'3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Transdiode (10A, Fig. 3) ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichn et ,

daß die Transdiode (10A, Fig. 3) einen Siliziumtransistor aufweist.

309829/0939

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Eingangssignal durch einen Strom (bei 20) dargestellt wird und das Zwischensignal ein Spannungssignal (bei 23) ist;

- der das Eingangssignal darstellende Strom ein an einem Anschluß (20) der Halbleitervorrichtung (10) auftretender Strom ist und das Zwischenspannungssignal eine den Strom begleitende Spannung zwischen zwei Anschlüssen (23, 20) der Halbleitervorrichtung ist;

- und ferner dadurch gekennzeichnet, daß

- die elektrische Vorrichtung (10, 22) einen Operations-, verstärker (22) in Kombination mit der Halbleitervorrichtung (10) aufweist;

- wobei dieser Operationsverstärker mit seiner Ausgangsklemme (23) an eine der Ausgangsklemmen (23) der Halbleitervorrichtung (10) und mit seiner umkehrenden Eingangsklemme (20) an die Eingangsklemme (20) der Halbleitervorrichtung (10) angeschlossen ist, derart, daß der Operationsverstärker am Ausgang eine Zwischen- "** spannung (bei 23) bildet, die zu einer Regelung des Stroms zwischen der Halbleitervorrichtung und dem umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers ausreicht, mit der der Strom durch den umkehrenden Eingang im wesentlichen auf einem Nullwert gehalten wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß

- die in zeitlicher Folge zu betätigenden Mittel (34 usw.) einen Speicher (80) aufweisen, der den Ausgang des ersten Verstärkers (24) in Abhängigkeit von dem ersten Standardeingangssignal (bei 70) aufzunehmen und diesen

309829/0939

Ausgang zu speichern vermag zwecks Aufrechterhaltung der eingestellten Vorspannung am Eingang des ersten Verstärkers nach der Unterbrechung des ersten Standardeingangssignals;

- und die die Verstärkung einstellenden Mittel (43 usw.) Ί * einen Speicher (56) aufweisen, der den Ausgang des ersten Verstärkers (24) in Abhängigkeit von dem zweiten Stan- ■ . dardeingangssignal (bei 42) aufzunehmen und diesen Ausgang zu speichern vermag zwecks Aufrechterhaltung der eingestellten Verstärkung des ersten Verstärkers nach der Unterbrechung des zweiten Standardeingangssignals.

11. Einrichung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Verstärker (24) einen Operationsverstärker in der nicht umkehrenden Schaltungsart mit einem die Verstärkung bestimmenden Spannungsteilernetzwerk (31, 33) am Aus- : gang desselben aufweist, wobei ein Anteil der Spannung des Spannungsteilernetzwerks anöden umkehrenden Eingang des ersten Verstärkers gelegt ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11 in Rückbeziehung auf Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, . daß die die Vorspannung einstellenden Mittel einen zweiten Operationsverstärker (34) aufweisen, dessen nichtumkehrender Eingang mit dem Speicher (80) für die Vorspannungseinstellung und dessen Ausgang (bei 88) mit dem umkehrenden Eingang des ersten Verstärkers (24) zur Einstellung der Vorspannung desselben verbunden sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch geken η ζ e i c h η e t ,

daß die die Verstärkung einstellenden Mittel einen dritten Operationsverstärker (32) aufweisen, dessen einer Eingang mit dem Speicher (56) für die Verstärkungseinstellung ver-

30982 9/0939

bunden ist und dessen Ausgang gekoppelt ist (bei 66) mit dem Spannungsteilernetzwerk (bei 33) des ersten Verstärkers, um die wirksame Impedanz wenigstens eines Netzwerkelements (33) und dadurch die Verstärkung des ersten Verstärkers (24) einzustellen.

14. Einrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß

- der Lastkreis (66) des der Verstärkungseinstellung dienenden Verstärkers (32) und die erste Verstärkerimpedanz (33) durch eine optische Kopplung gekoppelt sind;

- der Lastkreis des dritten Operationsverstärkers eine elektrisch erregte Lichtquelle (66) aufweist;

- das der Impedanzeinstellung dienende Spannungsteilernetzwerkelement einen Fotoleiter (33) aufweist;

- der Fotoleiter so angeordnet ist, daß er die Belichtung von der elektrisch erregten Lichtquelle aufnimmt, derart,

(-daß eine optische Kopplung zwecks Herabsetzung des Widerstands des Fotoleiters in Abhängigkeit von der auftreffenden Belichtung besteht.

15. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in zeitlicher Folge zu betätigenden Mittel die der Einstellung der Vorspannung dienenden Mittel (34) so anzuschließen vermögen (bei 28, 44), daß sie den Ausgang des.ersten Verstärkers (24) nur während der Übertragungsdauer des zweiten bekannten Standardeingangssignals (bei 42) auf die elektrische Vorrichtung (10, 22) aufnehmen.

16. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (Fig. 3) als Fotometer zu betreiben ist, derart, daß sie die unterschiedlichen ersten und zweiten bekannten Standardeingangssignale und die unbe-

309829/0939

kannten Eingangssignale in der Form von optischen Lichtsignalen aufzunehmen vermag (bei 114),

- wobei die elektrische Vorrichtung (1OA, 22, 114) ein lichtempfindliches Element (114) aufweist, das die aufgenommenen Lichtsignale reproduzierende Stromsignale zu erzeugen vermag.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, .

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (Fig. 3) als Mehrfarbenfotometer zu betreiben ist, derart, daß sie die unterschiedlichen ersten und zweiten bekannten Standardeingangssignale und die unbekannten Eingangssignale in der Form von optischen Lichtsignalen in einer Mehrzahl von getrennten Farben aufzunehmen vermag,

- wobei die der Einstellung der Vorspannung dienenden Mittel (34 usw.) getrennte Speicher (8OR, 8OG, 80B) aufweisen für die Aufnahme des Ausgangs des ersten Verstärkers in Abhängigkeit von jedem der ersten Standardeingangssignale für die verschiedenen Farben,

- und die Speicher diesen Ausgang zu speichern vermögen zwecks Aufrechterhaltung der eingestellten Vorspannung am Eingang des ersten Verstärkers nach der Unterbrechung des ersten Standardeingangssignals für die zugeordnete Farbe und während des Arbeitens des ersten Verstärkers aufgrund des zweiten Standardeingangssignals und des unbekannten Eingangssignals für dieselbe Farbe,

- wobei die der Einstellung der Verstärkung dienenden Mittel getrennte Speicher (56R, 56G, 56B) aufweisen für die Aufnahme des Ausgangs des ersten Verstärkers in Abhängigkeit von jedem der zweiten Standardeingangssignale für die verschiedenen Farben,

- und diese Speicher diesen Ausgang zu speichern vermögen

. zwecks Aufrechterhaltung der eingestellten Verstärkung des ersten Verstärkers nach der Unterbrechung des zweiten Standardeingangssignals für die zugeordnete Farbe und

309829/0939

während des Arbeitens des ersten Verstärkers aufgrund des ersten Standardeingangssignals und des unbekannten Eingangssignals für dieselbe Farbe.

18. Einrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,

daß eine Mehrfachfiltervorrichtung (186, Fig. 5) vorgesehen ist, die mechanisch beweglich ist, um einzelne Farbfilter wiederholte Male in den Weg aller auf das lichtempfindliche Element gerichteten Lichtsignale einzuschalten und dadurch die Signale auf bestimmte Farbwerte zu beschränken.

19. Einrichtung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,

daß die mechanisch bewegliche Filtervorrichtung (186, Fig. 5) eine drehbare Scheibe aufweist und wenigstens eine optische zeitbestimmende Vorrichtung bzw. Scheibe (184) mit optischen Blendenöffnungen vorgesehen ist, die in Synchronismus mit der Filterscheibe drehbar ist zwischen einzelnen Lichtquellen und fotoempfindlichen elektrischen Vorrichtungen, derart, daß zeitlich abgestimmte Schaltsignale zur Festlegung der zeitlichen Folge für die Übertragung der unterschiedlichen ersten und zweiten Standardeingangssignale und der unbekannten Eingangssignale für jede der verschiedenen Farben erzeugt werden.

ReNeu/Pi.

309829/0939

Le e rs eι te