DE3012868A1

DE3012868A1 - Tast- und haltekreis fuer ein elektrisches signal

Info

Publication number: DE3012868A1
Application number: DE19803012868
Authority: DE
Inventors: Claude Beauducel; Jacques Cretin
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Compagnie Generale de Geophysique SA
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; CGG SA
Priority date: 1979-04-06
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1980-10-23
Also published as: US4352070A; JPS5619592A; CA1143433A; GB2050099B; JPH0213399B2; GB2050099A; FR2453471B1; FR2453471A1; IT8021190A0; IT1140911B; NL8002007A

Description

Tast- und Haltekreis für ein elektisches Signal

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tast- und Haltekreis für ein elektrisches Signal, mit einem Speicherkondensator für die Tastproben, der während der Tastperioden geladen und während der zwischen zwei Tastperioden liegenden Halteperioden gegenüber dem Signal isoliert ist, mit einem weiteren Kondensator, dessen erster Anschluß in Abständen an den Speicherkondensator angekoppelt ist und dessen zweiter Anschluß am Bezugspotential liegt, und mit Subtraktionsmitteln, die von dem am Speicherkondensator anliegenden Spannungswert einen Teil der am weiteren Kondensator anliegenden Spannung abziehen.

Der Tast- und Haltekreis gemäß der Erfindung soll im Hinblick auf eine große Dynamik der Amplitudenänderungen aufeinanderfolgender Tastproben verbessert werden. Eine solche große Dynamik ergibt sich beispielsweise bei multiplexierten Signalen, die von seismischen Gebern stammen und multiplexiert ausgewertet werden sollen.

Wie weiter unten noch erläutert wird, läßt sich bei bekannten Tast- und Haltekreisen eine Tastprobe nicht völlig unabhängig von den benachbarten Tastproben korrekt einspeichern. Der gespeicherte Wert ist also nicht völlig unabhängig vom Speicherwert der vorhergehenden Tastprobe. Man definiert das Trennvermögen eines Tast- und Haltekreises durch die zwischen aufeinanderfolgenden Tastproben auftretende Diaphonie. Dabei wird eine Diaphoniedämpfung von -80 dB in der Praxis nie erreicht, während Werte von -100 dB bei dem oben angegebenen Anwendungsfall an sich erwünscht wären.

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Man könnte an sich die mit der begrenzten Qualität der Tast- und Haltekreise verbundenen Beschränkungen dadurch beseitigen, daß man die Tast- und Haltekreise ganz entfernt und die Signalauswertekreise darauf auslegt, daß die Amplitude des Eingangssignals dauernd variiert. Da der Ausgang des Multiplexers dann dauernd mit einem Tastprobenverstärker verbunden ist, variiert die Amplitude jeder Tastprobe während der ganzen Tastperiode und man muß daher das Programm für den Verstärkungsgrad des Verstärkers an die Variation des Eingangssignals anpassen, um seine mögliche Variation vorwegzunehmen. Es ist also nötig, die Neigung des Signals oder die Flanke der für dieses Signal repräsentativen Kurve zu messen und einen Algorithmus für die Auswahl des Verstärkungsgrades zu verwenden, durch den sich der Verstärkungsgrad reduzieren läßt. Dieser Algorithmus ist natürlich wesentlich komplizierter als ein Algorithmus für den Fall, daß ein Element für die Speicherung der Tastproben vorhanden ist, so daß nur ein monotoner Anstieg des Verstärkungsgrades berücksichtigt werden muß. Da aber dieser Algorithmus in Form fest verdrahteter logischer Elemente realisiert werden muß, ergibt sich,daß der Tastprobenverstärker mit einem solchen Algorithmus weniger kompakt realisiert werden kann und mehr Energie verbraucht. Diese Nachteile stören insbesondere dann, wenn die Auswertekette für die Meßdaten nur wenig Platz beanspruchen darf und schlecht zugänglich ist, wie z.B. im Inneren einer seismischen Flöte,

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Tast- und Haltekreis gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

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Dadurch, daß der erfindungsgemäße Tast- und Haltekreis die während des Betriebs im Speicherkondensator auftretenden Erscheinungen reproduziert und kompensiert, kann man die gegenseitigen Einflüsse aufeinanderfolgender Tastproben stark verringern. Der Diaphoniegrad zwischen solchen aufeinanderfolgenden Tastproben wird damit verbessert und erreicht einen Wert von -100 dB, wie er für die Verwendung in der Auswertung seismischer Meßwerte benötigt wird. Der Rückgriff auf ein komplexes logisches Steuergerät für die Steuerung des Verstärkungsgrads kann damit vermieden werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Tast- und Haltekreis bekannter Bauart;

Fig. 2 zeigt ein Betriebsdiagramm für einen solchen Tast- und Haltekreis;

Fig. 3 zeigt das Ersatzschaltbild eines realen Kondensators C;

Fig. 4 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Tast- und Haltekreises;

Fig. 5 zeigt ein Spannungs-Zeitdiagramm zur Betriebsweise des Tast- und Haltekreises gemäß Fig. 4.

Der in Fig. 1 gezeigte bekannte Tast- und Haltekreis besitzt zwei Operationsverstärker A₁ und A„ in Reihenschaltung, wobei der Ausgang des ersten Verstärkers über einen Unterbrecher I, der vorzugsweise ein elektronischer Schalter ist, an den nicht invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers A~ angeschlossen ist. Außerdem ist dieser Eingang über einen Speicherkondensator C an Masse gelegt. Die Ausgangsimpedanz des ersten Verstärkers A₁ ist gering, während die Eingangsimpedanz des zweiten sehr hoch ist. Der erste Verstärker A₁ ist ein Isolier-

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Verstärker mit dem Verstärkungsgrad eins und er reproduziert am Ausgang das an seinem nicht invertierenden Eingang liegende Signal V . Zum Zeitpunkt t_n an dem die Spannung V an den Kondensatoranschlüssen, beispielsweise den Wert S„ (Fig. 2) aufweist, wird der Unterbrecher I geschlossen, so daß sich der Kondensator C schnell entlädt oder lädt (Tastperiode), derart, daß die Spannung V gleich der Eingangsspannung V zum Zeitpunkt t₁ wird, zu dem man den Unterbrecher I wieder öffnet. Die Eingangsimpedanz des zweiten Verstärkers A₉ ist sehr groß, so daß die Spannung V praktisch während einer zweiten Periode, der Halteperiode, praktisch konstant bleibt, wodurch der Wert des Signals zum Zeitpunkt t.. gespeichert wird. Man geht davon aus, daß während der Halteperiode (t.. - t₉) das Eingangssignal V sehr stark bis auf fast null Volt abgesunken ist (große Dynamik). Während der nächsten Tastperiode (t₉ - t,), währendder der Unterbrecher I erneut geschlossen ist, sinkt die Spannung V ebenfalls bis auf einen Wert nahe null ab. Zum Zeitpunkt t,,an dem erneut der Unterbrecher geöffnet wird, stellt man fest, daß die Spannung V und damit auch die Spannung V am Ausgang des zweiten Verstärkers A₇ nicht mehr den Wert S' nahe null konserviert hat, sondern vielmehr plötzlich ansteigt auf einen reellen Wert S₉, der proportional zur Amplitude S. der vorhergehenden Tastperiode ist.

Dieser Effekt läßt sich dadurch erklären, daß der reelle Kondensator C im Satzschaltbild (Fig. 3) aus einem theoretischen verlustlosen Kondensator C~ besteht zudem die Serienschaltung eines Widerstands R₁ und eines Kondensators C₁ parallelgeschaltet ist. Dieser letztere Kondensator besitzt eine wesentlich geringere Kapazität als die des Kondensators C^. Wenn die an die Anschlüsse des Kondensators C angelegte Spannung plötzlich auf null abfällt (Zeitintervall t₉ - t ), dann ist der Kondensator C_Q praktisch kurzgeschlossen und der Kondensator C₁ entlädt sich über den

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Widerstand R₁ mit einer Zeitkonstante R₁C., die ausreichend groß ist, daß zum Zeitpunkt t_ eine deutliche Restladung übrigbleibt. Wenn der Unterbrecher I erneut geöffnet ist (Zeitpunkt t.,) , dann entlädt sich der Kondensator C₁ vollständig und überträgt auf den Kondensator C_n eine nicht vernachlässigbare Restladung. An den Anschlüssen des Kondensators C_n erscheint also eine Fehlerspannung S-, die von der dem Kondensator während der vorhergehenden Tast- und Halteperioden gespeicherten Ladung abhängt und damit auch von der Ladespannung S₁.

Der Tast- und Haltekreis gemäß der Erfindung (Fig. 4) weist wie der bekannte Schaltkreis gemäß Fig. 1 einen Isolierverstärker A₁ mit Einheitsverstärkung auf, dem ein Eingangssignal V über seinen nicht invertierenden Eingang E zugeführt wird und dessen Ausgang über einen Unterbrecher I₁, vorzugsweise einem elektronischen Schalter, mit dem nicht invertierenden Hochimpedanzeingang eines Differentialverstärkers A₉ verbunden ist. Dieser gleiche Eingang ist über einen Speicherkondensator, der in der Figur durch seinen Ersatzschaltkreis mit einem verlustlosen Kondensator C„ parallel zu der Serienschaltung eines Kondensators C₁ und eines Widerstands R₁ dargestellt ist, an Masse gelegt.

Der erfindungsgemäße Tast- und Haltekreis unterscheidet sich von bekannten derartigen Schaltungsanordnungen dadurch, daß er einen passiven Kompensationsschaltkreis mit drei parallelen Zweigen enthält, von denen der erste Zweig die Serienschaltung eines Widerstands R₃ und eines Kondensators C₃, der zweite Zweig einen Kondensator C₉ und der dritte Zweig einen elektronischen Unterbrecher I, aufweist. Der passive Kompensationsschalt-

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kreis ist mit einem ersten seiner Anschlüsse an Masse und einem zweiten Anschluß an den Ausgang des Operationsverstärkers A^ über einen Unterbrecher I₇ angeschlossen, der vorzugsweise ein elektronischer Schalter ist. Der zweite Anschluß des Kompensationsschaltkreises ist außerdem an den nicht invertierenden Eingang eines dritten Verstärkers A,, vorzugsweise mit Einheitsverstärkungsgrad, angeschlossen, dessen Ausgang über ein Potentiometer P.. an Masse liegt. Der Zwischenabgriff dieses Potentiometers ist über einen Widerstand R. an den invertierenden Eingang des Verstärkers A₂ angeschlossen, der außerdem an den eigenen Ausgang dieses Verstärkers über einen Widerstand R₁. gekoppelt ist. Die Werte der Bauelemente R, und C, werden so ausgewählt, daß ihr Produkt (Zeitkonstante des Schaltkreises) im wesentlichen gleich der Zeitkonstante R₁C, wird. Man kann dem Kondensator C„ einen beliebigen Kapazitätswert, beispielsweise in der Größenordnung des Wertes des Kondensators C,, verleihen.

Der erfindungsgemäße Tast- und Haltekreis arbeitet folgendermaßen:

- Zum Zeitpunkt t« (Fig. 5) werden die Unterbrecher I₁ und I_ geschlossen, während der Unterbrecher I- offenbleibt. Der Kondensator C lädt sich oder entlädt sich und die Spannung an seinen Anschlüssen entwickelt sich von einem Ursprungswert S_n bis zu einem dem Signal selbst entsprechenden Wert, während der Kondensator C^ sich entlädt.

- Zum Zeitpunkt t.. werden die Unterbrecher I. und I₃ geöffnet, während der Unterbrecher I₂ offenbleibt. Der Kondensator C speichert den Wert S₁ der Spannung an seinen Anschlüssen, die am Ausgang S des Verstärkers A₇ verfügbar ist.

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- Zum Zeitpunkt t ., der nach dem Zeitpunkt t₁ liegt, wird der Unterbrecher I~ geschlossen, während die beiden anderen Unterbrecher geöffnet bleiben. Die Spannung Vp wird dadurch an die Anschlüsse des passiven Schaltkreises (CL? R₃, C₃) angelegt, so daß sich der Kondensator C₂ aufladen kann. Durch das Schließen des Unterbrechers I₂ wird ein geringer Teil der Ausgangsspannung des Verstärkers A₂ an den invertierenden Eingang dieses Verstärkers über den Verstärker A_ und das Potentiometer P₁ angelegt, wodurch sich eine geringfügige Veränderung der Ausgangsspannung von einem Wert S, zu einem geringfügig niedrigeren Wert S'.. ergibt. Diese Spannungsänderung hat im übrigen keinerlei praktische Folge, wenn das Haltezeitintervall Ct₁ - t ..) für die nachfolgenden Elemente der Auswertekette ausreichen, um den gespeicherten Wert zu verarbeiten.

- Zu einem späteren Zeitpunkt t~ wird erneut der Unterbrecher I₁ geschlossen, so daß das Eingangssignal erneut abgetastet wird. Wieder wird für die klare Darstellung der Diaphonieerscheinungen davon ausgegangen, daß während der Halteperiode Ct₁ - t₂) das Eingangssignal sich deutlich geändert hat und daß seine Amplitude sehr gering geworden ist. Die Spannung V_c an den Anschlüssen des Kondensators C (und daher auch die Spannung V^) steigt erneut deutlich bis zum Wert der Eingangs spannung V an. Die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators C₂ folgt ebenfalls den Variationen der Spannung V .

- Zum Zeitpunkt t, werden erneut die beiden Unterbrecher I₁ und I₂ geöffnet, um einen neuen Probenwert einzuspeichern. Wie bereits erwähnt, wird die Restladung des Kondensators C₁ zum Zeitpunkt t^ über den Widerstand R^ auf den Kondensator C~ übertragen und erzeugt an dessen Anschlüssen eine Fehlerspannung. Da aber gleichzeitig der Unterbrecher I₃ offen ist entlädt sich die Ladung zum Zeit-

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punkt t, im Kondensator C, des passiven Kompensationsschaltkreises über den Widerstand R, in den Kondensator C₉ und erzeugt damit eine Fehlerspannung, von der ein Teil in Form einer Gegenkopplung an den invertierenden Eingang des Verstärkers A₉ über den Verstärker A, und das Potentiometer P₁ zurückgeschleift wird. Durch geeignete Einstellung des Potentiometers P₁ kann man den Wert der Rückkopplung so festlegen, daß die zurückgekoppelte Spannung im wesentlichen gleich der am nicht invertierenden Eingang des Verstärkers A vorliegenden Restspannung wird, so daß diese Spannung die bei bekannten Tast- und Haltekreisen zu Fehlern führen würde, verschwindet.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es also, in einem passiven Kompensationsschaltkreis die während des Betriebs des Speicherkondensators C auftretenden Erscheinungen zu kompensieren und die aufgrund dieser Erscheinungen an den Anschlüssen des Kondensators und den Anschlüssen des passiven Kompensationsschaltkreises auftretenden Spannungen voneinander abzuziehen.

Die Operationsfolge beginnt wieder von neuem zum Zeitpunkt t., zu dem die Unterbrecher I₁ und I, geschlossen werden, während der Unterbrecher I₉ geöffnet bleibt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Tast- und Haltekreis für ein elektrisches Signal, mit einem Speicherkondensator für die Tastproben, der während der Tastperioden geladen wird und während der zwischen zwei Tastperioden liegenden Halteperioden gegenüber dem Signal isoliert ist, mit einem weiteren Kondensator, dessen erster Anschluß in Abständen an den Speicherkondensator angekoppelt ist und dessen zweiter Anschluß am Bezugspotential liegt, und mit Subtraktionsmitteln, die von dem am Speicherkondensator anliegenden Spannungswert einen Teil der am weiteren Kondensator anliegenden Spannung abziehen, dadurch gekennzeichnet , daß ein passiver Kompensationsschaltkreis den weiteren Kondensator (C₇) sowie Kurzschlußmittel (Iv) für den Kurzschluß des weiteren Kondensators enthält und die realen Betriebskennwerte des Speicherkondensators (C) reproduziert.

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2. Tast- und Haltekreis nach Anspruch 1, bei dem der Speicherkondensator im Satzschaltbild einem ersten Kondensator parallel zur Serienschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand entspricht, dadurch gekennzeichnet , daß der passive Kompensationsschaltkreis parallel zum weiteren Kondensator (C₂) die Serienschaltung eines Widerstands (R,) und eines Kondensators (C ) aufweist, dessen Ladezeitkonstante über den Widerstand (R₃) im wesentlichen gleich der Ladezeitkonstante des mit dem Widerstand (R₁) in Serie liegenden Ersatzbild-Kondensators (C ) gewählt ist.
3. Tast- und Haltekreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Verstärker (A₇) zur Verstärkung der an den Speicherkondensator (C) angelegten Spannung vorhanden ist und daß die Subtraktionsmittel, die von dem am Speicherkondensator anliegenden Spannungswert ein Teil der am weiteren Kondensator (C2) anliegenden Spannung abziehen, einen Verstärker (A^) sowie Mittel enthalten, mit denen ein Teil der Ausgangsspannung dieses Verstärkers (A.,) als Rückkopplung an den Eingang des erstgenannten Verstärkers (A~) angelegt wird.
4. Tast- und Haltekreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß im Ladekreis des Speicherkondensators (C) ein Einheitsverstärker (A.) vorhanden ist, dessen Ausgang an den Speicherkondensator (C) über einen Unterbrecher (I.) angeschlossen ist und dessen Eingang mit dem Signal beaufschlagt wird.
5. Tast- und Haltekreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß im Ladekreis des Speicherkondensators (C) ein Unterbrecher (I^) liegt,

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daß der weitere Kondensator (C₇) in Abständen an den Speicherkondensator über einen weiteren Unterbrecher (I₂) angekoppelt ist und daß Steuermittel vorgesehen sind, die abwechselnd oder gleichzeitig die Unterbrecher (I₁, I₂) und die Kurzschlußmittel (I₃) betätigen.

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