DE1122160B

DE1122160B - Electronic switch for a cathode ray oscilloscope

Info

Publication number: DE1122160B
Application number: DEK37560A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wolf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1959-04-23
Filing date: 1959-04-23
Publication date: 1962-01-18

Description

Elektronischer Umschalter für einen Kathodenstrahl-Oszillographen Im Oszillographen werden, um mit einer Einstrahl-Kathodenstrahlröhre zwei getrennte Vorgänge gleichzeitig auf dem Bildschirm aufzuzeichnen, elektronische Umschalter benutzt.Electronic switch for a cathode ray oscilloscope In the oscilloscope are in order to use a single-beam cathode ray tube two separate Simultaneous recording of events on the screen, electronic switch used.

Im allgemeinen wurden bisher nur elektronische Schalter verwendet, die eine Auskopplung aus dem Anodenkreis der als Schalter dienenden Verstärkerröhren aufweisen und somit auf Steilheitsschwankungen der Verstärkerröhren mit Verstärkungsänderungen reagieren. Als unangenehm wird hierbei empfunden, daß erstens wegen zeitlicher Inkonstanz der Verstärkung die Einblendung einer Meßlinie ohne vorhergehende sorgfältige Justierung beider Kanäle nicht möglich ist bzw. daß eine solche notwendige Justierung als zeitraubende Zwischenoperation das Prinzip der Einblendung einer solchen Meßlinie als nicht angebracht erscheinen läßt. Zweitens geht jeg- licher, beiden Oszillogrammen gemeinsamer Spannungsmaßstab verloren, so daß auch die Darstellung zweier Oszillogramme im gleichen Spannungsmaßstab auf erhebliche Schwierigkeiten stößt. Die Anwendung eines Kathodenverstärker-Umschalters wurde in einzelnen Fällen versucht, jedoch bisher für Breitband-Oszillographen offenbar deshalb nicht verwendet, weil übersprechstörungen zwischen Gitter und Kathode der Umschaltröhre für hohe Frequenzen (oberhalb etwa 1 MHz) im gesperrten Kanal als untragbar angesehen wurden. Erst die Kombination eines Kathodenverstärker-Umschalters mit einem Differenzverstärker ermöglicht die Anwendung dieses Schaltprinzips für Breitband-Oszillographen, weil hier erstmalig die übersprechstörung einwandfrei kompensiert werden kann. Indirekt wird durch die Einführung des Kathodenverstärker-Umschalters auch die Einblendung der Meßlinie im exakten Spannungsmaßstab in das Oszillogramm erstmalig mit vollelektronischen Mitteln ermöglicht. Eine bereits auf den vorliegenden Erfinder zurückgehende Druckschrift, nämlich die deutsche Auslegeschrift 1039 130, berücksichtigt diese neuartige Kombination. Die vorliegende Erfindung betrifft eine erhebliche vorteilhafte Weiterentwicklung und Verbesserung dieses Prinzips.In general, only electronic switches have hitherto been used which have a decoupling from the anode circuit of the amplifier tubes serving as switches and thus react to fluctuations in the slope of the amplifier tubes with changes in amplification. It is felt to be unpleasant that, firstly, due to the temporal inconsistency of the amplification, it is not possible to fade in a measuring line without prior careful adjustment of both channels, or that such a necessary adjustment as a time-consuming intermediate operation makes the principle of fading in such a measuring line appear inappropriate. Secondly, any voltage scale common to both oscillograms is lost, so that the representation of two oscillograms on the same voltage scale also encounters considerable difficulties. The use of a cathode amplifier switch has been attempted in individual cases, but has apparently not been used for broadband oscillographs so far because crosstalk interference between the grid and cathode of the switching tube for high frequencies (above about 1 MHz) in the blocked channel was considered unacceptable. Only the combination of a cathode amplifier switch with a differential amplifier makes it possible to use this switching principle for broadband oscillographs, because here, for the first time, the crosstalk interference can be perfectly compensated. Indirectly, the introduction of the cathode amplifier switch also enables the measurement line to be displayed in the oscillogram in the exact voltage scale for the first time using fully electronic means. A publication that goes back to the present inventor, namely the German Auslegeschrift 1039 130, takes this novel combination into account. The present invention relates to a considerable advantageous further development and improvement of this principle.

Speziell betrifft die vorliegende Erfindung eine andersartige Ausgestaltung der Einkopplung der Umschaltspannung. In der erwähnten Druckschrift ist eine additive überlagerung der Schaltspannung mit der Gitterspannung der Umschaltstufe vorgesehen. Hierzu sind Impedanzen im Gitterkreis vorgesehen, die eine Einkopplung dieser Schaltspannung gestatten. Von Nachteil ist hierbei, daß die zwischengeschalteten Impedanzen, die im Signalzuführungszweig des elektronischen Schalters liegen, einen unerwünschten Frequenzgang verursachen oder aber, bei überbrückung mit einer Kapazität, unerwünscht lange Umschaltzeiten bzw. Schaltstörungen ergeben können.In particular, the present invention relates to a different embodiment the coupling of the switching voltage. In the mentioned document there is an additive superimposition of the switching voltage with the grid voltage of the switching stage is provided. For this purpose, impedances are provided in the lattice circuit, which enable this switching voltage to be coupled in allow. The disadvantage here is that the intermediate impedances that lie in the signal feed branch of the electronic switch, an undesirable one Cause frequency response or, if bridged with a capacitance, undesirable long switching times or switching faults can result.

Zum Vermeiden dieser Nachteile wird bei einem elektronischen Umschalter für Kathodenstrahl-Oszillographen mit einem nachgeschalteten Differenzverstärker, dessen zweitem Eingang Mittel zur Kompensation der durch die Gitter-Kathoden-Kapazität der Schaltröhren des Umschalters bedingten übersprechstörung vorgeschaltet sind, gemäß der Erfindung eine weitere Umschaltröhre vorgesehen, welche die jeweils nicht durchgeschaltete Signalspannung dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers über eine differenzierende Nachbildung zuführt. Damit wird also eine Einkopplung der Schaltspannung über die Anoden eines Doppelkathodenverstärkers so vorgenommen, daß die Schaltspannung über das durchgreifende Feld im Gitter-Kathoden-Raum der Umschaltröhre wirksam wird. Die Anodenspannung dieser Umschaltröhre wird hierbei, vorzugsweise von einem Spannungswert nahegelegen bei 0 Volt, auf eine hohe positive Betriebsspannung geschaltet, wobei immer eine der beiden Anoden nahe 0 Volt, die andere auf hoher positiver Betriebsspannung liegt. Durch Umschaltung dieses Zustandes wird die Umsteuerung der beiden Elektronenschalter-Kanäle erreicht. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die Signalspannung unmittelbar an die Gitter der Umschaltröhre gelegt werden kann, womit sich zwischen Eingang und Ausgang des Elektronenschalters ein außerordentlich guter Frequenzgang ergibt bis zu Frequenzen von mehr als 50 MHz.To avoid these disadvantages, in an electronic switch for cathode ray oscilloscopes with a downstream differential amplifier, the second input of which is preceded by means for compensating for the crosstalk interference caused by the grid-cathode capacitance of the switching tubes of the switch, a further switch tube is provided according to the invention, which the signal voltage that is not switched through is fed to the second input of the differential amplifier via a differentiating simulation. The switching voltage is thus coupled in via the anodes of a double-cathode amplifier in such a way that the switching voltage is effective via the penetrating field in the grid-cathode space of the switch-over tube. The anode voltage is in this case this Umschaltröhre, preferably switched from a voltage value close located at 0 volts, to a high positive operating voltage, wherein always one of the two anodes close to 0 volts, the other is at high positive supply voltage. By switching this state, the reversal of the two electron switch channels is achieved. This has the advantage that the signal voltage can be applied directly to the grid of the switchover tube, which results in an extremely good frequency response between the input and output of the electron switch up to frequencies of more than 50 MHz.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist der, daß zwischen Eingang und Ausgang des elektronischen Schalters nur eine sehr geringfügige Potentialdifferenz auftritt, so daß die unmittelbare Ankopplung eines nachfolgenden hochempfindlichen Breitbandverstärkers möglich wird, ohne daß zusätzliche Mittel zur Aufhebung dieser Potentialdifferenz notwendig wären. Bezüglich der Gleichheit der Spannungsübersetzung der beiden Elektronenschalter-Kanäle auf den Ausgang ergeben sich gegenüber der zitierten bekannten Anordnung keine grundsätzlichen Änderungen. Die dort angeführten Vorteile bleiben also ebenfalls erhalten.Another advantage of the arrangement is that between the input and Output of the electronic Switch only a very minor one Potential difference occurs, so that the immediate coupling of a subsequent highly sensitive broadband amplifier becomes possible without the need for additional funds would be necessary to cancel this potential difference. Regarding equality the voltage translation of the two electron switch channels to the output There are no fundamental changes compared to the known arrangement cited. The advantages listed there are also retained.

Ein besonderer Vorteil vorliegender Schaltanordnung ist die sichere Umschaltung mit extrem kleinen Umschaltstörungen. Deswegen kann mit diesem Schalter bereits bei einem Eingangssignalpegel von 0,1 Volt ohne Vorverstärkrung sicher umgeschaltet werden.A particular advantage of the present switching arrangement is the safe switchover with extremely small switchover disturbances. This is why this switch can be used to switch safely at an input signal level of 0.1 volts without pre-amplification.

Weitere Merkmale der den Gegenstand der Erfindung bildenden Schaltung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further features of the circuit forming the subject of the invention can be found in the subclaims.

Die Arbeitsweise des elektronischen Umschalters gemäß der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Das Schaltersystern besitzt zwei Schaltstufen, nämlich die Hauptschaltstufe mit der Röhre 1, die zur Umschaltung des Oszillographenverstärkers auf zwei verschiedene Signalquellen dient, und eine weitere Schaltstufe mit einer Umschaltröhre 2, die das Übersprechen des jeweils gesperrten Elektronenschalter-Hauptkanals kompensiert und gleichzeitig für die Verschiebung der Nullinien der beiden Teilbilder verantwortlich ist. Die Röhre 3 ist ein Schaltspannungsbegrenzer, dem eine Schaltspannung zugeführt ist, die vorzugsweise aus einer Flip-Flop-Schaltung stammt, die beispielsweise bei jedem Kipprücklauf umgeschaltet wird. Die Anoden der Schaltröhre 1 sind mit dem Ausgang eines Kathodenverstärkers 4 verbunden, der die Aufgabe hat, die Schaltspannung niederohmig auf die Anoden der Schaltröhren 1 und 2 zu übertragen. Die Röhre 5 dient, wie später noch erläutert wird, der Kompensation gewisser übersprechstörungen und der Zuführung einer Bildverschiebespannung auf die Schaltröhre 2.The operation of the electronic switch according to the invention is explained in more detail with reference to the drawing. The switch system has two switching stages, namely the main switching stage with the tube 1, which is used to switch the oscilloscope amplifier to two different signal sources, and a further switching stage with a switchover tube 2, which compensates for the crosstalk of the respective blocked electron switch main channel and at the same time for the shifting of the Zero lines of the two partial images is responsible. The tube 3 is a switching voltage limiter to which a switching voltage is fed, which preferably originates from a flip-flop circuit, which is switched, for example, with each toggle return. The anodes of the interrupter 1 are connected to the output of a cathode amplifier 4, which has the task of transmitting the switching voltage to the anodes of the interrupter 1 and 2 with low resistance. As will be explained later, the tube 5 serves to compensate for certain crosstalk interference and to supply an image shift voltage to the interrupter 2.

Im einzelnen hat der Elektronenschalter folgende Wirkungsweise: Die Eingangssignale gelangen von den Eingangsklemmen 7 und 8 an die beiden Gitter 9 und 10 der Schaltröhre 1. Jeweils ein System dieser Schaltröhre ist gesperrt, das andere geöffnet. Die Schaltröhre wirkt als Kathodenverstärker, so daß die Eingangssignale von 7 oder 8 mit dem Spannungsübersetzungsverhältnis von nahezu »Eins« an dem Kathodenausgang 11 ausgekoppelt werden können.In detail, the electronic switch has the following mode of operation: The input signals pass from the input terminals 7 and 8 to the two grids 9 and 10 of the interrupter 1. One system of this interrupter is blocked, the other is open. The interrupter acts as a cathode amplifier, so that the input signals from 7 or 8 can be coupled out at the cathode output 11 with a voltage transformation ratio of almost "one".

Die steuernde Umschaltspannung wird den Anoden 12 und 13 aus dem Doppelkathodenverstärker 4 zugeführt. Hierbei wird das Gleichstrompotential der Anoden 12 und 13 zwischen annähernd 0 Volt und einer bestimmten positiven Betriebsspannung elektronisch gesteuert. Diese an den Anoden 12, 13 angreifende Schaltspannung wirkt über den Durchgriff auf die Systeme der Schaltröhre 1 ein, so daß abwechselnd eines der beiden Systeme gesperrt ist. Das mittlere Potential an dem Kathodenausgang 11 wird hierbei stets von der leitenden Röhrenseite bestimmt, so daß das Gitter des jeweils gesperrten Zweiges ohne besondere Mittel eine entsprechende negative Vorspannung gegenüber den beiden zusammengeschalteten Kathoden aufweist. Hierdurch wird im Zustand U. gleich ungefähr Null der Röhre 1 eine sichere Sperrung jeweils eines Verstärker-Kanals erreicht.The controlling switching voltage is fed to the anodes 12 and 13 from the double-cathode amplifier 4. Here, the direct current potential of the anodes 12 and 13 is electronically controlled between approximately 0 volts and a certain positive operating voltage. This switching voltage acting on the anodes 12, 13 acts via the penetration into the systems of the interrupter 1 , so that one of the two systems is blocked alternately. The mean potential at the cathode output 11 is always determined by the conductive side of the tube, so that the grid of the respective blocked branch has a corresponding negative bias voltage with respect to the two interconnected cathodes without special means. As a result, in the state U. equal to approximately zero of the tube 1, a reliable blocking of one amplifier channel is achieved in each case.

Die Verstärkerröhre 4 für die Schaltspannung wird ihrerseits von der Röhre 3 des Schaltspannungsbegrenzers gesteuert, der eine rechteckförmige Gegentaktspannung liefert. Der Schaltspannungsbegrenzer benutzt das an sich bekannte Schaltungsprinzip kathodenverkoppelter Verstärkerstufen, wie sie auch zur Erzeugung von sauberen Rechteckspannungen in bekannten Rechteckwellen-Generatoren verwendet werden.The amplifier tube 4 for the switching voltage is in turn controlled by the tube 3 of the switching voltage limiter, which supplies a square-wave push-pull voltage. The switching voltage limiter uses the circuit principle known per se of cathode-coupled amplifier stages, as they are also used to generate clean square-wave voltages in known square-wave generators.

Die Gleichstromkopplung der Röhre 3 mit der Schaltröhre 1 ermöglicht eine Umschaltung auch mit beliebig langsamen Frequenzen. Auch zwischen dem Signaleingang 7 bzw. 8 und dem Elektronenschalter-Ausgang 11 besteht eine Gleichstromkopplung mit dem bekanntlich für beide Kanäle praktisch gleichen Spannungsübersetzungsverhältnis von fast »Eins«. Die schon beschriebene Stufe des Elektronenschalters besitzt noch keine Mittel zur Bildverschiebung und zur Übersprechkompensation. Diese Funktionen werden von den Röhren 2 und 5 ausgeübt.The direct current coupling of the tube 3 to the switching tube 1 enables switching even with frequencies as slow as desired. There is also a direct current coupling between the signal input 7 or 8 and the electron switch output 11 with the voltage transformation ratio of almost "one", which is practically the same for both channels, as is known. The stage of the electron switch already described does not yet have any means for image shifting and crosstalk compensation. These functions are performed by tubes 2 and 5 .

Infolge der Gitter-Kathoden-Kapazität der Schaltröhre 1 tritt im gesperrten Zustand ein geringfügiges übersprechen für hohe Frequenzen auf. Die Zeitkonstante für diese übersprechstörung errechnet sich aus der Gitter-Kathoden-Kapazität und dw Ausgangsimpedanz des leitenden Systems der Schalterröhre 1 (R ungefähr Es handelt sich hierbei um Werte von etwa 5 pF und etwa 200 Ohra. Hieraus errechnet sich eine übersprechzeitkonstante von etwa 10-9 sec, so daß die übersprechstörung erst bei sehr hohen Frequenzen oder sehr steilen Impulsflanken auftreten kann. Für Breitband-Oszillographen mit einem Frequenzbereich von beispielsweise 30 MHz und darüber ist jedoch eine Kompensation dieser übersprechstörung unbedingt erforderlich.As a result of the grid-cathode capacitance of the interrupter 1 , a slight crosstalk occurs for high frequencies in the blocked state. The time constant for this crosstalk interference is calculated from the grid-cathode capacitance and dw output impedance of the conductive system of the switch tube 1 (R approx These are values of around 5 pF and around 200 Ohra. A crosstalk time constant of about 10-9 seconds is calculated from this, so that the crosstalk interference can only occur at very high frequencies or very steep pulse edges. For broadband oscilloscopes with a frequency range of, for example, 30 MHz and above, however, compensation for this crosstalk interference is absolutely necessary.

Zunächst ist zwecks Nachbildung dieser übersprechstörung je eine Hilfskapazität 14 und 15 vorgesehen, die zusammen mit der Eingangsimpedanz an den Kathoden 16 und 17 eine etwa gleiche Zeitkonstante ergibt. Diese so nachgebildete übersprechspannung ist an die Gitter 18 und 19 der Röhre 2 der zweiten Schalterstufe geführt, so daß die Nachbildung der jeweils für den gesperrten Kanal auftretenden übersprechstörung an einem Anschluß 20 abgenommen werden kann. Dieser ist dann mit dem zweiten Eingang eines nachgeschalteten, nicht dargestellten Differenzverstärkers verbunden und bewirkt dort die Kompensation der übersprechstörung. Es ist dabei zu erwähnen, daß die nachgebildete Übersprechspannung mit der gleichen Polarität gewonnen wird, wie sie im. Kanal der ersten Umschaltstufe (Röhre 1) auftritt, und der Kompensationseffekt durch die entgegengesetzte Wirkung des zweiten Einganges des Differenzverstärkers eintritt. Die Bildverschiebung bzw. die Verschiebung der Nullinie der beiden Teilbilder erfolgt durch Potentio- meter 21 und 22, die der Röhre 5 an den Eingängen 23 und 24 eine Verschiebespannung zuführen. .-Da die Röhre 5 als Kathodenverstärker arbeitet, mongt diese Verschiebespannung auch an die Gitt«» uidd 18 der Röhre 2 und damit, im Rhythmus de#'tlektro- nischen Umschaltung abwechselnd umgucbaltcg, auf den Ausgang 20 und den zweiten Eingang des nach- folgenden Differenzverstärkers. Es liegt hier am Aus- gang 20 also neben der übersprechkompensationsspannung noch eine kippsynchrone Rechteckspannung vor, deren Decklinien bei durchgehender Gleichstromkopplung mit Hilfe der Potentiometer 21 und 22 beliebig verschoben werden können.First, for the purpose of simulating this crosstalk interference , an auxiliary capacitance 14 and 15 is provided which, together with the input impedance at the cathodes 16 and 17, results in approximately the same time constant. This crosstalk voltage simulated in this way is fed to the grids 18 and 19 of the tube 2 of the second switch stage, so that the simulated crosstalk interference occurring in each case for the blocked channel can be picked up at a connection 20. This is then connected to the second input of a downstream differential amplifier, not shown, where it compensates for the crosstalk interference. It should be mentioned that the simulated crosstalk voltage is obtained with the same polarity as it is in. Channel of the first switching stage (tube 1) occurs, and the compensation effect occurs due to the opposite effect of the second input of the differential amplifier. The image shift or the shift of the The zero line of the two partial images is carried out by means of the potentiometer meter 21 and 22, those of the tube 5 at the inputs 23 and 24 apply a displacement voltage. .-There the tube 5 works as a cathode amplifier, mongt this displacement tension also to the grid «» uidd 18 of tube 2 and thus, in the rhythm of the # 'tlektro- niche switching alternately umgucbaltcg, on output 20 and the second input of the downstream following differential amplifier. It is due to the Thus, in addition to the crosstalk compensation voltage, a tilt-synchronous square-wave voltage, whose top lines can be shifted as desired with the aid of the potentiometers 21 and 22, can be shifted with the help of the potentiometers 21 and 22 in addition to the crosstalk compensation voltage.

Da die Kathodenverstärker als elektronische Umschalter mit sehr großer Genauigkeit ein gleiches Spannungsübersetzungsverhältnis liefern, besteht von vornherein eine sehr genaue Spannungsbeziehung zwischen den beiden Teiloszillogrammen, d. h., der Spannungsmaßstab der beiden Teiloszillogramme ist im Rahmen der Ablesegenauigkeit der Kathodenstrahlröhre als exakt gleich anzusehen.Since the cathode amplifiers, as electronic changeover switches, deliver the same voltage transformation ratio with great accuracy, there is a very precise voltage relationship between the two partial oscillograms from the outset, i.e. This means that the voltage scale of the two partial oscillograms is to be regarded as exactly the same within the framework of the reading accuracy of the cathode ray tube.

Auf Grund dieser Eigenschaft zusammen mit der über den Kathodenverstärker-Umschalter ohne zusätzliche Hilfsmittel einfach übertragbaren Gleichstromkomponente kann ein Eingang des Elektronenschalters in bekannter Weise zur Einblendung einer Meßlinie herangezogen werden. Hierbei wird eine zusätzliche Verschiebegleichspannung benutzt, die wahlweise auf den Eingang 7 oder 8 an Stelle eines beliebigen Eingangssignals geschaltet wird. Die Größe dieser Verschiebegleichspannung, die durch ein Potentiometer verändert werden kann, wird dann unmittelbar einem Voltmeter zugeführt, ohne daß irgendeine Eichoperation notwendig wäre. Mit Hilfe dieser Einrichtung kann ein dargestelltes Oszillogramm mit der Meßlinie abgetastet werden, wobei die Spannung im Schnittpunkt der Meßlinie mit dem Oszillogramm direkt die am Voltmeter angezeigte ist.Because of this property, together with the direct current component that can be easily transmitted via the cathode amplifier switch without additional aids, an input of the electron switch can be used in a known manner for fading in a measuring line. An additional DC offset voltage is used here, which can be switched to input 7 or 8 instead of any input signal. The size of this displacement DC voltage, which can be changed by a potentiometer, is then fed directly to a voltmeter without any calibration operation being necessary. With the help of this device a displayed oscillogram can be scanned with the measuring line, whereby the voltage at the intersection of the measuring line with the oscillogram is directly that indicated on the voltmeter.

Claims

PATENT CLAIM: 1. Electronic switch for cathode ray oscilloscopes with a downstream differential amplifier, the second input of which is preceded by means for compensating for the crosstalk interference caused by the grid-cathode capacitance of the switching tubes of the switch, characterized by a further switch tube (2), which each The signal voltage that is not switched through is fed to the second input (20) of the differential amplifier via a differentiating simulation.

2. Changeover switch according to claim 1, characterized in that the simulation is composed of an adjustable capacitor (14, 15) and the input impedance (16, 17) of a cathode amplifier (5) . 3. Changeover switch according to claim 1 or 2, characterized in that a voltage serving to shift the Y position of the signal images to be displayed is fed to the subsequent differential amplifier via the input of the cathode amplifier (5) and the second switching tube (2).

Considered publications: German Auslegeschriften Nos. 1016 753, 1039 130; U.S. Patent Nos. 2,482,759, 2,706,265.