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Schaltkreis zum wahlweisen Verbinden eines Eingangsklemmenpaares von
einer Mehrzahl von Eingangsklemmenpaaren mit einem Paar Ausgangsklemmen Die Erfindung
betrifft einen Schaltkreis zum wahlweisen Verbinden eines Eingangsklemmenpaares
von einer Mehrzahl von Eingangsklemmenpaaren mit einem Paar Ausgangsklemmen.
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Ein idealer elektrischer Schalter würde eine Zweipolvorrichtung mit
zwei Betriebszuständen sein, d. h. geschlossen und offen oder ein und aus.
In dem ausgeschalteten Zustand würde kein elektrischer Strom zwischen den beiden
Klemmen oder Polen vorhanden sein, und in dem eingeschalteten Zustand würde keine
Potentialdifferenz zwischen den beiden Klemmen liegen. Eine sehr weitgehende Annäherung
an den idealen Schalter wird mit Metallkontaktschaltern und -relais erhalten, wenn
diese bei Gleichstrom und bei sehr niedrigen Frequenzen benutzt werden. Jedoch sind
Metallkontaktschalter zur Verwendung in vielen Fällen nicht geeignet, beispielsweise
dann, wenn die geforderte Schaltgeschwindigkeit hoch oder die erforderliche Anzahl
Betriebsperioden groß ist.
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In vielen Anwendungsfällen von Schaltkreisen müssen elektronische
oder Halbleiterschaltvorrichtungen verwendet werden, um den erforderlichen Betriebsbedingungen
zu genügen. Jedoch nähern sich diese Schaltvorrichtungen in vielen Beziehungen nicht
dem Ideal an, da sie merklichen inneren Widerstand in dem eingeschalteten oder leitenden
Zustand und merklichen Leitwert in dem ausgeschalteten oder nichtleitenden Zustand
haben. Außerdem ändern sich die Größen dieser unerwünschten Kennwerte von einer
Einheit zur anderen und mit der Zeit, Temperatur und anderen veränderten Größen.
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Wenn eine Mehrzahl elektrischer Signale mit einer einzelnen Vorrichtung
verbunden werden kann, wird jedes Signal über einen Schalter mit der Vorrichtung
verbunden, wobei sich nur einer der Schalter zu irgendeiner Zeit in dem eingeschalteten
oder leitenden Zustand befindet. Bei Verwendung von idealen Schaltern gibt das Signal
am Eingang der Vorrichtung das eine ausgewählte Eingangssignal genau wieder. Dies
trifft jedoch nicht zu, wenn nicht ideale Schalter benutzt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Schaltkreises
der obigen Art, der die Verwendung einer willkürlich gewählten Quelle aus einer
Mehrzahl Signalquellen zu einem Paar Ausgangsklemmen mittels unvollkommener Schalter
ermöglicht, die eine bestimmte endliche Leitfähigkeit in dem ausgeschalteten Zustand
und einen bestimmten endlichen Widerstand in dem eingeschalteten Zustand haben,
wobei, abgesehen von den Schalterkennwerten, das Ausgangssignal hinsichtlich der
Spannungsgröße dem gewählten Eingangssignal entspricht. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß von jedem Eingangsklemmenpaar eine Klemme durch ein Paar in
Serie angeordnete Schalter mit einer ersten Eingangsklemme eines Verstärkers verbunden
ist, während die zweite Eingangsklemme jedes Eingangsklemmenpaares verbunden ist
mit einer Ausgangsklemme des Verstärkers, dessen andere Ausgangsklemme verbunden
ist mit dessen zweiter Eingangsklemme und durch einen dritten Schalter mit dem Verbindungspunkt
der beiden serienmäßig angeordneten Schalter, und zum Wählen eines bestimmten Eingangsklemmenpaares
die beiden dazugehörenden serienmäßig angeordneten Schalter geschlossen werden und
der dazugehörende dritte Schalter geöffnet wird, während die serienmäßig angeordneten
Schalterpaare, die zu nicht gewählten Eingangsklemmenpaaren gehören, geöffnet werden
und die Schalter, die den Verstärkerausgang mit den Verbindungspunkten dieser Schalterpaare
verbinden, geschlossen werden. Der Verstärker kann hohe negative offene Schleifenverstärkung
haben, so daß die Verstärkung des gesamten
Gegenkopplungssystems
im wesentlichen Eins ist, und seine Eingangsimpedanz kann hoch und seine Ausgangsimpedanz
niedrig sein. Die ersten Schalter der in Serie angeordneten Schalterpaare können
mit Zwischenleitungen verbunden sein, die über die zweiten Schalter der in Serie
angeordneten Schalterpaare und die dritten Schalter wahlweise an die Eingänge des
Verstärkers anschließbar sind.
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Die Erfindung umfaßt auch neue Konstruktionseinzelheiten und neue
Kombinationen und Anordnungen von Teilen, die vollständiger im Laufe der folgenden
Beschreibung erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in Verbindung mit der Beschreibung
lediglich bevorzugte Ausführungsformen. der Erfindung, die zur Veranschaulichung
als Beispiele gegeben werden. Es zeigt Fig. 1 ein schematisches Schaltbild
einer Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung und Fig. 2 ein Schaltbild
einer anderen Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung.
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In der Schaltung nach Fig. 1 werden Eingangssignale von einer
Anzahl Quellen A 1, A 2, A 3 ...
An, Bl,
B2, B3 ... an entsprechende Eingangsklemmen gekoppelt, wobei die Quellen
in Gruppen unterteilt sind, die mit den BuchstabenA, B ... bezeichnet sind.
Eine Klemme jeder Quelle ist an eine gemeinsame Leitung 9 angeschlossen,
welche die Erdleitung der Schaltung sein kann. Die Schaltung nach der Erfindung
arbeitet mit einer großen Anzahl Eingängen, wie beispielsweise mit zehn Gruppen
von jeweils zehn Klemmen und mehr, wobei jedoch nur ein Teil der Eingänge in der
Zeichnung dargestellt ist. Eine Anzahl Schalter 10, von denen einer jeder
Eingangsklemme zugeordnet ist, dient zur Verbindung jeder Eingangsklemme mit einer
entsprechenden Gruppenschiene oder -leitung 1lA, llB, . . .,
Schalter
12A, 12B, . . . dienen dazu, jede Gruppenleitung mit einer Verstärkereingangsleitung
13 zu verbinden, die einen Verstärker 14 steuert. Der Ausgang des Verstärkers
tritt an Ausgangsklemmen 15, 16 auf, wobei die Klemme 15 an die gemeinsame
Quellenleitung 9 und die Klemme 16 an eine Verstärkerausgangsleitung
16 a angeschlossen ist. Die Schalter 17 A,
17B.... dienen
dazu, jede Gruppenleitung mit der Verstärkerausgangsleitung zu verbinden.
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Beim Auswählen eines speziellen Eingangssignals für die Ausgangsklemme
sind die speziellen Schalter 10 und 12, die der Eingangsklemme zugeordnet
sind, an die das Signal angelegt ist, und die dieser Eingangsklemme nicht zugeordneten
Schalter 17 in dem eingeschalteten oder leitenden Zustand, und alle anderen
Schalter befinden sich in dem ausgeschalteten oder nichtleitenden Zustand. Fig.
1 veranschaulicht den Fall, bei dem das Signal der Quelle B2 ausgewählt wird.
Die Schalter 10B2, 12B und 17A,
17C, ... befinden sich in dem eingeschalteten
Zustand, und alle anderen Schalter befinden sich in geschalteten Zustand. Der Verstärker
14 hat dem auszweckmäßig die Verstärkung 1,0 und hohen Eingangsseheinwiderstand,
der für das ausgewählte Signal im wesentlichen keine Belastung bildet, und niedrigen
Ausgangsscheinwiderstand, um Strom an die Ausgangsklemmen und an die ungewählten
Eingänge zu liefern. Da die Genauigkeit der Wiedergabe des ausgewählten Eingangssignals
an den Ausgangsklemmen eine Funktion der Verstärkung des Verstärkers ist, ist die
Genauigkeit der Schaltung um so größer, je näher diese Verstärkung an
1,0 liegt. . Der Verstärker 14 nach Fig. 1 ist als Gegenkopplungsverstärker
in potentiometrischer Bauart mit 100% Gegenkopplung geschaltet, wodurch im wesentlichen
die Verstärkung 1,0 vorhanden ist. Der Ausgang e. des Verstärkers ist gleich
dem negativen Wert seines Eingangs ei, d. h. eo = ei, wobei der Verstärker
den gewünschten hohen Eingangsseheinwiderstand und den niedrigen Ausgangsscheinwiderstand
liefert. Da der Verstärker 14 eine Vorzeichenumkehr hervorruft, um den Ausgang
E, der Schaltung gleich dem Eingangssignal zu machen, sind die Ausgangsklemmen
des Verstärkers umgekehrt zu der üblichen Reihenfolge so dargestellt, daß die Seite
hohen Widerstandes des Verstärkerausgangs 15 an die gemeinsame oder an die
Seite 9
niedrigen Widerstandes der Signalquellen angeschlossen ist.
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Der Umstand, daß die ausgewählten Schalter (10B2, 12B in Fig.
1) Scheinwiderstände haben, die sich von Null unterscheiden, hat sehr geringe
Bedeutung, wenn der Eingangsscheinwiderstand des Verstärkers hoch ist. Da die Scheinwiderstände
solcher ausgewählten Schalter in Reihe mit dem hohen Eingangswiderstand des Verstärkers
liegen, macht dieser hohe Eingangswiderstand die von Null abweichenden Scheinwiderstände
der ausgewählten Schalter10B2 und 12B verhältnismäßig bedeutungslos. Die an nicht
gewählte Eingangsklemmen A" A2, A3 ... A " angelegten Signale
haben eine vernachlässigbare Wirkung auf den Ausgang des Verstärkers 14. Obgleich
die jeder Eingangsklemme zugeordneten Schalter10 als nicht ideale Schalter mit merklicher
Leitfähigkeit in ihrem nichtleitenden Zustand angenommen werden, ist jeder dieser
Schalter zwischen die Ausgangsklemmen 15 und 16 geschaltet.
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Es ist ein Rückführungs- oder Gegenkopplungspfad durch nicht gewählte
Schalter zu dem Eingang vorhanden, z. B. durch den Schalter 12A der Fig.
1.
Wenn die Verstärkung von 1,0 verschieden sein soll, würde die Gesamtverstärkung
(d. h. die Verstärkung, welche die Gegenkopplung durch offene ungewählte
Schalter enthält) von dem Scheinwiderstand dieser Schalter abhängig und daher veränderlich
sein. Wenn die Verstärkung des Verstärkers selbst den Wert 1,0
hat, können
Änderungen des Scheinwiderstandes offener Schalter oder die Ungleichmäßigkeit von
Schaltern keinen Einfluß auf das System haben, da es keine Rolle für ein System
spielen kann, ob Punkte gleichen Potentials mit einem hohen oder geringen Scheinwiderstand
verbunden sind. In einem typischen Fall gibt eine Verstärkung zwischen 1,02 und
0,98 zufriedenstellende Ergebnisse abhängig von den Kennwerten der in dem
System verwendeten Schalter.
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Eine andere Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung ist in
Fig. 2 gezeigt. Eine Klemme jedes Eingangs E 1, E 2, . . .
ist mit einer gemeinsamen Leitung 20 verbunden, die als Erdleitung des Stromkreises
bezeichnet werden kann. Die andere Klemme von El ist mit der Verstärkereingangsleitung
21 über zwei in Reihe geschaltete Schalter 22, 23 verbunden, und die andere
Klemme des Eingangs E2 ist in gleicher Weise an die Verstärkereingangsleitung
über Schalter 24, 25 angeschlossen. Zusätzliche Eingänge können in die Schaltung
in der gleichen Weise eingefügt werden. Die Verstärkereingangsleitung 21 leitet
den Eingang an einen Verstärker 26
mit der Verstärkung 1,0, der in
der gleichen Weise
wie der Verstärker 14 der Schaltung nach Fig.
1 geschaltet ist. Die Seite hohen Scheinwiderstandes des Verstärkerausgangs
ist an eine Ausgangsklemme 30
und an die gemeinsame Leitung 20 und die Seite
niedrigen Scheinwiderstandes ist an eine Ausgangsklemme 31 und an eine Verstärkerausgangsleitung
27
angeschlossen. Ein Schalter 28 ist zwischen den Knotenpunkt der
Schalter 22, 23 und die Verstärkerausgangsleitung 27 und ein Schalter
29 ist in gleicher Weise zwischen den Verbindungspunkt der Schalter 24,
25 und die Verstärkerausgangsleitung geschaltet.
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Jeder der in Fig. 1 und 2 dargestellten Schalter kann irgendeine
zweckmäßige Bauart haben, wie beispielsweise als Metallkontakt, Vakuumröhre oder
Halbleiter ausgebildet sein, wobei die Wahl eines speziellen Schalters von der Anwendung
des Schaltkreises abhängt und für die Erfindung nicht wesentlich ist. In Fig.
1 ist jeder Schalter lediglich als eine Vorrichtung mit den Zuständen »Ein«
und »Aus« dargestellt. In Fig. 2 wird jeder Schalter von einem gleichwertigen Stromkreis
eines nicht idealen Schalters gebildet, der einen großen Widerstand 32 in
Parallelschaltung zu einer Reihenkombination einer idealen Aus-Ein-Vorrichtung
33 und eines kleinen Widerstandes 34 aufweist.
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Beim Betrieb der Schaltung nach Fig. 2 ist das Paar der in Reihe liegenden
Schalter, welche den gewünschten Eingang mit der Verstärkereingangsleitung verbinden,
leitend, und der Schalter, der den Knotenpunkt dieser beiden Schalter mit der Ver-.
stärkerausgangsleitung verbindet, ist nichtleitend. Die jedem der nicht gewünschten
Eingänge zugeordneten Schalter befinden sich in dem umgekehrten Zustand wie der
entsprechende Schalter, der dem ausgewählten Eingang zugeordnet ist.
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Die Funktion der vorstehenden Schalter in der beschriebenen Weise
erzeugt im wesentlichen die Spannungsdifferenz Null an den Schaltern, die den Verstärkereingang
und die Dreifachverbindung miteinander verbinden. Es ist eine Potentialdifferenz
infolge der ungewählten Spannungsquellen an den Schaltern vorhanden, welche die
Dreifachverbindung mit den ungewählten Eingängen verbinden. Jedoch ist der dadurch
bedingte Strom eine Belastung des Ausgangs niedriger Impedanz des Verstärkers und
ändert nicht merklich dessen Potential. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist
El der ausgewählte Eingang, und die Schalter 22, 23 und
29 sind leitend, und die Schalter 28, 24 und 25 sind nichtleitend.
Unter diesen Bedingungen ist der Ausgang E, im wesentlichen gleich dem Eingang
E 1, und zwar unbeeinflußt von dem Widerstand der verschiedenen Schalter
in dem Stromkreis und von Änderungen in den Widerständen des ein- und ausgeschalteten
Zustandes dieser Schalter.
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In der Schaltung nach Fig. 1 dient der Ausgang des Verstärkers
dazu, die Gruppen von ungewählten Schaltern A, C.... zu eliminieren.
Jedoch kann die Spannung an den ungewählten Eingängen B 1, B
3 ....
infolge der endlichen Scheinwiderstände der zugeordneten
Schalter noch den Eingang zu dem Verstärker beeinflussen. In der Schaltung nach
Fig. 2 sind die Wirkunaen der ungewählten Eingangssignale von dem Verstärkereingang
eliminiert. Der Schalter 29 in dem ungewählten Stromkreis verbindet die Quelle
E2 mit der Seite 31 niedrigen Scheinwiderstandes des Verstärkers
26. Es ist ein Spannungsabfall an diesem Schalter vorhanden, und infolge
des endlichen Scheinwiderstandes des offenen Schalters 24 existiert ein gewisser
Streustrom. Jedoch hat dieser Ableitungsstrom keinen Einfluß auf die Ausgangsspannung
E, infolge der direkten Verbindung zwischen dem Schalter 29 und dem
Verstärkerausgang, wobei der Ausgangsscheinwiderstand des Verstärkers infolge der
hohen Schleifenverstärkung ganz niedrig ist.
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Die Begriffe »Verbinden« und Aeitend« und »trennen« und »nichtleitend«
im Sinne der Verwendung in der Beschreibung und den Ansprüchen bedeuten, daß sich
der Schalter in dem eingeschalteten bzw. ausgeschalteten Zustand befindet, obgleich
tatsächlich nicht ideale Schalter niemals vollständig trennen oder nichtleitend
sind.
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Obgleich Ausführungsformen der Erfindung als Beispiele offenbart und
erörtert worden sind, wird bemerkt, daß andere Anwendungsfälle der Erfindung möglich
sind und daß die offenbarten Ausführungsformen verschiedene Änderungen, Abwandlungen
und Ergänzungen erfahren können, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.