DE1224773B - Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung und Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUT-SCH-ES

PATENTAMT

AUSLEGESGHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al-36/00

Nummer: 1224 773

Aktenzeichen: J 22166 Viii a/21 al

Anmeldetag: 28. Juli 1962

Auslegetäg: 15. September 1966

Auf den Gebieten der Fernmessung, der Informationsübertragung, der Automatisierung usw. stellt sich häufig die Aufgabe, durch Gleichstrom bzw. Spannung wechselnder Größe dargestellte Analöginformationen in entsprechende Digitalinformationen umzusetzen. Geschwindigkeit und Genauigkeit sind dabei Grundvoraussetzungen. So ware es z. B. in einem herkömmlichen digital arbeitenden Flugnavigationssystem erstrebenswert, die Umwandlung eines elektrischen Analögwertes in einen entsprechenden Digitalwert mit einer Genauigkeit von eins zu hundert Millionen auszuführen. Wenn sich eine solche Genauigkeit mit rein" elektronischen Mitteln erzielen ließe, dann könnf6 die bei der Umsetzung sich ergebende Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit vergleichsweise hoch sein. Rein elektronische Lösungen lassen'sich bisher aber nur äußerst schwer realisieren. -

Zum bekannten Stand der Technik gehört eine Klasse von Lichtabsorptionszellen, die auch als Lichtpumpzellen bezeichnet werden. Diese¹ Lichtabsorptionszellen bestehen in der Regel aus einem Gefäß, das ein Gas, wie Helium, unter niedrigem Partialdruck enthält. Die in dem Gas enthaltenen Atome können dabei drei Energieniveaüs haben, die mit A, B und C bezeichnet sein sollen.

Die Energienivöaus A und B sind relativ niedrige Energiezustände und liegen sehr eng beieinander. Ihre Energiedifferenz entspricht dabei einer Spektrallinie im Hochfrequenzbereich, und es läßt sich sagen, daß im Anfangszustand alle'Atome gleichmäßig hierzwischen^! verteilt sind. Dagegen stellt das Energieniveau C einen viel höheren Energiezustand dar, und die Übergänge* von den Energieniveaus Ä nach C und B nach C entsprechen daher Spektrallinien im sichtbaren Teil des Spektrums. Wenn nun auf dieses Gas ein Lichtstrahl gerichtet'wird, aus dem der Spektralbereich, der der Energiedifferenz zwischen den Stufen B und C entspricht, herausgefiltert ist, dann enthält der Strahl eine Photonenenergie, die die Atome mit dem Energieniveau A, aber nicht diejenigen mit dem Energieniveau B anregt. Die aus dem Niveau A heraus angeregten Atome absorbieren somit Energie und gelangen in das Energieniveau C, sie verweilen dort für ein bestimmtes Zeitintervall, und fallen dann unter Energieäbgabe wieder auf das Niveau A zurück. Einige der Atome fallen jedoch nach Übergang vom Niveau^ nach C wieder zum Niveau B ab, so daß sich nach einem genügend langen Zeitablauf nach und nach die meisten Atome im'EnergiezüstandjB befinden, d. h., das Gas ist dann sozusagen vollständig im Pumpzustand.

Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung und
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H.-E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Shermann Francisco, Vestal, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 9. August 1961* (131 962)

•In diesem vollständigen Pumpzustand besitzt die Lichtdurchlässigkeit des Gases einen maximalen Wert, wobei der Grad der Durchsichtigkeit ein Maß für den jeweils erreichten Pumpzüstand darstellt. Dementsprechend absorbiert auf der untersten Stufe des Pumpzustandes das Gas eine maximale Lichtmenge, während im vollständigen oder, besser gesagt, im nahezu vollständigen Pumpzüstand nur sehr wenig Licht absorbiert wird, so daß sich Transparenz einr stellt. Zu berücksichtigen ist, daß" die Atome vom Energiezustand B nach und nach in den Energiezustand A abfallen, so daß die Transparenz des'Gases allmählich verringert wird.

Um eine rechtzeitige Auffüllung der Atome im Energieniveau A aus dem Energieniveau B herbeizuführen, laßt man ein kritisch abgestimmtes, schwaches, hochfrequentes, magnetisches Feld auf das Gas niedrigen Partialdrucks einwirken, so daß der Energieänfangszustand wieder hergestellt wird, und das Gas in seinem Zustand maximaler Photonenenergieäbsorption gehalten ,wird. Wenn andererseits ein stationäres' magnetisches Feld parallel zu den Lichtstrahlen angelegt wird, läßt sich hierdurch der Energiezyklus unterbrechen, so daß der Abstand zwischen den Energieniveaus B und A verändert

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und die Anzahl der Atome im Energieniveau A redu- tionären oder niederfrequenten magnetischen Feldes

ziert wird. wird die Lichtdurchlässigkeit des eingeschlossenen

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß das Gases erhöht und die kritische Frequenz verändert,

stationäre magnetische Feld dazu neigt, das kritisch bis zu der das hochfrequente magnetische Feld die

abgestimmte, schwache, hochfrequente magnetische 5 Lichtdurchlässigkeit des eingeschlossenen Gases auf

Feld zu ändern, das, wie gesagt, den Pumpvorgang ein Minimum reduziert. Durch Ausnutzung des elek-

im eingeschlossenen Gas aufrechterhält. irischen Ausgangs der Lichtzellenvorrichtung, um

Ein Artikel mit der Überschrift »Optical Pumping« durch ein Fehlersignal die Frequenz des hochfrequenauf den Seiten 72 bis 80 der Zeitschrift »Scientific ten magnetischen Feldes in ihren kritischen Wert um-American« vom Oktober 1960 beschreibt die vorge- io zuwandern, und Ableiten des stationären oder niedernannte Wirkungsweise einer Lichtpumpzelle im ein- frequenten magnetischen Feldes je nach dem umzuzelnen. setzenden Analogstrom wird durch den Betrieb in

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, in- geschlossener Regelschleife bewirkt, daß die Fresofern ein neues und verbessertes Verfahren zur Um- quenz des hochfrequenten magnetischen Feldes dem setzung von Analogwerten in Digitalwerte unter 15 digitalen Äquivalent des umzusetzenden Analoghoher Arbeitsgeschwindigkeit zu schaffen, als hierzu Stroms entspricht. Durch bekannte elektronische eine solche Lichtpumpzelle verwendet wird. Umsetzmittel kann die Frequenz des hochfrequenten

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch ge- magnetischen Feldes abgetastet werden und ein

löst, daß die Lichtdurchlässigkeit einer gasgefüllten Digitalwert abgeleitet werden, der dem umzusetzen-

Zelle durch ein zur Richtung des durch die Zelle 2° den Analogstrom entspricht.

geführten Lichtstrahls senkrecht stehendes Wechsel- Bei einer vorteilhaften Anordnung zur Durchmagnetfeld und durch ein mit der Strahlrichtung par- führung des Verfahrens ist der Ausgang des Oszillaalleles statisches Magnetfeld gesteuert wird, indem die tors einmal mit dem einen Eingang . einer Misch-Frequenz des Wechselmagnetfeldes und die Stärke des schaltung und zum anderen mit dem Eingang eines statischen Magnetfeldes so zueinander im Verhält- 25 Frequenzteilers verbunden, dessen Ausgang über nis stehen, daß sich jeweils eine maximale Licht- mindestens einen Impulsformer die Digitaldarstellung durchlässigkeit der Zelle einstellt und daß die der Analoginformation bereitstellt. Hierbei wird dann Änderung der Stärke des statischen Magnetfeldes dem anderen Eingang der Mischschaltung eine unter dem Einfluß eines Analogsignals am Strah- Spannung fester Frequenz zugeführt, die so eingelungsempfänger des durch die Zelle geführten Licht- 3° stellt ist, daß am Ausgang der Mischschaltung, die Strahls mit Hilfe eines dem Strahlungsempfänger mit Hilfe der Spule zur Speisung des Wechselfeldes nachgeschalteten Integrators ein elektrisches Fehler- dient, eine Frequenz innerhalb der zulässigen Korreksignal auslöst, dessen Richtung und Größe zur ent- turvariation entsteht, welche den durch das Analogsprechenden Korrektur der Frequenz eines Oszilla- signal eingeführten Fehler ausgleicht, indem das tors und damit des Wechselfeldes dient, indem 35 System wieder auf den Arbeitspunkt zurückgeführt gleichzeitig unter der Wirkung eines dem Oszillator wird.

nachgeschalteten Frequenzteilers die Frequenz- Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung dieser änderung einen dem eingegebenen Analogwert ent- Anordnung ist am Digitalausgang eine Phasenversprechenden Digitalwert hervorruft, gleichseinrichtung angeordnet, die je nach Polarität

Das Verhältnis zwischen der Frequenz des hoch- 40 des Analogsignals einen phasenrichtigen Ausgang der

frequenten magnetischen Feldes und dem stationären Digitalsignale gestattet.

magnetischen Feld bildet also die Grundlage dafür, Die Erfindung sei nachstehend für ein Ausfüh-

Analogsignale in sehr genaue Beziehung zu Digital- rungsbeispiel mit Hilfe der Zeichnungen näher er-

inf ormationen zu setzen. . läutert. Es zeigt

Durch das unter niedrigem Partialdruck stehende 45 Fig. 1 ein Blockschaltbild des Analog-Digital-Um-

Gas wird demnach ein Lichtstrahl gesendet, wobei die setzers gemäß der Erfindung,

Lichtquelle so gewählt ist, daß ihr Spektrum dem ver- F i g. 2 eine dreidimensionale Darstellung zur Erwendeten Gas entspricht, damit die Lichtquelle in läuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen dem Gas die Erscheinung des sogenannten Licht- Anordnung.

pumpens hervorrufen kann. Der höchste Grad des 50 In F i g. 1 ist eine Lichtpumpzelle 10 dargestellt, Lichtpumpens wird dadurch bestimmt, daß das ein- die ein geeignetes Gas, wie z. B. Helium, unter niedgeschlossene Gas nur einen sehr geringen Teil der rigem Partialdruck enthält. Eine Lichtquelle 11 ist Photonenenergie aus der Lichtquelle absorbiert, und so angeordnet, daß ein Lichtstrahl durch das Gas der ist gekennzeichnet durch eine maximale Durch- Pumpzelle hindurchgeschickt wird. Der Reflektor 12 lässigkeit für den Lichtstrahl, der auf die licht- 55 bündelt dabei die Lichstrahlen in der erforderlichen empfindliche Vorrichtung an einem Punkt auffällt, Richtung. In grober Näherung kann gesagt werden, der an das eingeschlossene Gas angrenzt und der daß die Atome des Heliumgases drei Energieniveaus Lichtquelle gegenüberliegt. Der geringste Grad des haben können, die mit A, B und C bezeichnet werden Lichtpumpens wird dadurch bestimmt, daß das Gas sollen. Die Energieniveaus A und B sind relativ nieddie maximale Photonenenergiemenge absorbiert, und 60 rige Energiezustände und liegen sehr nahe beieinist gekennzeichnet durch die geringstmögliche Durch- ander. Die Energiedifferenz und der Energieübergang lässigkeit des eingeschlossenen Gases für den Licht- zwischen den Niveaus A und B entsprechen einer strahl. Durch eine an das Gas angrenzende und Spektrallinie einer bestimmten Codefrequenz. Zurechtwinklig zum Lichtstrahl angelegte Quelle eines nächst kann angenommen werden, daß die Atome kritisch abgestimmten, hochfrequenten magnetischen 65 mit gleichen Anteilen auf die Niveaus A und B verFeldes wird die Lichtdurchlässigkeit auf ein Mini- teilt sind. Das Energieniveau C hingegen ist ein viel mum herabgesetzt. Durch eine parallel - mit dem höherer Energiezustand, und die Übergänge aus den Lichtstrahl an das Gas angelegte Quelle eines sta- Energiestuf en A nach C und B nach C entsprechen

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Linien im sichtbaren Teil des Spektrums. Wenn das — virtueller Schatten — stellt eine von der Art des unter niedrigem Partialdruck stehende Gas durch Gases abhängige physikalische Konstante dar. So be-Lichtstrahlen beeinflußt wird, aus denen der der sitzt z. B. Helium in einem weiten Temperaturbereich Energieniveaudifferenz zwischen den Linien B und C einen virtuellen Schatten, der sich durch die Konentsprechende Spektrallinienbereich herausgefiltert 5 stante 2,8 · 10⁶ Hertz pro Gauß ausdrücken läßt, worden ist, dann regt die Strahlungsenergie die Wie in F i g. 2 gezeigt, stellt dieser Schatten dann Atome des Niveaus A an, aber nicht diejenigen auf sozusagen einen Einschnitt mit einer Breite von 10~⁵ Stufe B. Ist das eingeschlossene Gas Helium, dann Gauß in einem durch die Koordinatenachsen erfaßten wird zweckmäßigerweise eine Heliumlichtquelle 11 Körper dar.

verwendet. Aus dem Niveau A werden die Atome io Für ein durch die Spule 14 übertragenes hochfre-

auf das Niveau C angehoben. Sie bleiben kurzzeitig quentes Feld, dessen Frequenz zwischen Null und

in diesem Zustand und fallen dann wieder unter 56 · 10⁶ Hertz liegen kann, wird über die Spule 13

Energieabgabe zum Niveau A ab. Einige der von ein entsprechendes magnetisches Gleichfeld angelegt,

Niveau A nach Niveau C angehobenen Atome fallen so daß sich ein virtueller Schatten bilden kann. Jede

aber zum Niveau B zurück, so daß sich nach genügend 15 dann über 10~⁵ Gauß hinausgehende Abweichung

langem Zeitablauf schließlich alle Atome im Zu- des durch die Spule 13 verursachten stationären ma-

stand des Niveaus B befinden, d. h., das Gas ist dann gnetischen Feldes erfordert eine entsprechende Fre-

vollständig im Pumpzustand. quenzänderung des Wechselfeldes der Spule 14, um

In diesem vollständigen Pumpzustand ist die eine maximale Schattenwirkung in der Pumpzelle 10 Transparenz des Gases für den Lichtstrahl am groß- ao zu erzielen. Mit Hilfe einer die Lichtstrahlen der ten, so daß die Transparenz ein Maß für den Grad Lichtquelle 11 erfassenden Photozelle 15 kann eine des Pumpzustandes darstellt. Anders ausgedrückt: Spannung oder ein Strom in Abhängigkeit von der Auf der untersten Stufe des Pumpzustandes absor- Größe der Schattenwirkung erzeugt werden. Wenn biert das Gas eine maximale Lichtmenge, während es die Frequenz des durch die Spule 14 angelegten maim vollständigen oder nahezu vollständigen Pump- 25 gnetischen Wechselfeldes zur Größe des durch die zustand sehr wenig Licht absorbiert, d. h. transparent Spule 13 angelegten magnetischen Gleichfeldes ein ist. Die Atome auf Energieniveau B fallen schließlich solches Verhältnis hat, daß sich nach dem Diagramm zum Energieniveau A ab und verringern so wieder von F i g. 2 eine maximale Schattenwirkung ergibt, die Transparenz des Gases. dann hat auch die Gleichspannung oder der Gleich-

Um rechtzeitig die Atome auf Energieniveau A 3° strom, die bzw. der von der Photozelle 15 abgegeben

aus denen des Energieniveaus B zu ergänzen, wird in wird, einen Minimalwert.

F i g. 1 über eine Spule 14 ein kritisch abgestimmtes, Der Dauermagnet 16 soll innerhalb des einge-

schwaches, hochfrequentes magnetisches Feld an das schlossenen Gases eine Vormagnetisierung von etwa

in der Zelle 10 eingeschlossene Heliumgas angelegt. 10 Gauß erzeugen, damit der Arbeitspunkt in die

Auf diese Weise wird der Energiezyklus aufrecht- 35 Mitte des in F i g. 2 dargestellten Einschnitts zu liegen

erhalten, so daß das Helium im Zustand maximaler kommt. Beim Fehlen einer anderen Magnetgleich-

Photonenenergieabsorption bleibt. Die Photozelle 15 feldquelle würde dann ein virtueller Schatten vorhan-

wird dazu benutzt, um den Grad der Photonenener- den sein, wenn das durch die Spule 14 angelegte

gieabsorption des Heliums in Zelle 10 zu messen. HF-Feld eine Frequenz von 28 · 10⁶ Hertz hat. Wenn

Das durch Spule 14 erzeugte hochfrequente magne- 40 durch das Solenoid 13 ein Analogstrom geleitet wird,

tische Feld wird senkrecht zur Richtung der aus der dann wird das auf das eingeschlossene Gas einwir-

Quelle 11 herrührenden Lichtstrahlen angelegt. kende stationäre magnetische Feld verändert, so daß

Wenn dagegen ein stationäres magnetisches Feld, die Frequenz des durch die Spule 14 angelegten

z.B. mit Hilf e eines Permanentmagneten 16 und eines HF-Feldes geändert werden muß, wenn der von der

Solenoids 13, an das eingeschlossene Gas parallel 45 Photozelle 15 erfaßte Wert der Schattenwirkung bei-

zu den Lichtstrahlen des Lichtstrahlenbündels ange- behalten werden soll.

legt wird, ergibt sich insofern eine Unterbrechung des Während das Prinzip der Umsetzung gemäß der Energiezyklus, als damit das Abfallen aller Atome Erfindung auf das veränderliche Verhältnis zwischen aus dem Niveau B zum Niveau A verhindert und so dem durch das Solenoid 13 geleiteten Analogstrom die zum Pumpen verfügbare Anzahl der Atome auf 50 und der Frequenzänderung des HF-Feldes der Spule dem Niveau A reduziert wird. Dementsprechend be- 14 beruht, kann darüber hinaus die Form des 10~^s steht eine Wechselbeziehung zwischen der Wirkung Gauß breiten Einschnitts ausgenutzt werden, um die des durch die Spule 14 an das Gas angelegten hoch- Polarität eines auftretenden Fehlers festzustellen, frequenten magnetischen Feldes und dem an das Hierzu wird ein zusätzliches niederfrequentes Magnet-Gas angelegten stationären magnetischen Feld, die 55 feld angelegt, dessen Energie einer Quelle 20 niedridurch die Photonenenergieabsorptionseigenschaften ger Spannung entnommen wird. Diese Spannungsdes Gases bestimmt wird. quelle 20 ist mit dem entsprechenden Solenoid 21

F i g. 2 veranschaulicht diese Beziehung in drei- über einen Kopplungskondensator 22 mit nachge-

dimensionaler Darstellung. Die abhängige Variable schaltetem Widerstand 23 verbunden. Diese Span-

der Lichtpumpe ist die Photonenenergieabsorptions- 60 nungsquelle 20 kann aus einem Oszillator herkömm-

eigenschaft des eingeschlossenen Gases, während die licher Bauart bestehen, der auf eine Frequenz von

unabhängigen Variablen der Lichtpumpe durch die 47 Hertz abgestimmt ist. Wegen der niedrigen Fre-

Größe des durch den Magneten 16 und des Solenoids quenz und der Tatsache, daß das magnetische Feld

13 angelegten stationären magnetischen Feldes und an das eingeschlossene Gas in derselben Richtung

durch die Frequenz des von der Spule 14 angelegten 65 wie das stationäre magnetische Feld angelegt wird,

hochfrequenten magnetischen Feldes dargestellt wer- ergibt sich dieselbe Wirkung, wenn dem Solenoid 13

den. Die Verknüpfung zwischen beiden unabhängigen ein entsprechend veränderlicher Strom zugeführt

Variablen bei maximaler Photonenenergieabsorption würde. Die Ausgangsspannung dieser Quelle wird so

geändert, daß sich 'das stationäre magnetische Feld zyklisch über einen Bereich von etwa 10~⁶ Gauß hinweg verändert, so daß die Mittellage des Einschnitts auf + 10"⁷ Gauß (Viou der Einschnittsbreite) bestimmt werden kann. Der gewählte Wert der Oszillatorspannung hängt von der praktischen Anwendung ab. Es ändert sich also der das stationäre magnetische Feld darstellende Koordinatenwert der Darstellung in Fig. 2 entsprechend der Oszillatorspannung, so daß die Phasenlage der Grundkomponente des Ausgangssignals der Photozelle 15 durch die Polarität des Fehlers, gemessen zwischen der Mitte des durch die Frequenz des HF-Feldes festgelegten Einschnitts und dem Mittelwert des magnetischen Gleichfeldes, bestimmt wird.

- Zur Auswertung dieser Schättenmodulation ist der Ausgang der Photozelle 15 über einen Kopplungskondensator 25 mit einem herkömmlichen Ringdemodulator24 verbunden. Die Bezugsfrequenz für den Ringdemodulator beträgt ebenfalls 47 Hertz. Wenn die Mägnetfeldquellen 16 und 13 ein entsprechendes stationäres Magnetfeld innerhalb des eingeschlossenen Gases erzeugen, welches der sich durch die Mitte des Schatteneinschnitts von F i g. 2 ergebenden Frequenz des magnetischen Wechselfeldes entspricht, ist der Mittelwert der Ausgangsspannung desRingdemodulators 24 gleich Null: Wenn dagegen das an das Solenoid 13 gelegte Analogsignal das an das eingeschlossene Gas angelegte resultierende stationäre Magnetfeld über den Wert hinaus vergrößert, der dem durch die Mitte des Schatteneinschnitts von Fig. 2 bestimmten HF-Feld der Spule 14 entspricht, dann wird am Ausgang des Ringdemodulators 24 eine Durchschnittsspannung mit der einen Polarität erzeugt. Wenn andererseits die Stromstärke im Solenoid 13 so verändert wird, daß das an das eingeschlossene Gas angelegte resultierende stationäre Magnetfeld kleiner ist als das durch die Hochfrequenz des Wechselfeldes der Spule 14 und die Mitte des Schatteneinschnitts von Fig. 2 bestimmte Magnetfeld, dann hat die durchschnittliche Ausgangsspannung des Ringdemodulators 24 die andere Polarität.

Um das hochfrequente Wechselfeld so abzuändern, daß es zum stationären magnetischen Feld das durch den Schatteneinschnitt von Fig. 3 bedingte Verhältnis hat, wird die durchschnittliche Ausgangsspannung des Ringdemodulators 20 dem Eingang eines herkömmlichen Integrationsverstärkers 45 zugeführt, der das Fehlersignal integriert und eine Fehlerspannung an den Abstimmkreis eines herkömmlichen Oszillators 26 legt. Um das veränderbare HF-Feld (Fig. 2) im Bereich zwischen Null und 56 · 10⁶ Hertz ändern zu können, ist der Oszillator 26 so aufgebaut, daß seine Ausgangsfrequenz zwischen 60 · 10⁶ und 116 · 10⁶ Hertz eingestellt werden kann. Die Ausgangsspannung des Oszillators 26 wird darm mit einer Spannung eines anderen Oszillators 27 in einer symmetrischen Mischschaltung 28 so überlagert, daß der geforderte Frequenzbereich überstrichen werden kann. Der Oszillator 27 ist ein herkömmlicher Kristallsteueroszillator, der mit einer Frequenz von 60 · 10⁶ Hertz arbeitet. Die Differenz zwischen der Frequenz des festen Oszillators 27 und der des veränderbaren Oszillators 26 wird in bekannter Weise in der symmetrischen Mischschaltung gebildet und der HF-Feldspule 14 zugeführt.

Durch die Ausgangsspannung der Integratierschaltung 45 wird die Frequenz des veränderbaren Oszillators-26^r über den-Abstimmkreis 'geändert,- der zwei mit einer Spule M zusammenwirkende' Kondensatordioden-29 und-30 enthält. Bei den-Kdndensatordioden handelt es sich-um normale-elektronische Bauelemente, die so arbeiten, daß jeweils die Kapazität zwischen ihren Elektroden als-Funktion der angelegten-Spannung verändert wird. Die Polung der Kondensatordiode 29 ist der der Kondensatordiode 30 entgegengerichtet. Dadurch soll die Belastung der

ίο Spule 31 durch die gleichgerichtete HF-Spannung des zugeordneten Oszillators verhindert werden.

Wenn sich also die Stromstärke im Solenoid 13 ändert, entsteht an der Photozelle 15, dein Kondensator 25 und dem Ringdemodulator 24 ein Mittelwert der Fehlerspannung, deren jeweilige Polarität so gerichtet ist, daß die Frequenz des, Oszillators 26 in einer solchen Richtung geändert wird, daß der Ausgang der symmetrischen Mischschaltung 28 die zur Wiederherstellung der maximalen Schattenwirkung geeignete Frequenz hat. Die Koordinaten der Frequenz des von der Spule 14 angelegten Wechselfeldes und des resultierenden stationären Magnetfeldes, das von den SolenoidenlS und 21 und dem Dauermagneten 16 gebildet wird, sollen sich je in der Mitte des in F i g. 2 gezeigten Einschnitts schneiden.

Es läßt sich nachweisen, daß die Beziehung zwischen dem Wechselfeld der HF-Spule 14 und dem Strom im Solenoid 13 für einen großen Temperatürbereich linear ist, so daß eine solche Anordnung zum Umsetzen eines Analogstromes in entsprechende Digitalwerte praktisch zu verwenden ist. Hierzu braucht lediglich die Frequenzänderung bestimmt zu werden, die nötig ist, um die in F i g. 2 gezeigte Beziehung bei Erregung des Solenoids.13 wiederherzustellen. Zum Umsetzen eines Digitalwertes in einen Analogstrom ist es hingegen nur erforderlich, die an die Spule 14 angelegte HF-Spannung gemäß dem Digitalwert zu ändern und Richtung und Größe der Stromänderung entsprechend zu bestimmen, die zum Wiederherstellen der in F i g. 2 gezeigten Beziehung im Solenoid 13 wirksam werden muß.

Um nun die Frequenzänderung in der HF-Spule 14, die zur Wiederherstellung der in Fig. 2 gezeigten Beziehung erforderlich ist, in übliche Digitalinformation umzusetzen, können viele elektronische Umsetzverfahren verwendet werden. Hierzu wird z. B. die Ausgangsspannung des Oszillators 26 durch eine Folge von Frequenzteilerschaltungen 38 bis 43 geleitet, um die Frequenz auf eine'relativ niedrige Bitfrequenzfolge zu reduzieren. Der Ausgang der Frequenzteilerschaltungen 38 bis 43 ist mit je einem Eingang zweier Gleichrichter- und Begrenzerschaltungen 32 und 33 verbunden, um die Wechselstromsignale in Impulssignale umzusetzen. Die Gleichrichter- und Begrenzerschaltung 32 wird direkt von einer Bezugsfrequenzquelle 36 und die Gleichrichter- und Begrenzerschaltung 33 wird von derselben Quelle über einen Phasenschieber 37, der die Phase um 90° verschiebt, synchronisiert. Am Ausgang der Gleichrichter- und Begrenzerschaltungen entstehen dann Spannungsimpulse, deren Wiederholungsfrequenz jeweils der Frequenzabweichung der HF-Spule 14 entspricht, wie sie. nach der in F i g. 2 gezeigten Darstellung für Änderungen in der Analogstromstärke im Solenoid 13 jeweils entsteht. Das Phasenverhältnis zwischen den Spannungsimpulsen am Ausgang der Gleichrichterund Begrenzerschaltungen stellt die Richtung der Frequenzänderung der HF-Spule 14 und damit die

Richtung der Stromstärkenänderung im Solenoid 13 dar.

Wenn z. B. angenommen wird, daß das von dem Dauermagneten 16 erzeugte Vormagnetisierungsfeld verwendet wird, um den Arbeitspunkt der Pumpzelle so einzustellen, daß die aus der aus F i g. 2 zu entnehmende Beziehung entsprechende kritische Frequenz des hochfrequenten Wechselfeldes 28 · 10⁶ Hertz beträgt, dann ist der Oszillator 26 auf eine mittlere Frequenz von 88 · 10⁶ Hertz abgestimmt, vorausgesetzt daß kein Analogstrom im Solenoid 13 fließt. Die Frequenzteilerschaltungen 38 bis 43 verringern die Ausgangsfrequenz um den Divisor 42 875, um den Gleichrichter- und Begrenzerschaltungen 32 und 33 eine entsprechend niedrige Eingangsfrequenz zuzuführen. Wenn angenommen wird, daß der Oszillator 36 ebenfalls eine Ausgangsfrequenz von 88 · 10⁶ Hertz : 42 875 hat, dann geben die Gleichrichter- und Begrenzerschaltungen 32 und 33 keine Ausgangsimpulse ab. Wenn aber ein Analogstrom einer bestimmten Polarität und Größe an das Solenoid 13 gelegt wird, dann verändert sich die kritische Frequenz für das HF-Feld 14 gemäß der in F i g. 2 gezeigten Beziehung. Der Ausgang der Photozelle 15 hat eine Grundspannung, die mit einer Schwingung von 47 Hertz überlagert ist und entsprechend der Größe des Analogstroms und in der durch die Richtung des Stroms im Solenoid 13 bestimmten Richtung phasenverschoben worden ist. DerRingdemodulator24 setzt die Photozellenausgangsspannung in einen mittleren Spannungspegel um, dessen Polarität durch die Richtung der Phasenverschiebung der Grundspannung bestimmt wird, der Integrator 45 integriert auf die Durchschnittsspannung, die entsprechend ihrer Größe und Richtung die Äusgangsfrequenz des Oszil-Iators26 in einer solchen Richtung ändert, daß das durch dieSpulel4angelegtehochfrequente magnetische Feld in Richtung auf die durch die in F i g. 2 gezeigte Beziehung festgelegte kritische Frequenz verändert wird. Wenn das durch die Spule 14 angelegte hochfrequente magnetische Feld die kritische Frequenz erreicht, wird die Ausgangsspannung des Ringdemodulators 24 gleich Null. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators 26 und damit des Frequenzteilers 43 wird um einen Betrag verändert, der dem an das Solenoid 13 gelegten Analogstrom entspricht und in Digitaldarstellung umgesetzt werden soll. Die Eingänge der beiden Gleichrichter- und Begrenzerschaltungen 32 und 33 haben in diesem Fall nicht mehr die gleiche Frequenz, und die Wiederholungsfrequenz der jeweils am Ausgang abgeleiteten Spannungsimpulse entspricht dann dem Analogstrom. Außerdem stellt das Phasenverhältnis der Spannungsimpulse an den Ausgängen der Gleichrichter- und Begrenzerschaltungen 32 und 33 die Richtung des Analogstroms dar. Wäre die Richtung des dem Solenoid 13 zugeführten Analogstroms umgekehrt, so ergäbe sich am Ausgang des Demodulators 24 eine durchschnittliche Ausgangsspannung der entgegengesetzten Polarität, und die Frequenzverschiebung am Ausgang des Oszillators 26 erfolgte von der Arbeitspunktfrequenz aus in der anderen Richtung. Das Phasenverhältnis der Spannungsimpulse am Ausgang der Gleichrichter- und Begrenzerschaltungen 32 und 33 muß dann ebenfalls gegenüber vorher umgekehrt sein. Die Tatsache, daß die Fehlerspannung am Ausgang des Demodulators · 24 integriert wird, bringt mehrere Vorteile, und zwar wird der stationäre Fehler der Steuerschleife verringert, so daß das Umsetzungsverfahren weitgehend unabhängig von der Verwendung von Präzisionsstromquellen und Synchronisiereinrichtungen wird.

In der Darstellung nach Fig. 1 ist ein Widerstand mit dem Solenoid 13 in Reihe geschaltet, und ein Kondensator 47 ist mit dieser Reihenschaltung parallel geschaltet. Der Widerstand 46 und der Kondensator 47 sind als Filter für Ausgleichsspannungen wirksam, die dem Solenoid zusammen mit dem umzusetzenden Analogstrom zugeführt werden. Für den als Detektor dienenden Ringdemodulator 24 gibt es mehrere bekannte Ausführungsarten, ebenso für die durch je einen Block 38 bis 43 dargestellten Frequenzteilerschaltungen. Die Gleichrichter- und Begrenzerschaltungen 32 und 33 können den gleichen allgemeinen Aufbau wie der Ringdemodulator 24 haben, nur enthält jeder zusätzlich noch eine herkömmliche Begrenzerschaltung, die zum Formen der Ausgangsspannungsimpulse dient.

Wenn mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung Digitalinformationen in Analoginformationen umgesetzt werden sollen, dann kann die dem Oszillator 26 zugeführte Frequenz verändert und der Ausgang des Integrators 45 der Analogeingangsklemme zugeführt werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdurchlässigkeit einer gasgefüllten Zelle (10) durch ein zur Richtung des durch die Zelle (10) geführten Lichtstrahls senkrecht stehendes Wechselmagnetfeld und durch ein mit der Strahlrichtung paralleles statisches Magnetfeld gesteuert wird, indem die Frequenz des Wechselmagnetfeldes und die Stärke des statischen Magnetfeldes so zueinander im Verhältnis stehen, daß sich jeweils eine minimale Lichtdurchlässigkeit der Zelle (10) einstellt und daß die Änderung der Stärke des statischen Magnetfeldes unter dem Einfluß eines Analogsignals am Strahlungsempfänger (15) des durch die Zelle (10) geführten Lichtstrahls mit Hilfe eines dem Strahlungsempfänger (15) nachgeschalteten Integrators (45) ein elektrisches Fehlersignal auslöst, dessen Richtung und Größe zur entsprechenden Korrektur der Frequenz eines Oszillators (26) und damit des Wechselfeldes dient, indem gleichzeitig unter der Wirkung eines dem Oszillator (26) nachgeschalteten Frequenzteilers (38 bis 43) die Frequenzänderung einen dem eingegebenen Analogwert entsprechenden Digitalwert hervorruft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das statische Magnetfeld sich zusammensetzt aus einem ersten konstanten Vormagnetisierungsfeld (Magnet 16) zur Einstellung des Arbeitspunktes, aus einem mit etwa 50 Hz variierenden zweiten Vormagnetisierungsfeld (Spule 21) mit einer um eine Zehnerpotenz geringeren Amplitude als die magnetische FeIdstärkedifferenz für minimale Lichtdurchlässigkeit der Zelle (10) und aus einem mit Hilfe einer besonderen Spule (13) erzeugten Feld, das entsprechend dem angelegten Analogsignal variiert.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Integrierverstärkers (45) über nicht-

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lineare Komponenten (29, 30) eines Schwingkreises (29, 30, 31) die Oszillatorfrequenz beeinflußt.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Oszillators (26) einmal mit dem einen Eingang einer Mischschaltung (28) und zum anderen mit dem Eingang eines Frequenzteilers (38 bis 43) verbunden ist, dessen Ausgang über mindestens einen Impulsformer (32, 33) die Digitaldarstellung der Analoginfonnation bereitstellt, und daß dem anderen Eingang der Mischschaltung (28) eine Spannung fester Frequenz zugeführt wird, die so

eingestellt ist, daß am Ausgang der Mischschaltung (28), die mit Hilfe der Spule (14) zur Speisung des Wechselfeldes dient, eine Frequenz innerhalb der zulässigen Korrelcturvariation entsteht, welche den durch das Analogsignal eingeführten Fehler ausgleicht, indem das System (10, 16) wieder auf den Arbeitspunkt zurückgeführt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Digitalausgang eine Phasenvergleichseinrichtung (37, 32, 33) angeordnet ist, die je nach der Polarität des Analogsignals einen phasenrichtigen Ausgang der Digitalsignale gestattet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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