<Desc/Clms Page number 1>
Messverstärker zur Messung elektrischer Ladungen
Die Erfindung betrifft einen Messverstärker zur Messung elektrischer Ladungen, der aus einer hochohmigen Elektrometerstufe und einem nachgeschalteten Verstärker besteht und eine kapazitive Gegenkopplung vom Ausgang des Verstärkers auf den hochohmigen Eingang der Elektrometerstufe aufweist,
Mit der fortschreitenden Entwicklung der Messtechnik und der Automation gewinnen die mechanischelektrischen Messwandler eine immer grössere Bedeutung. Dies gilt vor allem für die bekannten piezoelektrischen und kapazitiven elektrostatischen Wandler. Bei diesen Wandlern wird die Grösse einer elektrischen Ladung beeinflusst und es ist erforderlich, die Grösse dieser Ladung bzw. die Grösse der durch die Ladung bedingten Spannung zu messen, ohne dass dabei eine wesentliche Ladungsmenge abgeführt wird.
Es ist bekannt, Ladungsmessungen mit sogenannten Elektrometerve stärkern auszuführen, die sich von üblichen Verstärkern im wesentlichen dadurch unterscheiden, dass in der esten Verstärkerstufe eine Elektrometerröhre verwendet wird, die sich durch eine besonders gute Isolation der Gitterzuleitungen und einen geringen Gitterstrom auszeichnet. Auf diese Weise gelingt es, den Eingangswiderstand der ersten Verstärkerstufe gross genug zu halten, um wesentliche Störungen des Messergebnisses zu vermeiden. Zur Erlangung kleiner Gitterströme ist jedoch ein spezieller Aufbau und eine besondere Betriebsart der Elektrometerröhre notwendig.
Der Aufbau bedingt, dass die Röhrenkenn1inien stark gekrümmt sind, was zu Schwierigkeiten führt, wenn lineare Zusammenhänge zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal erwünscht sind, was in der Messtechnik meistens der Fall ist. Die besondere Betriebsart, die in der Anwendung einer besonders niedrigen Anodenspannung und eines entsprechend niedrigen Anodenstromes besteht, erlaubt es nicht, eine hohe Verstärkung und einen guten Frequenzgang der Verstärkerstufe zu erreichen.
Es ist bekannt, dass die ungünstigen Eigenschaften einer Verstärkerstufe mit Elektrometerröhre durch eine kapazitive Gegenkopplung vom Verstärkerausgang auf den hochohmigen Eingang weitgehend aufgehoben werden können, vorausgesetzt, dass der Kondensator praktisch verlustlos ist. Ein derart gegengekoppelter Verstärker ist in der Schweizer Patentschrift Nr. 267431 beschrieben. Schaltungstechnisch ähnelt die bekannte Anordnung stark einem Miller-Integrator. Bei diesem Verstärker wird die auf das Gitter der Elektrometerröhre gegebene Ladung sofort durch eine Ladung umgekehrter Polarität, die vom Ausgang des Verstärkers über die Gegenkopplungskapazität auf den Eingang des Verstärkers gegeben wird, zum grossen Teil kompensiert.
Wie hoch der Grad dieser Kompensation ist, hängt vom Spannungsverstärkungsfaktor und dem Verhältnis von Gegenkopplungskapazität zur Parallelkapazität am Gitter ab. Die Empfindlichkeit einer solchen Messanordnung ist in erster Linie durch die Grösse der Gegenkopplungskapazität bestimmt, die sich in Form eines genau kalibrierten, hochisolierendenKondensatorsrealisieren lässt. Die Grösse des Spannungsverstärkungsfaktors ist von sekundärer Natur, jedoch muss dieser Faktor wesentlich grösser als 1 sein.
Die bekannten Verstärker dieser Art bestehen aus einer Kombination einer Elektrometerstufe mit einem nachgeschalteten Transistorverstärker, dessen Ausgang über eine Kapazität auf den Eingang gegengekoppelt ist. Die Vorteile der kapazitiven Gegenkopplung, wie hohe Zeitkonstante für den Ladungsabfluss, Unabhängigkeit des Empfindlichkeitsfaktors von Parallelkapazitäten, niedriges Rauschen, gute Linearität, kleiner Gitterstrom, kleine Drift, geringe Abhängigkeit von Netzspannungsschwankungen und eine geringe Veränderung der Empfindlichkeit des Gerätes durch Alterung kommen um so mehr zur
<Desc/Clms Page number 2>
Geltung, je grösser der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist. Die Verstärkung kann jedoch nicht beliebig hoch getrieben werden.
Je höher die Verstärkung ist, desto grösser ist nämlich die Schwingneigung der Schaltung, da für gewisse hohe Frequenzen Phasenverschiebungen auftreten, die unter Umständen zu einer Rückkopplung statt zu einer Gegenkopplung und damit zu einer Selbsterregung des Systems führen kann. Störungen durch Selbsterregung können durch eine starke Dämpfung hoher Frequenzen vermieden werden. Durch eine frequenzabhängige Dämpfung wird aber der Frequenzgang des Verstärkers verschlechtert. Die Forderung, dass der Frequenzgang bis 200 kHz flach sein soll. macht es bei den bekannten Ladungsmessverstärkern unmöglich, einen Verstärkungsfaktor von 1000 zu überschreiten.
Es ist weiterhin bekannt, zur Gleichspannungsverstärkung das Trägerfrequenzverfahren anzuwenden.
Bei diesem Verfahren wird die Messspannung mit Hilfe eines Modulators zerhackt oder an einen Schwingkondensator gelegt, als Wechselspannung verstärkt, demoduliert und dann zur Anzeige gebracht. Ein solcher Trägerfrequenzverstärker ist sehr stabil, jedoch hat ein Modulator nur einen relativ geringen Eingangswiderstand, so dass er nicht unmittelbar als Ladungsverstärker geeignet ist, während ein Schwingkondensator praktisch nur zur Messung statischer Ladungen geeignet ist und deshalb bei Anwendung eines Schwingkondensators noch weniger als bei Anwendung eines Zerhackers als Modulator, der noch geringe Frequenzen verarbeiten kann, schnell wechselnde Ladungen gemessen werden können. Ausserdem ist der Einsatz eines Schwingkondensators mit einem erheblichen Aufwand verbunden, der in vielen Fällen untragbar ist.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ladungsmessverstärker zu schaffen, bei dem unter Verzicht auf guten Frequenzgang eine besonders gute Stabilität und kleine Drift gewünscht wird. Dieser Messverstärker soll insbesondere zu statischen piezoelektrischen Messungen geeignet sein. Es ist grundsätzlich möglich, eine gute Stabilität und kleine Drift durch eine sehr hohe Verstärkung zu erzielen, jedoch hat bei den bekannten Gleichspannungsverstärkern eine solche Erhöhung der Spannungsverstärkung zugleich eine Zunahme der Eigendrift des Verstärkers zur Folge, deren Einfluss durch eine starke Gegenkopplung zwischen Ausgang und Eingang des Verstärkers nicht unterdrückt werden kann und deshalb zu Verfälschungen des Messergebnisses führen würde.
Diese Schwierigkeiten werden durch die Erfindung dadurch überwunden, dass bei einem Messverstärker der eingangs genanntenArt als Verstärker ein an sich bekannter Trägerfrequenzverstärker Verwendung findet und zwischen diesem Verstärker und die Elektrometerstufe ein Kapazitätsdiodenmodulator eingeschaltet ist, in dem die zu verstärkende Gleichspannung einer von einem besonderen Oszillator erzeugten Trägerfrequenz aufmoduliert wird und dessen Kapazitätsdioden auf dem elektrischen Potential der Anode der Elektrometerröhre arbeiten, und dass dem Trägerfrequenzverstärker ein Demodulator nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal zugleich der Elektrometerstufe als Gegenkopplung zugeführt wird.
Durch die Erfindung werden also die guten Eigenschaften eines Gleichstromverstärkers, der als Eingangsstufe eine hochohmige Elektrometerstufe und eine kapazitive Gegenkopplung vom Ausgang des Verstärkers auf den hochohmigen Eingang aufweist, mit den guten Eigenschaften eines Trägerfrequenzverstärkers kombiniert, wodurch erst die erwünschte hohe Stabilität und geringe Drift erzielt wird. Bei dem erfindungsgemässen Verstärker ist darüber hinaus von Vorteil, dass durch die Anwendung eines Kapazitätsdiodenmodulators, dessen Kapazitätsdioden auf dem elektrischen Potential der Anode der Elektrometerröhre arbeiten, nur eine Speisespannung benötigt wird, während bei Gleichstromverstärkern normalerweise zwei Speisespannungen, nämlich eine positive und eine negative Speisespannung, erforderlich sind.
Durch die Erfindung wird also über die erhöhte Stabilität hinaus auch noch eine Vereinfachung der Schaltung erzielt, wobei besonders zu berücksichtigen ist, dass die Speisespannungen stabilisiert sein müssen, so dass die Einsparung einer Speisespannung einen erheblichen Vorteil bedeutet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Trägerfrequenzverstärker als Transistorverstärker mit einer für die Gegenkopplung vernachlässigbar kleinen Phasenverschiebung ausgebildet ist, dessen Bandbreite wesentlich grösser ist als der Durchlassbereich eines dem Modulator nachgeschalteten Kristallfilters. Die Anwendung eines solchen Verstärkers in Verbindung mit Kristallfilterner- möglicht trotz der relativ grossen Bandbreite eine Verstärkung in der Grössenordnung von 500 000, ohne dass der Verstärker gefährliche Schwingneigungen zeigt.
Innig. l der Zeichnungen ist das Schaltbild eines Verstärkers nach der Erfindung dargestellt, während die Fig. 2a und 2b Durchlassdiagramme der in der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten Filter darstellen.
Der in Fig. l veranschaulichte Verstärker besteht aus einer Elektrometerstufe, deren Ausgangssignal nach dem Trägerfrequenzverfahren verstärkt und über eine Gegenkopplungskapazität auf das Gitter der Elektrometerröhre wieder gegengekoppelt wird. Dem Trägerfrequenzverstärker ist ein Kapazitätsdiodenmodulatorvorgeschaltet, der nachdem Vorschlag der Firma Tungsram der in dem Schemablatt U 305 VRG 0
<Desc/Clms Page number 3>
enthalten ist, mit Silizium-Kapazitätsdioden arbeitet.
Der Verstärker nach Fig. l weist eine Elektrometereingangsstufe auf, die eine Elektrometerröhre 2 umfasst. Das Eingangssignal wird mit Hilfe des Leiters 1 an das Gitter der Elektrometerröhre 2 gelegt. Das an der Anode dieserElektrometerröhre aufcretendeAusgangssignal wird über die Leiter 3 und 4 sowie den Widerstand 5 an die Kapazitätsdioden 6 und 7 angelegt, die zusammen mit den Widerständen 8,9 und 10 sowie den Kondensatoren 11 und 12 einen Modulator bilden. Dieser Modulator wird mit Hilfe eines Transformators 13 mit einer Trägerfrequenz von 455 kHz gespeist. Die Elemente 6 - 12 des Modulators bilden eine elektrische Brückenschaltung, die von dem Transformator 13 an zwei Diagonalpunkten gespeist wird.
Mit dem Widerstand 10 und den Kondensatoren 11 und 12 kann die Brücke in bezug auf Betrag und Phase so abgeglichen werden, dass keine Hochfrequenz über den Lei- ter 14 auf das Filter 15 gelangt, wenn die Elektrometerstufe nicht ausgesteuert ist. Zu diesem Zweck ist der Spannungsteiler, der von den Widerständen 16, 17a und 17b, der Kathode 18 der Elektro- meterröhre 2 und den Widerständen 19 und 20 gebildet wird, so abgeglichen, dass die Leiter 4 und 21 dasselbe elektrische Potential führen, wenn am Eingang der Elektrometerröhre, also auf dem
Leiter 1. Erdpotential herrscht. An den Kapazitätsdioden 6 und 7 liegt unter diesen Bedingungen keine Gleichspannung.
Sobald jedoch auf den Leiter l eine Ladung gelangt, ändert sich die Spannung an der Anode der Elektrometerröhre und damit auf dem Leiter 4, so dass gegenüber dem Leiter 21 ein Spannungsunter- schied besteht und an die Kapazitätsdioden 6 und 7 eine Spannung angelegt wird, durch die die Kapa- zität der einen Diode erhöht und die der andern Diode erniedrigt wird. Infolgedessen ist nun das Gleich- gewicht der Modulatorbrücke gestört und es gelangt über den Leiter 14 eine Hochfrequenzspannung auf das Filter 15. Der Widerstand 5 verhindert das Kurzschliessen dieser Hochfrequenzspannung durch den an Erde 23 gelegten Kondensator 22.
Das Filter 15 wird von einem piezoelektrischen keramischen Schwinger mit mehreren Elektroden gebildet. Dieser Schwinger wird über die Elektrode 24 angeregt, während über die Elektrode 25 die Hochfrequenzspannung wieder abgenommen und der Basis des Transistors 26 zugeführt wird. Die Transtoren 26,27 und 28 bilden mit den zugehörigenschaltelementen einen breitbandigenHochfrequenz- verstärker mit geringer Phasenverschiebung. Der Transistor 28 speist einen Transformator 29, der mit einem Kondensator 30 primärseitig auf die Trägerfrequenz abgestimmt ist. An den Transformator 29 ist sekundärseitig ein Demodulator angeschlossen, der aus den Dioden 31 - 34 und den Widerständen 35 - 38 besteht.
Es handelt sich um einen Ringdemodulator, der in bekannter Weise arbeitet und von einem Transfomator 39 mit der Referenzspannung gespeist wird. Der an den Mittelabgriffen der Transformatoren 29 und 39 erhaltene Gleichstrom wird durch den Kondensator 40 geglättet und speist die Belastungswiderstände 41 und 42. Die Ausgangsspannung wird an dem Mittelabgriff 43 des Ausgangstransformators der letzten Verstärkerstufe abgenommen und steht an der Klemme 44 zur Verfügung. Die Widerstände 41 und 42 bilden einen. Spannungsteiler, an dem ein Zehntel der Ausgangsspannung abgegriffen wird. Dieser Teil der Ausgangsspannung wird über die Leitung 45, den Schalter 46, einender Kondensatoren 47a, 47b usw. und den Leiter 48 auf den Eingang 1 der Elektrometerstufe gegengekoppelt.
Ein Schalter 49 dient dazu, den eingeschalteten Kondensator der Kondensatorserie 47a, 47b usw. zu überbrücken und dadurch die Ladung dieses Kondensators in der Weise zu neutralisieren, dass der Nullpunkt des Gerätes wieder hergestellt wird.
Die Trägerfrequenz wird von einem Oszillator erzeugt, der den Transistor 50 und das piezoelektrische Filter 51 umfasst. Das Filter wirkt in bekannter Weise als Schwingkristall. Die Elektrode 52 dieses Filters ist mit dem Kollektor des Transistors 50 verbunden und regt den Schwingkörper des Filters zu Schwingungen an. Die zweite Elektrode 53 des Filters steht mit der Basis des Transistors 50 in Verbindung und dient zur Aussteuerung des Oszillators. Als Filter 15 und Schwingkristall 51 werden gleichartige Filter mit der gleichen Durchlassfrequenz verwendet. Trotzdem schwingt der Oszillator nicht unbedingt auf der Mitte des Durchlassbereiches. Deshalb ist es zweckmässig, dem Filter 52 des Oszillators einen abstimmbaren Kondensator 54 parallelzuschalten, der es ermöglicht, die Oszillatorfrequenz auf die Mitte der Durchlasskurve des Filters 15 einzustellen.
Die Leitung des Oszillators ist ausreichend, um den Kapazitätsdiodenmodulator zu speisen, nicht aber als Bezugssignal für den Demodulator. Deshalb wird das Ausgangssignal des Oszillators verstärkt, bevor es über den Transformator 39 dem Demodulator zugeführt wird. Zu diesem Zweck ist der Ausgang des Oszillators über eine Leitung 55 und einen Phasenschieber, der aus einem Widerstand 56 und einem Kondensator 57 besteht, mit der Basis eines Transistors 58 verbunden, in dessen Kollektorkreis die Primärwicklung des Transformators 39 liegt. Zur Erzielung grosser Spannungen und Eliminierung von
<Desc/Clms Page number 4>
Phasenverschiebungen ist auch der Transformator 39 primärseitig mit Hilfe eines Kondensators 59 auf die Oszillatorfrequenz abgestimmt.
Der Phasenschieber 56,57 ermöglicht es, die Phase des Bezugssignals genau auf die Phase des Ausgangssignals des Verstärkers abzustimmen.
Wird beim Betrieb des erfindungsgemässen Verstärkers auf den Eingang 1 ein Wechselstromsignal mit der Frequenz gegeben, so wird die Trägerfrequenz Wo mit Hilfe des Modulators zig moduliert und es gelangen auf das Filter 15 nur die Seitenbandsignale mit den Frequenzen Wo + wl und fü-tf, die beide die gleiche Amplitude haben. Wie erwähnt, ist das Filter 15 auf die Trägerfrequenz M abgestimmt. Infolgedessen stimmen die Frequenzen der Seitenbänder nicht mit der Eigenfrequenz des Filters überein.
In Fig. 2a ist die Durchlasskurve des Filters 15 und der Frequenzgang dieses Filters dargestellt. Wie Fig. 2 a zeigt, entsteht durch die Frequenzabweichungen der Seitenbänder eine Phasenverschiebung, die aber nicht zu Störungen führt, wenn die beiden Seitenbandsignale im Demodulator wieder die gleiche Amplitude haben und die Bezugsspannung genau zu der ursprünglichen Spannung (t) phasengleich ist. Aus dem Diagramm nach Fig. 2b ist ersichtlich, dass die beiden Seitenbänder das Filter 15 mit ungleicher Amplitude passieren, wenn die Oszillatorfrequenz h) nicht genau mit der Resonanzfrequenz des Filters 15 übereinstimmt. Das gleiche gilt auch für den primärseitig abgestimmten Transformator 29.
Aus diesem Grunde ist der Kondensator 54 vorgesehen, der einen ge- nauen Abgleich von auf die Resonanzfrequenz des Filters 15 ermöglicht.
Der Verstärker mit den Transistoren 26,27 und 28 ist bewusst breitbandig ausgeführt, um Phasenschwierigkeiten, die sich aus den sonst zwischen den Verstärkerstufen üblichen Filtern oder abgestimmten Transformatoren ergeben, zu vermeiden. Die besondere Bedeutung des aus dem Widerstand 56 und dem Kondensator 57 bestehenden Phasenschiebers und der Abstimmung des Primärkreises des Transformators 39 mit Hilfe des Kondensators 59 liegt weniger in dem Bestreben, einen maximalen Wirkungsgrad des Demodulators zu erreichen, als darin, gefährliche Phasenverschiebungen auszuschliessen. Ausserdem werden auch noch durch den Kondensator 22 hohe Frequenzen des zu verstärkenden Signals stark gedämpft.
Mit der beschriebenen Anordnung werden ohne Selbsterregung Spannungsverstärkungen von 500000 bei einem bis 1000 Hz flachen Frequenzgang erzielt. Die grosse Verstärkung, die allein zur Erzielung einer guten Stabilität und einer geringen Drift dient, würde wenig nützen, wenn der Verstärker selbst eine starke Drift hätte, wie sie bei Gleichstromverstärkern vorhanden ist. Der verwendete Trägerfrequenzverstärker zeichnet sich dagegen durch eine geringe Drift aus und macht es erst möglich, die Vorteile der kapazitiven Gegenkopplung voll auszunutzen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Messverstärker zur Messung elektrischer Ladungen, der aus einer hochohmigen Elektrometerstufe
EMI4.1
tet ist, in dem die zu verstärkende Gleichspannung einer von einem besonderen Oszillator (50) erzeugten Trägerfrequenz aufmoduliert wird und dessen Kapazitätsdioden auf dem elektrischen Potential der Anode der Elektrometerröhren arbeiten, und dass dem Trägerfrequenzverstärker ein Demodulator (31-34) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal zugleich der Elektrometerstufe als Gegenkopplung zugeführt wird.