DE2059924B2 - Verfahren und schaltungsanordnung zum messen der differenz zwischen als elektrische spannungen oder stroeme anfallenden messwerten - Google Patents
Verfahren und schaltungsanordnung zum messen der differenz zwischen als elektrische spannungen oder stroeme anfallenden messwertenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Messen der Differenz
zwischen als elektrische Spannungen oder Ströme anfallenden Meßwerten, insbesondere von bei der Fotometrie
aus Proben und Vergleichsproben gewonnenen Meßwerten. Die Spannungen oder Ströme können
dabei sämtliche von Null abweichende Werte aufweisen. Es kann jedoch auch so sein, daß einer der zu
vergleichenden Spannungs- bzw. Stromwerte jeweils den Wert Null aufweist, so daß sich als Differenzwert
jeweils der Absolutwert des weiteren Spannungs- bzw. Stromwertes ergibt.
Die z.B. bei der Fotometrie entstehenden Meßströme liegen im Bereich von Zehntel Mikroampere.
Diese geringen Ströme können zwar verstärkt und anschließend miteinander verglichen werden. Am Ausgang
solcher Schaltungen erhält man aber dann nicht die gewünschten Meßwertdifferenzen in ausreichender
Genauigkeit, weil die Meßsignale nach Verstärkung in den Fehlern oder Schwankungen der für die
einzelnen Meßwerte benutzten Verstärker meistens untergehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit welchen
auch so kleine Ströme, wie sie 1. B. bei der Fotometrie auftreten, mit ausreichender Genauigkeit (im
Promillbereich) miteinander verglichen werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren angegeben, das darin besteht, daß die zu vergleichenden
Werte in eine Impulsfolge aus wechselweise in Zeitabstand aufeinanderfolgenden in ihren Amplituden den
Meßwerten entsprechenden Impulsen umgewandelt werden, daß die Impulsfolge, gegebenenfalls nach erforderlicher
Verstärkung, in zwei getrennten Kanälen weiterverarbeitet wird in der Weise, daß während des
Vorliegens eines dem einen - bzw. dem anderen Meßwert zugeordneten Impulses der Impulsfolge im
einen - bzw. im anderen - Kanal das Potential der Impulsfolge im jeweiligen Kanal um den jeweiligen
Amplitudenwert in gleicher Richtung verschoben wird und daß die so verschobenen Impulsfolgen einem Differenzbildner
zugeführt werden, dessen Ausgangssignal zur Anzeige gelangt.
Durch die Erfindung ist also erreicht, daß kleine Meßsignale in einem einzigen gemeinsamen Verstärker
auf leicht verarbeitbare Größen gebracht werden können, so daß bei der anschließenden Differenzbildung
alle diese Fehler eliminiert werden. Die Meßsicherheit bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist auch
deshalb sehr groß, weil die Folgefrequenz der den einzelnen
Meßwerten zugeordneten Impulse relativ hoch gewählt werden kann (z. B. 1 kHz), so daß auch rasche
Änderungen der Meßwerte mit Sicherheit erfaßt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch nicht nur mit Vorteil für die Messung kleiner elektrischer
Signale benutzt werden, sondern wird auch in Fällen zweckmäßigerweise angewendet, in denen die
Meßwerte n»r kurzzeitig vorliegen. Der Vergleich nur kurzzeitig vorliegender Meßwerte ist bei dem vorgeschlagenen
Verfahren wesentlich vereinfacht und gegenüber bekannten Verfahren eine erhöhte Meßsicherheit
erreichbar.
In einer vorteilhaften Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
wird zur Erzeugung der Impulsfolge ein von einem Taktgeber gesteuertes Umschaltglied verwendet, welches
die Meßwerte zeitlich nacheinander abwechselnd abtastet. Die Taktfrequenz des Taktgebers ist einstellbar;
damit kann die Abtastfrequenz in einfacher Weise an das jeweilige Meßproblem angepaßt und der
Geschwindigkeit der Meßwertschwankungen Rechnung getragen werden. Für die Messung fotometrischer
Werte bei der Blutfarbstoffmessung liegt die Taktfrequenz vorzugsweise in der Größenordnung
von kHz.
Zur Vermeidung zu großer Totzeiten soll das Verhältnis
zwischen Pulsdauer und Pausendauer größer als eins, vorzugsweise 3:1, sein. Die Dauer der den
einzelnen Meßwerten zugeordneten Impulse ist vorzugsweise gleich groß.
Die Verstärkung der Impulsfolge geschieht vorzugsweise mittels eines logarithmisch arbeitenden
Verstärkers. Auf diese Weise werden die den Impulsamplituden überlagerten Störspannungen, insbesondere
der Rauschspannungen des Verstärkers, so weit gedämpft, daß sie praktisch das Meßergebnis nicht
mehr beeinflussen. Die während der Pulspausen anfallenden Störspannungen sind dabei ohne Bedeutung,
da sie bei der nachfolgenden Differenzbildung im Differenzbildner automatisch herausfallen.
Gemäß weiterer Ausgestaltung der Schaltungsanordnung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für die Zuführung der Impulsfolge zu
den Kanälen je ein Eingangskondensator vorgesehen. Jedem Kanal ist weiterhin ein dem jeweiligen Eingangskondensator
nachgeschalteter, auf dem Nulllinienpotential der Impulsfolge liegender Umschalter
zugeordnet. Es ist feiner eine Steuereinrichtung vorgesehen, die beim Vorliegen eines aus ei/.em ersten
Meßwert abgeleiteten Impulses einen Umschalter und beim Vorliegen eines aus einem weiteren Meßwert
abgeleiteten Impulses den anderen Umschalter im Sinne der Anschaltung des Nullinienpotentials an den
jeweiligen Kanal umschaltet. Die jeweilige sinngerechte Umschaltung der Umschalter durch die Steuereinrichtung
kann dabei nicht nur auf Grund eines zeitlich festgelegten und vom Taktgeber gesteuerten
Programmes sondern auch auf Grund von Steuersignalen geschehen, welche aus der Impulsfolge selbst,
z.B. mittels Spitzenweri-Dctektoren, abgeleitet werden.
Bei Steuerung vom Taktgeber wird jedoch die eindeutige Zuordnung der die Umschalter betätigenden
Steuersignale zu den entsprechenden aus den Meßwerten abgeleiteten Impulsen wesentlich vereinfacht.
An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben und seine Wirkungsweise erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Erfindung,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der an den wesenthchen Punkten des Prinzipschaltbildes auftretenden Spannungen.
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der an den wesenthchen Punkten des Prinzipschaltbildes auftretenden Spannungen.
In Fig. 1 werden miteinander zu vergleichende,
z.B. bei der Fotometrie aus einer Probe und einer Vergleichsprobe gewonnene Meßwerte I und II einem
ίο Umschaltglied 1 zugeführt, welches die Meßwerte in
eine Impulsfolge aus wechselweise in Zeitabstand aufeinanderfolgenden in ihren Amplituden den Meßwerten
entsprechenden Impulsen umwandelt. Die so gewonnene Impulsfolge wird in einem logarithmischen
Verstärker 2 verstärkt und hat dann die Form der Spannung U15 nach Fig. 2, wobei der Impuls I jeweils
aus dem Meßwert I und der Impuls II jeweils aus dem Meßwert II abgeleitet ist.
Die Impulsfolge U15 wird den Eingangskondensatoren
3 und 4 zweier Verarbeitungskanäle 3' und 4' zugeführt, deren nicht mit dem Ausgang des Verstärkers
2 verbundenen Elektroden wechselweise über als Umschalter arbeitende Feldeffekttransistoren 5 und
6 unmittelbar an das Nullinienpotential der Impulsfolge U15 (Masse) oder an die hochohmigen nicht invertierenden
Eingänge je eines Operationsverstärkers 7 bzw. 8 anschaltbar sind. Die Zeiten, während
der die Elektroden unmittelbar mit Masse verbunden sind, werden dabei durch von einer Steuervorrichtung
9,10 erzeugte Öffnungsimpulse U13 und U14 für
die Transistoren 5 und 6 festgelegt. Während der Umschaltung bleiben die Kondensatorelektroden mit den
Verstärkern 7, 8 verbunden.
Den als Impedanzwandler arbeitenden Operationsverstärkern 7 und 8 ist ein weiterer Operationsverstärker
11 nachgeschaltet, der die Differenz aus den jeweiligen Ausgangsspannungen der Verstärker 7
und 8 bildet. Die jeweils vorliegende Differenzspannung wird einem abschließenden, als Spannungs-Stromwandler
arbeitenden Operationsverstärker 12 zugeführt und an einem Anzeigegerät 13 zur Anzeige
gebracht.
Die Schaltungselemente 17 bis 23 sind invertierende UND-Glieder, welche von einem Taktgeber 14
sowie von zwei bistabilen Kippstufen 15 und 16 erzeugte Spannungsimpulse zu Steuersignalen für die
sinngerechte Steuerung des Umschaltgliedes I einerseits und der Steuervorrichtung 9, 10 für die Umschalter
5 und 6 andererseits verknüpfen.
Die Wirkungsweise der Erfindung ergibt sich nach den Fig. 1 und 2 wie folgt:
Die Wirkungsweise der Erfindung ergibt sich nach den Fig. 1 und 2 wie folgt:
Der Taktgeber 14 erzeugt Ausgangsimpuise U1(O
(Impulsfolgefrequenz z.B. 1 kHz), welche durch die Flip-Flop-Stufen 15 und 16 in Impulsfolgen U2(O bis
U5(O umgesetzt weiden. Durch Verknüpfung der Spannungen U1 bis U, in den UND-Gliedern 17 bis
19 ergeben sich an den Ausgängen der Glieder 18 und 19 Spannungen, deren Verläufe den gezeichneten
Kurven U7(O und Us(i) in Fig. 2 entsprechen.
Die Spannungen U7 und U11 steuern nunmehr das Umschaltglied 1 in der Weise, daß jeweils während der Zeitdauer eines Nulldurchganges der Spannung U7 das Umschaltglied 1 auf die Mcßspanning I geschaltet ist und somit der während dieser Zeit anliegcnde Meßwert I in einen Impuls (I) mit einer dem Meßwert entspiethenden Amplitude umgewandelt wird. Entsprechend wird jeweils bei einem Nulldurchgang der Spannung UK das Umschaltglied 1 auf die
Die Spannungen U7 und U11 steuern nunmehr das Umschaltglied 1 in der Weise, daß jeweils während der Zeitdauer eines Nulldurchganges der Spannung U7 das Umschaltglied 1 auf die Mcßspanning I geschaltet ist und somit der während dieser Zeit anliegcnde Meßwert I in einen Impuls (I) mit einer dem Meßwert entspiethenden Amplitude umgewandelt wird. Entsprechend wird jeweils bei einem Nulldurchgang der Spannung UK das Umschaltglied 1 auf die
Meßgröße II geschaltet und während dieser Zeitdauer ein Impuls (II) mit einer dem Meßwert II entsprechenden
Amplitude erzeugt.
Auf Grund der logischen Verknüpfungen der Spannungen C1 und U3 bis U5 in den Gliedern 20
bis 23 ergeben sich Alisgangsspannungen an den Gliedern 22 und 23, deren zeitlicher Verlauf durch die
in Fig. 2 dargestellten Impulsfolgen U1(I) und Un(I)
gegeben ist. Jeweils während der Zeitdauer eines Nulldurchganges der Spannung Un wird der Feldeffekttransistor
6 geöffnet und jeweils während eines Nulldurchganges der Spannung U12 der Transistors
(Ausgangsspannungen der Steuervorrichtung 9, 10 entsprechen U1A(t) und U13(I) in Fig. 2).
Dadurch ergeben sich Eingangsspannungen U111
und U1I an den nicht invertierenden Eingängen der
Operationsverstärker 8 und 7 entsprechend den in Fi£. 2 gezeichneten Spannungszügen U16(I) und
Die sich am Ausgang des Operationsverstärkers 11 ao
daraus ergebende Differenzspannung U16 bis Un ist
nach dem Auftreten des ersten, den Transistor 5 öffnenden
Steuerimpulses bei konstant bleibenden Meßwerten I und Il ebenfalls konstant und entspricht exakt
der Differenz zwischen den Amplituden der Impulse a5 (I) und (II) der Impulsfolge U15(I). Bei sich ändernden
Meßwerten I und II ändert sich die Differenzspannung entsprechend der sich jeweils neu ergebenden Ampli
tudendifferenz.
Die sonstigen Schaltungselemente stellen Wider stände und Dioden dar, wie sie üblicherweise für di<
Dimensionicrung von Operationsverstärkern bzw Schalttransistoren verwendet werden. Auf eine be
sondere Beschreibung dieser Elemente kann dahc; verzichtet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Schal
tungsanordnung zum Durchführen dieses Verfahren! eignen sich nicht nur vorteilhaft zum Messen der Differenz
zwischen zwei Spaniiungs- oder Stromwerten Durch eine entsprechende Abwandlung der Schaltungsanordnung
bzw. des Steuerprogramms lassen sich bei Bedarf auch mehr als nur lediglich zwei unterschiedliche
Spannungen bzw. Ströme verarbeiten. Dazu kann entweder die Zahl der Verarbeitungskanäic
entsprechend der Anzahl der zu verarbeitenden Spannungen bzw. Ströme erhöht werden, wobei durch
eine entsprechende Programmsteuerung zeitlich nacheinander sämtliche Kanäle miteinander verglichen
werden. Es ist jedoch auch ebenso möglich, das Zweikanal-System zu belassen, wobei durch eine entsprechende
Programmsteuerung jeweils immer nur die zu vergleichenden Meßimpulse den beiden Kanälen
zugeführt, die restlichen jedoch am Kanaleingang unterdrückt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Verfahren zum Messen der Differenz zwischen als elektrische Spannungen oder Ströme anfallenden
Meßwerten, insbesondere von bei der Fotometrie aus Proben und Vergleichsproben gewonnenen
Meßwerten, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergleichenden Werte (I,
II) in eine Impulsfolge (U15) aus wechselweise in
Zeitabstand aufeinanderfolgenden in ihren Amplituden den Meßwerten entsprechenden Impulsen
umgewandelt werden, daß die Impulsfolge (U15), gegebenenfalls nach erforderlicher Verstärkung,
in zwei getrennten Kanälen (3', 4') wei- J5
terverarbeitet wird in der Weise, daß während des Vorliegens eines dem einen - bzw. dem anderen
— Meßwert zugeordneten Impulses der Impulsfolge im einen - bzw. im anderen - Kanal das Potential
der Impulsfolge im jeweiligen Kanal um den jeweiligen Amplitudenwert in gleicher Richtungverschoben
wird und daß die so verschobenen Impulsfolgen (U16, U11) einem Differenzbildner
(11) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal zur Anzeige gelangt.
2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung der Impulsfolge (U15)
ein von einem Taktgeber (14) gesteuertes Umschaltglied (1) die Meßwerte (I. II) zeitlich nacheinander
abwechselnd abtastet.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des
Taktgebers (14) einstellbar ist und für die Messung fotometrischer Werte vorzugsweise in der Größenordnung
von kHz liegt.
4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis zwischen Pulsdauer und Pausendauer größer als eins, vorzugsweise 3:1, ist.
5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dauer der den einzelnen Meßwerten zugeordneten Impulse gleich groß ist.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Verstärkung der Impulsfolge ein logarithmisch arbeitender Verstärker (2) vorgesehen
ist.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Zuführung der Impulsfolge ( U15) zu den Kanälen je ein Eingangskondensator
(3, 4) vorgesehen ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kanal ein dem
jeweiligen Eingangskondensator (3 bzw. 4) nachgeschalteter, auf dem Nullinienpotential der Impulsfolge
(LZ15) liegender Umschalter (5 bzw. 6)
zugeordnet ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (9,
10), die beim Vorliegen eines aus einem ersten Meßwert (I) abgeleiteten Impulses einen Umschalter
(6) und beim Vorliegen eines aus einem weiteren Meßwert (II) abgeleiteten Impulses den
anderen Umschalter (5) im Sinne der Anschaltung des Nullinienpotentials an den jeweiligen Kanal
umschaltet.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (9, 10) ihrerseits vom Taktgeber (14) gesteuert
ist.
11. Schaltungsanordnung zur Durchführung des
Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Kanäle über je
einen als Impedanzwandler arbeitenden Verstärker (7,8) mit den Eingängen des Differenzbildners
(11) verbunden sind.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Differenzbildner
(11) ein Operationsverstärker verwendet ist.
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