DE2009529A1 - Digitale Rechenschaltung mit automatischer Nullpunkteichung - Google Patents
Digitale Rechenschaltung mit automatischer NullpunkteichungInfo
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Description
The Perkin Eimer Corporation, Norwalk, Oonnecticut/USA
Digitale Rechenschaltung mit automatischer Nullpunkt ei ohung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung
einer Ausgangsgröße als Funktion eines ersten vari-ablen Signals
und eines zweiten Signals nach einer gewünschten mathematischen Beziehung mit einem ersten und einem zweiten Signaleingang
und einer Rechenschaltung, die an <?3n Signaleingängen
anliegt zur Berechnung der besagten Punktion des
ersten und des zweiten Signals„
Die Erfindung bezieht sich speziell auf digitale Konzent'rationsausgabesysteme,
welche in digitaler Form einen Ausgang proportional dem Logarithmus nach der Basis 10 zweier
Eingangssignale, beispielsweise zweier verschiedener Gleichspannungen
liefert. Solche Rechenschaltungen sind in der
vorliegenden Beschreibung als "Konzentrations"-Ausgabesysteme bezeichnet, da die Konzentration einer "unbekannten"
absorbierenden Probe bei Zweistrahlspektrophotometern theoretisch proportional dem Logarithmus des Verhältnisses
der beiden Eingangssignale- (IQ und I) ist, welche die Intensitäten eines ursprünglich gleich starken "Lichtquellen"-Strahlungsbündels
sind,·nachdem dieses jeweils einen
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Postscheckkonto Essen 47247 ■ Commerzbank AG, Düsseldorf, Dsposltenkaaae Hauptbahnhof
"Referenzstrahlengang" und einen "Probenstrahlengang"
durchlaufen hat, in viel ehern letzteren die Probe angeordnet
ist»
Bs ist eine Logarithm!erschaltung mit analogem Eingang
und digitalem Ausgang bekannt, die auf der Ausnutzung der exponentiellen Zeitabhängigkeit einer Kondensatorentladung
beruht. Ein Kondensator wird über einen parallelen Widerstand entladen. Ein Zähler ist mit einem frequenzkonstanten
Taktgeber über eine -Torschaltung verbunden. Ein erster Schwellwertfühler öffnet die Torschaltung,
wenn die Kondensatorspannung einen ersten Wert unterschreitet und ein zweiter Schwellwertfühler
sperrt die Toraehaltung wieder, wenn die Kondensatorspannung
einen zweiten Schwellwert unterschreitet. Die Kondensatorspannung fällt nach Abschalten einer Ladespannungsquelle
exponentiell ab. Die Zeit zwischen der Feststellung der Gleichheit dieser abfallenden Kondensatorspannung
mit dem besagten ersten und mit dem besagten zweiten Wert ist proportional dem Logarithmus
des Verhältnisses dieser beiden Werte. Dadurch, daß während dieser Zeit ein frequenzkonstanter Taktgeber
mit dem Zähler verbunden ist, liefert der Zähler diesen Logarithmus in digitaler Form (DAS 1 250 550) a
Die Schaltungsanordnung; nach der vorliegenden Erfindung
kann zwar verwendet werden, um den Logarithmus des Verhältnissuη irgendwelcher zweier Ein^m^sui^-
nale, z,B. Spannungen, zu bilden odor mit geringfügigen
Abwandlungon auch andere Punktionen zweier Eingan^ssignale
r,u bilden, es soll aber der Klarheit und Anschaulichkeit der Erlriuterung halber angenommen werden,
daß die Einginge der digitalen KoiiKen ti'a tioiUi;:iu.~
feabeschaltun^ d i ο gleich, ;βι·ί. elite ton ■ Π. ο lollop: aiming*;--
0098A1/11U
signale sind, welche die Intensitäten (lQ bzw„ I) des
Referenz- und des Probenstrahlenbündels in einem Absorptions spektropho tome ter darstellt.. Dieses Spektrophotometer
kann beispielsweise ein Atomabsorptionsspektrophotometer Modell 303 der Perkin Eimer· Corporation sein.
Ein solches Atomabsorptionsspektrophotometer ist in einem Aufsatz "An Atomic Absorption Spectrophotometer"
von Herbert L. Kahn und Walter Slavin in Applied Optics,
^and 2 ITr0 9 (September 1963) auf Seite 931 - 936 beschrieben.
Fig. 2 auf Seite 932 dieses Aufsatzes von Kahn und Slavin zeigt ein. Optikschema des Gerätes mit ||
dem Photomultiplier-Detektor, während Fig. 1 auf der
gleichen Seite des besagten Aufsatzes die gleichen Bauteile in Blockform längs der Oberseite der Figo zeigt
und außerdem ein Blockdiagramm der normalen Signalverarbeitungselektronik
des Modell 303 (ohne irgendeine digitale Konzentrationsausgabeschaltung) im unteren
Teil dieser Fig«, 1, Dieser Aufsatz beschreibt wie gesagt
das gesamte Gerät und zeigt auch im einzelnen einige der speziellen Teile; Beispielsweise ist die
Signalweiche in Fig* 6 auf Seite 935 des Aufsatzes dargestellt. Da die Schaltung nach der Erfindung zur
Messung der oben erwähnten oder ähnlichen Funktionen j
zv/eier Spannungssignale auch bei anderen Geräten und ."
insbesondere auch bei anderen Absorptionsspektrophotometern
verwendet v/erden kann, werden in der vorliegenden Beschreibung die optischen Teile und die elektrische
Signe.lv/eiche eines ■ Sp.e.ktrophotometers nicht
näher beschrieben.Es wird vi'elmerh angenommen, daß die
Eingangssignale für die Schaltung nach der Erfindung
schon in Gleichspannungsform hinter der Signalweiche
(Fig* 6 auf :deite. 935 des-vorerwähnten Aufsatzes)
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gebracht sind, wie das als Proben- und Referenzsignal
in Fig,,. 6 auf Seite 935 des Aufsatzes gezeigt ist. Da
das Referenzsignal normalerweise als ^-Signal in der
Spektroskopie bezeichnet wird und das Probensignal gewöhnlich als I bezeichnet ist, wird diese Nomenklatur
zur Bezeichnung dieser Ausgangssignale der Signalweiche benutzt.
Der Erfindung liegt die Aufagabe zugrunde, eine verbesserte
Schaltung zur Bildung einer Punktion zweier fe elektrischer Eingangssignale in digitaler Form (beispielsweise
des Logarithmus des Verhältnisses) zu schaffen.
Eine speziellere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine solche Schaltung zu schaffen, bei welcher die
Schaltung a.uf einen Befehl hin automatisch ihren eigenen
Ausgang abgleicht (z.B. die Logarithmusfunktion auf null nachstellt), wenn die beiden Eingangssignale
als gleich angesehen werden, so daß sich eine Eichung mit einem "automatischen Abgleich" (oder
"automatischer Null-Nachstellung") ergibt.
P Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an den beiden Signaleindungen eine Vergleichsschaltung
zum Vergleichen eines "Leersignals" an dem ersten Eingang mit einem zweiten Signal :m dem zweiten
Eingang und zur Bildung einer zweiten mathematischen Punktion dieser Größen anliert, daß mit der
Vergleichsschaltung eine automatische .Nacheichschaltung
verbunden ist, durch weiche wenigstens eines der Signale an einem der Signaleingänge nach einer
dritten mathematioehen Operation in seimu* Wirkung
so veränderbar ist, daß die besagte r.weit'e mathematische
Punktion einen speziellen vorgegebenen Wert
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-.5 - ■ ■
annimmt, daß mit der Nacheichschaltung ein Eichspeicher
■verbunden ist, durch den die besagte dritte mathematische Operation speicherbar ist, die erforderlich ist, um die
zweite Punktion auf dem vorgegebenen Wert zu halten, und daß durch die Schaltung die gespeicherte dritte mathematische
Operation auf Signale angewendet wird, die während .der nachfolgenden Arbeitsschritte der Rechenschaltung
an wenigstens einem der Signaleingänge auftreten, wodurch unerwünschte Schwankungen der Signalquellen des
ersten und des zweiten Signals für die Rechenoperationen der Rechen schaltung- ausgeglichen werden.
Die vorliegende Erfindung führt beispielsweise die Operation der Bildung des Logarithmus des Verhältnisses
von I0 (der Referenzbündelintensität) su I (der Probenbündelintensität)
durch, und zwar durch die Technik, daß die Intensität des größeren I0-Signals ir. ihrer
Wirksamkeit vermindert wird, bis sie zu dem zu messenden I-Signal gleich ist, so daß das Verhältnis des
verminderten Iq-zu . I eins ist und der Logarithmus dieses Verhältnisses daher Null wird. Außerdem soll
die Ausgabe sowohl in digitaler als auch in logarithmischer Form vorliegen, so daß verschiedene Arten
von digitalen Ausgabevorrichtungen ( z.B. Digitalzähler, ETIXIE-Röhren, digitale Datenverarbeitungsvorrichtungen o. dgl.) den Ausgang der Schaltung direkt
in Einheiten von Probenkonzentration erhalten können. Nach dem bekannten Lambert-Beer"sehen Gesetz
ändert sich die Konzentration der Probe direkt mit dem Logarithmus zur Basis-10 des Verhältnisses IQ/l>
so daß die letztere Größe als "Absorptionsvermögen11 der Probe bezeichnet wird. Es ist daher wünschenswert,
die* Ausgangsinformation der Schaltung direkt in Einheiten
des Absorptionsvermögens der Probe zu erhalten,
~
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— D —
welches direkt proportional zu der Konzentration der Probe in dem Probenstrahlenbündel ist.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine automatische
Nachstellung der Schaltungsparanieter während einer Periode, wo keine Probe in dem Probenst'rahlengang ist,
so daß die Intensität des Referenzbündels, die immer noch I0 ist, und die Intensität des Probenbündels bei
Abwesenheit von Probe (etwa I) gleich sind» Da das
el
Absorptionsvermögen und natürlich die "Konzentration", die unter solchen Bedingungen gemessen werden, Null sein
sollten, so sollte gelten:
log
da I die Intensität des Probenbündels ohne Probe in
diesem darstellte Bei verschiedenen Zweistrahlgeräten kann eine Einstellmöglichkeit, gewöhnlich ein von Hand
betätigtes Potentiometer, vorgesehen werden, um die relative Abschwächung des In und Ir-Signals einzustellen
und diese vor Einführung der Probe zu Beginn der Analyse gleichzumachen. Bei einer Schaltung nach der
Erfindung wird dieser Nullstellvorgang automatisch zwischen den Probenläufen vorgenommen. Eo kann beispielsweise
ein einfacher Druckkastenschalter vorgesehen nein, so daß der Gerritebenutzer eine automatische Selbsteinstellung
der Schaltung auslösen kann, so daß d β zwischen
den Proben angezeigte Absorptionsvermögen auf Null gebracht wird. Bei aufwenigeren Geräten, beiöpielsweiee
bei automatischen Analysegeräten, bei denen eine Vielzahl von Proben automatisch dem Analysengerät
zugeführt wird, kann diooe automatische
— 7 —
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Nullnachstellung von der Probenzufuhrvorrichtung zwischen den einzelnen Probenzuführvorgängen oder einer
bestimmten Anzahl solcher Vorgänge ausgelöst werden. In anderen Worten kann das Gerät seine eigenen Schal- . . *
tungsparameter so nachstellen, daß sichergestellt ist, daß das Absorptionsvermögen beim Einsetzen einer Probe
in das ·Probenbündel wenigstens im wesentlichen frei
von Ungleichheiten zwischen Proben- und Referenzkanal ist, die nicht direkt von der tatsächlichen Probe hervorgerufen
sind.
Die Erfindung wird nachstehend an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehö-.rigen
Zeichnungen näher erläutert:
Pig, 1a und Pig. 1b sind teilweise schematische
Darstellungen einer bevorzugten Ausfüh- rungeform einer Schaltung nach der Erfindung
, ( die sowohl die gewünschte Rechnung
als auch.die automatische Nacheichung durchzuführen gestattet»
Pig«, 1c ist ein Blockdiagramm und zeigt die Art
und Weise, wie die beiden in Figo 1a und *
in Pig. 1b dargestellten Teile der Schaltung miteinander verbunden sind. ·
Pig. 2 ist eine graphische Darstellung und zeigt,
wie die Schaltung die Rechnung durchführt, so daß sich ein digitales Signal ergibt,
welches wenigstens proportional zu dem Logarithmus des Verhältnisses ihrer beiden
Eingänge (lQ und I) ist, und
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Fig. 3 ist eine ähnliche graphische Darstellung und zeigt, wie die Schaltung eine automatische
Null-Nacheichung durchführt, indem ein Signal proportional zur Differenz der beiden
Eingänge (lQ und Ia) erzeugt wird, wenn die
"beiden Eingänge aisgleich "angeGehen" werden,
ZoB. wenn keine Probe im Probenstrahlengang
eines Zweistrahlspektrophotometers vorhanden ist.
Allgemeine Beschreibung der Schaltang
Bevor auf die speziellen Einzelheiten der Schaltung eingegangen wird, soll eine allgemeine Beschreibung der normalen
Rechenoperation zur Bildung einer digitalen Ausgabe proportional zu dem Logarithmus mit der Basis 10 des Verhältnisses
Ύοη I^ zu I gegeben werden, wobei I0 das Referenzsignal, beispielsweise die Intensität eines Referenzbündels
eines Zweistrahlabsorptionsspektrophotometers
ist und I das unbekannte u-leichspannungssignal, beispielsweise
die Intensität des Probenbündels, nachdem dieses durch eine Probe mit unbekannter Konzentration hindurchgegangen ist. Zur Erläuterung der allgemeinen Wirkungsweise
wird auf das etwas vereinfachte Schaltbild in den beiden Teilen von PIg0 1 Bezug genommen und auf die Darstellung
von Fig«, 2, welche den Zeitablauf und die ungefähren Signalverl^ufe
zeigt, die bei den drei Stufen einen einsigen
Arbeitszyklus bei dem normalen Rechenvorgang auftreten. "Jie
in Figo 1 gezeigt ist, wird dan unbekannte Gleichi'pannun^s-Ein/ra])>-soi-nal
I :vi,;indi/; bei 10 über einen Widerstand 11 In
Eiiitfi.'iigsseiten eine:· j'a;:re3 von elel {::. oiii^'lien Schaltern 1
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bzw. 14 zugeführt. Jeder dieser Schalter ist in seinem
"normalen" Ausschaltzustand gezeigt. Der Ausgangskon*
takt des Schalters 12 ist"mit dem Eingang 16 einer -Integratorschaltung
verbunden, die generell mit 17 bezeichnet ist. Der Ausgang des Schalters H ist bei 18
geerdete Die größere Referenzgleichspannung IQ, die
beispielsweise die Intensität des Referenzbündels eines Zweistrahlabsorptionsspektrophotometers darstellt,
liegt ständig an der Eingangsleitung 20 und erreicht so die Eingangsseiten von elektronischen
Schaltern 22 und 24 über einen Widerstand 21. Der Aus- ^
gang des Schalters 22 ist über eine Leitung 26 mit '
dem Eingang einer zweiten Integratorschaltung 27 verbunden. Die Ausgangsleitung 28 des Schalters 24
ist nicht geerdet, wie. der äquivalente Ausgang des . Schalters 14, sondern ist stattdessen zu einer Stromgeneratorschaltung
29 für einen automatischen FuIlabgleich geführte
Eine (in Fig, 1 nicht dargestellte) Arbeitszyklus-Steuerlogik liefert während der ersten Stufe den
normalen Rechenzyklus der Schaltung (siehe Fige 2)
ein erstes ("Integrieren-") Signal S1 während der g
Zeit, während welcher die Eingangsgleichspannungen I, Iq den Integratoren 17 bzw. 27 zugeführt werden
sollen. Insbesondere wird S1 auf das Steuerelement 30
des Schalters 12 wie bei 32 angedeutet, gegeben, so daß es den Schalter schließt und damit die Spannung I
auf den Eingang des Integrators 17 schaltet. Während der übrigen Stufen des Zyklus, d.h„ wenn das ini;e- /
grieren-Signal S1 nicht vorhanden ist, bewirkt das ·
Steuerelement 34 des Schalters 14 die Erdung der Eingangsopannung I, da das Element 34 bei Abwesenheit
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eines Signals an seinem Eingang 36 so wirkt, wie es durch das übliche Negationssymbol 38 angedeutet ist. Auf ähnliche
Weise liegt während der ersten Integraticns-Stufe
(S-,) des normalen Rechenbetriebs ein I^-Satter-Signal an
41 und damit an dem Eingang 42 des Steuerelementes 40 r.n, so daß es gleichseitig den Schalter 22 schließt und das
Signal IQ an den Eingang des zweiten Integrators 27 anlegt.
Wenn das Ιφ-Gatter-Signal an den leitungen 41 und
damit an dem Eingang 46 des negativen (wie bei 45 angedeutet) Steuerelementes 44 anliegt, bleibt der Schalter
24 offen. Der Schalter 24 schließt in analoger Weise wie der Schalter 14 am Ende der Integrationsperiode (S1) und
verbindet so das Eingangssignal IQ mit der Schaltung 29
zu einem weiter unten erläuterten Zweck.
Jeder der Integratoren 17, 27 kann einen Operationsverstärker
50, 60 mit hohem Verstärkungsgrad aufweisen, der mit einer im wesentlichen rein kapazitiven Gegenkopplung
versehen ist. Die Ausgänge dieser Verstärker bei 52 bzs. 62 sind mit einer Gegenkopplungsschleife verbunden, die
die Ausgangsgegenkopplungsleitung 53, den Kondensator und die Eingangsgegenkopplungsleitung 55 mit dem Verstärker
17 und die gleichen Elemente 62, 63, 64 und 65 für den Verstärker 27 enthält. Eine normalerweise abgeschaltete
Kurzschlußstrecke liegt parallel eu den beiden Kondensatoren 54, 64 und dient zim Entladen oder
Rückstellen der Kondensatoren am Ende eines normalen ]:ocmu>iizyklus,
d.h. wenn das dritte Rucks teilsteuevsignal ο.λ
(ηiohe Fif% 2) erzeugt wird und bewirkt, d;::>
die normalerweise offenen elektronischen Schrltür 56, 6t>
schließen und daher eine Entladung der beiden Kondensatoren im wesentlichen im Kurzschluß über die Leitungen
und 58 h'/.vi, 67 und 68 bewirken. Da die elektronischen
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Schalter Feldeffekttransistoren sind, die auch im geschlossenen Zustand endliche Widerstandswerte von "beispielsweise
500 Ohm besitzen, erfolgt die Entladung
dieser Kondensatoren schnell aber mit endlicher Geschwindigkeit, wie bei 52c und 62c in Fig. 2 angedeutet
ist.
Während de,s Auftretens des Integrations-Signals S1,
wird jeder der Gegenkopplungskondensatoren 54 und 56 so aufgeladen, daß die Ausgangsspannung bei 52 bzwo 62
der Integratorschaltungen Spannungen annimmt, wie sie ^
in Figβ 2 als negative Spannungen dargestellt sind, die Ί
linear proportional zu der an ihre Eingänge 16, 26 an- gelegten
Gleichspannung sind, d.h. linear proportional zu den ursprünglichen Eingangssignalen I und Iq. Diese
integrierten Ausgangsspannungen sind mit I1 bzw«, Iq'
an den Ausgängen 52, 62 in Figo 1 bezeichnet, und die Art und Weise auf welche sie sich während der S1-Stufe
linear ändern, ist in Fig«, 2 bei 52a bzwo 62a graphisch
dargestellt. Da das ursprüngliche Eingangssignal IQ eine größere Gleichspannung ist als die ursprüngliche
Eingangsgleichspannung I ändert sich unter allen normalen Umständen die entsprechende Ausgangsspannung IQ'
am Integrator 27 (wie in Fig. 2 dargestellt ist)" schnei- f
ler als das entsprechende integrierte Ausgangssignale I'. Wenn die übliche Arbeitszyklus-Steuerlogik aufhört, das
erste Integrations-Signal S1 zu liefern, welches beispielsweise
eine Dauer von 100 msek. hat, werden die Eingänge 16, 26 der Integratoren 17, 27 gleichzeitig
geöffnet, so daß die ursprüngliche Eingangsgleichspannung I bzwo Iq davon abgeschaltet wird. Wie vorstehend
erwähnt, werden diese zrsprünglichen Eingangssignale
I, Iq geerdet bzw. der Schaltung 29 während der restlichen
Stufen eines normalen Rechenzyklus zugeführt»
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Die Ausgänge 52, 62 der Integratoren halten dann den erreichten Wert der an den jeweiligen Kondensatoren 54 und 64 anliegenden
Spannung, während der zweiten oder Zählstufe, die von dem zweiten "Rechnen"-Signal S2 gesteuert ist. Das ist
in Figo 2 bei I1' bzw. I0 11 dargestellt. Da diese Spannungen
auf diesem konstanten Niveau gehalten werden, wie in Fig. durch die horizontalen Linien 52b und 62b dargestellt ist,
und da die Vergleichsschaltung 70 nur in Betrieb gesetzt wird, wenn die Arbeitszyklus-Steuerlogik das zweite "Rech-
nen"-Signal S2 liefert, wie an den Steuereingängen 72, 118
angedeutet ist, werden die beiden Vergleichereingänge 74 und 76 tatsächlich nur benutzt, wenn die integrierten Ausgangssignale
If und Iq' auf diesem konstanten Wert I'f
bzw, I0'' gehalten sind. Aus diesem Grunde sind die oberen
beiden Eingänge der Schaltung 70 so bezeichnet, als würden sie diese konstanten integrierten Werte erhalten, obwohl
sie natürlich normalerweise auch die linear sich ändernden Werte I1 und I0' erhalten aber darauf nicht ansprechen.
Der allgemeine Zweck der Vergleichsschaltung 70 besteht darin, den "gehaltenen" Wert von I'' am Eingang 74 und den
"gehaltenen" Wert von Iq'! "bei 76 einzeln mit einer sich
ändernden Vergleichsspannung zu vergleichen und zu bestimmen,
wenn diese sich ändernde Vergleichsspannung (I^ am Eingang 78) jeden der einzelnen "gehaltenen" Werte
von I'' und I0 1' kreuzt, d.h. diesem Wert gleich wird.
Generell wird während der "Integrationsperiode" (S1 in
Fig. 2) IR auf einen Wert gebracht, der negativer ist als
das größere der beiden integrierten Signale I' und Iq', welches gewöhnlich Iq' ist. Während des Rechnen- oder Zahl-Teils
des Zyklus (S2) beginnt der am unteren Ende des geradlinigen Signalverlaufs 78& während der Integrations-Periode
erreichte Wert sich von seinem maximalen negativen
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Wert Ip1 zu entladen. Insbesondere wird es während eines
normalen Arbeitszyklus, doho bei einem Arbeitszyklus, der
die tatsächliche Berechnung der Probenstrahlintensität ' zum Gegenstand hat, exponentiell gegen Erdpotential absinken,'
beispielsweise durch einen Kondensator, der sich über einen Widerstand entlädt. Dann ist die Zeit zwischen
dem Zeitpunkt, wo diese exponentiell abfallende Spannung 78b die konstante negativere Spannung bei 62b, die direkt
proportional zu dem ursprünglichen IQ ist, im Punkt 81
kreuzt, und dem Zeitpunkt, wo diese exponentiell abfallen- g
de Spannung längs 28-b die konstante Spannung 52b, die pro- v
portional zu dem Probensignal I ist, im Punkt 82 kreuzt, proportional zu. dem Logarithmus des Verhältnisses von Iq
dividiert durch I. Diese Zeit ist daher direkt proportional dem gewünschten Logarithmus des Verhältnisses d-er
Eingangssignale, z.B. der Konzentration oder des Absorptionsvermögens
einer Probe in einem Zweistrahlabsorptions— spektrophotometer. Die Zeit selbst könnte als analoges
Signal benutzt werden, und sie wird in der Tat bei einer Art von Ausgang z.B. zu einem üblichen Schreiber so verwendet
und liefert eine direkte Anzeige des gemessenen Logarithmus des Verhältnisses der beiden Eingangssignale,
z.B. Konzentration oder Absorptionsvermögen. Diese Zeit wird jedoch auch in digitale Form umgesetzt, und zwardadurch,
daß diese Zeit, wie sie von der Vergleichsschaltung 70 bestimmt wird, verwendet wird um eine konstante
Impulsquelle an- und abzuschalten, so daß die Länge dieser Zeit in der Form einer ihr direkt proportionalen Anzahl
von durchgelassenen Impulsen digitalisiert wird. Diese Form von Ausgang iat nicht nur bequemer zu benutzen, um
solche Auegabeeinrichtungen wie NIXIE-Röhren, verschiedene andere. Arten von Zähleranzeigen zu beaufschlagen und für
die weitere Verarbeitung und/oder Speicherung in Datenverarbeitungsgeräten,
sondern der digitale Ausgang wird wie unten erläutert ist, bei einer Art von Speicher und
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Rückführschleife verwendet, um die "automatische Nullnachstellung"
durchzuführen, wenn die beiden ursprünglichen Eingangsgleichsrannungan I und I1Q gleich angesehen
werden. Bei einem Absorptionsspektrophotometer ist dac der Pail, wenn eine "Leerprobe" oder keine
Probe in dem Probenstrahlengang vorhanden ist, so daß die Probenstrahlintensität I und die Referenzstrahlintensität
I0 bei dieser Anwendung gleich sein sollten.
Die allgemeine Technik, die verwendet wird, um diese automatische Nullnachstellung zu bewirken, besteht in
der Bestimmung, wie sich die theoretisch übereinstim menden "Leersignale" I und Referenzsignale I0 unterscheiden.
Das wird bestimmt während eines automatischen NuIInachste11zyklus, nicht während des normalen
Zyklus. Dann wird die Aufschaltaeit des I^-Signals mittels
des elektronischen Schalters 22, der ein Feldeffekttransistors sein kann, so eingestellt, daß dieser nicht
ständig während der Inte.;ration:?i)eriode (S1) geschlossen
ist, sondern stattdessen als Serhacker wirkt, der während
eines Teils seines ArbeltssY'ilus geöffnet ist und
somit eine Abuchwäehung desI0-S.ic;ai-ilfi vor seinem Eintritt
in die Integrate) rs clip L tu ng 60 für I0 bewirkt.
Man sieht somit, daß die Eingr.ngsleitu.ng 21 zu den
Eingängen-der elektronischen Schalter oder "Feldeffekttransistoren 22, 24 nicht nur das konstante S,-Signal
führt, sondern ein H[Q-Gatter"-Sign;'l, welches nwar nur
während der S, Signnlperiode vorhanden ist, aber einen Arbeitszyklus von im allgemeinen weniger als 100;6 hat,
so daß der elektronische Schalter 22 nicht ständig
während der S1 Periode geschlossen ist. Letzteren ist
tatsächlich der Fall für den entsprechenden elektronischen Schalter 12 am Eingang der, J-Integrators.
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■■-.■■■■ :f
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Ein wesentliches Merkmal der. Schaltung ist ihre Fähigkeit, den Arbeitszyklus des elektronischen Schalters 22
durch ein einfaches Kommando auf den richtigen Wert (gleich oder weniger als 100$) einzustellen, um Fehler, die
durch unerwünschte Einwirkungen auf die I und IQ-Signale
entstehen, auszugleichen. Da in der üblichen Abwendung das ' IQ-Signal. wesentlich größer ist als ein richtiges MProben"-I-Signal,
steht eine erhebliche Reserve an Korrektur zur Verfugung, da der Arbeitszyklus des elektronischen
Schalters 22 wesentlich unter 100$ abgesenkt werden kann. Im Betrieb wird der automatische Nullnachstellzyklus erst
durchgeführt, um so festzustellen, welche Korrektur vorgenommen werden sollte* Das geschieht,während eines Laufes mit einem "leerprobensignal11.. An diesp Kc r-ektur
"erinnert sich" das Gerät, und die Korrektur wird dann
auch, angewandt, um den Arbeitszyklus des elektronischen
Schalters oder Zerhackers 22 um denjenigen Prozentsatz zu Tsrmindern, der erforderlich ist, diesen systematischen Penler zu beseitigen, wenn während anschließender
tatsächlicher Rechenzyklen die Rechnung mit "richtigen"
Probensignalen I durchgeführt wird.
Da die Technik der automatischen Nullnachstellung schon
in großen Zügen beschrieben worden ist, soll bei der Beschreibung der übrigen Schaltung versucht werden, wenigstens ihre Punktion während des automatischen Nach-Bteilzyklus zu erwähnen· Eine genauere Beschreibung
folgt, wenn zunächst der Aufbau aller Komponenten beschrieben worden ist. So wird die vorerwähnte Schaltung
nur während des automatischen Nullnachstellbetriebs benutzt, um ein Eingangssignal auf einen Vergleichssignalgenerator 80 zu geben. Wenn das Relais 83 erregt
ist, wird die Schaltung 29 mit dem Eingang de· Vergleichseignalgenerators verbunden, in den der Schalter
;« 16 -
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eich aus der (dargestellten) Normalstellung zu dem Kontakt
84 während eines solchen automatischen Nullnachstellbetriebs
bewegt. Die Normalstellung de» Schalters 86 ist jedoch, wie dargestellt, so, daß sie während der
normalen Rechenzyklen, d.h. wenn ein tatsächliches Probensignal I verarbeitet wird, eine Verbindung mit dem
oberen Kontakt 88 herstellt. Die Signaleingänge für den Vergleichssignalgenerator 80 während der ersten "Integrations
"-Stufe des normalen Betriebszyklus sind nur
die I1 und Iq»-Signale, die über Leitungen 91 und 92
W als Eingänge einer Vergleichsschaltung 90 zugeführt
werden. Der Ausgang der Schaltung 90 ist das größere der beiden Eingangssignale, also fast stets IQ', plus
eine zusätzliche Vorspannung B, die von^Lrgendeiner Vorspannungsschaltung
geliefert wird. Wegen dieser kleinen Vorspannung B erhält der Eingang 96 des Operationsverstärkers
98 des Vergleichsspannungsgenerators eine Spannung, die etwas größer als diejenige ist, die den Eingängen
16, 26 der Operationsverstärker 50, 60 der Signalintegratoren während der ersten "Integrations"-Stufe
jedes Rechenzyklus zugeführt werden, d.h. wenn das Signal S1 den elektronischen Schalter 99 schließt. Aus die-
m sem Grund ist der negative integrierte Ausgang IR bei
stets etwas größer, d.h. mehr negativ, um einen in Fige
mit B1 bezeichneten Betrag als das größere der integrierten
Signale (I1 oder Iq1), wobei angenommen werden kann,
daß dies Iq1 ist. Der Spannungsausgang IR ist somit parallel
aber etwas negativer während der S1-Stufe, als das
größere der integrierten Signal·, wie bei 78_ angedeutet ist· Es wird im nachstehenden stets angenommen, daß IQ »
das größere der Signale ist, wie das bei Absorptionsspektrophotometern
der Fall ist. Die dargestellte Schaltung kann jedoch tatsächlich auch dann einen einwandfreien
Betrieb liefern, wenn das Gegenteil der Fall ist.
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Aber dieseSituation braucht nicht beschrieben zu werden,
um Wiederholungen zu vermeiden. Am Ende der durch das feste Signal S1 bestimmten festen Integrationsperiode
von beispielsweise 100 msek. hat der Ausgang des ■Vergleichssignalgenerators
80 bei 100 daher einen Spannungswert = IR f von fig0 2. Aus diesem Grund ist der
Eingang bei 78 und die Portsetzung dieses Eingangs bei 79 zu den Analogvergleichern 70 mit IR f bezeichnet, da
dies ihr Wert zu Beginn der zweiten Rechen-Stufe ist, die durch das Signal S2 dargestellt wird.
Am Ende der ersten Stufe und zu Beginn von Stufe 2 öffnet nicht nur der Eingangsschalter 99 des Vergleichssignalgenerators 80 sondern es schließt auch der Rückführschalter
102, da, wie angedeutet, das Signal S2 auftritt. Daher beginnt der Kondensator 104 des Vergleichssignalgenerators
sich von seinem anfänglichen Maximalwert IR f über Leitung 94, Schalter 102, Schalter
86, Leitung 106, die verschiedenen einstellbaren Widerstände und Potentiometer 108, 110 und 112 und die
Leitung 114 zu entladen, so daß der Ausgang bei 100
exponentiell gegen Erde abfällt, d.h. weniger negativ wird, und zwar nach einer Exponentialkurve, die durch g
den wirksamen Widerstandswert der Widerstände 108, 110 ™
und 112 bestimmt ist. Da der ursprüngliche Spannungswert Ia* (siehe T?ig, 2) nicht wesentlich größer als
Iq11 ist, kreuzt die exponentiell abfallende Spannungskurve 78b die gerade Linie 62b im Punkt 81. relativ
schnell nach dem Einsetzen der zweiten Rechenstufe (S2).
Dieses Kreuzen wird durch den Differenzverstärker 116 festgestellt, welcher diese beiden Signale an seinen
Eingängen 76 und 78 vergleicht. Wie man bei 118 sieht,
hat der Differenzverstärker 116 einen Steuereingang, so daß dieser Vergleich nur während der zweiten oder
- 18 m'
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"Rechen"-Stufe S2 stattfindet. Wenn diese beiden Eingänge
gleich geworden sind, liefert dieser Differenzverstärker ein Signal, welches die Zählgatterlogik 130 setzt oder an
ihrem "Start"-Eingang 122 "startet". Wenn die exponentiell
abfallende Vergleichsspannung (siehe Kurve 78b in Pig. 2), die am Eingang 72 dem anderen Differenzverstärker oder Vergleicher
126 zugeführt wird, als gleich der Spannung I11
"erkannt" wird oder als weniger negativ als diese, welche letztere Spannung durch die gerade Linie 52b in Pig. 2
dargestellt ist und am anderen Ende 74 des Differenzverstärkers 126 anliegt, dann erscheint ein Rückstell- oder
"Stop"-Signal an dessen Ausgang 128· Das geschieht natürlich im Punkt 82 in Pig„ 2 und bewirkt das Ende der "Zähl"-Stufe
des Zyklus. Man sieht aus Pig· 2, daß die Zeit zwischen den Zeitpunkten, wo öle exponentiell abfallende Ausgangsspannung
It, des Verglei S1B Signalgenerators Längskurve
78b zuerst die Iq'1 und dann die I11 Niveaus kreuzt (62b
und 52b in den Punkten 81 bzw« 82), gleich der gesamten
Rechenstufe Sp minus der kleinen Zeitspanne tß ist, welche
die Vergleichsspannung benötigt, um von ihrem maximalen negativen Wert IR* bis zu dem Punkt 81 abzufallen« Somit
ist die tatsächliche Zeit zwischen diesen Kreuzungspunkten,
die sowohl in Pig. 1 als auch in Pig. 2 mit S«1 bezeichnet
ist, geringfügig kleiner als die gesamte Rechenstufe S2,
nämlich um diese kleine Zeit t-r,. Es sind die Zeiten zwischen
den tatsächlichen Kreuzungepunkten, d.h, die Abszissendifferenz zwischen den Punkten 81 und 82 bei S2 1, die direkt
proportional zu dem Logarithmus des Verhältnisses von I0 1'
dividiert durch I'· oder der dazu proportionalen ursprünglichen
Eingangssignale IQ und I ist. Es ist somit diese
Zeit S2* zwischen den Kreuzungspunkten der Kurven in den
Punkten 81 und 82, welche die ausschlaggebende gemessene
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Zeit ist. Demgemäß führt der obere Ausgang 132 der Zählgatterlogik
ein Signal während der jetzt berechneten Zeitabschnitte S2 1 t die direkt proportional dem gesuchten logarithmischen
Terhältnis sind. Der untere Ausgang 134 dieser
Zählgatterlogik führt ein ähnliches Signal, analog zu S2 1, wenn das Probensignal, also I", größer, d.h· negativer
in Fig» 2 wäre als das Referenzsignal, d.h· Iq*'·
In diesem Falle würde tatsächlich das Eingangssignal bei 129, dem "normalen" Stop-Eingang tatsächlich vor dem Eingangssignal
an dem unteren Eingang 122, dem "normalen Start "-Eingang,- auftreten. Der Hauptunterschied würde sein, |
daß das "normale" Offnen und Schließen des Zählgatters umgekehrt würde, so daß das gewünschte Signal ε,η dem unteren
Ausgang 154- erscheint· Wie in Pig. 1b de gestellt
ist, wird der obere Ausgang des Zählgatters als positives Zählgat^ersignal betrachtet, nämlich als das, was. bei der
als Beispiel angegebenen Verwendung in einem Absorptionsspektrophotometer
positiv ist, und wird als Eingang 136 dem oberen oder "positiven" UND-Gatter 138 zugeführt. Wenn die
ursprünglichen Signale (I und IQ) so wären, daß I größer
als Iq wäre, dann würde das stattdessen bei 134- auftretende
Ausgangssignal ein Eingangssignale für das untere oder
"Minus"-UND-Gatter HO hervorrufen, und zwar während der ,
richtigen Zeitdauer, die ein Maß für den negativen Loga- "
rithmus des Verhältnisses von Iq/I ist, oder was das Gleiche
ist, den Logarithmus des Verhältnisses
Da es die "Länge", d.h. Zeitdauer, des nun. berechneten
Signals Sg.1 ist, die proportional zu dem gewünschten Logarithmus
des Verhältnisses der ursprünglichen Eingangeeignale
und damit beispielsweise dem Absorptionsvermögen und der Konzentration einer Probe in einem Zweistrahlspektrophotometer
ist, kann dieses gleiche Signal auch benutzt werden als ein Ausgang 131 bzw· 133, der genau
« 20
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den Ausgängen 132 und 134 entspricht, um einen Analog-■chreiber
anzutreiben. Bevor die wichtigeren digitalen Teile der Schaltung im oberen Teil von Fig, 1 beschrieben
werden und insbesondere die Technik zur automatischen Nullnachstellung mit den Schaltgliedern im wesentlichen
im mittleren rechten Teil von Fig. 1, soll zuerst die einfache Weise erläutert werden, auf welche
das berechnete MIiängen"-Signal S2 1 verwendet werden
kann, um eine analoge Anzeigevorrichtung, beispielsweise einen Schreibstreifenschreiber zu betreiben. Der normalerweise
zu erwartende "positive" Ausgang bei 131 wird über eine
leitung 135 als Eingang 145 auf eine Analogsehreiber-Gattersteuerschaltung
150 gegeben. Das mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu erwartende "Minus"-Signal Spf
wird in ähnlicher Weise über 137 auf den Eingang 147 der Schaltung 150 gegeben.
Da die Eingangsleitungen 145 oder - in seltenen Fällen 147 - ein Signal von einer Länge führen, welche direkt
proportional dem gewünschten Logarithmus des Verhältnisses ist, ist relativ einfach, dieses grundsätzlich
analoge Signal zum Betrieb eines Analogschreibers zu verwenden. Somit muß die Schaltung 150 nur an ihrem
Auegang eine Gleichspannung liefern, die entweder eine Dauer oder eine Höhe proportional zu der Länge des berechneten
Signals S2» besitzt. Eine lechnik^zum Antrieb
eines solchen Analogschreibers besteht darin, daß dieser Ausgang, der proportional und mit dem richtigenftTorzeichen
in Bezug auf den Eingang bei 152 auftritt und mit S2'1 bezeichnet ist, integriert wird, d.h. in ein
Signal umgesetzt wird, dessen Gesamtwert direkt proportional zu seiner Dauer ist. Da das Signal nur während
des ursprünglichen S2 Zählzyklus verfügbar ist,
wird der Integrator 154 durch einen elektronischen Schalter 156 abgeschaltet, der den Eingang 158 desselben
gegen den Ausgang 160 kurzschließt. Am Ende der
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S1-Periode öffnet der Schalter 156 und das Signal S2 1*
lädt den Gegenkopplungskondensator 162 auf einen Wert auf,
der Proportional zur Länge der Zeit des berechneten Absorptionsvermögen-Signal
S2'1 ist. Am Ende des normalen
Rechenzyklus S2 schließt der elektronische Schalter 170
und gestattet den Durchgang des integrierten Signals bei 160 zum Eingang 174 des Schreiberendverstärkers 172. Der
Ausgang dieses Verstärkers bei 175 is* dann in der lage,
den Schreiber, d.h. die Schreibfeder eines Sehreibstreifens
ehr eibers, direkt anzutreiben. Wie bei 162 dargestellt ist, kann ein "Skalendehnungs"-Potentiometer vorgesehen
werden, um so dieses Signal um verschiedene Faktoren ab- ' - M
zuschwächen und zu erreichen, daß die volle Skala des Schreibers verschiedenen Werten des Logarithmus des Verhältnisses der ursprünglichen Eingangssignale entspricht·
Das ist beispielsweise angegeben als maximale Zahl der vollen Absorptionsfähigkeitseinheiten, die einen 100$
Schreibfederweg des Schreibers hervorrufen. Bei 176 ist ein Schalter dargestellt, der es gestattet, eine von
vier verschiedenen Zeitkonstanten zwischen den Endverstärker und den tatsächlichen Schreiber einzuschalten,
wie er im allgemeinen bei solchen Schaltungen vorgesehen ist, so daß der Gerätebenutzer verschiedene Ansprechzeiten der Schreibfeder wählen kann, um unerwünschtes |
Nacheilen oder Überschießen der Schreibfeder entsprechend der Größe der Signale zu vermeiden» Schließlich ist mit
178 ein Schreib-Nullfeinabgleich bezeichnet, der Drift in
dem Schreiber oder den unmittelbaren Schreiberelementen, d.h.· 150 bis 180 kompensieren soll. Es ist zu beachten,
daß dieser Schreiber-Nullabgleich 178 nicht irgendwelche
"wirklichen11 Korrekturen an den ursprünglich bei 145,
dieser Schaltung zugeführten Daten vornehmen soll, da der automatische Nullnaehstellmechanismus solche Daten
hinsichtlich jeglicher "Drift" vollständig korrigiert hat,
■ ■ - 22 ~
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nicht nur in der ganzen anderen Elektronik, sondern,
was für gewisse Anwendungen noch wichtiger ist, in den Signalquellen selbst. Beispielsweise gilt das für
irgendwelche der verschiedenen Teile eines Zweistrahlabsorptionsspektrophotometers
selbst· Da die tatsächliche Anzeige des Schreibers nur während der Perioden
S, stattfindet, erfolgt die Schreibfederbewegung, welche
die Ordinate des Schreibetreifenschreibers darstellt, stufenweise, während sich die Abszisse stetig
ändert. Da jedoch jeder der Aufzeichnungsschritte mit einer Geschwindigkeit von weniger als 1/10 sek. erfolgt,
erscheint die Aufzeichnung auf dem Schreibstreifen normalerweise als vollständig glatte Kurve,
wenn die Abazissenwerte geeignet gewählt sind.
In dem Haupt- oder Digital'eil der Ausgabe des Gerätes
sieht man, daß die oberen Eingänge 186 bzw. 192 des "positiven" und UND-Gatters 138 und des "Minus"-UND-Gatters
HO an dem Ausgang 184 eines Iszillatore 190 anliegen, der von einem Kristall 188 auf eine Frequenz
von 10 Megahertz gesteuert ist. Eine Zweigleitung von diesem Oszillator liefert auch einen 10 Megahertz
Taktimpulszug, dessen Verwendung später erläutert wird.
Wenn man annimmt, daß das I0-Intensitätssignal größer als das I-Signal ist, erscheint das berechnete Spf Signal
an dem oberen Ausgang 132 der Schaltung 130 und öffnet daher das positive UND-Gatter 138 für eine Zeitspanne,
die von der Länge dieses berechneten Signals S2 1 bestimmt iet. Das positive UND-Gatter 138 hat daher
an seinem Auegang 196 eine Folge von 10 Megahertz-Impulsen, deren Gesamtdauer oder Anzahl direkt proportional
an der Länge des berechneten Signals S2 1 ist. Diese
10 Megahertzpulse liefern daher eine Digitalzahl, die direkt proportional dem berechneten Logarithmua dea Verhältnisses der ursprünglichen Eingangesignale, also
- 23 009841/1114
■ - 23 -'
dem Signal S2 1 ist und dieses Signal ist daher bei 196
als S2 1 * bezeichnet· Biese Pulse werden einem Fünferringzähler
oder Impulsteiler 200 zugeführt. Demgemäß hat der Ausgang 202 dieses Zählere 1/5 soviel Pulse
mit einer Frequenz von 2 Megahertz wie der ursprüngliche
Eingang S2'* *>ei 196. Diese 2 MHz-Signal, dessen
Anzahl von Pulsen immer noch proportional der berechneten gewünschten logarithmischen Funktion ist, wird
dann zwei hintereinander geschalteten durch 10 teilenden
Ringzählern 210 und 220 zugeführt. So wird der Ausgang hei 202 direkt als Eingang 204 im ersten dieser
Ringzähler 210 zugeführt, dessen Ausgang bei 206, jj eine Folge von 200 KHz-Pulsen, die natürlich 1/10 der
Zahl der Eingangspulse ist. Dieser Ausgang bei "08
wird als Eingang 214 dem nächsten durch 10 teilenden
Ringzähler 220 zugeführt, welcher daher an seinem Ausgang 226 I/IO soviel Pulse mit einer Frequenz von
20 KHz aufweist. Dieser Ausgang bei 226 bildet einen der Eingänge bei 228 eines manuell betätigbaren Schalters mit drei Schaltstellungen.
Außer der gerade durchgehenden Reihenschaltung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, die eine Impulsteilung um
einen Faktor 100 an den bei 202 erscheinenden Zählim- |
pulsen und daher eine Impulsteilung um den Faktor 500 an den bei I96 erscheinenden ursprünglichen Impulsen
vornimmt, sind Umgehungsleitungen zwischen jeden der Zähler 200 und 210 und zwischen 210 und 220 vorgesehen.
Die erste Umgehungsleitung 208 nimmt daher das Zwei-Megahertz-Signal
direkt ab und gibt dies auf den obersten Kontakt 232 des Schalters 230, der als CAL (Calibrate)-Kontakt
bezeichnet ist und die größte Anzahl von Zählimpulaen
liefert, um so die feinste Auslesung des
■: ■'■"■■ ""■■'. ■-.'.-. - 24 *
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Signals S2" in digitaler Form zu ermöglichen. Die Umgehungsleitung
218 zwischen den Zählern 210 und 220 ist mit de» zweiten Eingang 234 des Schalters 230 verbunden
und gibt ein 1/10 so "feines" Signal, also ein Signal was aus 1/10 so vielen Impulsen besteht und ein Maß für
das gleiche berechnete logarithmische Signal S2 1f darstellt.
Offensichtlich erhält der letzte, unterste Eingang 228 dieses Schalters mit drei Schaltstellungen, wie
oben erwähnt, die langsamste Impulsfrequenz von 20 KHz und iaher das am wenigsten "feine" Digital-Signal, welches
die gleichen berechneten Daten darstellt.
Die Anzahl der Pulse, die am Ausgang 236 des Schalters 230 erscheinen, sind 1/10 oder 1/100 der "richtigen"
Digitalzahl, welche den tatsächlichen Wert des berechneten S2•-Signals darstellt, wenn der Schalter mit dem
Kontakt 234 oder 228 verbunden ist. Wenn der Schalter beispielsweise mit dem Kontakt 234 verbunden ist, führt
die Schaltung 10 vollständige Berechnungen durch, von denen jede ungefähr 120 msek. dauert, und liefert die
während dieser 10 Rechnungen erhaltenen Gesamtzählungen auf die Leitung 236. In anderen Worten: Jede dieser
theoretisch bis auf das Rauschen gleichen Messungen wird mit 1/10 ihres Wertes gewogen und dann aufaddiert,
so daß sich ein Mittel von 10 Rechnungen ergibt. Eine solche Möglichkeit ist, wie man leicht einsieht, vorteilhaft
in Bezug auf die Verbesserung des Signal-zu-Rauech-Verhältnisses
von "verrauschten" Signalen, da das Rauschen teilweise herausgemittelt wird, ohne daß
ein Verlust an Signalstärke eintritt.
Wenn der Eingang 228 mit einer Impulsteilung um ien Paktor 100 bewegt wird, tritt der gleiche Effekt ein,
- 25 -
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indem eine Folge von 100 Rechnungen vorgenommen wird
und 1/100 Bruchteil jeder Rechnung jeweils zu allen anderen addiert wird, so daß sich ein Mittelwert dieser
100 Re.chenoperationszyklen ergibt.
Der Ausgang 236 des Schalters wird dann auf einen weiteren
Zähler 240 mit einer Impulsteilung um einen Paktor 10 gegeben, welcher daher an seinem Ausgang 242 die
gleiche Anzahl von Pulsen liefert, gleichgültig ob ein
einfacher Lauf, eine Mittelung über 10 Läufe oder eine
Mittelung über 100 Läufe durchgeführt worden ist. Das -
ist der Fall, da der Zähler an seinem Ausgang entweder einen ™
"Stoß" von 200 KHz-Pulsen während einer Zeitdauer von 1/5
(wegen des Zählers 200) des ursprünglich berechneten Signals So'1 liefert, wenn der Schalter 230 in der schnellsten
oder Eichstellung, d.h. auf den Eingang 232 steht. Alternativ liefert er eine Serie von 10 solchen Stößen, von
denen jeder die gleiche Zeitdauer wie vorher auf eine Frequenz von 20 KHz besitzt, was offensichtlich die gleiche
Anzahl von Pulsen ergibt. In ähnlicher Weise verlassen die Signale in der Stellung für die Mittelung über 100
Rechnungen (Kontakt 228) den Ausgang 242 nur mit einer Frequenz von 2 KHz. Es erscheinen aber 100 "Stöße" oder
Impulszüge von solchen Impulsen, wobei jeder Stoß natürlich die gleiche Zeitdauer wie vorher dauert. Der
Ausgang 242 erhält somit ungeachtet der Stellung des
Schalters 230 genau 1/50 soviel Pulse, wie ursprünglich
an dem Eingang 196 während der gesamten Rechenoperation auftraten, ob nun ein Lauf, ein Lauf mit Mittelung über
10 oder ein Lauf mit Mittelung über 100 Rechnungen durchgeführt worden ist.
-
009841/11U.
Der Ausgang 242 ist somit der digitale Hauptausgang, der in digitaler Form Dg darstellt, welches eine Anzahl
von Pulsen ist, die direkt proportional der länge des berechneten analogen Signals S2 11 ist, welches
seinerseits direkt proportional dem gewünschten Logarithmus des Verhältnisses von Iq zu I ist.
Wenn die Eingangssignale und daher ihre integrierten
Werte I1· und Iq1' nicht, wie erwartet, so sind, daß
Iq das größere Signal ist, dann ist es der untere Ausgang 134 der Zählgatterlogik 130, der ein Signal
proportional zu dem Logarithmus des Verhältnisses der beiden Signale enthält. Bs ist daher dann das "Minus"-UND-G-atter
140, welches das Signal bei 142 erhält und an seinem Ausgang 198 ein mit Minus Sp*1 bezeichnetes
Signal liefert, welches gen η analog dem Signal an
Ausgang I96 des positiven UKD-Gatters 138 ist, wie
oben beschrieben wurde. Der einzige Unterschied ist, daß dieses Signal der negative Logarithmus des gleichen
Verhältnisses von Eingangssignalen, wie oben beschrieben, ist welches »an sich auch als den Logarithmus
des reziproken Verhältnisses der beiden ursprünglichen Eingangssignale, d.h. I dividiert durch
Iq, denken kann. Da der Aufbau und die Funktion der "Minus"-Zähllogik genau der gleiche ist, wie der der
vorstehend beschriebenen "positiven" Zähllogik, d.h.
der Elemente 200 bis 242, braucht dieser Aufbau und die genau gleiche Funktion nicht noch einmal beschrieben
zu werden. Die Elemente sind vielmehr genau um 1 höher bezeichnet, d.h. mit ungeraden Zahlen, wobei
mit dem Fünferringzähler 201 begonnen und mit dem
Endausgang 243 aufgehört wird, der auch als "Minus*D«"
bezeichnet ist. Dieae Schaltung entspricht sowohl im
- 27 009841/11U
2009523
Aufbau als auch in der Funktion genau den um 1 geringer
bezifferten Elementen, die vorstehend beschrieben sind. Die Elemnte 201 bis 24-3 sind somit nicht beschrieben,
da eine solche Beschreibung eine vollständige Wiederholung der genau gleichen Beschreibung der Elemente 200
bi« 242 darstellen würde. Es ist nur zu erwähnen, daß der Ausgang 243 in genau der gleichen Weise wie vorstehend
beschrieben, für die geradzahlig bezifferten "positiven" Schaltungen (am Ausgang 242) ein digitales
Signal liefert, welches eine Anzahl von Pulsen enthält, die direkt proportional dem negativen Logarithmus ä
von I0 dividiert durch I ist, wenn I größer als Iq ist·
In anderen Worten: Das Signal an dem "Minus"-Ausgang 245 enthält
die Anzahl von Pulsen, die direkt proporv ->nal dem
Logarithmus von IQ dividiert durch I ipt. Da die Ausgänge
242 (und 243) die normalen digitalen Ausgänge sind,
und da die Ausgangssignale in digitaler Form vorliegen,
können diese jeder Art von gebräuchlichen digitalen Ausgabeeinheiten
zugeführt werden. Jede spezielle Art von Ausgabeeinheit, die in dem Ausführungsbeispiel beschrieben
ist, dient lediglich der Illustration. Eine solche endgültige Auegabe- oder Ausleseeinheit, die bei einigen
Anwendungen besonders vorteilhaft ist, enthält NIXIE-Röhren, die natürlich dezimale statt binäre Einrichtungen
sind, irgeneine-Art von binärem oder dezimalem Drucker
oder irgendeine Art von. Datenverarbeitungseinrichtung. Da die Art der gewählten Aufgabearten keinen Teil der N
vorliegenden Erfindung darstellt, wird die Beschreibung eines Beispiels einer Ausgabeeinrichtung zurückgestellt.
Im allgemeinen wird der digitale Ausgang bei 242 oder irgendeinem Anzeigezähler, Register oder dgl. zugeführt,
um wenigstens vorrübergehend die Ergebnisse der Rechnung
"aufzuzeichnen11. Nachdem dieser Übertrag der Rechnung
- 28 -
Ο Q.9-84
auf eine Anzeigevorrichtung, ein Register, eine Registriervorrichtung,
eine Datenverarbeitungseinrichtung oder dgl. stattgefunden hat, werden alle Zähler 200,
210, 220, 24-0 und die um 1 höher ungeradzahlig bezeichneten Elemente für die nächste Rechnung auf null zurückgestellt.
Eine solche Rückstellung und eine solche "nächste Rechnung11 bezieht sich in diesem Falle auf die
Vollendung einer vollständigen Rechenoperation, die wie gesagt, einen einzigen Rechenzyklus, die Mittelung über
10 solche Rechenzyklen nacheinander oder die Mittelung über 100 solche einzelnen Rechenzyklen einschließen kann.
Fig. 2 zeigt graphisch nur einen solcher einzelner Rechenzyklen als normalen Arbeitszyklus. Auf jeden Fall
wird nach Beendigung von 1, 10 oder 100 Arbeitszyklen ein "Rückstellen nach Übertrag"-Signal, abgekürzt R,
sowohl auf 24-4- als auch auf 24-5 gegeben, so daß jeder
dieser "positiven" und "Minus"-Impule*eilerzähler auf
null zurückgestellt wird, wie durch die verschiedenen Rückstelleingänge 246, 24-8, 250 und 252 in der "positiven"
Zählerkette und die entsprechenden um 1 höher bezifferten Rückstelleingänge in der "Minus"-Zählerkette
angedeutet iit»
Die bisher beschriebene Schaltung ist in der Lage, einen
digitalen Hauptausgang, gewöhnlich bei242 aber möglicherweise
auch bei 243 zu liefern und außerdem einen analogen Hilf«ausgang, gewöhnlich bei 131 aber möglicherweise
auch bei 133. Die übrigen Teile der Schaltung erfüllen eine Funktion, wie sie eingange echon
angedeutet wurde, nämlich der automatischen Eichung der Rechenschaltung, indem dieser zwei Eingänge bei 10 und
20 zugeführt werden, die ala gleich angesehen werden
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sollen. Die Schaltung wird so eingestellt, daß sie "sich erinnert", um wieviel von da an alle Signale an einem
Eingang, d.h. 20, abgeschwächt werden sollten, um diesen gleichen Zustand der Eichung bei nachfolgenden Rechenzyklen aufrecht zu erhalten. Der Grund, daß die
"Eich"-Signale, die den Eingängen 10 und 20 zugeführt werden, als "als gleich angesehen" bezeichnet werden,
statt als tatsächlich gleich ist der, daß der Hauptzweck diese automatischen Uullnachsteilung darin besteht,
die realen Ungleichheiten dieser Signale zu beseitigen» Beispielsweise sind bei der Anzeige eines fl
automatischen Absorptionsspektrophotometers, wo I eine Gleichspannung ist, die das elektrische Signal eines
Strahlungsdetektors nach einiger anfänglicher Trennung und Glättung ist, wenn keine Probe in dem
Probenetrahl des Instruments sich befindet und die Iq die gleiche Art von Gleichstromsignale für die Intensität
des Referenzbündels darstellt, die Signale tatsächlich nicht gleich. Insbesondere beeinflussen
nicht nur Ungleichheiten beispielsweise "Drift" in dem Strahlungsdetektor und seiner gebräuchlichen nachgeschalteten
Glieder, nämlich Signalweiohe und Gleichrichter schaltungen, die Werte I und In bei 10 und 20
in möglicherweise verschiedener Weise, sondern auch das Spektrometer selbst kann bewirken, daß sogar die tatsächliche
Intensität der Strahlung, die unter diesen Umständen gleich sein sollte,tatsächlich ungleich ist.
Es ist daher wünschenswert, sowohl "reale" Ungleichheiten von I iind IQ zu beseitigen, ale auoh solche,
die durch den Detektor und die Detektorschaltung hervorgerufen werden, und während einer Rechnung, wenn
eine Probe vorhanden iit, "sich zu erinnern", wie diese
Ungleichheiten wieder beseitigt werden sollen, die
~ 30 «
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nicht durch die beabsichtigte Absorption in der zu vermessenden Probe hervorgerufen sind. Wie eingangs erwähnt
wurde, ist die Schaltung nach der vorliegenden Erfindung natürlich bei vielen Anwendungen außerhalb der
Zweistrahlabsorptionsspektroskopie anwendbar. Der Einfachheit und der Konkretheit der Erläuterung halber
soll sie aber im folgenden weiter an Hand der Absorptionsspektroskopie beschrieben werden.
Die beiden Reihen von Elementen in der Nähe der horizontalen Mitte von Pig. 1b bilden den automatischen NuIlrückstellspeicher
und werden zunächst beschrieben, da sie während der normalen Rechenzyklen ebenfalls arbeiten,
nachdem sie während des automatischen Nullrücket eil zyklu 3 einmal eingestellt worden sind. An dem
Eingang 1851 werden 10 MHz-T-u:timpulse erzeugt. Dieser
Eingang 185' ist nur eine Fortsetzung der Leitung 185 von dem oben beschriebenen Oszillator I90. Die Taktpulse
werden auf zwei Reihen von impulsteilenden Zählern gegeben, von denen wenigstens die erste Stufe in
der Lage ist, mit dieser hohen Pulsfrequenz zu arbeiten. Insbesondere wird der 10 MHz-Taktpulseingang auf
den Eingang 280 eines schnellen binär verschlüsselten DezimalringZählers 290 gegeben. Solche Zähler mit integrierten
Schaltungen sind handelsüblich erhältlich, beispielsweise als Teil Nr. 74-90 der Texas Instrument
Company,, Sie erfordern jedoch einen wesentlichen Teil
der gesamten 100 Nanosekunden, (z.B. ungefähr 50 Nanosekunden) um von 7 (wo die Eingänge für die Bits 1, 2
und 4 gesetzt sind und der Bit 8 nicht gesetzt ist) bis 8, wo die Bits 1, 2 und 4 gelöscht und der Bit 8 gesetzt
werden muß, zu zählen. Solche Zähler 290 sind daher nioht ohne weiteres in der Lage, dl« 10 MH»-Taktpulse
aufzunehmen und zu diesen uneynchronisierte Zusatzimpulse
zu addieren, wie es während des automatischen
009841/1114
- .31 -
Nullrückstellzyklus wünschenswert ist, was nachstehend
erläutert wird. Aus diesem Grunde ist der erste schnelle Zähler 290 auch in eine Art Rückführschleife von dem
8-Bit-Ausgang bei 282 des Zählers 290 an einer "Ein-Zählimpuls-Fortschalt-logikschaltung
300 angeordnet. Dieses Aus gang ss ignal 282 des Bit 8 tritt in die Logiksehaltung
300 an einem oberen Eingang 284 ein, welcher die Schaltung 300 so setzt, daß sie ihren einzigen gehaltenen Puls
löscht, wenn der nächste 10-MHz-Puls, der eine 9 darstellt,
sowohl dem Zähler 290 über den Eingang 280 als auch der Logikschaltung 300 über den Eingang 236 zugeführt wird β Die Ein-Sählimpuls-Fortschalt-Logik ader
Gatter 300 erhält alle Pulse, die von der Minuszähllogik
am Ausgang 24-3 erzeugt werden an seinem Eingang
288, und zwar nur während des automatischen N-L^lrückstellbetriebes,
da nur während dieses Betriebes ihr a, lerer MHNDH-Eingang 292 ein Eins ehalt signal für die
autor^t-ische- Nullrüek-,.ellung erhält0 Tatsächlich muß
der dritte "UM* w -Eingang bei 254 auch das Zeitprogrammsignal
Sg der zweiten Stufe erhalten, da ^ während
dieser Zeit während eines automatischen Hullrückstellzyklus
der Zähler 290 und daher die nachfolgenden Zähler schneller als mit ihrer konstanten 10 MHz Umlauffr
equenz fortgeschaltet sind. Wenn somit alle drei
"Ulfl^-Eingange^se, 294 vorhanden sind, nimmt die Ein-Zählimpuls-Fortschalt-Logik
einen Puls vom Ausgang 243 der Minus-Fortschalt-Logik auf und "hält" ihn während
einer sehr kurzen Zeit. Menu in der Schaltung 300 ein
solcher Puls gespeichert ist, liefert die Schaltung an ihrem Ausgang 296 ein Signal an den Zähler 290, welches
nach Erscheinen des "9" Puls bei 286 die nächste Zählung
unterdrückt. Diese Unterdrückung der nächsten Schaltateilung,
d.h. der Zählung 9 wird von dem Digitalzähler 290 ohne,.weiteres-angenommen, .-da dieser Befehl ein
0 09841/1114 BAD ORIGINAL
~ 32 -
Befehl zur Rückstellung auf null ist« In anderen Worten:
Alles was dieser Binärzähler tun muß, ist das "setzen" des Bit 8 zu löschen, um die Zählung "9" zu unterdrücken. Da
diese Operation wesentlich weniger als seine volle Schaltfähigkeit erfordert, d.h. nur einen kleinen Teil von 100
NanoSekunden, gestattet diese Technik, die Addition von
unsynchronisierten Pulsen in dem Zähler, obwohl dieser normalerweise mit einer Geschwindigkeit zählt, die der
Maximalfrequenz entspricht, für welche er ausgelegt ist. Die Pulsfrequenz am Eingang 288, d„h. der Ausgang 293
der "Minus"-Zähllogik, ist niemals schneller, als eine Frequenz von 200 KHz, so daß es unmöglich ist, daß mehr
als 1 Puls bei 288 während Jedes kompletten Zählerzyklus des Zählers 290 erscheint. Somit wird jeder Puls, der dem
Eingang 288 zugeführt wird, und durch die Schaltung 300 durchgelassen wird, stets eine andere "9"-Zählung in den
Ringzähler 290 unterdrücken.
Wenn man vorübergehend annimmt, daß das Signal zur Einschaltung der automatischen Nullrückstellung an Eingang
nicht vorhanden wäre, d.h. daß im Moment die gesamte Schaltung nicht einen automatischen Nullrückstellzyklus
durchführt und daher keine Pulse durch die Schaltung 300 de» Zähler 290 hinzugefügt würden, dann würde der Ausgang
304 dee Zählers 290 nur aus einem normalen Impulszug
- 33 -0098A1/11U
von 1 MHz bestehen» Diese Impulsfrequenz wird einmal als
Ausgang bei 306 abgenommen und zum anderen einer Reihe von Zählern zugeführt, so daß die Impulsfrequenz von
1 MHz auf 1 KHz untersetzt wird. Praktisch wird dies getan, in dem eine Anordnung von drei jeweils eine Frequenzteilung
um 10 vornehmenden Hingzählern vorgesehen ist (vergleiche beispielsweisejfdie Zähler 210 und 220)·
Somit würde der Zähler 310 für die Impulsteilung um den ^
Paktor 1000 tatsächlich eine Reihenschaltung von drei
solchen Zählern darstellen, die jeder eine Impulsteilung um den Faktor 10 bewirken. Es ist nur der Einfachisheit
der Zeichnung wegen ein einziger Zähler dargestellt. Der 1-MHz-Eingang bei 306 wird somit in einen 1-KHz-Ausgang
bei 312 in dem um den Faktor 1000 impulsteilenden Zähler
310 umgesetzt.
M&£- ■..'■■■..'·.'■" -,-■"- ■,'_-■ " ■ ■ ""■■-.-■ '■■ '
Wenn man nun sich wieder vorstellt, daß während des automatischen
Nullnach'it eilbetrieb s und insbesondere während der zweiten S^-Stufe desselben ein.einziger .Zählimpuls . , ,
wiederholt addiert werden.kann, so sieht man, daß der
1-MHz-Ausgang des ersten Zählers 290 bei 3Qf:nicht mehr
vollständig regelmäßig mit dieser.Frequenz.erscheint. Es
wird nicht 1 Puls genau alle 1000 NansοSekunden-erzeugtV--Der
Ausgang 3Q4 erscheint manchmal, wenn tatsächlich ein
Puls addiert wird,, indem der Neunerausgang 296 unterdrückt
wird, nur 900 Sanosekunden nach dem vorhergehenden Erscheinen.
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2002529
Der Effekt ist daher, daß die nächste Stufe und daher alle Zähler in der Schaltung 310 um eine einzige Zählung bei
fortgeschaltet werden, und zwar 100 Nanosekunden bevor sie fortgeschaltet worden wären, wenn kein Puls durch das "9-unterdrücken"-Signal
bei 296, 302 hinzugefügt worden wäre. Die Schaltung mit den Elementen 280 bis 302 addiert im Endeffekt
ein zusätzliches 10-MHz-Signal, d.h. einen zusätzlichen
Puls alle 100 Nanosekunden, zu dem Eingang 306 und dem Rest der Zähler 310. Daher werden für jeden von diesen
Elementen addierten Puls die endgültigen Ausgangsimpulse bei 312 zeitlich vorgeschoben (eine "Phasenverschiebung") und
zwar um 100 Nanosekunden· In anderen Worten: Die Auftrittszeit dieser 1-KHz-Pulse, die alle 1 Million Nanosekunden
auftreten, wird um 100 Nanosekunden entsprechend 10 MHz vorgezogen. Das gestattet ein schrittweises Vorziehen der
"Phase" des Ausgangs von Zähler 310 bei 312 mit einer Auflösung
von 1/10.000. Außer während des automatischen Nullrückst ellvorganges wird die "Phase" der 1-KHz-Pulse am Ausgang 312 nicht verändert, aber während jedes automatischen
Nullnachsteilzyklus und insbesondere während der Stufe S2
desselben kann die Phase dieses Pulszuges bei 312 um irgendeine
vernünftige Anzahl dieser relativ kleinen Schritte vorgezogen werden, d.h. um so viele 1/10.000 Schritte,
als es der Eingang bei 288 von der Minus-Zähllogik vorschreibt. Der Ausgang 312 wirkt nun als Setzeingang 3H
eines Flip-Flops 320, und zwar gleichgültig, ob ein nor-
009841/11U -
maler Rechenzyklus oder ein automatischer Nullnachstellzyklus
durchgeführt wird. Der Ausgang bei 312 kann auch verwendet werden, wie bei 316 dargestellt ist, als Quelle
von 1-KHz-Taktpulsen zur Verwendung von anderen Teilen der Schaltung. Beispielsweise sind 100 solche Pulse gleich
den 100 Millisekunden, die das Signal S1 bilden.
Die Elemente direkt unter den soeben beschriebenen, d,h0 H
282 bis 312, sind genau identisch zu den gerade beschriebenen und daher nicht noch einmal beschrieben/Jedes dieser Elemente ist mit einem Bezugszeichen versehen, das jeweils
um 1 größer und daher ungerade ist, als das Bezugszeichen des genauen Äquivalents im oberen Teil des Speichers
für die automatische Nullnachstellung und der Speicherschritt-Logikschaltung.
Der einzige funktioneile Unterschied zwischen den zwei Schaltungen besteht darin,
daß der obere Eingang 289 die "positiven" Auszählimpulse μ
von dem Ausgang.242 der positiven Zähllogik erhält, so daß das genau die gleiche Arbeitsweise der Elemente 283 bis
bewirkt, wie sie oben für die Elemente 282 bis 312 beschrieben ist, wenn ein positiver Zählimpuls an dem Ausgang 242
der oberen oder positiven Zähllogikschaltung erscheint\
statt der Minuspulse von dem Ausgang 243 der Minuszähllogik, die dem Eingang 288 des "Minus"-Speichers für die automatische
Nullnachstellung und der entsprechenden Speicherschrittlogik (Elemente 282 bis 312) zugeführt werden.
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200P529
a« 36 «·
Es ist etwas unglücklich, daß der Übersichtlichkeit der Zeichnung wegen die "positive" Zähllogikschaltung (Elemente
200 bis 242) oben gezeichnet ist und gerade Bezugszeichen hat, die untere "positive" Speicher- und
Speicherschrittschaltung für die automatische Nullnachstellung speist, die unten gezeichnet ist und ungerade
Bezugszeichen (283 bis 313) besitzt.
Der Endausgang 313 für die Pulse mit einer Frequenz von 1-KHz wird als Löscheingangssignal bei 315 auf das Flip-Flop
320 gegeben. Das Flip-Flop 320 ist so konstruiert, daß der Löscheingang bei 315 während einer kurzen Zeitspanne,
nachdem das Flip-Flop bei 314 gesetzt worden ist, gesperrt wird. Bei solchen Flip-Flops sind die normalen
Schaltungsparameter ausreichend, um sicherzustellen, daß für eine solche kurze Zeitkonstante der Setzeingang 314
ein ia wesentlichen gleichzeitigen Löscheingang bei 315 übersteuert. Das Flip-Flop ist somit stets während eines
gewissen Teils der I/IOOO Sekunde zwischen dem Setzimpuls
gesetzt, bevor es durch den Eingang bei 315 wieder gelöscht werden kann. Wenn die Pulse an dem Flip-Flop genau
gleichzeitig erscheinen, d.h. wenn keine Phasendifferenz zwischen den Phasen des "Minus"- und des "positiven"
Speichers für die automatische Nullnachstellung beeteht, ist das Flip-Flop ständig gesetzt, so daß sein
Ausgang 322 ständig "hoch" oder angeschaltet ist. Wenn die Phase der positiven Eingangssignale 315 gegenüber den
009841/11U
Setzeingangspulsen der Minus-Signale bei 314 voreilt,
so wird das Flip-Flop gelöscht vor der Zeit, wo es "bei «
314 durch, die Minus-Pulse wieder gesetzt wird. Genauer
gesagt: Je mehr die positiven Eingangssignale bei 313,
315 wegen der Addition von positiven Pulsen bei 242,
289 während des automatischen Nullnachstellbetriebs voreilen,
desto kürzer wird die Zeit, während welcher das Flip-Flop
gesetzt ist und daher desto kürzer der Prozentsatz ^
■ ■ I
der Zeit, wo ein Ausgang bei 322 auftritt, der dem UND-Gatter
330 zugeführt wird. Wenn somit einmal der Speicher
für die automatische Nullnachsteilung und die Speicherstufen-Logikschaltung
ein Voreilen der»positiven Signale bei 313, 315 relativ zu dem Minus-Pulszug bei 312, 314
bewirkt hat, wird das UND-Gatter 313 während" weniger als
100# ier Zeit durchlässig, während welcher ,das S1 (Integratioiie)-Signal
am anderen Eingang 326 desselben vorhanden ist. Der Ausgang dieses "I0-Gattera"-Signal^ÜND-Gattef^s
33Ό bei 332 ist somit entweder ein Dauer signal ' *
während der S1-StUfC sowohl des. normalen Rechen- als auch
des automatischen Nullnachsteilzyklus, wenn die beiden
Zähler des Speichers für die automatische Nulinaehstellung
genau phasengleich sind, aber besitzt einen "Arbeitszyklus"
von weniger als 1ÖO#, wenn der positive Speicher für die
automatische NuI!nächstellung und insbesondere sein Ausgang 313 den ursprünglich damit synchronen Pulsen von dem
58
Minus-Speicher für die automatische Nullnachstellung bei
312 voreilt. Die Schritte der Phasenvoreilung entsprechen einem Teil pro 10000 des 1-KHz-G-rundsignals. Der Arbeitszyklus
des IQ-Gatter-Signals bei 332 kann schließlich eingestellt
werden von jedem Wert von 100,0$ bis herab zu 0,1$. Es ist vorn schon kurz erwähnt worden, daß im allgemeinen
die Leitung 4-1 und daher der Schalteingang 42 des elektronischen Schalters 22 nicht ständig während der
gesamten 100 msek. Dauer von S^ angeschaltet ist. Sie ist
nur dann ständig an, wenn der Speicher für die automatische Nullnachstellung und die Speicherschrittlogik vorher
während des automatischen Nullnachstellbetriebes festgestellt hat, daß keine Korrektur erforderlich ist, doh,
daß sowohl die Minus- als auch die positiven Signale bei 315 und 314 nach einem automatischen NullnachsteilVorgang
genau synchron sind. Im allgemeinen wird jedoch das IQ-Gattersignal
am Ausgang 332, der Leitung 334 und daher an dem Eingang 41 aus einer Folge von 1-KHz-Rechteck-Signalen
bestehen, die eine Abschaltperiode besitzen, die von
der Anzahl von 100 Nanosekunden-Schritten (d.h. 0,1$) bestimmt sind, um welche die positiven Pulse bei 313 relatir
zu den bei 312 vorgeschoben sind, wie oben beschrieben wurde. Ein Beispiel eines Signalverlaufs dieses zerhackten
Signals ist bei 340 oberhalb von Leitung 334 dargestellt. Jeder Zyklus diesem zerhackten oder Rechteok-lQ-Gatter-Sifnals
dauert natürlich eine msek., wie für den speziellen
— 59 009841/1114
Zyklus 342 dargestellt ist. Die Ausschaltperiode jeder
solcher 1 msek.-Periode jedes solchen Rechteck-Signals
wird bestimmt durch die Anzahl der Schritte in Einheiten von je 100 Nanosekunden (d.h. 0,1$ der t msek.-Periode),
um welches das Ausgangssignal 313, 315 des Speichers für
die automatische Nullnachstellung während des vorher durchgeführten automatischen Nullnachstellvorganges vorgeschoben
worden ist. Auf diese Weise wird der IQ-Eingang bei 26 um
einen Paktor abgeschwächt, der gleich dem Einsehaltteil 34-6
des zerhackten Iß-Gatter-Signals relativ zu einer vollen
1 msek.-Periode ist. Wenn somit, wie in der Darstellung bei 340; wie der Ausschaltteil des Zyklus 344 ungefähr 20$
und der Einschaltteil 346 ungefähr 80$ beträgt, so ist die
Größe des Gleichstromsignals IQ am Eingang 20, die zu dem
Eingang 26 der IQ-Integrierschaltung durchgelassen wird, nur 80% des ursprünglichen I0-Eingangswertes relativ zu
den 100^ des I, welches durch den elektronischen Schalter
zu seiner Integrierschaltung durchgelassen wird. Diese Zahl von 80$ ist natürlich nur willkürlich und wird nur
als Beispiel verwendet. Es soll nochmals darauf hingewiesen werden, daß die Einstellung durch die beschriebenen
Nullnachsteilschaltungen auf eine Dezimalstelle in einem
Prozentsatz (d.h. 0,1%) oder auf drei Dezimalstellen erfolgen
kann, wenn die Abschwächung als reine Dezimalstelle
i'l OiV - ' ■ - 40 ·
009841/111A
(d.ho beispielsweise 0,800) ausgedrückt ist.
Es ist somit der Arbeitszyklus des 1 msek.- oder 1-KHz-Puls,
der dem elektronischen Schalter 22 während der 100 msek. der S1-Integrationsstufe zugeführt wird, welcher
den Anteil von IQ bestimmt, der dem Integrator während dieses Zeitabschnittes von 100 msek. zugeführt wird.
_ Im allgemeinen gestattet dies eine automatische Herauseichung
jedes Fehlers sowohl in der ursprünglichen Quelle der durch die ursprünglichen Eingänge I und Iq dargestellten
Größen, in dem einfach zwei Signale während eines automatischen Nullnachstellbetriebes verglichen
werden, die als gleich angesehen werden. Bei einem Zweistrahlspektrophotometer sollte das Probenstrahlintensitätssignal
I bei Abwesenheit von Probe gleich dem Referenzbündelintensitätssignal IQ sein, aber im allgemeinen
ist das aus den vorerwähnten Gründen nicht der
W Fall, wobei diese Gründe nicht nur elektrische, sondern
auch optische und mechanische systematische und sich ändernde Fehler sind.
Die Phasenbeziehung der Minus- und positiven Signale des
Speichers für die automatische Nullnachateilung und damit der Arbeitszyklus des I0~Gatter-Signals 340 und damit die
wirksame Abschwächung des IQ-Eingangs bei 20 vor Erreichen
des Integratoreinganges 26 bleibt fest, wenn sie ein-
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~ 41 -
mal durch einen automatischen "NuHnachstellvorgang auf
einen speziellen Wert eingestellt worden ist. Somit ändert die Tatsache, daß die Zähler 290 und 310 und die■
Zähler 291 und 311 ständig und schnell wegen der Taktpulse
bei 185* umlaufen, nicht ihre relative Phasenbeziehung und damit in keiner Weise die relative Einschalt-Ausschalt-Zeit
des Flip-Flöps 320 oder damit den Arbeitszyklus des IQ-Gatter-Signals 340. Kur wenn ein automatischer
Nullnachstellvorgang erforderlich ist, ändert sich die Phasenbeziehung zwischen diesen Zählern und
daher ihren Ausgängen 312 bzw. 313· Das Gerät-bleibt
somit geeicht und liefert automatisch die richtige Abschwächung
eines der Signale, solange keine Änderung
in den umständen eintritt, die eine Nacheiehung auf
den richtigen Punkt erforderlich macht. Es ist hier imaer angenommen, daß das I0-Signal abgeschwächt wird,
da angenomme.n ist, daß dieses Signal größer als das
I-Signai ist·
009841/11U
Es wird nun die Art und Weise beschrieben, wie der richtige Grad von Abschwächung an dem Speicher für die automatische
Nullnachstellung und die Speicherschrittlogik während eines automatischen Nullnachstellvorganges eingestellt wird. Die
Wirkungsweise eines automatischen Nullnachstellzyklus ist ziemlich analog der eines normalen Rechenzyklus, wie er
graphisch in Fig. 2 dargestellt ist, mit Ausnahme der Tatsache, daß eine lineare Vergleichsspannung für die automatische
Nullnachstellung verwendet wird, statt der exponentiell abfallenden Vergleichsspannung für den Rechenzyklus,
wie sie in Mg. 2 bei 78b dargestellt ist. Pig. 3 stellt somit in graphischer Form einen automatischen Nullnachstellzyklus
in ähnlicher 7eise dar, wie Fig. 2 einen normalen Rechenzyklus darstellt, und veranschaulicht die verschiedenen
Stufen des automatischen Nullnachstellzyklus S..., S. 2 und
S.^. Genau die gleichen Operationen und genau die gleiche
Art von Signalen werden hervorgerufen während der ersten "Integrations"-Stufe S* .. eines automatischen Nullnachstellzyklus
wie sie während der ersten Stufe des oben vollständig
beschriebenen normalen Rechenzyklus erzeugt werden. Der
einzige Unterschied ist der, daß der ursprüngliche Eingang bei 10 nun ein Signal erhält, welches in Fig. 3 als I. bezeichnet
ist und welches proportional zu dem "Leersignal" ist. Als Beispiel kann dieses Signal die erfaßte Intensität des
Probenbündels eines Zweistrahlspektrophotometers sein» wenn tatsächlich kein Probenmaterial in dem Bündel ist. Im allgemeinen
wird das I.-Signal eine Gleichspannung sein, welche die übrige Schaltung als gleich dem anderen oder Referenzsignal
I» "ansieht". Da das !.-Signal eines ist» welches gleich
dem Referenzsignal I0 am Eingang 20 gemacht werden soll» liegt
es im allgemeinen ziemlich nahe an dem letzteren. Das ist natürlich während eines Reehenzyklus nicht der Fall, wo der
I-Eingang bei 10 sehr stark unterschiedlich von dem Referenz-
-Vi-
QQ3841/11U
signal I0 am Eingang 20 sein kann. Der Deutlichkeit der Darstellung
halber nimmt jedoch Fig. 3 an, daß eine ziemlich große Differenz zwischen den neiden Vierten I. und I0 "besteht, so daß
während der ersten oder Integrationsstufe (S,-i) der integrierte
Wert dieser beiden Signale bei I. und IQ ziemlich weit auseinanderläuft.
Da diese integrierten Signale I.' und I0 1 in genau der gleichen
Weise gebildet und den Ausgängen 52, 62 der beiden Integratoren 17» 27 zugeführt werden, wie oben für die "unbekannten"
Signaleingänge beschrieben ist, wird- die Art und
Weise, wie dies erreicht wird, nicht noch einmal wiederholt.
M Es genügt zu sagen, daß der Ausgang der beiden Integratoren |j
diese beiden Signale, die in Fig. 3 mit 52aa bzw. 62aa be-„
zeichnet sind, in genau der gleichen Weise führt, wie oben
für die Situation des Rechenzyklus beschrieben ist. Der Vergleichssignalgenerator
80 arbeitet während dieser ersten oder "Int'egrations"-Stufe des automatischen Nullnächsteilzyklus
in genau der gleichen Weise, wie oben für einen Rechenzyklus beschrieben ist. Daher wird keine dieser Operationen
hier wiederholt. Das Signal des Vergleichssignalgenerators
während dieser ersten Stufe eines automatischen Nullnachstellzyklus ist daher genau das gleiche,-wie es
während der entsprechenden ersten Stufe eines Rechenzyklus auftreten würde. Genau gesagt wird es die nach einer geraden g
Linie ansteigende,negative Spannung, die parallel zu der größeren, d.h. negativeren, der beiden integrierten Spannungen
I, ' oder I0' verläuft, aber, um einen festen Betrag
stärker vorgespannt, d.h. negativer als die größere dieser Spannungen ist. Diese Ausgangsspannung bei 100 in Fig. 1
wird natürlich durch die Elemente 90, 91» 92, 94 und 99 auf genau
die gleiche Weise verursacht, wie beschrieben ist. Der einzige unterschied ist der, daß der genaue Wert des Eingangs
-kk-
/ 111 A
bei 92 und speziell 91 nun die integrierten Spannungen I0'
und insbesondere I.' darstellt.
Am Ende der ersten Stufe eines automatischen Eullnachstellzyklus
hat das integrierte "Leersignal" I«f den Punkt I.''
längs der Kurve 52aa erreicht. In ähnlicher Weise hat das integrierte Referenzsignal I0 1 den Punkt I0 1' längs der Kurve
62aa erreicht, und die integrierte Spannung des Vergleichssignalgenerators Igj, hat den Punkt L-,.' längs der geraden
Linie 78aa erreicht. Wie in der entsprechenden Situation in dem oben beschriebenen ßechenzyklus sind am Ende der
Stufe 1 die Werte von I.'' und von I0 1' direkt proportional
den ursprünglichen Gleichspannungseingängen bei 10 bzw. Auch ist die Vergleichsspannung, die in diesem Punkt erreicht
ist L·.1 wie in der analogen Periode des oben beschriebenen
Rechenzyklus um eine kleine konstante Vorspannung B1 von ungefähr 0,6 Volt bei einer tatsächlichen
Ausführungsform der Erfindung negativer als das größere, in diesem Falle IQ' ' der beiden Integratiorissignale. Die
zweite Stufe S.? des automatischen Nullnachstellzyklus ist
von der entsprechenden zweiten Stufe des Rechenzyklus insofern verschieden, als der Ausgang des Vergleichsspannungsgenerators
längs einer linearen Kurve 78ab abfällt statt exponentiell, wie das während der zweiten Stufe des Rechenzyklus
der Fall war. Dieser lineare Abfall der Vergleichsspannung ist als Ida'1 und die geradliniege Kurve 78ab in
Fig. 3 dargestellt.
Der Grund dafür, daß die Vergleichsspannung 1^. linear
statt exponentiell während der zweiten Stufe S.? des automatischen
Nullnachstellzyklus abfällt ist der, daß während des automatischen Nullnachstellvorganges ein Einschaltsignal
für die automatische Nullnachstellung wie bei 360 darge-
0 0 9841/11U
stellt dem Relais 83 zugeführt worden ist, so daß der Schalter
86 nicht zu dem Kontakt 84 Mn schließt. Wenn somit der elektronische Schalter 102 während der S.p-Signalperiode
schließt, wird ein genau geregelter Strom von der Stromgeneratorschaltung
29, mi& zwar von deren Ausgang 370,
über Kontakt 84, Schalter 86 und den geschlossenen Schalter 102 dem Eingang des Vergleichsspannungsgenerators und genauer
gesagt dem Operationsverstärker 98 zugeführt. Da die Schaltung 29 durch das Schließen des zerhackenden elektronischen
Schalters 24 ständig ein Signal proportional zu dem ur- . j|
sprünglichen IQ erhält, ist das Eingangssignal des Vergleichsspannungsgenerators
(Verstärker 98) proportional zu der Spannung IQ. Auf diese Weise kann die Steigung des geradlinigen
Teils 78ab des Ausgangssignals I„.' sowohl· gut
linear gemacht werden, insbesondere durch sorgfältige Auslegung
der Schaltung 29> als. auch proportional zu dem Wert
von I0 und damit von L1', Auf diese Weise kann die .geradlinige
Meßspannung 78ab gut linear und von solcher Neigung
gemacht werden, daß sie den jetzt gehaltenen integrierten Spannungswert Iq1' (Linie, 62ab) relativ bald, beispielsweise
im Punkt 381 trifft. Außerdem wird die Neigung der Linien 78ab ,durch den Verstärkungsfaktor der Schaltung 29 und Λ
damit .ihres eingeprägten Ausgangsstromes so eingestellt, .
daß er ,im. Punkt 382 den "gehaltenen" integrierten Wert
des Leersignals I. " trifft. Die vorstehend beschriebenen
analogen Vergleicher oder Differenzverstärker bestimmen während dieser zweiten Stufe in analoger «eise wie während
des oben beschriebenen Rechenzyklus die beiden.Kreuzungspunkt^
381 und; 382 den linear abfallenden,negativen
Spannungssignals "Jua ' * (Linie- 78ab). Die3 verursacht die gleiche
Art von Wirkungsweise der Schaltung 130 wie oben beschrieben,.
-46-
009841/1114 BAD ORIGINAL
-k6-
stf daß ein Ausgang in Gestalt einer Zeitdauer S." erzeugt
wird, der als Abszisse zwischen den beiden Kreuzungspunkten
331 und 382 gemessen wird, wieder analog zu dem normalen
Kechenzyklus. Aus diesem Grunde läßt eines der UND-Gatter 38
oder 40 die 10-MHz-Pulse durch, die nach geeigneter Impulsteilung
an dem Ausgang 242 erscheinen. Es soll angenommen werden, daß I„ größer als L·. ist. In diesem Falle wird es
das positive UND-Gatter 133 sein. Wenn speziell ein Eichoder einzelner Zyklus von automatischer Nullnachstellung
durchgeführt wird, d.h. der Schalter 230 Verbindung zu dem Kontakt 232 herstellt, dann tritt ein Stoß von 200-KHz-Pulsen
am Ausgang 242 auf, wobei die Lange dieses Pulszuges und damit natürlich die Anzahl dieser Pulse linear proportional
zu dem Verhältnis von Iq'1 zu Ia'1 is"t ^d damit
natürlich proportional zu dem Verhältnis der ursprünglichen I„ zu I.. Da, wie oben beschrieben, während dieser zweiten
Stufe des automatischen Nullnachstellzyklus die anderen "UND"-Eingänge an den beiden Ein-Zählimpuls-Fortschalt-Logikschaltungen
300 und 301 vorhanden sind, nimmt die geeignete, in diesem Falle positive oder untere Logikschal-,
tung 301 die Impulse an und läßt diese zu dem Speicher für die automatische Nullnachstellung und den Schrittlogikzähler
(291, 311 in. diesem Falle) durch, so daß deren Ausgang
313 dem Auegang 312 der entsprechenden Minus-Speicherzähler für die automatische Nullnachstellung 290, 310 voreilt.
Somit wird der Löscheingang 315 dee Flip-Flops 320
näher an den Setzeingäng 314 vorgeschoben.
Dies bewirkt offensichtlich, wie man aus der ursprünglichen
Kurve 340 erkennt, daß die Einschaltdauer deo IQ-Gattersignals
kurzer als 100$ gemacht wird. Das I()'-Gattersignal hat somit
einen Arbeitszyklus von weniger als ^0ύ'/of und zwar um
einen Betrag, der proportional zu dem faktor ist, um das
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BAO ORIGINAL
"'"'"■"■ 200S529
-hi-
ursprüngliche I0 größer als I.1 war. Da diese Beziehung
der Phasen des Speichers für die automatische Nullnachstellung aufrecht erhalten wird und daher dem Abschwächzerhaeker
22 in allen nachfolgenden Zyklen wieder zugeführt wird, kann der automatische NullnachsteilZyklus
entweder als Kontrolle oder als Feineinstellung wiederholt werden, um das I0-Signal, das dem Eingang des Verstärkers
60 zugeführt wird, näher an das !.-Signal heranzubringen.
Wenn die ursprünglichen Signale verrauscht sind, wird die normale Arbeitsweise darin bestehen, zunächst einen auto^
matisehen Nullnachstellvorgang im Einzel- oder Eichbetrieb ^
durchzuführen, so daß die Phasen der Speicherzähler für die "*
automatische Nullnachstellung wenigstens ungefähr der richtigen Phasenbeziehung entsprechen, um den richtigen Grad
der Äbschwächung durch den Arbeitszyklus zu erreichen, d.h. durch den Prozentsatz der Einschaltzeit des Jlip-Flop 320
und damit des I0-Gatter-Signals 340 und des abschwächenden
elektronischen Zerhackerschalters 22. Dann wird eine weitere Reihe von automatischen liullnachstellzyklen mit Mittelung
über wenigstens 10 Messungen durchgeführt, um so alles
Rauschen in den ursprünglichen I0- und I.-Signalen heirauszumitteln.
Durch einfache Anordnungen von Schaltmagneten und dergleichen ist eine tatsächliche Ausführung einer
Schaltung nach der Erfindung hergestellt w rden, welche es · f|
gestattet, durch'Betätigen eines einzigen Schalters durch
den.Gerätebenutzer den Speicher für die automatische Nullnachstellung
nachzustellen, in dem erst ein einziger Zyklus eines automatischen Nullnachstellvorganges durchgeführt
wird, gefolgt von einer Reihe von entweder 10 oder 100
automatischen Nullnachstellzyklen mit Mittelung über die einzelnen
Messungen, je nach der Stellung der Schalter 230 und 231. Eine solche Arbeitsfolge gestattet es, zunächst einen einzelnen
Zyklus der automatischen Nullnachstellung mit einem hohen
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Grad von Genauigkeit in einer relativ kurzen Zeitspanne durchzuführen, so daß der durch den Zerhacker 22 abgeschwächte
Wert von I0 1 sehr nahe an den Wert I ' in einem
kurzen Zeitintervall gebracht wird, und dann den längeren Mittelwertbildungsvorgang zur stärkeren Rauschunterdrückung
durchzuführen. Offensichtlich ist eine solche Möglichkeit nur ein zusätzlicher Vorteil für den Gerätebenutzer. Diese
Anordnung ist daher nicht dargestellt, da bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Gerätebenutzer es wählen
kann, die automatische Nullnachsteilung entweder in einem
einzelnen Zyklus, bei der Mittelwertbildung über 10 Zyklen oder bei der Mittelwertbildung über 100 Zyklen durchzuführen,
in dem er die Schalter 230 und 231 in geeigneter Weise einstellt.
Der einzige Bauteil, der noch nicht vollständig beschrieben ist und einen Teil der Erfindung bildet, ist die sogenannte
Entscheidungslogik 400 für die automatische Nullnachstellung, die lediglich die Ausgangssignale bei 242 und 243 der letzten
Stufen der positiven und Minus-Zähler 240 und 241 erfaßt und eine "Entscheidung" liefert, ob irgendein weiterer automatischer
TJullnachstellvorgang angezeigt erscheint. Hierfür gibt es zwei Kriterien: Das erste Kriterium ist, daß, wenn
keiner der Zähler während eines automatischen Nullnachstellzyklus ein Ausgangssignal liefert, die Schaltung 400 an ihrem
unteren Ausgang 402 ein Signal zur Anzeige der Vollendung der automatischen Nullnachstellung liefert. In anderen Worten:
Ein solches Signal erscheint immer, wenn ein automatischer Nullnachstellzyklus gefordert wird ά und die Schaltung
festgestellt hat, daß keine meßbare Differenz zwischen dem abgeschwächten Wert von I0' und dem unabgeschwächten
Wert I.' besteht. Unter solchen Umständen hat es offensichtlich keinen Zweck, eine weitere automatische Nullnachstellung
zu verlangen, da eine vollständige Nullnach-
0098A1/11U
stellung solion erreicht worden ist. Wenn die Eingangssignale Ij. und IQ verrauscht sind, so ist es unwahrscheinlich,
daß in Praxis dieses erste Kriterium jeweils erfüllt
wird. Daher wendet die Eiitscheidungslogik-Schaltung 400
auch ein zweites Kriterium an.
Das zweite Kriterium, welches das Erscheinen eines Signals für die Beendigung der automatischen Nullnachstellung am
Ausgang 402 der Schaltung 400 "bewirkt, ist das, daß die
Anzahl der Zählimpulse, die von den-positiven und den Minus-Zählern
an den Leitungen 242' bzw. 243' erscheinen, und irgendeines
automatischen Nullnachstellvorganges bis auf beispielsweise einen Puls gleich sind. Mit anderen Worten? Das ™
zweite Kriterium besteht darin, daß der automatische· Nullnachstellvorgang
das beste erreichbare Verhältnis der Ab- . Schwächung des I0-Signals erreicht hat, so daß die mittlere
Differenz zwischen dem abgeschwächten Iq-Signal und dem I.Signal
null ist, d.h. ihre Differenz um null herum zittert. Dieser obere Ausgang 404 der Schaltung 400 ist natürlich ein
Auslösebefehl für die automatische Nullnachstellung, Dieses Signal erscheint, wenn weder das Kriterium 1 noch das Kriterium '2 erfüllt ist, so daß eine weitere automatische Nullnachstellung
ausgelöst wird. Der Eingang 406 der Schaltung..·.-400
ist nur die Information, daß die Anzahl der geforderten
Zykl4Äf d.h. 10 oder 100, bei der durch die Schalter 230 |
un#3"2#/i bestimmten speziellen Mittelwertbildung erreicht
worden'ist. Dieses Signal kann entweder benutzt werden, um...
die "intscheidung" der Schaltung 400 zu übersteuern, da in der
speziellen dargestellten Schaltung bei Wahl der Mittelwertr
bildung bei der automatischen Nullnachstellung:, die teil-. ,-weise
Korrektur für die automatische Nullnachsteilung ,wan-- ■
0 0 9841/11IA
rend jedes der einzelnen Zyklen durchgeführt wird, statt daß
erst der Mittelwert gebildet wird und dann die Werte alle auf einmal berücktichtigt werden. In anderen Worten: Der automatische
Nullnaehstellvorgang beginnt auch bei Mittelwertbildung über mehrere Zyklen den Abschwächungsfaktor des
Zerhackers 22 solion nach dem ersten Zyklus zu korrigieren und korrigiert ihn im allgemeinen vollständig, abgesehen
von Rauschschwankungen in den ursprünglichen Signalen, bevor die Anzahl der geforderten Mittelwertzyklen erreicht ist.
Aus diesem Grund ist das Kriterium Nr. 2 erforderlich, da im allgemeinen der automatische Nullnachstellvorgang vollendet
ist, bevor die geforderte Anzahl von Zyklen (10 oder 100) erreicht ist. Die Verwendung einer solchen Mittelwertbildung
glättet jedoch 3chon jeden einzelnen automatischen Nullnachstellzyklus, d.h. vermindert den Effekt von schnell
sich änderndem Rauschen, da die automatische Nullnachstellung sich glatter gegen Null oder den Abgleichzustand ändert und
daher weniger durch statistisches Rauschen beeinflußt ist und das abgeschwächte Eingangssignal Iq1 schon sehr nahe
an den I.'-Wert herangebracht worden ist. Im allgemeinen besteht der automatische Nullnachstellvorgang aus wenigstens
zwei einzelnen Zyklen, d.h. auch wenn nur ein einziger Zyklus von automatischer Nullnachstellung verlangt wird, so
daß der zweite einzelne Zyklus sowohl zur Kontrolle als auch zur Peineinstellung der schon gemachten Korrektur dient.
Ji1Ur von vornherein verrauchte Eingangssignale besteht die
automatische Nullnachstellung gewöhnlich aus einem ersten einzelnen Zyklus (mit einem vollen 200-KHz-Ausgangssigrial
bei 242) gefolgt von entweder einer Mittelwertbildung über 10 Messungen (20 KHz) oder einer Mittelwertbildung über
Messungen (2 KHz), um den besten erreichbaren Nullabgleich
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zu erhalten, der bei Signalen von ähnlichem Rauschinhalt
erreicht werden kann. Wenn die Entscheidungslogik für die automatische Mullnaehstellung festgestellt hat, daß sich
keine weiteren Operationen lohnen, hört die automatische !
Nullnachstellung auf, auch wenn die Anzahl, d„h. 10 oder 100, der Zyklen nicht tatsächlich erreicht worden
ist, da weitere solche automatische Nullnachstellzyklen keinen nützlichen Zweck mehr erfüllen könnten. '
Datenausdruck in üblicher Bauart und damit verbundene Einrichtungen
Wie weiter oben bereits angegeben, liegt an den Ausgabeleitungen
242 (und/oder 243) die berechnete Punktion der dritten
ursprünglichen Eingangssignale I und IQ in digitaler Form an.
Diese in digitaler Form vorliegende und berechnete Hauptausgangsfunktion
wird mit Dg bezeichnet. Wie es bereits weiter
oben für eine beispielhafte Rechenoperation beschrieben wurde und in Fig. 2 graphisch dargestellt ist, besteht die Rechenoperation
im besonderen in der Bildung des Logarithmus j|
des Verhältnisses der ,beiden Eingangssignale (d.h. log IQ/l);
in der beispielshaften Verbindung mit einem Spektralphotometer
ist dann die Zahl der Impulse, die während einer vollständigen Rechenoperation an diesen beiden Ausgängen (242,
243) auftreten, der Absorption durch die Probe, die sich in dem eigentlichen die Probe durchsetzenden Lichtweg befindet,
direkt proportional, während die von der Probe durchgelassene Intensität dem Eingangssignal bei 10 (I) proportional ist.
Dieses den Logarithmus des Verhältnisses darstellende digi-
098 41/1114
-52-
tale Ausgangssignal kann anschließend einer üblichen Datenausgabe
zugeführt werden, wie sie beispielhaft auf der rechten Seite in Pig. 1b dargestellt ist. In diesem speziellen Fall
sind die Ausgabeleitungen 242 und 243 mit den Kontakten 442
bzw. 443 eines Schalterpaares 440 mit den Schaltarmen 444 bzw. 445 verbunden. Zur Erläuterung ist angenommen, daß das
"positive" Signal der Absorption direkt proportional ist; Es wird über die Zuführung 446 an den Eingang 448 eines
Anzeigezählers 450 gelegt, der z.B. aus vier in üblicherweise in Reihe geschalteten Dezimalzählern im Binärcode bestehen
kann. Im Zähler 450 werden dementsprechend alle Impulse, die vom Ausgang 242 über 442, 444» 446 und 448 zugeführt werden,
summiert; auf einen entsprechenden Befehl hin wird diese Summe über die Leitung 452 dem Anzeigeregister 454 zugeführt, von dem
aus irgendeine übliche Ausgabevorrichtung über den Ausgang 456 versorgt wird. (z.B. sogenannte NIXIE-Röhren entsprechend
dem Block 460). Zur Vereinfachung sind die Verbindungen 452 und 456 einfach dargestellt, während
sie im allgemeinen so viele einzelne Leitungen enthalten, wie der Stufenzahl eines konventionellen Serienzählers
entspricht, z.B. vier, wenn der Anzeigezähler vier einzelne Zähleinrichtungen enthält, von denen jede Zehnerkapazität
besitzt und in üblicherweise Einheiten von 10, 100 oder 1000 entspricht. Zum Anschluß an einen konventionellen
Dezimaldrucker kann noch ein Ausgang 462 vorgesehen werden, der vom Anzeigezähler 450 ausgeht und die gezählte
Summe in der bestmöglichen Weise zugänglich macht. Ein weiterer Zwischenausgang 464 kann an dem Anzeigeregister
454 vorgesehen werden, von wo aus die Daten auf die
-53-
009841/11U
einfachste Weise einem üblichen, Serien "von Daten verarbeitenden
Gerät zugeführt werden können. Auch diese Ausgänge 462 und 464 werden aus so vielen Leitungen bestehen,
wie erforderlich ist, um die Daten der jeweiligen Zähl- oder Registriereinheiten weiter zu geben., d.h. in dem
hier vorliegenden M.1 vier. .
Im allgemeinen wird beim normalen Betrieb eines Zweistrahl-Spektralphotometers
das Eingangssignal IQ - auch wenn es, wie früher beschrieben wurde, nach der Eichung über den
selbsttätigen JTuIlausgleich gedämpft wird - größer sein
als das Signal I; liegt dann an 242, 442 bis 450 usw° der
Logarithmus des Verhältnisses der beiden Eingangssignale an, so wird man normalerweise nur an dem positiven Ausgang
242 ein Signal erhalten. Die vierstellige Anzeigekapazität wird dann gewöhnlich in solcher Weise eingesetzt, daß die
erste bzw. bedeutendste Stelle, d.h. Tausender, eine ganze Zahl darstellt, also links von der Kommastelle erscheint,
während die restlichen drei Stellen,. Hunderter, Zehner und Einer, die erste, zweite und dritte Stelle hinter dem Komma
darstellen. Auf.diese Weise erscheinen die Ausgabedaten
letztlich als eine Zahl mit drei Stellen hinter dem Komma als Angabe für die Absorption.
Unter den zuletzt genannten Umständen werden an dem negativen
Ausgang 243 im allgemeinen keine Impulse erscheinen.
Die Möglichkeit, daß in besonderen Fällen das Signal I praktisch
gleich groß oder unter Umständen wenig größer als das Signal IQ ist, wird dadurch berücksichtigt, daß ein "Minus"-
-54-009841/1114
Zähler 451 geringer Kapazität (bis zu 100 Stellen) vorgesehen wird. Die entsprechenden Daten minus Dq am Ausgang
243 werden über den Kontakt 443 und den Schalterhebel 445,
sowie die leitung 447 und den Eingang 449. dem Anzeigezähler 451 zugeführt. Wie durch die Leitung 473 dargestellt wird,
ist der "EinerU-Zähler 471 mit dem Dezimalzähler im Binärcode
481 in der üblichen Serienschaltung verbunden. Ist das Signal I unerwarteter Weise gleich oder etwas größer als das
(gedämpfte) Signal Iq, so wird dies bei der Ausgabe durch den
zusätzlichen Zähler 451 sicher angezeigt. Mit Bezug auf das Zweistrahlspektralphotometer wird dies bedeuten, daß auf
dem Lichtweg des Probenstrahlers keine Strahlung absorbiert wird, so daß das Signal I, das die Probenstrahlintensität
darstellt, im wesentlichen dem (gedämpften) Signal I0 gleich
ist. Theoretisch kann das Signal I nicht einmal unter diesen Bedingungen kleiner werden als das (gedämpfte) Signal IQ,
da durch den bereits vorher erfolgten selbsttätigen Nullabgleich exakt die richtige Kompensation über den Zerhackerschalter
22 durchgeführt wurde. Es ist jedoch möglich, daß bei der zu einer späteren Zeit vorgenommenen Messung unter
dem Einfluß des Hauschens oder sonst einer Nulllinienver-Schiebung
das Signal I etwas größer wird als das gedämpfte Signal IQ. In diesem Fall stellt der Logarithmus des Intensitätsverhältnisses
Iq/I einen geringen negativen Wert dar,
der zu einer kleinen Anzahl von Impulsen am Ausgang 243 der "Minus"-Zählschaltung führt, die dann vom "Minus"-Zähler
gezählt werden.
Für den Fall, daß das Signal I tatsächlich einmal während der Durchführung der Rechnung größer wird als das gedämpfte
0098A1/11U
Signal IQ, muß eine Möglichkeit vorgesehen werden, den Inhalt
des "Minus"-Zähiers unter Berücksichtigung des Vorzeichen-Unterschiedes
vom Inhalt des "positiven" Anzeigezählers abzuziehen. Schematisch wird diese algebraische Addition der ·
Zählerinhalte durch eine Verbindung zwischen dem Ausgang 483 des "Minus"-Zählers und dem zweiten Eingang 488 des
"positiven" Anzeigezählers Über den Schalter 485 erreicht, so daß diese zeitlich vor der endgültigen Übertragung und
Ausgabe des Inhalts des "positiven" Anzeigezählers 450 erfolgt. · -
Die durch die Elemente 483, 485 und 488 schematisch dargestellte
Rechenoperation kann in einfacher V/eise dadurch durchgeführt werden, daß unmittelbar vor der Rechenoperation
der "positive" Anzeigezähler 450 auf einen Wert von -9900
zurückgestellt wird, während gleichzeitig der "Minus"-Zähler
451 auf null zurückgestellt wird. Die algebraische Addition bzw. Subtraktion der Inhalte der beiden Zähler vor
dem Ik-de der Rechenoperation kann dann in einfacher Weise
so erreicht werden, daß sowohl dem "positiven"-Anzeigezähler
450, als auch dem "Minus"-Zähler 451 solange Impulse
zugeführt werden, bis der "Minus"-Zähler 451 gefüllt ist,
wie an seinem Ausgang 483 angezeigt wird, zu diesem Zeitpunkt wird die Zuführung der zusätzlichen Impulse beendet.
Wenn der "Minus"-Zähler 451 a.B. drei Einheiten enthält,
während dem "positiven" Anzeigezähler 450 noch keine Impulse zugeführt worden sind, so daß er immer noch einen
Wert von 9900 anz-eigt, würde man 97 zusätzliche Impulse
zuführen müssen, bevor der "Minus"-Zähler 451 gefüllt ist.
-56-
009841/1114 BADOftlQlNAL
Dementsprechend zeigt das Zählwerk des Anzeigezahlers 450
einen Wert von 9997 an, der nach dem hier angewendeten Beispiel der Zahl 9»997 bzw. einer Absorption von
-0,003 entspricht. Diese Anzeige ist eindeutig, denn ein wirklicher Absorptionswert (logarithmisches Verhältnis)
von 9»997 würde bedeuten, daß das Verhältnis der Eingangssignale I und I0 einen Wert von 1 : 10 hat. Tatsächlich
jedoch werden im allgemeinen die Maximalwerte der Absorption nie größer als etwa 5 sein, was einem
Verhältnis der Intensitäten von 100000 zu 1 entspricht. Aus diesem Grunde ist sofort erkennbar, daß Ausgabedaten
von 9»9··· Absorptionseinheiten in Wirklichkeiten einer geringen "Minus"-Absorption entsprechen. Für die Bedienungskraft
oder irgendwelche anderen angeschlossenen Ausgabe—
systeme besteht daher keine Schwierigkeit zur Unterscheidung zwischen einem tatsächlichen Absorptionswert von 9»997
und einem wahrscheinlicheren Wert von -,0,003» da sich die Eingangssignale I ebenfalls um den Faktor 10 unterscheiden
müssen. Die Anzeige ist daher immer eindeutig, auch wenn die hier beschriebene Schaltung in einer Weise verwendet wird,
die hier von dem beschriebenen Beispiel völlig verschieden ist.
Die im unteren Teil der Fig. 1a im Vergleichssignalgenerator vorhandenen verstellbaren Widerstände und Potentiometer 108,
110 und 112 sind nur während der zweiten Stufe Sp eines Rechenzyklus
eingeschaltet, d.h. sie spielen für den selbsttätigen Nullabgleich keine Rolle. Die Verstellung dieser ver-
009841/ 1 1 U
2009E29 -57-
schiedenen Widerstände bewirkt eine Änderung des Verlaufs
der nach Fig. 2 bei 78b erzeugten Exponentialkurve, wodurch
erreicht wird, daß das z.B. am Ausgang 242 befindliche berechnete Signal exakt gleich und nicht proportional einer spezifischen
Punktion ist, die dem Logarithmus von Iq/I proportional
ist. Auf diese Weise kann z.B. in Verbindung mit einem Zweistrahlspektralphotometer die endgültige Ausgabe
in Form von exakten Absorptionseinheiten (d.h. 1,987 für den Fall, daß nur wenig mehr als 1$ der Probenstrahlintensität
von-der Probe durchgelassen wird) oder direkt in Konzentrationseinheiten,
wobei theoretisch die Konzentration der Absorption direkt proportional ist, <£.h. mit ihr durch einen
linearen Koeffizienten verbunden ist, angegeben werden. Bei richtiger Grob- und Feiheinstellung der entsprechenden Konzentrations-Potentiometer
läßt sich erreichen, daß die endgültigen Ausgabedaten der wirklichen Absorption oder der wirklichen Konzentration
nicht nur proportional, sondern gleich sind.
Mit 500 ist ein "Krümmungskorrektur"-Generator bezeichnet,
der gegebenenfalls, aber ebenfalls nur während der zweiten Stufe eines Hechenzyklus, der an seinem Ausgang 502 einen
geringen zusätzlichen Strom erzeugt. Dieser ist einem Bruchteil
von Iq' proportional und wird bei 504 zwischen den Elementen
110 und 112 dem durch die Widerstände 108, 110 und 112 fließenden Entladungsstrom des Kondensators 104 zugeführt, so daß
dadurch die Krümmung der Exponentialkurve 78b etwas modifiziert
wird. Dadurch wird erreicht, daß auch Funktionen gerechnet werden können, die nicht exakt die theoretische exponentielle
-•$8-
009841/1114
-58- 200S529
oder logarithmische Form haben. So weicht z.B. bei einem
Atomabsorptions-Zweistrahlspektralphotometer die gemessene Konzentration in der Probe etwas ab von dem Wert, wie er
sich theoretisch unter der Annahme der Gültigkeit des Lambert-Beerschen-Gesetzes ergibt, -^ine solche geringe Abweichung
der experimentiellen von der theoretischen Exponentialkurve wird durch den llKrümmungskorrektur"-Generator 500
mitteld der Einführung einer absichtlichen Abweichung berücksichtigt. Diese Schaltung gehört nicht zum eigentlichen
Gegenstand der vorliegenden Erfindung, daher sei hier nur erwähnt, daß die Krümmungskorrektur manuell am Eingang 512
eingestellt werden kann, wobei die Korrektur am niedrigsten Punkt der Kurve 7öb einsetzt, bei dem eine Abweichung vom
exponentiellen Verlauf eintritt. Dies geschieht über eine variable "An"-Schaltung, während der Grad der Abweichung von
der exponentiellen Kurve 78b von Hand bei 514 unter entsprechender Variation der Schaltung 500 eingestellt wird. Über
die Leitung 92 und den Eingang 516 erhält der Generator ein I0 1 proportionales Signal: am letzten Eingang 518 erhält er
ein Signal IR, über die Leitung 520, das dem Ausgangssignal
des Vergleichssignalgenerators gleich ist. Dadurch wird bewirkt, daß der Ausgang bei 502 um einen geringen Betrag an
einem bestimmten Punkt von der Krümmung der Kurve 78b abweicht, so daß auf diese Weise die im allgemeinen geringen und stetigen
Abweichungen von der theoretischen Exponentialfunktion, wie sie in der Praxis auftauchen, berücksichtigt werden.
-1SQ-
009841/1114
Mathematische Grundlagen .
Man kann leicht erkennen, daß die Zeitdauer zwischen z.B.
den Punkten 81 und 82 in Fig. 2 (d.h. der Unterschied
zwischen den Abszissenwerten) in der Tat dem logarithmischen Verhältnis I'^/l11 proportional. ist. V sei die
am Kondensator 104 anliegende Spannung, die während eines
Rückrechnungszyklus entsprechend der Kurve 78b in Fig. 2
über die Widerstandskette 108, 110 und 112 entladen wird. Der Ordinatenwert der Kurve 78b stellt dann eine Spannung
dar, die durch die folgende Gleichung beschrieben wird:
. (1J
Darin ist K eine Konstante, die in diesem Fall einen negativen
Wert hat, aber auch den Wert 1 annehmen kann, die
restlichen Glieder der rechten Seite stellen den wohlbekannten exponentiellen zeitlichen Verlauf des Spannungsabfalls
in einer Schaltung mit der Zeitkonstante T dar, die bekanntermaßen durch das Produkt der entsprechenden
Widerstände und Kapazitäten gegeben wirdi " Jj
T = R-C (2)
An Punkt 81 schneidet die Exponentialkurve 78b die Gerade 62b entsprechend einem Abszissenwert t- auf der die Zeit
-6o-
0098A1/11U
darstellenden Abszisse und entsprechend der Konstanten I!l 0
auf der Geraden 62b. Vergleiche
VG,1 L 0 * e 1 Ki>)
Darin entspricht Vq - dem Ordinatenwert (Spannungswert)
der Kurve 78b am Schnittpunkt 81, t.. ist der entsprechende
Abszissenwert (Zeit-Wert) bei diesem Punkt 81. Ist die Spannung auf den Wert I'1 abgefallen, entsprechend der
Überschneidung der Kurven 78b und 52b am Punkt 82, so gilt die folgende Beziehung:
V0 2 = I" = E>
e "1^ (4)
Darin ist Vn o der Ordinatenwert am Punkt 82 und to ist der
Abszissenwert an diesem Punkt.
Dividiert die Gleichung 3 durch die Gleichung 4, so erhält
man:
TlI o" *
Nach Logarithmierung erhält man:
I"n tp - t1
log ^ = -2 1 (6)
1" T
So erhält man den gewünschten Logarithmus des Verhältnisses I1' /I11, der der Differenz der Abszissenwerte (Zeit-Werte)
0 09841/11 U
2008529
—öl —
an den Punkten 82 und 81 direkt proportional ist. In der Folge wird der duroh die rechte Seite der Gleichung 6 gergebene
Wert als Zählwert oder S1«-Ausgangssignal bezeichnet,
Die Ordinaten- "bzw. Spannungswerte I11Q und ί" sind den
tatsächlichen EingangsSignalen I'o bzw. I1 der beiden Integratoren
50 und 60 mit dem gleichen Proportionalitätsfaktor k-proportional, sofern die beiden Integratorschaltungen
identisch sind. Daher kann man schreiben:
Ir1T' T ' » ™
2 ° (7)
kV I1 I
'f
Tatsächlich ist aber die Annahme der Gleichheit der Proportionalität
sfaktoren k1 nicht erforderlich, .da die selbsttätige
Nulleichung an den Ausgängen der Integratoren angreift, so daß auf diese Weise nicht nur alle Fehler korrigiert werden,
die vor den Eingängen der Integratorkreise liegen, sondern auch die, die innerhalb der Integratorkreise entstehen,
z.B. dadurch, daß die beim Zusammenbau verwendeten Komponente,
nicht exakt äquivalent sind. Daher kann auch die linke Seite der Gleichung 7 durch das Verhältnis I'q/I1 dargestellt werden,
selbst wenn die beiden Konstanten k' nicht identisch sind, weil sie durch den selbsttätigen Nullabgleich angeglichen
werden. Dementsprechend gilt unter diesen Bedingungen
die Verhältnisgleichungj
Tl TII . .
I 0 = i__0 . (8)
II I"
-62-
009841/1114
200S529
Demnach gilt diese Gleichung, wenn die Kreise durch den selbsttätigen Nullabgleich oder anders, wie vorher beschrieben,
abgeglichen worden sind, so daß die linke Seite der Gleichung entsprechend in die rechte Seite der Gleichung 6 eingesetzt
werden kann:
10 *? 1
log —°- = -2 1 (9)
11 T
Bei entsprechenden Werten der Zeitkonstanten T in Gleichung (durch Variation der Widerstände 108, 110 und 112) im Verhältnis
zu der Verstärkung in verschiedenen Teilen der Schaltung kann das endgültige Ausgangssignal, z.B. Do bei 242,
für direkte Messungen der Absorption gleich oder für Konzentrationsmessungen in jeder gewünschten Weise proportional
der gewünschten logarithmischeii Funktion, d.h. der linken
Seite von Gleichung 9> sein. T auf der rechten Seite der Gleichung 9 kann daher auch in einfacher Weise über die Verstärkung
anderer Schaltungskreise so gewählt werden, daß das endgültige Ausgangssignal bei 242 in jeder gewünschten Weise
dem Logarithmus des Verhältnisses I'q/I* gleich oder proportional
ist.
In der Folge wird angegeben, wie nach einer entsprechenden mathematischen Analyse durch den selbsttätigen Nullabgleich
ein gewünschtes Signal S'.o erzeugt wird, das der Differenz
von I11Q und I11λ proportional ist. Nach Fig. 3 ist der
Ordinatenwert (Spannungswert) des Vergleichssignals 7öab während des selbsttätigen Nullabgleiohs linear, so daß
-61-
009841/1114
der Spannungswert auf der Ordinate durch
VA = - S ·. t + k ■ · ■ (11)
erstellt wird. Darin ist Y. ein Spannungswert zu irgendeiner
Zeit während des linearen Anstiegs der Vergleichsspannung nach 78at>, S ist die Neigung dieser Geraden,
t gibt dem Abszissenwert (Zeitwert) während der zweiten
Stufe des selbsttätigen Nullabgleichs S.ρ an, k ist
eine Konstante, die auch negative Werte annehmen kann. Am Schnittpunkt der Geraden 78ab und der Horizontalen
62ab (entsprechend Ii!q) bei 381 'entspricht der Ordinaten.
wert einer Spannung ■ .
I"o = - S · t1 + k (12)
Bei abnehmender negativer Spannung schneidet,die Gerade
78ab die Gerade 52ab bei 382 (entsprechend I1'.) zu einer
späteren Zeit, dementsprechend gilt für diesen Punkt
I"A = --S-. . t2 + k (13)
Durch Subtraktion der Gleichung 13 von Gleichung 12 erhält
man
111O " 111A = "S ' *-\ " (-S#t2) = S#t2 -3·*Λ = S-Ct^t1) (H)
009841/11U
So wird die auf der linken Seite der Gleichung 14 dargestellte,
gewünschte Differenz der beiden integrierten Signale der Differenz der Abszissenwerte an den Punkten 381
und 382 proportional bzw. mit anderen Worten: Dem Zeitunterschied S1^2 proportional, wie schon früher festgestellt,
aber nicht bewiesen wurde. Wie im analogen Fall vorher streng für den Rechenzyklus gezeigt wurde, sind die integrierten
Werte I!l 0 bzw. I11A beide den Eingangssignalen
I'q bzw. I'. direkt proportional, die im ersten Durchlauf
des selbsttätigen Nullabgleich^ integriert werden. Dementsprechend gelten die linearen Beziehungen
k» - I'o = I"o (15)
Nach Subtraktion der Gleichung 16 von der Gleichung 15 erhält man
* 1O* 1A'* U0iA;"1 O1 A (17)
und nach Einsetzen in Gleichung 14
k« (I»o - I»A) = S (t2-t.,) (18)
1O-11A = P ^2"V (19)
äei Einstellung der Neigung S im Verlauf des linearen Anstiegs
den Ver^leichssignals 78ab relativ zu der zugehörigen Integration
!Jkonstan hen, die k' mindestens proportional ist, können
009841/1114
die Proportionalitätsfaktoren in Gleichung 19 auf geeignete Werte gebracht werden, so daß die Zeit zwischen t- und t?
kurz genug, aber lang genug zur Erzielung einer ausreichenden Feineinstellung im Bereich solcher Werte, in dem die angeblich
gleichen Eingangssignale tatsächlich voneinander verschieden sind. Durch den selbsttätigen Nullabgleich werden
tp und t- einander angeglichen, so daß die Differenz dieser
Werte gegen Null geht, wodurch auch das Signal &'.p SeSen· Null
geht; daher wird theoretisch der Punkt, an dem ein Abgleich
eintritt, durch die Prdportionalitatsfaktoren in Gleichung 19
nicht beeinflußt (d.h. der Betrag, um den das Eingangssignal Iq mittels des Zerhackers 22 nach Beendigung des automatischen
Nullabgleiche reduziert wird), jedoch werden sie die Geschwindigkeit
und die Feinheit dieser Abgleichseinstellung beeinflussen. Es hat sich herausgestellt, daß in dem hier beschriebenen
Beispiel in der ersten Integrationsperiode von ca. 100 msek.
die Neigungen der Geraden 52aa, 62aa, 78aa und 78ab zweckmäßigerweise
so gewählt werden, daß dann im allgemeinen die für die zweite-Stufe (S.?) erforderliche Zeit anfänglich ca. 10 msek.
beträgt. Die selbsttätige Nullstromgerieratorschaltung 29 erhält
hier ein Eingangssignal, das während dieser zweiten Stufe dem ursprünglichen Signal IQ proportional ist, da der elektronische
Schalter 24 in jeder anderen Stufe außer der ersten kein Signal
an seinem Eingang 46 erhält. Daher kann die Neigung der Geraden 78ab
automatisch im Verhältnis zum Wert des ursprünglichen Eingangssignals verändert werden, jedoch auf diese Weise die zweite Stufe
des selbsttätigen Nullabgleich^ in ihrer Dauer ziemlich konstant bleibt. Dies ist deshalb so, weil die tatsächliche Differenz
zwischen z.B. Ifl 0 un^ I"» im allgemeinen auch zunimmt, wenn
ihre Werte selbst zunehmen, d.h., daß der Unterschied zwischen
-66-
009841/11 U
den beiden Signalen in Prozent nur in einem ziemlich engen
Bereich liegt, und, daß sich tatsächlich größere Signale nur um einige Millivolt voneinander unterscheiden werden.
Damit ändert sich aber auch die zeitliche Dauer eines selbsttätigen Nullabgleichzyklus nicht sehr, selbst wenn die beiden
Eingangssignale sich um einen ziemlich großen Faktor verändern, wie es z.B. der Fall sein kann, wenn die Strahlungsquelle oder
auch die optische Durchlässigkeit von z.B. einem Monochromator eine starke Änderung der Signale bewirken. Dies gilt jedoch nur,
solange die Amplituden der beiden Eingangssignale nicht zu. sehr
voneinander verschieden sind (- 10$).
In der vorhergehenden Diskussion wurde angenommen, daß das Signal Iq am Eingang 20 nie kleiner wird als das Eingangssignal
I bei 10. Obwohl dies im allgemeinen immer der Fall sein wird, da oft sogar ein beträchtlicher Teil der Anfangsintensität IQ
in der Probe absorbiert wird, gilt dies jedoch nicht für den Fall einer Eichung oder eines selbsttätigen Nullabgleich^, denn
während der Zeit einer solchen Messung befindet sich in beiden Strahlengängen keine Probe und die beiden Signalintensitäten
können nur annähernd gleich sein. Im Ausführungsbeispiel wird
nur ein Dämpfungsglied (Zerhacker 22) verwendet, so daß durch die automatische NuIlabgleichung nur der I^-Kanal gedämpft wird.
Es würde zwar praktisch sein, ein solches Dämpfungsglied in beide Kanäle einzubauen, es ist jedoch einfacher und wirtschaftlicher,
wenn sichergestellt wird, daß das nominelle und in die Apparatur eintretende IQ-Signal immer größer gehalten wird als ββ das
I-Signal, selbst wenn dies im aktuellen Experiment z.B. wegen
Unterschieden in den Detektorkreisen nicht der Fall ist. Die3 wird dadurch erreicht, daß der Eingangswiderstand bei 11 größer
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009841/11U
-67- 20085
gemacht wird, als bei 21. Die Wirkung des Zerhackers 22
besteht dann lediglich darin, das Signal L· an der rechten
Seite des kleineren Widerstandes 21 in einem größeren Maße,
aber ausreichend zu bedampfen, um den höheren Widerstand 11
zu kompensieren. Im Ausführungsbeispiel hat der größere Eingangswiderstand
11 einen Wert von 132 Kiloohm und der kleinere Eingangswiderstand 21 einen Wert von nur 110 Kiloohm.
Auf diese Weise ist absichtlich erreicht, daß das Signal IQ
an der rechten Seite des kleineren Widerstandes 21 relativ U
größer ist, als das Signal I auf der rechten Seite des grör
ßeren Eingangswiderstandes 11, und zwar um den Faktor 132/110 =
1,20., Da so das effektive Signal im I0-Kanal künstlich vergrößert wird, wird der dämpfende Zerhacker 22 um den Bruchteil
1/1,"2 eines Umlaufes wirksam werden müssen, wenn die
Eingangssignale bei 10 und 20 tatsächlich gleich sind. Wird
durch den Zerhacker 22 der Strahl um einen größeren Betrag bedämpft, so wirkt d.as Dämpfungsglied in umgekehrter Richtung,
so daß im Endeffekt wieder ein Ausgleich eintritt und die
Signale für die übrige Schaltung gleich groß erscheinen. In
dieser V/eise kann durch ein Dämpfungsglied allein jeder Kanal
beeinflußt werden, denn eine Dämpfung durch den Zerhacker um λ
einen größeren Bruchteil wirkt sich so aus, als ob der I-Kanal bedämpft wird und nicht der IQ-Kanal in dem der Zerhacker eigentlich
wirksam ist. Im Ausführungsbeispiel kann durch den Zerhacker 22 das I0-Signal sogar auf einen Wert "bedämpft" werden,
der 120$ seines eigentlichen Wertes bezogen auf I beträgt;
mit anderen Worten, der Zerhacker 22 kann auch den I-Kanal so bedampfen, daß das Signal um einen Faktor kleiner als 1 (bis
zu einem Wert von 0,825) multipliziert wird, denn wegen der Unterschiede in den Widerständen 11 und 21 bewirkt eine vollständige
Öffnung des Zerhackers während eines Umlaufs, daß die
009S4.1/fiiu
rechtlichen Schaltkreise ein Signal I "erkennen", das um den
faktor 100/120 gedämpft ist, entsprechend dem Verhältnis der
Widerstandswerte der Eingangswiderstände.
Obwohl also eher die kombinierte Wirkung des kleineren Widerstandes
21 und des Zerhackerdämpfers 22 im Verhältnis zu dem größeren Widerstand 11 die tatsächlich in die Schaltung eingehenden
Eingangsspannungen bestimmt, wurde aus Gründen der Einfachheit in der vorhergehenden Beschreibung darauf kein
Bezug genommen. Dadurch wird jedoch in keiner Weise die Gültigkeit
der Eeschreibung oder der weiter oben gegebenen Wirkungsweise beeinflußt, denn die wirkliche relative Eedämpfung der
beiden Kaiiaäle ist bestimmt durch das Produkt aus dem wirksamen
Umlaufsanteil des Zerhackerdämpfers 22 und den relativen Widerstandswerten
11 und 21. Auf diese V/eise wird in dem Ausführungsbeispiel eine Dämpfung von 0,825 (entsprechend einem wirksamen
Umlaufsanteil von 82,5fr) durch das Element 22 bewirken, daß zwei tatsächlich gleiche Eingangssignale bei 10 und 20 auch als
gleich "erkannt werden", während die effektive Dämpfung durch den Zerhacker durch de.-i Zeitanteil (in Prozent) bestimmt wird,
in dem er relativ zu dieser 82,5?" betragenden Dämp Tung wirksam
wird (vergleiche den Teil 346 der Welle 34-0), wobei die 82,5#
AusgleichsdampfUii^· wirksam werden, wenn die Eingangssignale
wirklich gleich sind. Nimmt man beispielsweise eine Wirksamkeit während 80,0fr des Umlaufs an, wie bereits früher angenommen wurde,
so entspricht dies einer Gesamtdämpfung des Eingangssignals IQ
um den Faktor 80,0/82,5. Unter der Voraussetzung, da3 eine Wirksamkeit,
während -'2,Tv der. Umlaufes gerade dem Aus^leicn des Unterschiedes
zwischen den beiden SiiiGangswiderstiinde:: entspricht, v-o
'.vird i-: il·1!· besc-iri-r ο ien "Vi.i:e lodi^lic ι dl ο DÜLupfunj don IΛ-Kanal*
.-ία..' do.!· ■·;:.:■; 1;· von c>2,5 anstelle der Las is 100 vorgenommen. Da
009841/11U
di-eser Abgleich vor dem Eintritt der Signale in die Integratoren
erfolgt, wird deren Wirkungsweise oder auch die irgendwelcher weiteren angeschlossenen Schaltkreise "bei den Sechen- oder Nullabgleichoperationen
dadurch nicht "beeinflußt.-Wenn, in der beschriebenen
Weise der selbsttätigen Nullabgleichsschaltung 29 Strom zugeführt wird, dann kann dieser Vorgang so betrachtet
werden, als ob ein zusätzliches Verstärkungselement mit dem Verstärkungsfaktor
0,525 eingeführt worden ist, um den Effekt der zu geringen Größe des V/iderstandes 21 zu eliminieren; in-Wirklichkeit
wird jedoch aus Gründen der Bequemlichkeit, wie schon . -»
vorher erklärt wurde, die Neigung der Geraden 78ab in J1Ig. 3
dafür ausgewählt, da deren Neigung nur die Geschwindigkeit und Feinheit der automatischen Nulleinstellung beeinflußt, wie
bereits früher erwähnt wurde. Dies ist deshalb der Fall, weil bei Beendigung der automatischen Hullabgleichung (Neueichung)
die Gerade 62ab in Fig. 3 mit der Geraden 52ab zusammenfällt,
so daß durch die Neigung der Geraden 78ab nur die Geschwindigkeit dieses Zusammenfaliens beeinflußt wird und nicht der Abgleichswert
selbst, wie schon vorher festgestellt wurde.
Zusätzliche Merkmale M
Obwohl, die Erfindung vorstehend der Deutlichkeit halber anhand
einer speziellen Anwendung beschrieben ist, ist die gesamte Schaltung in der Lage, irgendwelche Arten von Gleichspannungseingangssignalen
zu verarbeiten und eine gewünschte Funktion, insbesondere den Logarithmus des Verhältnisses der Eingangssignale,
indigitaler und auch in analoger Form zu liefern. Das wichtigste neue Merkmal der Schaltung ist ihre Fähigkeit, sich
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automatisch selbst zu eichen und sich an diese Eicr.ung
"au erinnern" mittels einer neuartigen Kullnachstell- und
Speicherfähigkeit. Andere Vorteile sind im Zusammenhang mit einer detaillierten reschreibung der gesamten Scr.alxuug
beschrieben worden.
Es versteht sich von selbst, im Hinblick auf die Erläuterung des automatischen Uullnaohstellvorganges (siehe insbesondere
j'ig. 3), daß die Schaltung auch als berechnetes
Ausgangssignal während des normalen Rechenvorganges eine
Differenz der beiden Eingangssignale liefern kann, indem einfach
eine geradlinige Funktion wie bei 78ab in Fig. 3 verwendet
wird, um die relativen Werte der integrierten Eingänge zu messen. Eine solche Differenz!"ähigkeit ist schon vorhanden
und wird tatsächlich während des automatischen Nullnachstellbetriebes
angewandt, indem einfach über die Leitung 370, wenn der Schalterarm 86 in Kontakt mit 84 ist, ein konstanter Gleichstrom
von einem solchen Wert zugeführt wird, daß sich irgendeine gewünschte Steigung der linear abfallenden i,Iei3öpa::ming (analog
zu 78ab i.-L i(1ig. 3) ergibt, wie sie gewünscht werden kann, um
genau eine solche Subtraktion durchzuführen oder eine Differenz multipliziert mit einer bestimmten Konstanten zu bilden. Kine
solche Fähigkeit ist tatsächlich beispielsweise bei einen:
Zweistrahiopektralphotometer nützlich, wo es wünschenswert
sein kann, die" endgültigen Daten in der r'orra der linearen Absorption,
aiso des Anteils der von der Probe absorbierten Strahlung zu emal ten, welche proportional zu der linearen Differenz
zwischen der Keferenzbündelinterisität I^ und der durch die Probe
durchgelaufenen Probenbündelintensität 1 ist, somit K,„ (Iq - l),
wenn einmal die Hündelintensität I. bei Abwesenheit, einer Probe
in dem Probenbündel auf die lteferenzbündelintensitii t Iq durch
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eiiie automatische Nullnachstellung oder Eichung abgeglichen
ist, d.h. Iq-I.=0 oder I0=I.. Da diese linear gemessene Absorption
der tatsächlichen Probe K0, (I0-I) am besten als
Prozentsatz ausgedrückt ist, d.h. 100 (lQ-I)^, können die verschiedenen
Skalenfaktoren der Schaltungen so eingestellt werden, daß die' Proportionalitätskonstante Ka · dem Referenzsignal
I0 = 100, doh. Kg· I0 = 100, ist, so daß K3- (Iq-I) direkt in
Prozenten Probenabsorption angegeben wird, z.B. 27,9 9°, wenn Kg. I0 = 100 und K3 . I = 72,1.
Um die Messung von Signalen entweder in der Form I0-I oder
in der Form I - I0 zu ermöglichen oder bei dem gebräuchlicheren
O "ÄbsOrptionsverraögen"-Betrieb entweder in der Form log —~ oder
I
in der weniger verlangten Form log γ-—, sind in den Anzeige- .
in der weniger verlangten Form log γ-—, sind in den Anzeige- .
teilen der Schaltung verschiedene'Umkehrschalter vorgesehen, beispielsweise
der schon erwähnte bei 440 und der Schalter 550 in der unteren linken Ecke von Fig.. 1b. Solcne Schalter stellen
sicher, daß der große positive Anzeigezähler 450 und nicht der Iylinus-Zähler 451 mit kleinerer Zählerkapazität das berechnete
digitale Signal erhält und daß die analogen Schreiberschaltungen
(Element 50 ff) das gewünschte Vorzeichen der äquivalenten analogen Information liefern. ■ (|
Wie oben erwähnt ist, ist die dargestellte Schaltung im allgemeinen
in der Lage, die gewünschte Funktion der beiden Eingänge zu berechnen, auch wenn der."Eingang I größer ist als das Eingangssignal
I0, obwohl speziell angenommen war, daß unter der Bedingung,
daß das I0-Signal wenigstens so groß ist wie das I-Signal,
gearbeitet würde. Insbesondere würden die Ausgänge bei 120 und 128 der beiden Differenzverstärker oder Vergleicher nur in zeitlich umgekehrter Aufeinanderfolge auftreten als es oben beschrie-
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ben ist und die Zählgatter-Logikschaltung kann leicht dafür
eingerichtet werden, diese Situation von den umgekehrten ?all
zu unterscheiden. Das könnte ein einfacher UmIc ehr se halt er sein,
der an die Eingänge 122 und 129 derselben gelegt wird.
Wenn es gewünscht wird, die prozentuale Absorption zu ermitteln,
d.h. festzustellen, um welchen Prozentsatz Iq-I sich von In
unterscheidet, so bewirkt die normale Y/irkungsweise der automatischen
Wullnachstellungscchaltun^·, wenn mau den .idersta.id 21
u/id den Zerhackerabsc.awächer 22 als Einheit betrachtet, daß das
I^-Signal auf den tatsächlichen .ort des Leorsignals I., ohne
Pi'obe in dem anderen Kanal während dieser Eichung abgeschwächt
wird. Für die Messung der prozentualen Absorption bei einem Absorptionsspektrophotometer ist dieser Vorgang, daß das abgeschwächte
IQ-Signal auf day rl i ve au von I. gebracht wird, d.h.
das Anheben der Linie 62ab, so daß die mit der Linie 52ab in Fig. 3 zusammenfällt, der gewünscnte Effekt, um die tatsächliche
prozentuale Absorption einer Probe zu bestimmen, wenn diese eingesetzt
wird und eine Rechenoperation in üang gesetzt wird. Wenn
beispielsweise die ursprüngliche Intensität von IQ 100 Einheiten
beträgt, während das Signal in dem anderen Kanal ohne Probe I.
90 Einheiten ist, und dann eine Probe in diesem zweiten kanal eingesetzt wird und ein richtiges Probensignal I von 45 Einheiten
erzeugt, so sollte sich der tatsächlichen Absorptionsprozeiitsatz
der Probe auf die 90-Einheitenstrahlung beziehen, die sonst durch diesen Kanal hindurchgegangen wären, nicht auf die 100 Einheiten,
die ursprünglich in dem anderen Referenzkanal vorhanden waren. In anderen Worten: Es ist wünschenswert, daß IQ-Signal von
100 Einheiten auf die 90 Einheiten von I. zu vermindern, bevor während einer anschließenden Rechenoperation das I-Signal mit
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BAD
deni IQ-Signal.,- welches nun auf 90 Einheiten vermindert ist,
verglichen wird. Das ist natürlich die normale Wirkungsweise
der automatischen Mullnachstellung, wie sie oben beschrieben ist. Insbesondere wird das !„-Signal abgeschwächt, so daß die
beiden geraden Linien der Integration (62aa) und des gehaltenen Wertes (62ab) des Referenzkanals abgeschwächt werden, d„h.
weniger negativ gemacht werden und sich den entsprechenden integrierten
und gehaltenen L.-Signalen (52aa und 52ab) nähern und
schließlich mit diesen zusammenfallen. Somit wird in dem.gerade
angegebenen Beispiel das I^-Signal von 100 Einheiten auf 90
Einheiten während des automatischen Nullnachstellvorganges abgeschwächt.
Während eines anschließenden Rechenvorganges wird das untersuchte Probensignal I mit diesem abgeschwächten Wertvon
I„, nämlich 90 Einheiten, verglichen, so daß es den richtigen
Anteil an absorbierter Energie, nämlich 10/9 · (90-45) = 50;ί>
darstellt und nicht proportional zu der Differenz zwischen dem
ursprünglichen, nicht abgeschwächten IQ-Signal und dem Probensignal
ist, also nicht proportional zu 100-45=55. So sollte in der üblichen Diskussion der Proportionalitätsfaktor K^ die Art
und Weise angeben, wie das ursprüngliche ^-Signal abgeschwächt
worden ist, um gleich I* zu werden, da das IQ in dem Ausdruck
Kg (Iq-I) natürlich das ursprüngliche ^-Signal ist, nach dem es
abgeschwächt worden ist um gleich dem I.-Signal zu werden. Ein
solcher Skalenfaktor kann leicht beispielsweise durch ein handbetätigtes Potentiometer irgendwo in der Schaltung eingeführt
werden und kann sogar durch automatische Verstärkungsregelung automatisiert werden. Dieser Skalenfaktor ist die Abschwächung des
ursprünglichen I0, die durch die proportionale Abweichung von dem
"normalen" 82,5$ Arbeitszyklus bewirkt wird. .
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Wie oben schon erwähnt ist, muß zur Durchführung einer
linearen, d.h. Differenz-Rechnung eine lineare Vergleichsspannung- analog zu 7Sab Fig. 3 nicht nur während des automatischen
ilullnachstellbetriebes gebildet werden, sondern auch während des normalen Recnenzyklus. Somit sollte bei
einer Differenzrechnung anders als bei der 3erechnung des Logarithmus des Verhältnisses, der Abfall der !.-,-Vergleichsfunktion
nicht exponentiell sein, wie in Fig. 2 bei 73b
dargestellt ist, sondern linear und daher eher analog der geraden Linie, die Ln ü'ig. 3 mit 7^ab bezeichnet ist. Eine
Art und Weise, wie eine solche Entladung nach einer geraden Linie während einer Differenz- oder einer linearen Messung
erzeugt wird, ist unten in der Mitte von Ii1Ig. 1a dargestellt.
Dort ist ein Schalter 600 vorgesehen, der normalerweise zu.
dem Kontakt 602 hin geschlossen ist und damit die exponentielle Entladung während der aweiten Stufe der logarithmischen Recnnung
über die Y/iders bände 103, 110 und 112 hervorruft. Wenn
der Schalter 600 in seine Stellung für linearen Beti*Leb geschaltet
wird, öffnet er diesen Widerstandsentladungsweg des
Kondensators 104 auch während der S.-j-RechenstuL'e und stellt
stattdessen eine feste Spannung mit der rechten Seite des Widerstandes 110 am Eingang 606 her. Jiese Spannung wird von
einer Spannungsquelle 610 geliefert und kann beLspielsweise
minus 12 Volt betragen. Der elektronische Schalter oder /eldeffekttransistor
612 gestattet es, daß die feste Spannung o10 einen konstanten Strom über die Widerstände 110, 10^ und damit
zum Eingang 96 des Operationsverstärkers 98 nur während der
So-Stufe fließen läßt. Wenn somit eine Differenz-Berechnung
oder eine andere Art von linearer Rechnung gewünscht wird, so
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bewirkt der Schalter 600 die Entladung der integrierten Yergleichsspannung I ' in Pig. 2 in linearer Weise- (wie'
in Fig. 3) und nicht exponentiell wie in Mg. 2.
Die dargestellte Schaltung ist auch in der Lage, "beispielsweise
den I-Eingangswert in "absoluten" Vierten, doh. nicht bezogen
auf den Eingangswert I0 zu berechnen. Das ist beispielsweise '
nützlich bei Atomabsorptionsspektrophotometern, wo es wünschenswert sein kann, die Emission der Probe in dem Proben- ' -M
kanal I zu messen. In diesem Falle wird das Emissions-Signal, ^
das nachstehend auch als ein Intensitätssignal bezeichnet wird, welches zu messen ist, als lineare Funktion eines.festen Referenz-^Niveaus
berechnet. Das Eingangssignal für den I0-(Referenz)-Integrators
27 kann durch Hinzufügen der Schaltelemente, die wahlweise an den Eingangskontakt 650 anlegbar sind, automatisch
auf einen festen Wert gebracht werden."Wenn, speziell der Schalter
652 aus seiner normalerweise offenen Stellung bewegt wird, so daß er Kontakt mit dem Eingang 650 gibt, wird eine Intensitätsreferenzquelle
660 mit diesem Eingang während der ersten oder Integrationsstufe S- verbunden. Die Parameter der Quelle 660
sind so gewählt, daß sie einen Strom von ungefähr dem halben Wert und entgegengesetzten Vorzeichen des Stromes liefert, der am Aus- ü
gang 26 des Schalters 22 durch ein normalerweise erwartetes I0~Signal erzeugt wird. Für einen Viert von beispielsweise + 8 Volt
I0-Signal an 20, einem Eingangswiderstand von 110 Kiloohm bei 21
und einem Absenwächungsfaktor von 0,825 während des normalen
Arbeitszyklus des Zerhackerschalters 22.kann die Intensitätsquelle
660 aus einer festen Spannungsquelle von minus 12 Volt Spannung und einen 390 Kiloohm Widerstand 666 in Reihe mit dieser bestehen,
so daß an einem Ausgang 668 ungefähr halb so viel Strom in ent-
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gegengesetzter Richtung geliefert wird, wie normalerweise an dem Ausgang 26 des IQ-Kanals vorhanden ist. Um die Schaltung
zu eichen, wenn der Intensitätsbetriebsschalter 652 geschlossen ist, wird der normale automatische Nullnachstellvorgang
durchgeführt. In diesem Falle ist jedoch das I.-Signal an dem Probeneingang 10 normalerweise außerordentlich gering.
Bei Abwesenheit einer Probe ist die Emission praktisch null. Daher hat, wenn man Fig. 3 betrachtet, das integrierte I.'-Signal
eine sehr geringe Steigung, d.h. bleibt in der Näher von Null auch am Ende der Integrationsperiode bei Ia!l· Daher fallen auch
am Ende eines vollständigen automatischen Nullabgleichsvorganges die I0-Signale mit Linien zusammen, die sehr nahe bei Null liegen.
Die Hauptbedeutung der Hinzufügung der Intensitätsreferenzquelle 660 während dieser Integrationsperiode ist die, daß der
Zerhackerschalter-Abschwächer 22 nur ungefähr die unabgeschwächte
Intensität des IQ-Signals zu halbieren braucht, d.h. 50fo seines
normalen Arbeitszyklus zu besitzen braucht, um den Ausgang des Integrators 60 auf Werte in der Nähe von Null zu bringen. Auf
diesesWeise liegt der Abschwächzerhacker 22 halbwegs in der Mitte
zwischen seinem minimalen und maximalen Arbeitszyklus,wenn der automatische Nullnachstellvorgang beendet ist. Er hat daher ungefähr
eine Hälfte seines gesamten Abschwächbereichs verfügbar, um das IQ-Signal weiter abzuschwächen oder zu verstärken. So kann
der I^-Kanal abgeglichen werden, ohne daß der Einstellbereich
des Abschwächzerhackers erschöpft wird. Im vorliegenden Falle ist das abgeschwächte IQ-Signal tatsächlich sehr nahe dem wahren
Nullpunkt, da das Leersignal I., auf welches I« abgeglichen wird,
sehr klein ist. Der automatische Nullnachstellbereich bei diesem Intensitätsbetrieb gestattet ein Arbeiten mit unterdrücktem Nullpunkt,
d.h. es ist immer noch ein erhebliches Maß von Einstellung des Abschwächers in beiden Richtungen von diesem Punkt verfügbar.
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Eine Rechnung bei diesem Intensitätsbetrieb ist analog
jeder anderen linearen Art von Messung. Insbesondere wird die Emission der Probe in dem Ϊ-Kanal während der ersten
Stufe des Rechenzyklus integriert, was durch die gerade Linie 52a in iPig. 2 dargestellt sein kann. Das I0-Signal ist jedoch
sehr klein und daher in der ETähe einer horizontalen Linie in
Pig. 2, da es tatsächlich bei einer Situation mit keiner'
Emission abgeglichen worden ist. Die Vergleichsspannung IR
des Integrators folgt nun dem größeren, negativeren I'-Signal,
da die Schaltung 80 bewirkt, daß das I-n-Signal immer geringfügig
negativer ist als der größere der beiden Eingänge I' oder Iq.' . Da bei einer solchen Intensitätsberechnung der Schalter
600 in seiner linearen Stellung ist, d.h. auf dem Kontakt 604-steht,
sinkt die !^-Spannung während der zweiten oder Rechenstufe
linear ab und schneidet erst" das negativere I''-Signal und später in der von WuIl das sehr kleine Iq''-Referenzsignal.
So kann die Intensität der Emission der Probe mit dem Referenzsignal berglichen werden, welches seinerseits gegen einen Leerzustand
des Probenkanals abgeglichen worden ist. Auf diese Weise hängt die berechnete Intensität des I-Kanals linear mit der tatsächlichen
Emission der Probe selbst zusammen.
Die lineare Konstantstromquelle 610 wird nur während der zweiten Stufe einer linearen, d,h. Differenz-Rechnung verwendet und nicht
während des automatischen Eichbetriebs. Hur dann wird der Schalter
600 in seine obere Stellung gebracht, so daß er auf dem Kontakt 604 steht. Die Konstantstromgeneratorschaltung 29 für die
automatische Nullnachstellung erzeugt natürlich den linearen Abfall während der zweiten Stufe '.S. 2 ^ei allen automatischen NuIl-
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nächstellvorgängen, gleichgültig welche Art von Rechnung,
d.h. Logarithmus eines Verhältnisses oder lineare Differenzrechnung, diesem Abgleich der beiden Kanäle folgen soll.
Schließlich wird die Intensitäts-Konstantstromquelle 660 durch den Schalter 662 nur während der ersten oder Integrationsstufe S.. wegen des elektronischen Schalters 662 an den Eingang
des IQ-Integrators (60 usw0) sowohl während des automatischen
Nullnachstellbetriebs als auch während der anschließenden tatsächlichen Rechenvorgänge angelegt, wenn das abgeschwächte
!„-Signal auf einen V.'ert nahe Null gebracht werden soll, d.h.
wenn I. in der Nähe von iMull liegt. Diese Stromquelle 660 unterdrückt
etwa eine Hälfte des Io-Signalstroms bei 26 für einen normalen Arbeitszyklus des abschwächenden Zerhackerschalters 22,
so daß ungeftihr 50yo eines normalen Arbeitszyklus, d.h. bei dem
Ausführungsbeispiel ungefähr 42,5/ό des Zerhackerabscliwächers
zur .Folge hat, daß das auf etwa die Hälfte abgeschwächte I^-Sig
minus diesem Unterdrückungsstrom von der Quelle 66 sich Null nähert. Es wird somit ein unterdrückter Nullpunkt erhalten, da
der Arbeitszyklus des Zerhackers 22 von diesem halben Wert sich ändern kann und so bewirkt, daß sich das abgeschwächte I^-Si
minus dem Unterdrückungssignal von ungefähr + 1/2 I0 auf ungefähr
- 1/2 Ip. ändern kann, wenn I0 das uriabgeschwächte volle Eingangssignal
ist. Wie oben erwähnt, ist diese Fähigkeit besonders nützlich zum linearen Vergleichen der Verte eines I-Probensignals,
beispielsweise einer Probenemission, mit einem Referenzsignal
in der Nähe von Muli, beispielsweise dem auf annähernd i\mll abgeschwächten
I0-SIgIIaI, welches gegen dao annähernd Null betragende
Emissionssignal I. im Probenkanal I bei Abwesenheit der Probe
abgeglichen ist, worin dieser Intensitätsbetrieb unter Verwendung der Stromquelle 660 mit linearer Rechnung durchgeführt wird.
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Claims (12)
- Patentansprüche1«) Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Ausgangsgröße als Funktion eines ersten variablen Signals und eines zweiten Signals nach einer gewünschten mathematischen Beziehung mit einem ersten und einem zweiten Signaleingang und einer Rechenschaltung, die an den Signaleingängen anliegt, zur Berechnung der besagten Funktion des ersten und des zweiten Signals dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Signaleingängen (10,20) eine Vergleichsschaltung (17,27,70...) zum Vergleichen eines "Leersignals" an dem ersten Eingang (lO) mit einem zweiten Signal an dem zweiten Eingang (20) und zur Bildung einer zweiten mathematischen Funktion dieser Größen anliegt, daß mit der Vergleichsschaltung (17 ι 27,70..) eine automatische NacheichschaLtung (288, 310,320,22..) verbunden ist, durch welche wenigstens eines der Signale an einem der Signaleingänge nach einer dritten mathematischen Operation in seiner Wirkung so veränderbar ist, daß die besagte zweite mathematische Funktion einen speziellen vorgegebenen Wert annimmt, daß mit der Nacheichschaltung (288...) ein Eichspeicher (310..) verbunden ist, durch den die besagte dritte mathematische Operation speicherbar ist, die erforderlich ist, um die zweite Funktion auf dem vorgegebenen Wert zu halten, und daß durch die Schaltung die gespeicherte dritte mathematische Operation auf Signale angewendet wird, die während der nachfolgenden Arbeitsschritte der Rechenschaltung (17»27,70..) an wenigstens einem der Signaleingänge (I0,2o) auftreten, wodurch unerwünschte Schwankungen der Signalquellen des ersten und des zweiten Signals für die Rechenoperationen der Rechenschaltunf; ausgeglichen werden.009841/1 IU— iy _ ---■""
- 2.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein wesentlicher Teil der Rechenschaltung und
der Vergleichsschaltung die gleichen, gemeinsam benutzten Schaltelemente enthalten, so daß diese gemeinsam benutzten Schaltelemente sowohl während der normalen Rechenoperationen als auch während des automatischen Eichvorganges verwendet werden, wodurch eine beachtliche Verminderung der Gesamtzahl der für die Rechen- und Vergleichsschaltungen benötigten Schaltelemente erzielt wird. - 3·) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung einen Analog-Digital-Wandler ■(70 j'138 ? I9O'· · · )' enthält, wodurch, die Ausgangsgröße in digitaler Form vorliegt.
- 'i.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 3> Hadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung auch den gleichen Analog-Digital-Wandler en, Limit und daß die"Nacheichschaltang schaltungsmäßig so angeordnet ist, daß sie die besagte
zweite mathematische Funktion in bereits digital umgewandelter Form erhält, wodurch die dritte mathematische
Operation in digitaler Form· durchgeführt wird und so eine Freiheit von Drift und sonstigen Schwankungen der Schaltglieder der Nacheichschaitung erreicht wird. - 5.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung folgende Baugruppen enthält:a) einen Speicher (l7>27) zum vorübergehenden
Speichern eines Paars von Signalen (I1,1 ')
deren Größen wenigstens proportional zu jeweils einem der beiden Einganjrssignale (1,1 )
sind,009841/11Ϊ4
BAD ORIGINALsib) einen Veröle i chssi gnalerzeuger (96...) zur Er?,euffun'i eines Vergle i chssigna Ls , welches sich stetig nach einer bekannten mathematischen iüirve ändert,c) eint! Verfileicherschaltimi1; (?O) zur Peststellun der Gleichheit des Veri'vleichssijrnals (I ') mit jedem der beiden gespeicherten Signale undd) Zeitmessmittel (138,190..) zur Hessunp. der Zeit zwischen der Fest st eil un«: der Gleichheit des Vergleichssignals mit dem einen und mit dem anderen der beiden gespeicherten Signale,wobei diese Zeit in bestimmter mathematischer Bezi ehun.r /u den relativen Größen des Paares von »„espeicher ten Si,.;iialon und damit der beiden E im·; an ns signal e steht und diese bestimmte mathematische Beziehung von der besagten mathematischen Kurve des sich stetig ändernden VergleichssignaLs bestimmt wird. - 6.) Schaltungsanordnung nach Anspruch L"S, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichssignalerzeuger (08..) zur wenigstens wahlwoj sen Erzeugung eines sich exponentiell ändernden Vergloichssijrnals.eingerichtet ist, wodurch die gemessene Zeit, eine eine Logarithmische F'imktion des Verhältnisses der beiden Eingangssignale ist, welche die besagte gewünschte mathematische Funktion darstellt.
- 7.) Schaltungsanordnung nach Anspruch !3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichssigna !erzeuger (9ο*···) zur wenigstens wnhlwoisen Erzeugung eines sich linear ändernden Vergleichssignals eingerichtet ist, wodurch die gemessene Zeit direkt proportional zu der Differenz der Wer It» der00 98 4 i/1 IUBAD ORIGINAL20QP529Slder beiden Eingangssignale Ct-I ) ist, was die besagte gewünschte mathematische Funktion darstellt.
- 8.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Wandler mit den Zeitmessmitteln derart zusammenwirkt, daß eine Folge von digitalen Pulsen erzeugt wird, deren Anzahl direkt proportional der Länge der gemessenen.Zeit ist.
- 9.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß mit den Zeitmeßmitteln analoge Auslesemittel
(150,157) derart zusammenwirken, daß sie ein analoges Signal mit einer Amplitude proportional zur Länge der besagten gemessenen Zeit liefern. - 10.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurqh gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung folgende Baugruppen aufwe ist:a) einen Speicher (17,27) zum vorübergehenden Speichern eines Paares von Signalen, deren Größen jeweils
proportional zu je einem der beiden Eingangssignale sind,, b) einen Vergleichssignalerzeuger (98..) zur Erzeugung eines-Vergleichssignals, welches sich nach einer bekannten mathematischen Kurire stetig ändert,c) eine Vergleicherschaltung (70) zur Feststellung
der Gleichheit des Vergleichssignals mit jedem
der beiden gespeicherten Signale undd) Zeitmessmittel (138,190..) zur Messung der Zeit
zwischen der Feststellung der Gleichheit des Ver-0 0 98 4Ί ?1Ί U
BADORfGfNAC200P529 -/? -gleichssignals mit dem einen und mit dem anderen der beiden gespeicherten Signale, wobei diese Zeit in bestimmter mathematischer Beziehung zu den relativen Größen des besagten Paares von gespeicherten Signalen und damit der beiden Eingangssignale steht und diese bestimmte mathematische Beziehung von der besagten mathematischen Kurve des sich stetig ändernden Vergleichssignals bestimmt wird. - 11.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichssignalerzeuger (98...) zur Erzeugung eines sich linear ändernden Vergleichssignals eingerichtet ist, wodurch die gemessene Zeit direkt proportional zu der Differenz der beiden Eingangssignale ist, was die besagte zweite mathematische Funktion darstellt.
- 12.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Nacheichschaltung wenigstens eines der Eingangssignale (I ) vor dem besagten Speicher (27) zum vorübergehenden Speichern derart veränderbar ist, daß die gemessene Zeit im wesentlichen zu null reduziert wird, wodurch die zweite mathematische Funktion, welche die Differenz der geänderten Eicheingangssignale ist, durch diese dritte mathematische Operation, nämlich der Änderung wenigstens eines der Eingangssignale in seiner Wirkung, den speziellen vorgegebenen Wert null annimmt.13·) Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der dritten mathematischen Operation, nämlich der Änderung wenigstens eines der besagten Signale an dem ersten und dem zweiten Signaleingang ein veränderbarer Signalabschwächer (22) vorgesehen ist,0098A1/11UBADORlQtNAC8Sdurch welchen das größere der beiden ursprünglichen Eingangssignale proportional verkleinert wird, bis sein proportional verkleinerter Wert gleich dem gespeicherten Wert des anderen, kleineren Einganssignals ist.l4.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Eichspeicher (ß'lO.V.) der Proportionalitätsfaktor des Signalabsclrwächers (22) speicherbar ist, um welchen das größere Eingangssignal auf den Wert des kleineren Eingangssignals abgeschwächt wird, wodurch während der anschließenden Rechenoperationen das dem Signaleingang zugeführte Signal durch den Signalabschwächer in der gleichen proportionalen Weise abgeschwächt wird.15·) Schaltungsanordnung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Abschwächer am Eingang des größeren Signals einen Zerhackerschalter (22) aufweist, der durch wiederkehrende Einschaltpulse von variabler Län^e betätigbar ist, wodurch der Zerhackerschalter als Einschalter mit veränderbarem Tastverhältnis wirkt und im Effekt eine Abschwächung des größeren Einschaltsignals um einen Faktor bewirkt, , der dem Prozentsatz der Einschaltzeit zu dem vollen Sehaltzyklus entspricht.l6.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnetdaß der Eichspeicher ein Paar von ständig durchlaufenden Speichersignalgeneratoren (3lOi3H) enthält, von denen jeder ein wiederholtes im wesentlichen gleiches Signal erzeugt,daß die Nacheichschaltung Mittel (288..) zur Einstellung0 0 9841/1 11A2C09529 -? -der relativen Phase der ständig durchlaufenden Speichersignalgeneratoren enthält unddaß Mittel (320) zum Abtasten der relativen Phasendifferenz der Speichersipnalgeneratoren und zur Veränderung der Länge der wiederkehrenden Einschaltpulse räch Maßgabe der Phasendifferenz vorgesehen sind,wodurch die automatische Nacheichschaltung die Phasendifferenz der ständig durchlaufenden Speichersignalgeneratoren einstellt, welche Phasendifferenz anschließend die Korrekturabschwächimg während der nachfolgenden Rechenoperationen bestimmt.17·) Schaltungsanordnung nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Paar von ständig durchlaufenden Speichersignaljreneratoren (310,311···) von einem gemeinsamen schwingenden Eingangssignal (I851) angesteuert ist, wodurch ein unerwünschter Phasenschlupf vermieden wird.l8.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 17> dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von ständig durchlaufenden Speichersignalgeneratoren ein Paar von digitalen Umlaufzählern (31O,3H) ist, die von einem Hochfrequenz-Taktgeber angesteuert sind, und daß der Phasendifferenzfiihler ein Flip-Flop (320) aufweist, dessen Setzeingänge (Jlk) jeweils der Ausgang der letzten Stufe eines der digitalen Umlaufzähler (310) sind, so daß das Flip-Flop wiederkehrende Einschaltpulse variabler Länge zur Steuerung des besagten Zerhackerschalters liefert, wodurch der Eichspeicher von Pulsen beaufschlagte digitale Zähler aufweist und unempfindlich gegen unbeabsichtigte Phasenänderungen ist.009841/nU
BAD ORiQINAL.SfLeerseite
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