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Schaltungsanordnung zum Zählen von elektrischen Impulsen Zuni Zählen
periodischer oder statistisch verteilter Impulse, wie diese z. 13. bei Geiger-Müller-Zählern
auftreten, und zum Dividieren derselben durch eine beliebige "Zahl, wurden bisher
gewöhnlich Schaltungen verwendet, hei denen z. B. für eine Division durch to eine
große .',nzahl elektrischer 1?ntla<lungsr@ilrren erforderlich ist. Eine solche
Schaltung ist aus der britischen Patentschrift ,5c92 t7.+ bekannt.
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Die Erfindung 'hat den Zweck, eine Schaltung zu schaffen, Irei der
diese Anzahl erforderlicher Entladungsröhren wesentlich geringer ist.
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Die crfin<lungsgemäße Schaltung weist das Merkinal auf, daß die
zu zählenden Impulse ein-,-in Iml>ulsgeiierator, insbesondere einem Sperrschwinger,
zugeführt \\-erden, der Impulse mit einer Frequenz erzeugt, die von der Steuergittervorspannung
einer in diesem Impulsgenerator enthaltenen Oszillatorröhre abhängig ist, und daß
der Ausgangskreis dieses Impulsgeneratörs ein Fifternetzwerk enthält, mittels dessen
eine höhere Harmonische der einer bestimmten Steuergittervorspannung entsprechenden
Impulsfrequenz ausgesiebt und der Ausgangsspannung dieses Filternetzwerkes über
einen Gleichrichter eine Gleidhspannung entnomm--n wird, die als Steuergittervorspannung
der Oszillatorröhre des Impulsgenerators w'i,rksa#n und diese Gleichspannung ein
Maß für die Zahl der aufgenommenen Impulse ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltung und ihre Wirkungsweiise werden an Hand
der Zeichnung näher erläutert, in der
Fig. 1 die Schaltung eines
Impulsgenerators in Form eines Sperrschwingers darstellt, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltung darstellt, während Fig. 3 einen Überblick über
die bei der Schaltung nach Fig. 2 auftretenden Spannungen gibt.
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Die Wirkungsweise dies in Fig. i dargestellten Sperrschwingers, der
eine Entladungsröhre i, die Parallelschaltung eines Widerstandes 2 und eines Kondensators
3 sowie einen Koppeltransformator 4 zwischen Anoden- und Steuergitterkreis enthält,
dürfte an sich als genügend bekannt angesehen werden. -Es soll jedoch mit Rücksicht
auf nachstehendes darauf 'ingewiesen werden, daß die Breite des mittels eines solchen
Impulsgenerators erzeugten Impulses vorwiegend! durch die Eigenschaften des Transformators
4 bedingt ist, während die Impulsfolgefrequenz im wesentlichen durch die Zeitkonstante
RC der Parallelschaltung 2, 3 und eine etwaige Steuergittervorspannung der Rohre
i bedingt ist.
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Infolge des Auftretens eines Impulses im Anodelirkreis der Röhre i
lädt sich der Kondensator 3 auf eine bestimmte Spannung miteiner solchen Polarität,
daß die Röhre i gesperrt wird. Diese Spannung nimmt am Widerstand 2 exponentiell
ab, und sobald der untere Punkt der Anodenstrom-Gittersliantiungs-Kennlinie der
Röhre i erreicht ist, öffnet sich die Röhre i.
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\Vird nunmehr z. B. unter Zuhilfenahme einer Batterie 5 und eines
Spannungsteilers 6 eine positive Vorspannung dem Steuergitter zugeführt, so öffnet
sich die Röhre i eher. Infolge einer positiven Gittervorspannung tritt also eine
Erhöhung der Iinpulsfolgefrequenz auf.
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Diese Eigenschaft des Impua,sgenerators wird nun bei der erfindungsgemäßen
Schaltung ausgenutzt. Im Ausgangskreis der Röhre i ist, wie dies in Fig. 2 angegeben
ist, über einen Transformator 7 ein Filternetzwerk 8 eingefügt. Dieses Netzwerk
ist derart bemessen, daß im wesentlichen nur ein bestimmter, schmaler Frequenzbereich
durchgelassen wird. Es weist zu diesem Zweck eine Resonanzkurve von der Art auf,
die bei einem einfachen Parallelkreis oder einem Bandfilter auftritt.
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DieAusgangsspannu@ng des Filternetzwerkes wird erforderlichenfalls
unter Zuhilfenahme der Röhre 9 verstärkt und darauf mittels der Gleichrichterröhre
io gleichgerichtet.
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Die am Kondensator i i der Gleichrichterschaltung auftretende Gleichspannung
wird dann als Steuergittervorspannung für die Röhre i verwendet. Ist die Spannung
am Kondensator i i hinreichend groß, was mittels derVerstärkerschaltuug9 erreicht
werden kann, so ergibt sich ein Sperrschwinger, der eine Anzahl bestimmter Impulsfolgefrequenzen
erzeugen kann. Dies kann man sich folgendermaßen klarmachen. Es wird zunächst die
Steuergittervorspannung der Röhre i als voll einer Batterie geliefert angenommen,
wie sie in Fig. i dargestellt ist, wobei die Verbindung zwischen dem Kondensator
i i und dem Steuergitter der Röhre i in Fig. 2 als unterbrochen angenommen sei.
In Fi.g.3 ist nun waagerecht diese positive Steuergitterdorspannung V$ aufgetragen.
Wird h, stärker positiv gemacht, wobei von V$ = o ausgegangen wird, so wird die
Impulsfolgefrequenz des Sperrschwingers i, 2, 3, .4, wie vorstehend erörtert, zunehmen.
Die Frequenz sämtlicher im Fourrierspektruin der Impulsreihe enthaltenen Komponenten
steigert sich proportional damit. Dem Netzwerk 8 werden somit Spannungen mit verschiedenen
Frequenzen (gleich den Harmonischen der Impulsfolgefrequenz) zugeführt, die sich
alle hinsichtlich der Frequenz steigern. Der Durchlaßbereich des Netzwerkes 8 ist
nun so schmal gewählt, daß nicht mehr als eine Harmonische ohne wesentliche Schwächung
durchgelassen wird. Weiterhin liegt der Durchlaßbereich bei einer Frequenz, die
bedeutend höher als die Impulsfolgefrequenz ist, und zwar bei dem vorliegenden Beispiel
etwas oberhalb der zweiunddreißigsten Harmonischen desjenigen Wertes der Impulsfölgefrequenz,
der bei V$ = o auftritt. Dies hat zur Folge, daß bereits bei einem .geringen" positiven
Wert von V$ die Harmonischen derart in der Frequenz zugenommen haben werden, daß
die zweiunddreißigste Harmonische gerade in den Durchlaßbereich des Filters 8 zu
fallen beginnt. Bei weiterer Vergrößerung von V, wird diese Harmonische durch den
Resonanzbereich des Filters verlaufen, wodurch die Amlilitude der Ausgangsspannung
dieses Filters und somit auch die Gleich spannung am Kondensator i i zunehmen und
einen Höchstwert aufweisen wird, um darauf wieder abzunehmen. Diese Gleichspannung
Vll ist nun senkrecht in Fig. 3 als Funktion von V$ aufgetragen und ist mit der
gestrichelten Kurve angegeben. Der angegebene Höchstwert liegt ganz links.
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Bei,weiterer Zunahme von V$ wird ein zweiter Höchstwert auftreten,
sobald die einunddreißigste Harmonische der Impulsfrequenz in den Du@rchlaßbereich
des Filters 8 fällt. Dies wird durch den zweiten Höchstwert von links von der gestrichelten
Kurve der Fig. 3 angegeben. Die Gleichspannung V11 wird selbstverständlich einen
Höchstwert bei allen jenen Werten von V$ aufweisen, bei denen eine (niedrigere)
Fourrierkomponente sich ''hinsichtlich der Frequenz mit der Resonanzfrequenz des
Filters 8 deckt.
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Nach dieser Überlegung denkt malt sich nun die Lage, welche entsteht,
wenn V$ nicht länger einer Batterie, sondern dem Kondensator i i entnommen wird.
Offenbar ist dann V$ = Vli. Diese Beziehung ist in Fig. 3 durch eine Linie C angegeben.
Diese Linie 'hat mit der gestrichelten Kurve eine Anzahl von nicht näher dargestellten
Schnittpunkten, die mögliche Lagen dieser Schaltung. angeben,. Man kann sich einfach
klarmachen, daß die Schnittpunkte rechts von jedem Höchstwert der gestrichelten
Kurve stabil sind und die anderen nicht. In der Umgebung dieser rechts liegenden
Schnittpunkte hat nämlich eine spontan auftretende Erniedrigung der Impulsfolgefrequenz
zur Folge, daß die Ausgangsspannung des Filters 8 zunimmt, da die durchgelassene
Harmonische der Impulsfrequenz näher
an die lZesonanzfrequenz des
Filters heranrückt. Dadurch nimmt VLl zu, und da Vg=Vll ist, nimmt auch V, zu. Dadurch
Nimmt die Impulsfr,-quenz wieder zu, so daß <las spontane Absinken hintangehalten
wird.
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Wenn die Stärke vier Impulse (die im Spannung-Zeit-Diagramm enthaltene
Fläche) konstant ist und somit nicht voti der Frequenz abhängt, werden die aufeinanderfolgenden
\laxiina der gestrichelten Kurve in Fig. 3 stets hei höheren Werten von Vli zur
Auflage koninien, wie dies durch die ansteigende Linie .9 angegeben ist. Dies rührt
daher, daß (las Filter im Falle der kesonanz durchschnittlich je Periode der Resonanzfrequenz
einen um so größeren Betrag der je Impuls zugeführten Energie zugeführt bekommt,
je niedriger die Harmonische ist, bei der die lZesonanz auftritt. 1)ie zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Impulsen liegendeZa'hl der Perioden der lZesonanzfrequenz
ist ja gerade gleich der Rangnuinmer dieser Ilannonischen.
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Hat Vg ei-nen solchen Wert, daß die Resonanzfrequenz des Filters 8
gerade in der Mitte zwischen zwei HarinonisAen der Impulsfrequenz liegt, so ist
die Ausgangsspannung dieses Filters und somit auch V11 dennoch nicht gleich Null,
da das Filter nunmehr diese beiden Ilartnonischen, obgleich verhältnismäßig stark
gedämpft, <loch in geringem Maße durchlassen wird. Daher weist die gestrichelte
Kurve auch Minima bei positiven Werten von r'" auf.
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Es ist vorteilhaft, diese Minima zu beheben, indem (lein in d.eü Gleichrichterkreis
eingefügten Gleichrichter io eine negative, von der Batterie 12 gelieferte Vorspannung
zugeführt wird. In Fig.3 hat dies eine Verschiebung der gestrichelten Kurve nach
unten zur Folge, wodurch die gestrichelte in die ausgezogene Linie übergeht. Zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Maxima von V" liegt nunmehr ein Bereich in (lern V11 =
o. In diesem Bereich verhütet der Gleichrichter to, (laß der Kondensator ii eine
negative Spannung aufweist. Die Linie C schneidet nunmehr (s. Fig. 3) alle Resonanzflanken,
und es ergibt sich außerdem, daß die Stabilität sämtlicher stabilen Schnittpunkte
vergrößert ist. Die SÜlieitelverbindu.ngslinie _d geht nunmehr in die Linie 13 über.
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Wird einer der Elektroden der Röhre i, z. B. (lein Steuergitter, zwischen
den Klemmen 13 und 1:I, ein Spannungsimpuls zugeführt, so wird sich infolgedessen
die Inipulsfolgefrequenz zeitweise @indern. hält der Spannungsimpuls genügend lang
an, so liat unterdessen die Spannung Vll einen anderen Wert angeiioninieu, so daß,
wenn der Spannungsinipuls vorül>(#r ist, die Schaltung in eine neue (ileichgewickitslage
versetzt worden ist.
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l)ie zu zählenden Impulse werden nun einer Elektro(Ie der Röhre t,
z. B. über die Atischlußklemmen 13, 14 der Steuerelektrode, zugeführt.
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Ursprünglich erzeugte der Sperrschwinger Impulse finit einer l)estimtnteii
Frequenz, und eine ihr entsprechende Kondensatorspannung V" trat auf.
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jeder zti zählende Impuls bewirkt nun einen Chergang nach einer iiiiclistfolgenden
stabilen Einstellung, wodurch ein Spannungsanstieg am Kondensator entsteht, so daß
die Spannung V" nach Eichung der Schaltung zum Zählen der zugeführten Impulse verwendbar
ist. Die Spannung 111 läßt sich mittels des in Reihe mit dem Widerstand
I I gelegten Meßgerätes festlegen.
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Wird nun z. B., wie in der Fig. 2 nicht näher dargestellt, parallel
zum Kondensator i i die Reihenschaltung einer Batterie eines Widerstandes und einer
Entladungsröhre mit bestimmter Durchschlagspannung geschaltet, so kann durch eine
solche Wahl der Batteriespannung, daß die Durchschlagspannung der Röhre nach einem
z. B. zehn gezählten Impulsen entsprechenden Spannungsanstieg des Kondensators i
i erreicht wird, der Kondensator entladen werden.
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Nachdem also zehn Impulse der Röhre i zugeführt worden sind, kehrt
die Schaltung in ihren ursprünglichen Zustand, also ohne Gittervorspannung, zurück
und ist erneut fertig zum Zählen von zehn Impulsen. Nach je zehn Impulsen kann dem
Widerstand im Entladekreis des Kondensators ein Impuls entnommen werden, der einer
Elektrode einer Röhre der nächstfolgenden Zählschaltung zugeführt werden kann.
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Bei der Schaltung nach Fig.2 ist eine andere, jedoch besonders vorteilhafte
Lösung zum Entladen des Kondensatots angegeben. Parallel zum Kondensator liegt die
Reihenschaltung eines Widerstandes 15 und einer gittergesteuerten Gasentladungsröhre
16.
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Dem Steuergitter der Röhre 16 wird eine Spannung zugeführt, die, gegebenenfalls
nach nicht dargestellter Gleichrichtung, dem Schwingungskreis 17 entnommen wird.
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Der Kreis 17 ist über einen Transformator in den Ausgangskreis der
Röhre i des Impulsgenerators eingefügt. Er ist auf diejenilge Impulsfrequenz des
Sperrschwingers abgestimmt, welche auftritt, nachdem eine gewisse Zahl der zu zählenden
Impulse, z. B. zehn, der Röhre i zugeführt worden sind.
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Sobald zehn Impulse gezählt worden sind, tritt am Kreis 17 eine Wechselspannung
auf, so d'aß sich die Röhre 16 öffnet und am Widerstand 15 ein Spannungsimpuls auftritt,
der einer nachfolgenden Zählschaltung zugeführt werden kann.
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Unter Zuhilfenahme der Batterie 18 kann dem Steuergitter der Röhre
16 eine entsprechende negative Vorspannung zugeführt werden.
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Eine solche Schaltung zum Entladen des Kondensators i i hat den Vorteil,
daß sie nahezu unabhängig von Spannungsschwankungen ist und auch beim Ersatz der
Röhre 16 durch eine andere kein schwierige Einstellung erfordert.