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Schaltungsanordnung für ein Meßgerät mit automatischem
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Nullinienabgleich Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.
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Dabei wird von einem Stand der Technik ausgegangen, wie er aus "Radiat.Phys.Chem."
1982, Bd. 19 Nr. 1 Seiten 17 bis 21 bekannt und dort als eine revidierte Version
einer ähnlichen Schaltung beschrieben ist, über die in "Int.f.Radiat.Phys.Chem."
1973 Bd. 5,Seiten 463 bis 477, im Zusammenhang mit der dort gezeigten Fig. 1, Seite
467, berichtet wird.
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Weiterhin bekannt ist aus der US-PS 4 279 510 eine Kompensationsschaltung
mit einer digitalen Abtast- und Halteschaltung, bei der jedoch die Ausgangsspannung
eines Operationsverstärkers kompensiert wird, der mit der Anode einer Photovervielfacherröhre
verbunden ist, wobei Spannungsschwankungen an der Anode zugelassen werden. Außerdem
wird bei Verwendung eines Operationsverstärkers die Bandbreite wesentlich beschnitten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zu schaffen, mit der ein automatischer Nullinienabgleich durchgeführt werden kann,
der das zu messende Signal nicht beeinflußt und bei dem sich insbesondere die Haltezeit
auch beliebig einstellen läßt.
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Damit sollen z. B. Probleme vermieden werden, die vor allem dann auftreten,
wenn das Hintergrundsignal um
Größenordnungen größer ist als das
zu messende Signal und/oder Schwankungen von einer Messung zur anderen unterliegt,
die eine manuelle Einstellung der jeweils erforderlichen Kompensation zumindest
sehr erschweren sowie auch eine rechnergesteuerte Meßwertaufnahme unmöglich machen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale.
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Es sind die beiden Betriebsarten "Abtasten" (SAMPLE) und "Halten"
(HOLD) voneinander zu unterscheiden: In der Betriebsart "Abtasten" wird jeder Strom
Iot der von einem Meßobjekt abgegeben wird und an den Stromverzweigungspunkt gelangt,
an den auch die Regelschleife angeschlossen ist, von den beiden Verstärkern der
Regelschleife durch einen gleichgroßen Strom IF mit entgegengesetztem Vorzeichen,
also mit hoher Genauigkeit kompensiert. In dieser Betriebsart bleibt also die Abtast-
und Halteschaltung inaktiv.
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In der Betriebsart "Halten" (HOLD), die durch das betreffende Steuersignal
(TRIGGER) eingeleitet wird, bleibt der Kompensationsstrom IF während der Halte zeit
auf dem Wert, den er zuletzt in der Betriebsart "Abtasten" aufwies. Ein dem Hintergrundsignal
10 während der Haltezeit überlagertes transientes Signal Al, sowie auch eine Schwankung
des Hintergrundsignals Iot ruft einen von Null verschiedenen Strom am Stromverz.weigungspunkt
hervor. Eine solche Änderung wird vom Eingangsverstärker der Regelschleife zwar
wahrgenommen, ge-
langt in dieser Betriebsart jedoch nicht an den
invertierenden Ausgangsverstärker, bleibt also vom Nullinienabgleich unbeeinflußt
und wird als transientes Signal gemessen.
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Die Beendigung der Betriebsart "Halten" kann entweder nach einer vorgegebenen
kurzen Dauer, beispielsweise 0,5 ms, 1 ms, 5 ms oder dergleichen automatisch oder
auch dadurch erfolgen, daß das das Ende der Haltezeit bestimmende, zweite Steuersignal
(GATE) zum gewünschten Zeitpunkt abgeschaltet wird.
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Die digitale Abtast- und Halteschaltung, die in Funktion tritt, wenn
das betreffende Steuersignal (TRIGGER) eintrifft, benötigt eine gewisse Wandlungs-
und Regelungszeit im s-Bereich. Soll also z. B. die Anstiegsflanke eines transienten
Signals Al untersucht werden, muß rechtzeitg vor dem Auftreten dieses Signals Al
von der Betriebsart "Abtasten" in die Betriebsart "Halten" übergegangen werden.
Dies ist z. B. bei periodischen Signalen hI ohne weiteres möglich, wenn aus diesen
mit einer entsprechenden Phasenverschiebung das betreffende Steuersignal (TRIGGER)
abgeleitet wird. Bei nicht periodischen Signalen Al, die zu nicht vorhersehbaren
Zeitpunkten auftreten, kann hingegen "auf Verdacht" aus der Betriebsart "Abtasten"
in die Betriebsart "Halten" übergegangen werden, indem beide Steuersignale (TRIGGER
und GATE), angelegt werden. Das Ende der Meß- bzw. Haltezeit läßt sich dann beispielsweise
von einem während der Haltezeit aufgetretenen Meßsignal ableiten, das mit einer
gewissen Zeitverzögerung das Ende des GATE-Steuersignals herbeiführt.
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Die Genauigkeit der gesamten Schaltung in der Betriebsart "Halten"
(HOLD) hängt von der Auflösung der Analog/ Diitalm b-zw. DiXgital/Analog-Wandler
ab. Mit handelsüblishen Wandlern ist bei einem Kompensationsbereich von z,B. 5 mA
eine Auflösung im pA-Bereich ohne weiteres erreichbar. Während der Haltezeit, insbesondere
auch wahrend langer Meßzeiten, tritt keine Drift des Npensationsstromes auf.
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Die Vorzüge der Erfindung mit ihren Ausführungsformen, auf die z.B.
auch die Ansprüche 2 bis 15 gerichtet sind, wenden nachfolgend im Zusammenhang mit
der Figurenbeschreibung näher erläutert: In der Zeichnung zeigen: Fig. 1: ein Blockschaltbild
der Schaltungsanordnung, die eine Regelschleife, eine Abtast- und Halteschaltung
und eine Steuerschaltung enthält,für ein Meßgerät zur zeitaufgelösten Bestimmung
transienter Signale mit automatischem Nullinienabgleich; Fig. 2; Schaubilder für
Signalverläufe, und zwar: a) Meßsignalverlauf ohne Nullinienabgleich und b) Meßsignalverlauf
mit Nullinienkompensaton während der c) beiden Betriebsarten "Abtasten" (SAMPLE)
und "Halten" (HOLD); Fig. 3: eine Teildarstellung der Schaltungsanordnung gem. Fig,
1 für die Regelschleife, Fig. 4: eine Teildarstellung der Schaltungsanordnung gem.
Fig. 1 für die Abtast- und Halteschaltung,
Fia, 5 eine Teildarstellung
der Schaltungsanordnung gem fg, 1 für die Steuerschaltung und Fig. 6: eine Darstellung
der Frontplatte mit den einzelnen Anschlußbuchsen für die Schaltungsanordnung gem
Fig. 1.
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Das Blockschaltbild - Fig. 1 - der gesamten Schaltungsanordnung zeigt,
jeweils in gestrichelt umrahmten Einheiten, eine. Regelschleife BOL, eine digitale
Abtast- und Halteschaltung DSH und eine Steuerschaltung CC.
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Dixe RegelsXchleife BOL enthält im wesentlichen zwei Ver-Stärker A1,
A2 und einen elektronischen Schalter S. Vor dem nichtinvertierenden Eingang des
Verstärkers Al liest ein Entkopplungswiderstand RD, der jegliche Streukapazitäten
fernhält und eine Entkopplung zwischen der Eingangskapazität des Verstärkers A1
und der Signalleitung bewirkt.
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An den Ausgang des Verstärkers Al, der an sich auch direkt an den
Schalter S führen kann, ist hier noch ein analoger Abtast- und Halteverstärker ASHA
angeschlossen, dessen Funktion weiter unten noch näher erläutert wird. Der Schalter
S befindet sich in der Betriebsart "Abtasten" in seiner Ruhelage 1, verbindet also
im SAMPLE MODE den Ausgang des Verstärkers Al mit dem Eingang des Verstärkers A2.
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In der Betriebsart "Abtasten" (SAMPLE MODE) wird in der Regelschleife
BOL damit jeder eingespeiste Strom IO automatisch mit hoher Genauigkeit kompensiert.
Der vom Ausgang des invertierenden Verstärkers A2 gelieferte Strom IF ist betragsmäßig
gleich dem Strom 1o. Der an einem Meßs bzw. Lastwiderstand RL hervorgerufene Spannungsabfall
ist 0 Volt. Jede Änderung von Io ruft am Meßwiderstand RL natürlich zunächst einen
von Null
verschiedenen Spannungsabfall hervor, der sofort von der
Regelschleife BOL wieder auf 0 Volt geregelt wird.
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Die Buchsen FEEDBACK OUT und FEEDBACK IN sind im Normalfall durch
einen Kurzschlußbügelverbunden. Wird eine Erhöhung des Kompensationsstromes bzw.
des zu kompensierenden Hintergrundsignals gewünscht, kann anstelle des Kurzschlußbügels
ein externer Zusatzverstärker AX zwischen diese Buchsen geschaltet werden.
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Auf die Verstärker A3 und A4 wird im Zusammenhang mit Fig. 3 noch
eingegangen.
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Dte digitale Abtast- und Halteschaltung DSH liegt signalmäßig zwischen
dem Ausgang des Verstärkers A1 der Regelschleife BOL, bzw. dem dort noch nachgeschalteten
analogen Abtast- und Halteverstärker ASHA, und dem Kontakt 2 für die Arbeitslage
des elektronischen Schalters S. Es sind darin ein Analog/Digital-Wandler ADC, ein
Speicher M und ein Digistal/Analog-Wander DAC enthalten.
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In der Betriebsart "Halten" (HOLD MODE) wird in dem Augenblick, zu
dem ein Steuersignal START an dem Analog/Digital-Wandler ADC gelangt, die Ausgangsspannung
des Verstärkers Al digitalisiert, dieser Wert in den Speicher M eingelesen sowie
vom Digital/Analog-Wandler in den betreffenden analogen Spannungswert umgesetzt,
der nunmehr über den Schalter S in dessen Arbeitslage 2 wieder in die Regelschleife
BOL eingespeist wird. Der Kompensationsstrom i ist also in der Betriebsart "Halten"
für die Dauer der Meßzeit konstant und dem im Speicher M digital gespeicherten Wert
proportional.
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Während der Zeit, die für die Analog/Digital-Wandlung benötigt wird,
ist bereits der zu wandelnde Spannungswert konstant zu halten. Hierzu dient der
analoge Abtast- und Halteverstärker ASHA, der am Ausgang des Verstärkers A1 der
Regelschleife BOL liegt.Während dieser Zeigt muß sich nämlich der analoge elektronische
Schalter S noch in der Stellung 1 befinden, da von der digitalen Abtast- undHalteschaltung
DSH noch nicht der richtige - oder noch kein - Spannungswert für die Regelschleife
BOL vorliegt. Andererseits würde eine Änderung des Stromes inin dieser Zeitspanne
einen Unterschied zwischen den Koinpensationsströrnen vor und nach dem Umschalten
des Schalters S bewirken, was auf diese Weise verhindert wird.
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Der Wechsel von der Betriebsart "Abtasten" in die Betriebsart "Halten
erfolgt durch ein von außen der Steuerschaltung CC zugeführtes Steuersignal TRIGGER.
Diese Steuerschaltung CC enthält im wesentlichen Monoflop-Schaltungen MF1, MF2,
MF3 und Gatter G1, G2, G3 und arbeitet folgendermaßen: Das Triggersignal - sowie
beim Einschalten des Geräts einmalig des Ausgangssignal der Monoflopschaltung MF3
-wird von der Monoflopschaltung MF1 einerseits als START-Signal, hier über einen
Transistor T1, an den Analog/ Digital-Wandler ADC weitergegeben und andererseits
zur Monoflopschaltung MF2 geführt. In diesem Augenblick beginnt die Betriebsart
"Halten". Vom Ausgang der Monoflopschaltung MF2 gelangt für eine Zeitspanne T, die
vom RC-Glied an der Monoflopschaltung MF2 bestimmt wird, ein Signal über das ODER-Gatter
G2 an das UND-Gatter G3.
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Ist im Analog/Digital-Wandler ADC die Wandlung durchgeführt, gelangt
von dort das entsprechende Steuersignal EOC (end of conversion) ebenfalls an das
UND-Gatter G3.
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Dessen Ausgangssignal wird als Steuersignal CONTROL dem elektronischen
Analogschalter S zugeführt, der damit in seine Arbeitslage,
Stellung
2, umschaltet. Dies wird übrigens auch optisch über eine Leuchtdiode LED angezeigt.
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Das Ende der Meßzeit, also der Betriebsart Halten, kann automatisch
oder beliebig herbeigeführt werden. Die automatische Beendigung erfolgt nach Ablauf
der Zeitspanne T, Z.B. nach 0,5 ms , 1 ms , 5ms, je nach Bemessung des RC-Gliedes
an der Monoflopschaltung MF2, dadurch, daß das Ausgangssignal der Monoflopschaltung
MF2 und damit auch das Ausgangssignal des UND-Gatters G3 entfällt. Damit kehrt auch
der elektronische Schalter S in seine Ruhelage, Stellung 1, zurück.
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Zur beliebigen Einstellung der Meßzeit wird ein Steuersignal GATE
benutzt, das von außen dem UND-Gatter G1 in der Steuerschaltung CC zugeführt wird.
Es kann bereits vor dem Trigger-Signal angelegt werden, wird aber ohne dieses nicht
wirksam. Vom Ausgang des ODER-Gatters G2 ist dazu ein Rückkopplungspfad an den anderen
Eingang des UND-Gatters G1 geführt. Ist das UND-Gatter G1 erst einmal durchgeschaltet,
bleibt es in diesem Zustand, solange das Gate-Signal anliegt. Damit bleibt auch
das UND-Gatter G3 genauso lange durchgeschaltet, d.h. auch der elektronische Analogschalter
S in seiner Arbeitslage, Stellung 2.
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Als zusätzliche Einrichtungen sind in der Schaltungsanordnung noch
zwei weitere Verstärker, die Trennverstärker A3 und A4 vorhanden; A3 ist an den
Ausgang des invertierenden Verstärkers A2 der Regelschleife BOL angeschlossen und
stellt an seinem Ausgang eine dem jeweiligen Kompensationsstrom IF entsprechenden
Spannung zur Verfügung. Am Ausgang des Trennverstärkers A4, dessen Eingang am Ausgang
des Digital/Analog-Wandlers DAC liegt, kann jeweils eine dem zuletzt im Speicher
M der digitalen Abtast- und Halte schaltung DSH festgehaltenen Wert des
Kompensationsstromes
proportionale Spannung abgegriffen werden. Hierdurch kann z.B. nach einer Messung
die jeweilige Verschiebung der Nullinie (Io) bestimmt werden.
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Die Fig. 2 zeigt an den dortdargestellten SignalverlAufen die Funktion
der Schaltungsanordnung. Derartige Signalverläufe sind beispielsweise typisch für
kinetische Absorptionsmessungen in der Laser- (Blitzlicht-) Photolyse bzw. Pulsradiolyse,
bei Leitfähigkeitsmessungen mit einer gepulsten Gleichspannungsquelle usw. In Fig.
2a) ist ein Photovervielfacherstrom - ohne Nullinienkompensation - über der Zeit
aufgetragen. Zum Zeitpunkt t~2 erhöht sich die Intensität des Analysenlichtes pulsförmig,
zum Zeitpunkt t tritt eine durch die Bestrahlung hervorgerufene Absorptionsänderung
hI(t) auf, die gemessen werden soll. Das VerhältnisAI/IO kann z.B.
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größer als 1:1000 sein.
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Aus Fig. 2b) und c) ist im Vergleich zu a) zu erkennen, daß die Kompensationsschaltung
zunächst bis zum Auftreten des Trigger-Pulses in der Betriebsart "Abtasten" - SAMPLE
MODE - arbeitet. Die Nullinie ist voll kompensiert, auch die pulsförmige Erhöhung
der Intensität des Analysenlichtes zum Zeitpunkt t 2. Zum Zeitpunkt t 1 wird das
TRIGGER-Signal angelegt und damit in die Beriebsart "Halten" - HOLD MODE - übergegangen.
Die zum Zeitpunkt t0 auftretende Absorptionsänderung wird in b) als hI(t) ' V, also
verstärkt und mit der weiterhin auf Null abgeglichenen Nullinie, dargestellt. Nach
automatischer oder beliebig gewählter Beendigung der Betriebsweise "Halten" - HOLD
MODE - kehrt die Schaltung wieder in die Betriebsweise "Abtasten" - SAMPLE MODE
-zurück.
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Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen von der in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellten
gesamten Schaltungsanordnung deren Regelschleife BOL (Fig. 3), digitale Abtast-
und Halteschaltung DSH (Fig. 4) und Steuerschaltung CC (Fig. 5) jeweils etwas genauer
mit den wichtigsten Bauelementen, aus denen diese Schaltungen aufgebaut sind. Es
handelt sich dabei um handelsübliche Bauelemente, beispielsweise der Fa. Analog
Devices (AD).
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Bei der digitalen Abtast- und Halteschaltung DSH können gem. Fig.
4 integrierte Schaltungen verwendet werden, bei denen z.B. der Analog/Digital-Wandler
ADC bereits den Speicher M enthält. Wie bereits schon weiter oben erwähnt, hängt
die Genauigkeit der gesamten Schaltung nur von der Auf lösung. des Analog/Digital-
bzw. des Digital/Analog-Wandlers ab. Entsprechend der Ausführungsform der Fig. 4
ergibt sich mit 12 bit Wandlern bei einem Kompensationsbereich von - 5 mA eine Auflösung
von + 1,3 pA. Die gesamte Wandlungszeit beträgt 7 ps, die Regelzeit ca. 15 us.
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Für die Gatter G1, G2, G3 kann gemäß der Ausführungsform der Fig.
5 ein einziger Baustein verwendet werden, der vier NOR-Gatter enthält.
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Durch das Einfügen der Schaltungsanordnung gem. Fig. 1 in eine Nachweiselektronik,
Wellenwiderstand Z = 50 Q, wird das Meßsignal mit einer Zeitkonstanten von weniger
als 0,5 ns beaufschlagt.Das Meßsignal wird ansonsten durch die Kompensation nicht
beeinflußt. Das heißt auch, daß sich damit Änderungen der Eigenschaften eines Photodetektors
(Verstärkung, Anstiegszeit) oder bei Leitfähigkeitsmessungen eine Änderung der Nachweisempfindlichkeit
bei hohen Ionenstärken vermeiden lassen.
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Wie Fig. 6 zeigt, sind alle Buchsen, mit denen die einzelnen Stellen
der Schaltungsanordnung, die für die oben beschriebenen Zwecke und Funktionen zugänglich
sein sollen, auf einer Frontplatte angebracht. Die Frontplatte enthält hier auch
die optische Anzeige LED für die Betriebsart "Halten" (HOLD MODE). Es ist weiterhin
möglich, hier auch ein Interface für den Anschluß eines externen Digitalrechners
vorzusehen, der einige Teilaufgaben oder auch alle Aufgaben der digitalen Abtast-und
Halteschaltung DSH übernehmen kann. Dies kann z.B.
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dann der Fall sein, wenn eine höhere Auflösung als mit den in der
digitalen Abtast- und Halteschaltung DSH eingebauten Wandlern gefordert wird.
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Die Kompensation des Hintergrundsignals Io durch den Kompensationsstrom
IF steigt mit der Verstärkung des Verstärkers Al der Regelschleife BOL. Für eine
Abschätzung der erforderlichen Verstärkung von A1 ist zu berücksichtigen, daß Fehler
der Regelschleife BOL kleiner sein sollen als Quantisierungsfehler der Wandler in
der digitalen Abtast- und Halteschaltung DSH.
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Fehler bei der Quantisierung und von differentiellen Nichtlinearitäten
der Wandler liegen bei - 1/2 LSB (least significant bit). Dies entspricht bei 12
bit Wandlern einer Stromänderung an einem Schleifenwiderstand RF = kr von 1,27 pA,
da
bei einem Strom Io = 5 mA ist, oder einem Spannungsabfall am Meßwiderstand E = 50
Q von 63,5 pV. Durch Anwendung der Kirchhof fschen Gesetze kann damit für die erforderliche
Verstärkung des Verstärkers A1 der Wert von größer als etwa 8-10 4 bestimmt
werden.
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Über weitere Untersuchungen, die z.B. eine geringe Temperaturempfindlichkeit
der gesamten Schaltungsanordnung trotz derart hoher Verstärkungen zeigt, wird noch
in einer später folgenden Veröffentlichung berichtet.