CH615504A5 - - Google Patents

Description

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines nichtlinearen det werden, wodurch es möglich ist, Verstärkerkennlinien mit Gleichspannungsverstärkers der eingangs angegebenen Art, der Wendepunkten zu erhalten.

eine exakte Annäherung auch an stark gekrümmte Kennlinien 45 Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht und eine einfache Anpassung an unterschiedliche Messwandler darin, dass in jeder Verbindung zwischen dem Ausgang eines ermöglicht. Operationsverstärkerglieds und dem Eingang des Hauptverstär-

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass kers eine Halbleiterdiode liegt. Dadurch wird eine Abrundung jeweils ein Eingang jedes Operationsverstärkerglieds mit einem der Knickpunkte der Verstärkerkennlinie erzielt.

Abgriff eines Widerstands-Spannungsteilers verbunden ist, der 50 Die Verstärkungsänderung des Hauptverstärkers kann nach zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an eine einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auf einfache

Referenzspannung gelegten Schaltungspunkt angeschlossen ist. Weise dadurch geschehen, dass mit dem Ausgang des Hauptver-

Bei dem nach der Erfindung ausgebildeten nichtlinearen stärkers der invertierende Eingang eines linearen Operations-

Gleichspannungsverstärker sind die Einsatzpunkte der Opera- Verstärkerglieds verbunden ist, an dessen Ausgang ein Span-tionsverstärkerglieder nicht durch das Ausgangssignal des Mess- 55 nungsteiler angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen Sum-

wandlers bestimmt, sondern durch das Ausgangssignal des mierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbun-

Hauptverstärkers, das bereits einen weitgehend linearen den ist.

Zusammenhang mit der Messgrösse zeigt. Dadurch ergibt sich Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, insbesondere bei der Realisierung von starken Kennlinienkrüm- dass an den Ausgang jedes Operationsverstärkerglieds wenig-mungen der Vorteil, dass durch elektronische Bauelemente 60 stens ein Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Abgriff über verursachte Offset- und Verstärkungsänderungen in den nichtli- einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstär-nearen Operationsverstärkern einen wesentlich geringeren Feh- kers verbunden ist. Dadurch ergibt sich eine weitere Möglichler am Ausgang des Hauptverstärkers erzeugen als bei den keit zur Einstellung der Verstärkerkennlinie.

bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärkern. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile machen es insbe-

Dadurch, dass die Einsatzpunkte der nichtlinearen Operations- 65 sondere möglich, den nichtlinearen Gleichspannungsverstärker

Verstärkerglieder von der Ausgangsspannung des Hauptverstär- so auszugestalten, dass er auf verschiedene voreingestellte kers abhängen, die bereits einen auf die Messgrösse bezogenen nichtlineare Kennlinien umschaltbar ist. Dies kann gemäss einer entgegengesetzten Verlauf zur Eichkurve hat, beziehen sich bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes

615 504 4

dadurch erfolgen, dass an den Ausgang jedes Operationsver- ist einerseits über einen Widerstand 25 mit der Ausgangs-stärkerglieds mehrere Spannungsteiler parallel angeschlossen klemme 20 des Hauptverstärkers 10 verbunden, und anderersind, dass mit dem Abgriff jedes Spannungsteilers jeweils die seits über einen Widerstand 26 mit einem Schaltungspunkt 27, eine Klemme eines Summierwiderstandes verbunden ist, dass der an einer negativen Referenzspannung —URef j liegt. Die die Summierwiderstände zu Gruppen zusammengefasst sind, 5 Widerstände 25 und 26 bilden somit einen Spannungsteiler, der von denen jede Gruppe einen Summierwiderstand jedes Opera- zwischen dem Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 und dem an tionsverstärkerglieds enthält, dass die anderen Klemmen der der negativen Referenzspannung liegenden Schaltungspunkt 27 Summierwiderstände jeder Gruppe miteinander verbunden angeschlossen ist und dessen Abgriff mit dem invertierenden sind, und dass der Verbindungspunkt jeder Gruppe über einen Eingang des Operationsverstärkers 21 verbunden ist.

Schalter mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist. ! u Der Ausgang des nichtlinearen Operationsverstärkerglieds,

Die Schalter sind dabei vorzugsweise durch Halbleiterschal- der durch den Verbindungspunkt zwischen dem Rückführungs-

tungselemente, beispielsweise Feldeffekttransistoren gebildet. widerstand 24 und der Diode 23 gebildet ist, ist über einen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich Summierwiderstand 28 mit dem Eingang 19 des Hauptverstär-

aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen kers 10 verbunden. Dieser Eingang, an dem die Summierwider-

anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen : i ? stände aller Schaltungszweige sowie der Widerstand 16 zusam-

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des nichtlinearen Gleich- mengeführt sind, bildet somit einen Summierpunkt für die dem spannungsverstärkers nach der Erfindung, Hauptverstärker 10 zugeführten Ströme.

Fig. 2 die Verstärkerkennlinie des Verstärkers von Fig. 1, Mit diesem Summierpunkt 19 ist auch der Abgriff eines

Fig. 3 eine andere Ausführungsform des nichtlinearen einstellbaren Spannungsteilers 29, der an einer Gleichspannung

Gleichspannungsverstärkers nach der Erfindung, 2» URef 0 liegt, über einen weiteren Summierwiderstand 20 ver-

Fig. 4 die Verstärkerkennlinie des Verstärkers von Fig. 3, bunden.

Fig. 5 einen nach der Erfindung ausgebildeten nichtlinearen Die die nichtlinearen Operationsverstärkerglieder enthal-

Gleichspannungsverstärker, bei dem die Ausführungsformen tenden Schaltungszweige A1... An liegen also zueinander paral-

von Fig. 1 und 3 vereinigt sind, lei zwischen dem Ausgang 20 und dem Eingang 19 des Haupt-

Fig. 6 Beispiele möglicher Verstärkerkennlinien des Ver- 25 Verstärkers 10. Infolge des Aufbaus des Hauptverstärkers aus stärkers von Fig. 5 und zwei in Kaskade geschalteten Operationsverstärkern ändert sich

Fig. 7 und 8 verschiedene Kennliniendiagramme zur Erläu- das Signal am Ausgang 20 gleichsinnig mit dem dem Eingang 19

terung der mit der Erfindung erzielten vorteilhaften Wirkungen, zugeführten Signal. Es wird angenommen, dass die Eingangs-

Der in Fig. 1 dargestellte nichtlineare Gleichspannungsver- Spannung Ue nur positive Werte annimmt, so dass auch die stärker enthält einen Hauptverstärker 10, der aus zwei in Kas- 30 Ausgangsspannung Ua stets positiv ist.

kade geschalteten Operationsverstärkern 11 und 12 gebildet ist. Die Wirkungsweise dieses nichtlinearen Gleichspannungs-

Von der äusseren Beschattung der Operationsverstärker ist Verstärkers soll anhand von Fig. 2 erläutert werden, welche die jeweils nur der Rückführungswiderstand 13 bzw. 14 dargestellt, Verstärkerkennlinie, d.h. den Verlauf der Ausgangsspannung der den Ausgang des Operationsverstärkers mit dem invertie- Ua als Funktion der Eingangsspannung Ue zeigt.

renden Eingang verbindet. Der nichtinvertierende Eingang 35 Die an die Klemmen 27 der verschiedenen Schaltungs-

jedes der beiden Operationsverstärker ist an Masse gelegt. zweige Ax... An angelegten Referenzspannungen URef !...

Ferner ist der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 11 mit URef n sind alle negativ, so dass die sich wie ideale Dioden dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers verhaltenden nichtlinearen Operationsverstärkerglieder aller

12 über einen Widerstand 15 verbunden. Der invertierende Schaltungszweige gesperrt sind, wenn die Ausgangsspannung Ua

Eingang des ersten Operationsverstärkers 11 ist über einen 40 den Wert Null hat. Im Kennliniendiagramm von Fig. 2 ist

Widerstand 16 mit der Eingangsklemme 17 verbunden, an die angenommen, dass dies für den Wert Null der Eingangsspan-

das Ausgangssignal des Messwandlers angelegt ist, das durch nung Ue der Fall ist.

den nichtlinearen Gleichspannungsverstärker linearisiert wer- Im Anfangszustand sind daher alle Schaltungszweige den soll. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 12 ist A1.. .An unterbrochen und somit für die Funktion des Verstär-

mit der Ausgangsklemme 18 der Schaltung verbunden. i5 kers unwirksam. Wenn die Eingangsspannung Ue vom Wert

Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers Null in positiver Richtung ansteigt, ändert sich die Ausgangs-

11 stellt somit den Eingang 19 des Hauptverstärkers 10 dar, und Spannung Ua dazu proportional entsprechend dem Segment I

der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 12 bildet den der Kennlinie von Fig. 2, dessen Steigung durch den Widerstand

Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10. 16 in Verbindung mit dem inneren Aufbau des Hauptverstär-

Der Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 ist mit seinem 50 kers 10 bestimmt ist.

Eingang 19 über eine Anzahl von parallelen Schaltungszweigen Wenn die Ausgangsspannung Uj einen bestimmten Wert A].. .An verbunden, von denen in Fig. 1 nur der erste Schal- Ual erreicht, der von den Werten der Widerstände 25,26 des tungszweig Aj und der letzte Schaltungszweig An dargestellt Schaltungszweigs A1 und der an die Klemme 27 dieses Schalsind. Diese Schaltungszweige haben alle den gleichen Aufbau ; tungszweigs angelegten Referenzspannung -URet 1 abhängt, es wird daher nur der Aufbau des Schaltungszweigs Aj beschrie- 55 beginnt das nichtlineare Operationsverstärkerglied dieses Schalben. Dieser Schaltungszweig enthält ein nichtlineares Opera- tungszweigs stromführend zu werden, so dass es über den Sum-tionsverstärkerglied, bestehend aus einem Operationsverstärker mierwiderstand 28 einen Strom in den Summierpunkt 19 einzu-21 mit einer äusseren Beschattung, die dem Operationsverstär- speisen beginnt. Dadurch ändert sich die Steigung der Verstärkerglied ein nichtlineares Verhalten erteilt. Zu dieser äusseren kerkennlinie, so dass der weitere Anstieg der Ausgangsspan-Beschaltung gehören zwei Dioden 22 und 23, von denen die 60 nung Ua entsprechend dem Segment II der Verstärkerkennlinie Diode 22 den Ausgang des Operationsverstärkers 21 mit sei- erfolgt.

nem invertierenden Eingang verbindet, während die Diode 23 Wenn die Ausgangsspannung Uj einen Wert Ua2 erreicht,

in Serie mit dem Rückführungswiderstand 24 im Rückführungs- wird ein weiterer Schaltungszweig stromführend, und die Stei-

kreis liegt, der vom Ausgang des Operationsverstärkers zum gung der Verstärkerkennlinie entspricht nun dem Segment III

invertierenden Eingang führt. Diese Schaltung stellt einen söge- 65 von Fig. 2.

nannten Präzisionsgleichrichter dar, der das Verhalten einer Auf diese Weise kann eine Verstärkerkennlinie mit n idealen Diode zeigt. Der nichtinvertierende Eingang des Opera- Knickpunkten erhalten werden, die den gewünschten Verlauf tionsverstärkers 21 liegt an Masse. Der invertierende Eingang angenähert wiedergibt. Die Knickpunkte sind durch die Bernes-

5 615 504

sung der Widerstände 25,26 und die Einstellung der Referenz- Da diese Schaltungszweige den gleichen Aufbau haben,

Spannungen URef x .. .URe[ n der verschiedenen Schaltungs- wird wieder nur die Ausbildung des Schaltungszweiges Bx zweige Ax.. .An wählbar, und die Steigungen der verschiede- beschrieben. Er enthält einen Operationsverstärker 31, der nen Segmente der Verstärkerkennlinie sind durch die Werte der durch die äussere Beschaltung nichtlinear ausgebildet ist. Zu

Widerstände 24,25 und der Summierwiderstände 28 einstell- 5 diesem Zweck ist dem Operationsverstärker eine Diode 32

bar, so dass mit der dargestellten Schaltung jeder beliebige nachgeschaltet, die in Reihe mit dem Rückführungswiderstand

Kennlinienverlauf angenähert werden kann, mit der Einschrän- 33 in dem zum invertierenden Eingang des Verstärkers führen-kung, dass nur eine abfallende Steigung möglich ist, wie in Fig. 2 den Rückführungskreis liegt. Der Verbindungspunkt zwischen gezeigt ist. dem Rückführungswiderstand 33 und der Diode 32 bildet den

Wie aus der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit , Ausgang des nichtlinearen Operationsverstärkerglieds, der über

Fig. 2 zu erkennen ist, zeigt diese Schaltung die wesentliche den Summierwiderstand 34 mit dem Summierpunkt am Eingang

Eigenschaft, dass die Lage der Knickpunkte der Kennlinie nur 19 des Hauptverstärkers 10 verbunden ist.

von bestimmten Werten der Ausgangsspannung Ua abhängig Zwischen dem Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 und sind, unabhängig von den Werten der Eingangsspannung Ue, bei einem an einer negativen Bezugsspannung -URef liegenden denen diese Werte der Ausgangsspannung Ua erhalten werden, u Klemme 35 ist eine Spannungsteilerkette aus Widerständen Rj,

Die dadurch erzielte vorteilhafte Wirkung soll anhand der R2 .. .Rn, Rn+i angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang

Figuren 7 und 8 erläutert werden. des Operationsverstärkers 31 ist mit dem ersten Abgriff Px der

Das Diagramm von Fig. 7 zeigt die Eichkurve a eines Spannungsteilerkette verbunden. In gleicher Weise sind die

Messwandlers, also die Ausgangsspannung des Messwandlers nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker der als Funktion der Messgrösse M. Diese Spannung bildet zugleich 2o übrigen Schaltungszweige B2 . . .Bn mit den aufeinanderfolgen-

die Eingangsspannung Ue des nichtlinearen Gleichspannungs- den Abgriffen P2 . . .Pn der Spannungsteilerkette verbunden.

Verstärkers. Diese Eichkurve ist gekrümmt ; die Spannung Ue Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht vollkommen steht also in keinem linearen Verhältnis zu der Messgrösse M. der zuvor beschriebenen Wirkungsweise der Schaltung von Fig.

Damit eine in Abhängigkeit von der Messgrösse M lineare 1, mit dem Unterschied, dass die Steigung der aufeinanderfol-

Spannung erhalten wird, muss der dem Messwandler nachge- 25 genden Segmente I, II, III. .. der Verstärkerkennlinie nicht schaltete Gleichspannungsverstärker eine Verstärkerkennlinie abnimmt, sondern zunimmt (Fig. 4).

haben, wie sie bei c in Fig. 8 dargestellt ist; diese Kennlinie ist Diese Schaltung weist auch alle Vorteile auf, die zuvor die Umkehr- oder Spiegelfunktion zu der Eichkurve a. Diese anhand der Figuren 1,2,7 und 8 erläutert worden sind;

Kennlinie kann in der zuvor geschilderten Weise näherungs- insbesondere ist es möglich, den Offset-Faktor durch entspre-

weise durch Einstellung der Knickpunkte und Steigungen der 30 chende Einstellung des Potentiometers 29 ohne merkliche Ver-

Verstärkerkennlinie der Schaltungsanordnung von Fig. 1 erhal- schlechterung der Linearität zu kompensieren und Änderungen ten werden. des Empfindlichkeitsfaktors durch Einstellung der Verstärkung

Es sei nun angenommen, dass der Verstärker an einen des Hauptverstärkers 10 zu berücksichtigen.

Messwandler angeschlossen ist, der eine Eichkurve hat, die der Fig. 5 zeigt einen nichtlinearen Gleichspannungsverstärker,

Kurve b von Fig. 7 entspricht. Diese Kurve entspricht einer 35 bei dem die Schaltungen von Fig. 1 und Fig. 3 vereinigt sind, so

Parallelverschiebung der Kurve a um einen konstanten Betrag dass es möglich ist, Verstärkerkennlinien mit wechselnder Stei-

(Offset-Faktor) in der Ordinatenrichtung. Die Ausgangsspan- gungsrichtung und Wendepunkten zu erhalten, wie sie als Bei-

nung des Messwandlers hat dann im Nullpunkt der Messgrösse spiel in Fig. 6 dargestellt sind.

nicht den Wert Null, sondern einen Wert Uq. Um diesen Offset- Die Ausbildung des Hauptverstärkers 10 mit den Opera-Faktor in der Ausgangsspannung Ua zu beseitigen, so dass diese 40 tionsverstärkern 11,12 und die Verbindungen des Hauptverfür den Messwert Null ebenfalls den Wert Null annimmt, muss stärkers mit der Eingangsklemme 17 und der Ausgangsklemme die Verstärkerkennlinie von Fig. 8 parallel zu sich selbst ver- 18 sind wiederum unverändert beibehalten. Die zusätzlichen schoben werden, wie durch die Pfeile angedeutet ist. Widerstände 37 und 38, welche die nichtinvertierenden Ein-Diese Parallelverschiebung kann bei der Schaltung von Fig. gänge der Operationsverstärker 11,12 mit Masse verbinden, 1 einfach durch entsprechende Einstellung des Potentiometers 45 stellen eine bekannte Massnahme zur Verbesserung des Tempe-29 erfolgen, so dass dieses zum Summierpunkt 19 einen Offset- raturverhaltens der Operationsverstärker dar.

Strom liefert, der den Anfangspunkt der Kennlinie in den Punkt In diesem Fall sind zwei Gruppen von Schaltungszweigen U0 verschiebt. Infolge der zuvor geschilderten Tatsache, dass Cj.. .Cn und Dx. . .Dn vorgesehen, von denen jeweils nur der die Knickpunkte der Kennlinie nicht von den Werten der Ein- erste Schaltungszweig Cx bzw. Dx dargestellt ist. Die Schaltungsgangsspannung Ue, sondern von den Werten der Ausgangsspan- 50 zweige C entsprechen dem Prinzip von Fig. 1 und ergeben somit nung Ua abhängen, behält die Kennlinie bei dieser Verschie- eine Verstärkerkennlinie mit fallender Steigung, wenn sie der bung ihre Form unverändert bei, so dass der lineare Zusammen- Reihe nach ansprechen. Die Schaltungszweige D entsprechen hang zwischen der Ausgangsspannung Ua und der Messgrösse dem Prinzip von Fig. 3 und ergeben eine Verstärkerkennlinie erhalten bleibt. mit zunehmender Steigung, wenn sie der Reihe nach anspre-

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des nichtlinearen 55 chen. Wenn die Ausbildung so getroffen wird, dass zunächst alle

Gleichspannungsverstärkers zur Erzielung einer Verstärker- Schaltungszweige C und dann alle Schaltungszweige D der kennlinie mit zunehmender Steigung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist. Reihe nach ansprechen, erhält man eine Kennlinie der bei m in

Die Ausbildung des Hauptverstärkers 10 mit den Opera- Fig. 6 dargestellten Art, deren Steigung zunächst abnimmt und tionsverstärkern 11,12 und den Widerständen 13,14,15, die dann nach Durchgang durch einen Wendepunkt wieder

Verbindung des Hauptverstärkers 10 mit der Eingangsklemme 60 zunimmt. Wenn umgekehrt zunächst alle Schaltungszweige D

17 über den Widerstand 16 und mit der Ausgangsklemme 18 und dann alle Schaltungszweige C der Reihe nach ansprechen,

sowie die Schaltung 29,30 zur Offset-Kompensation sind hat die Verstärkerkennlinie etwa den bei n in Fig. 6 gezeigten gegenüber der Schaltungsanordnung von Fig. 1 unverändert Verlauf. Es können auch kompliziertere Formen der Verstär-

beibehalten. Dagegen unterscheidet sich die Schaltung von Fig. kerkennlinie erhalten werden.

3 von derjenigen von Fig. 1 hinsichtlich der Ausbildung der die 6s Die Schaltung von Fig. 5 enthält darüber hinaus eine Reihe nichtlinearen Operationsverstärkerglieder enthaltenden Schal- von weiteren Massnahmen, die das Verhalten der Schaltung tungszweige Bx.. ,Bn, von denen nur der erste Schaltungszweig verbessern und die Anwendungsmöglichkeiten der Schaltung

B j und der letzte Schaltungszweig Bn dargestellt sind. erweitern.

615 504

Jeder Schaltungszweig C enthält, wie die Schaltungszweige A von Fig. 1, ein nichtlineares Operationsverstärkerglied, das als Präszisionsgleichrichter geschaltet ist und aus einem Operationsverstärker 41, Dioden 42 und 43 und einem den Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbindenden Rückf ührungs- 5 widerstand 44 besteht. Der invertierende Eingang ist ferner über einen Widerstand 45 mit dem Ausgang 20 des Hauptverstärkers sowie über einen Widerstand 46 mit dem Abgriff eines einstellbaren Potentiometers 47 verbunden, das zur Einstellung der Referenzspannung für den betreffenden Schaltungszweig 1(> dient. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 41 ist über einen das Temperaturverhalten verbessernden Widerstand 48 mit Masse verbunden. Für jeden der Schaltungszweige Cj .. .Cn ist natürlich ein eigenes Potentiometer 47 zur getrennten Einstellung der zugeordneten Referenzspannung 15 vorgesehen.

Jeder der Schaltungszweige D enthält, wie jeder Schaltungszweig B von Fig. 3, ein nichtlineares Operationsverstärkerglied mit einem Operationsverstärker 51, einer Diode 52 und einem zum invertierenden Eingang führenden Rückführungswider- 20 stand 53. Die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker der Schaltungszweige Dj.. ,Dn sind mit den Abgriffen Pt.. ,Pn einer Spannungsteilerkette verbunden, die aus in Serie geschalteten Widerständen Rt, R2 .. -Rn+i besteht und zwischen dem Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 und einem an 25 einer Bezugsspannung liegenden Schaltungspunkt 55 angeschlossen ist.

Gegenüber den Schaltungen von Fig. 1 und 3 sind bei der kombinierten Schaltun,g von Fig. 5 noch folgende zusätzliche Massnahmen getroffen: 30

- Die Summierwiderstände der Schaltungszweige sind nicht direkt an die Ausgänge der nichtlinearen Operationsverstärkerglieder angeschlossen, sondern an die Abgriffe von einstellbaren Spannungsteilern, die ihrerseits an die Ausgänge der nichtlinearen Operationsverstärkerglieder angeschlossen sind; dies ergibt 35 eine zusätzliche Einstellmöglichkeit für die Verstärkerkennlinie.

- In jedem Schaltungszweig sind mehrere Spannungsteiler mit angeschlossenem Summierwiderstand vorgesehen, und die Summierwiderstände sind zu Gruppen zusammengefasst, die io jeweils einen Summierwiderstand von mehreren verschiedenen Schaltungszweigen enthalten; ferner sind elektronische Schalter vorgesehen, mit denen jeweils eine Gruppe von Summierwiderständen mit dem Summierpunkt am Eingang 19 des Hauptverstärkers verbunden werden kann. Dadurch ist es möglich, den 45 nichtlinearen Verstärker auf verschiedene vorprogrammierte Verstärkerkennlinien umzuschalten.

- In jedem Ausgangskreis jedes nichtlinearen Operationsverstärkerglieds liegt eine Diode, die eine Abrundung des von jo dem betreffenden Schaltungszweig erzeugten Kennlinienknicks ergibt.

- Im Eingangskreis jedes nichtlinearen Operationsverstärkerglieds liegt eine Diode zur Kompensation der von den Abrundungs-Dioden verursachten Temperaturabhängigkeit.

- Parallel zu den nichtlinearen Schaltungszweigen Cj.. .Cn,

Dj.. .D„ liegt ein Schaltungszweig E mit einem linearen Operationsverstärkerglied zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Hauptverstärkers. Dieser Schaltungszweig E ermöglicht die Einstellung der Verstärkung des Hauptverstärkers zur Anpas- «> sung an unterschiedliche Empfindlichkeitsfaktoren.

In Fig. 5 ist zu erkennen, wie diese Massnahmen verwirklicht sind:

An den Ausgang des nichtlinearen Operationsverstärker- 6s glieds des Schaltungszweigs Q sind parallel mehrere einstellbare Potentiometer 60a.. ,60k jeweils über eine Diode 61a .. .61k angeschlossen. Die Dioden 61a .. .61k sind die

Abrundungs-Dioden. In der Verbindung zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 41 und dem Abgriff des Spannungsteilers 47 liegt eine weitere Diode 62 zur Temperaturkompensation der Abrundungsdioden. Der Abgriff jedes Potentiometers 60a .. .60k ist mit der einen Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 63a.. .63k verbunden.

In gleicher Weise sind an den Ausgang des nichtlinearen Operationsverstärkerglieds des Schaltungszweiges Dj 70a.. .70k jeweils über eine Abrundungs-Diode71a.. .71k angeschlossen. Die Temperaturkompensation erfolgt in diesem Fall durch eine Diode 72, die in Reihe mit dem Widerstand R] in der Spannungsteilerkette liegt. Der Abgriff jedes Potentiometers 70a .. .70k ist mit der einen Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 73a .. .73k verbunden.

Der Schaltungszweig E enthält einen linearen Operationsverstärker 81 mit einem Rückflührungswiderstand 82, der seinen Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbindet, der ausserdem über einen Widerstand 83 mit dem Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 verbunden ist. In der Verbindung zwischen dem nichtinvertierenden Ausgang und Masse liegt ein Widerstand 84 zur Verbesserung des Temperaturverhaltens. An den Ausgang des Operationsverstärkers 81 sind parallel mehrere einstellbare Potentiometer 85a.. .85k angeschlossen, deren Abgriffe jeweils mit einer Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 86a .. .86k verbunden sind.

Schliesslich sind zur Offset-Kompensation mehrere Potentiometer 29a.. ,29k vorgesehen, deren Abgriffe jeweüs mit einer Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 30a .. .30k verbunden sind.

Die Summierwiderstände 30a, 63a, 73a, 86a und die entsprechenden Summierwiderstände der übrigen Schaltungszweige C2 • • -Cn, D2 .. .Dn sind zu einer Gruppe zusammengefasst, und der Verbindungspunkt 90a dieser Gruppe ist mit dem Drain-Anschluss eines Feldeffekttransistors 91a verbunden, dessen Source-Anschluss mit dem Summierpunkt am Verstärkereingang 19 verbunden ist, und dessen Gate-Aschluss über einen Widerstand 92a an eine negative Spannung -U gelegt ist. In gleicher Weise sind auch die anderen Summierwiderstände der Schaltungszweige zu Gruppen zusammengefasst und jeweils mit einem zugeordneten Feldeffekttransistor verbunden, wie in Fig. 5 nur noch für die Summierwiderstände 30k, 63k, 73k, 86k und den Feldeffekttransistor 91k mit seinem Vorspannungswiderstand 92k gezeigt ist.

Die an die Gate-Anschlüsse angelegte negative Spannung hält die Feldeffekttransistoren 91a .. .91k normalerweise gesperrt. Mit Hilfe eines Umschalters 93 kann jeweils der Gate-Anschluss eines der Feldeffekttransistoren an Massepotential gelegt werden, wodurch der betreffende Feldeffekttransistor leitend wird und die ihm zugeordnete Gruppe von Summierwiderständen mit dem Verstärkereingang verbindet. Der nichtlineare Gleichspannungsverstärker hat dann eine Verstärkerkennlinie, die durch die betreffenden Summierwiderstände und die Einstellung der zugehörigen Potentiometer festgelegt ist. Durch Betätigung des Umschalters 93 kann der Verstärker auf verschiedene andere voreingestellte Verstärkerkennlinien umgeschaltet werden.

Mit Hilfe der Potentiometer 85a .. .85k des Schaltungszweiges E kann für jede Verstärkerkennlinie die Verstärkung des Hauptverstärkers 10 eingestellt werden; bei der Umschaltung auf eine andere Verstärkerkennlinie wird diese Verstärkung automatisch mit umgeschaltet. Diese Art der Verstärkungseinstellung ergibt den Vorteil, dass sie die durch die Widerstände 37,38,48,84 bewirkte Temperaturkompensation praktisch nicht beeinflusst.

7 615 504

In gleicher Weise kann auch der Strom zur Korrektur des Umschaltung der Offset-Kompensation erfolgt gleichfalls auto-Offset-Faktors für jede Verstärkerkennlinie mit Hilfe der Po- matisch zusammen mit der Umschaltung der Verstärkerkenn-tentiometer29a.. .29k getrennt eingestellt werden, und die linie.

C

4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

615 504 2 PATENTANSPRÜCHE 11. Verstärker nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn-

1. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker für Mess- zeichnet, dass mit dem Ausgang (20) des Hauptverstärkers (10) zwecke, mit einem an einen Messwandler angeschlossenen der invertierende Eingang eines linearen Operationsverstärker-Hauptverstärker, dessen Gesamtverstärkung durch ein oder gliedes (E) verbunden ist, an dessen Ausgang ein Spannungstei-mehrere nichtlinear ausgebildete Operationsverstärkerglieder 51er (85a) angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen Sum-bestimmt ist, deren Ausgänge jeweils über einen Summierwi- mierwiderstand (86a) mit dem Eingang (19) des Hauptverstär-derstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden sind kers (10) verbunden ist.

und deren Einsatzpunkte von unterschiedlichen Werten der 12. Verstärker nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn-

Messgrösse abhängen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein zeichnet, dass an den Ausgang jedes Operations verstärkerglie-

Eingang jedes Operationsverstärkergliedes (Alt An; B1; Bn; Q ; 10des (Cj ; Dj) wenigstens ein Spannungsteiler (60a, 60k; 70a, D^, mit einem Abgriff eines Widerstands-Spannungsteilers (25, 70k) angeschlossen ist, dessen Abgriff über einen Summierwi-

26; Rj, R2; Rn, Rn+i ; 45,46) verbunden ist, der zwischen dem derstand (63a, 63k; 73a, 73k) mit dem Eingang (19) des

Ausgang (20) des Hauptverstärkers (10) und einem an eine Hauptverstärkers (10) verbunden ist.

Referenzspannung (URef) gelegten Schaltungspunkt (27, Pt ; Pn) 13. Verstärker nach Patentanspruch 12, dadurch gekenn-

angeschlossen ist. 15 zeichnet, dass an den Ausgang jedes Operationsverstärkerglie-

2. Verstärker nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich- des (Q ; Dj) mehrere Spannungsteiler (60a, 60k ; 70a, 70k) net, dass der Hauptverstärker (10) so ausgebildet ist, dass sich parallel angeschlossen sind, dass mit dem Abgriff jedes Spansein Ausgangssignal (18;Ua) gleichsinnig mit seinem Eingangs- nungsteilers jeweils die eine Klemme eines Summierwiderstan-signal (17, Uc) ändert. des (63a, 63k; 73a, 73k) verbunden ist, dass die Summierwider-

3. Verstärker nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeich- stände zu Gruppen zusammengefasst sind, von denen jede net, dass der Hauptverstärker (10) zwei Operationsverstärker Gruppe einen Summierwiderstand jedes Operationsverstarker-(11,12), enthält, dass der invertierende Eingang des ersten 8hedes <Ci '> Di) enthält'dass die anderen Klemmen der Sum-Operationsverstärkers (11) den Eingang (19) des Hauptverstär- nuerwiderstände jeder Gruppe miteinander verbunden sind, kers (10) bildet, dass der Ausgang des zweiten Operationsver- und dass der Verbindungspunkt (90a, 90k) jeder Gruppe über stärkers (12) den Ausgang (20) des Hauptverstärkers (10) 25 einen Schalter (91a, 91k) mit dem Eingang (19) des Hauptver-bildet, und dass der invertierende Eingang des zweiten Opera- stärkers (10) verbunden ist.

tionsverstärkers (12) mit dem Ausgang des ersten Operations- Verstärkernach den Patentansprüchen 11,12 und 13.

Verstärkers (11) verbunden ist. 15- Verstärker nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn-

4. Verstärker nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich- zeichnet, dass zur Beseitigung eines Offset-Faktors der Eingang net, dass für wenigstens einen Teil der Operationsverstärker- m des Hauptverstärkers (10) über einen weiteren Summierglieder (Al An; Q) jeweils ein eigener Spannungsteiler (25,26; widerstand (30) mit dem Abgriff eines an eine Referenzspan-45,46) vorgesehen ist, an dessen Abgriff der invertierende nunß (URef o) gelegten Spannungsteilers (29) verbunden ist. Eingang des Operationsverstärkers (21 ; 41) angeschlossen ist,

und dass die Spannungsteiler zueinander parallel zwischen dem

Ausgang (20) des Hauptverstärkers (10) und Schaltungspunk- 35 . .

ten (27) mit unterschiedlichen Referenzspannungen angeschlos- Erfindung bezieht sich auf einen nichtlinearen Gleich-

sen sind spannungsverstärker für Messzwecke, mit einem an einen Mess-

„ ,, , _ , . , , . , wandler angeschlossenen Hauptverstärker, dessen Gesamtver-

5. Verstarker nach Patentanspruch 4 dadurch gekennzeich- stärkung durch ein oder mehrere nichtünear ausgebildete Ope-net, dass jedes Operationsverstarkerghed (Al5 A»; Q ; Dl) als ^ rationsverstärkerglieder bestimmt ist> deren Ausgänge jeweüs azisionsgleic ne ter gesc a tet ist. über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptver-

• ersar er nac atentanspruc o er , a urc stärkers verbunden sind und deren Einsatzpunkte von unter-

gekennzeichnet, dass die Referenzspannung jedes Spannungs- schiedlichen Werten der Messgrösse abhängen.

teuere einstellbar ist. ,. IT . ? .. ,. , ., ..

_ w y .. — . , „ , , . , Messwandler, die zur Umsetzung einer behebigen physikau-

7 Verstarker nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich- schen Me össe in ein elektrisches Signal (Spannung, Strom)

net dass fur wenigstens einen Teil der Operationsverstärker- verwendet werden> sind in den meisten Fällen nichtlinear, d.h.,

C eT^ i) einzwisc en em usgang( ) es aupt dass das abgegebene elektrische Signal der Messgrösse nicht vemarkers (10) und einem an der Referenzspannung liegenden rtional ist. Der Zusammenhang zwischen der Messgrösse

Schaltungspunkt (35 ; 55) angeschlossenen Spannungsteiler und dem yom Messwandler gelieferten elektrischen Signal wird l • ■ • m j. Cr.e" ®CS e ten, en ^ h n)_yor8e" durch die Eichkurve des Messwandlers ausgedrückt. Diese sehen ist, und dass die nichtmvertierenden Eingange der Opera- Eichkurve ist für die verschiedenen ^ von Messwandlern tionsverstarkerglieder an die Abgriffe des Spannungsteilers .. , . , , .,, ... . . ..

,. T , verschieden. Auch bei Messwandlern gleicher Art unterschei-

angesc ossensin . den sich die Eichkurven infolge der unvermeidlichen Exemplar-

8. Verstärker nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeich- Streuungen durch exemplarspezifische Offset-Faktoren und/ net, dass jedes Operationsverstärkerglied (Al5 An; Bl5 B„; Cj ; 55 oder Empfindlichkeitsfaktoren. Für viele Anwendungen, bei-Dj) durch einen Operationsverstärker (21 ; 31 ; 41 ; 51) mit spielsweise für die Anzeige der Messgrösse auf einem linearen nachgeschalteter Diode (23 ; 32 ; 43 ; 52) und einen den Dioden- Anzeigegerät, muss eine Proportionalität zwischen dem physi-ausgang mit dem invertierenden Eingang verbindenden Rück- kaiischen Messwert und dem elektrischen Signal vorhanden führungswiderstand (24 ; 33 ; 44 ; 53) gebildet ist. sein. Es ist bekannt, zu diesem Zweck dem Messwandler einen

9. Verstärker nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich- 60 nichtlinearen Gleichspannungsverstärker nachzuschalten, des-net, dass in jeder Verbindung zwischen dem Ausgang eines sen Kennlinie zu der Eichkurve genau invers ist (Umkehr- oder Operationsverstärkergliedes (Ax, An; B1; Bn; Q ; Dj) und dem Spiegelfunktion).

Eingang des Hauptverstärkers (10) eine Halbleiterdiode (23 ; Zu diesem Zweck können nichtlineare Gleichspannungsver-

32 ; 43 ; 52) liegt. stärker der eingangs angegebenen Art verwendet werden, die

10. Verstärker nach Patentanspruch 9, dadurch gekenn- 65 beispielsweise aus dem «Handbook and Catalog of Operational zeichnet, dass in dem mit dem Eingang des Operationsverstär- Amplifiers» der Burr-Brown Research Corporation, 1969, Seite kergliedes (Q ; Dj) verbundenen Spannungsteiler (47 ; Rj, R2) 48, sowie aus der Zeitschrift «Internationale elektronische eine Halbleiterdiode (62 ; 72) liegt. Rundschau» 1970, Nr. 10, Seiten 265 bis 269, insbesondere

3 615 504

Bild 8 auf Seite 267, bekannt sind und auch als nichtlineare auch die Referenzsspannungen für die nichtlinearen Opera-

Funktionsgeneratoren bezeichnet werden. Die Wirkungsweise tionsverstärkerglieder immer auf die Messgrösse. Es kann somit dieser nichtlinearen Gleichspannungsverstärker beruht darauf, eine durch einen Offset-Faktor verfälschte Eichkurve ohne dass die gewünschte nichtlineare Verstärkungskennlinie durch Umstellen der Referenzspannungen linearisiert werden, indem lineare Teilstücke angenähert wird, wobei die Knickpunkte den 5 ein dem Offset-Faktor entsprechender Offset-Strom dem Sum-

Einsatzpunkten der nichtlinear ausgebildeten Operationsver- mierpunkt am Eingang der Hauptverstärkerkette zugeführt

Stärkerglieder entsprechen. Bei diesen bekannten nichtlinearen wird. Diese Massnahme hat eine einfache Parallelverschiebung

Gleichspannungsverstärkern sind die invertierenden Eingänge der Verstärkerkennlinie zur Folge.

der Operationsverstärkerglieder, die als Präzisionsgleichrichter Vorzugsweise ist der Hauptverstärker so ausgebildet, dass geschaltet sind und daher das Verhalten einer idealen Diode 10 sich sein Ausgangssignal gleichsinnig mit seinem Eingangssignal zeigen, mit den Abgriffen von Spannungsteilern verbunden, die ändert. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfinparallel zueinander zwischen einer Eingangsklemme und einem dung wird dies dadurch erreicht, dass der Hauptverstärker zwei Bezugspotential angeschlossen sind. Die Spannungsteilerver- Operationsverstärker enthält, dass der invertierende Eingang hältnisse der Spannungsteiler sind verschieden. Wenn das Aus- des ersten Operationsverstärkers den Eingang des Hauptver-gangssignal des Messwandlers an den Signaleingang gelegt wird, 15 stärkers bildet, dass der Ausgang des zweiten Operationsver-werden die Operationsverstärkerglieder, je nach dem Span- stärkers den Ausgang des Hauptverstärkers bildet, und dass der nungsteilerverhältnis, bei verschiedenen Werten des Eingangs- invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers mit signais durchlässig, so dass sie einen vom Summierwiderstand dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist. abhängigen Strom zum Summierpunkt am Verstärkereingang Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass für liefern. Dadurch wird die Verstärkungskennlinie des durch 20 wenigstens einen Teil der Operationsverstärkerglieder jeweils einen gegengekoppelten Operationsverstärker gebildeten ein eigener Spannungsteiler vorgesehen ist, an dessen Abgriff Hauptverstärkers bestimmt. der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ange-

Wenn diese bekannten nichtlinearen Gleichspannungsver- schlössen ist, und dass die Spannungsteiler zueinander parallel stärker für die Linearisierung der Eichkurven von Messwand- zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und Schaltungs-

lern verwendet werden, sind die Einsatzpunkte der nichtlinea- 25 punkten mit unterschiedlichen Referenzspannungen ange-ren Operationsverstärkerglieder und damit die Knickpunkte der schlössen sind.

Verstärkerkennlinie durch bestimmte Werte des Ausgangssi- Diese Ausbildung ergibt eine Verstärkerkennlinie mit gnals des Messwandlers festgelegt, das in einer nichtlinearen abnehmender Steigung. Dabei ist vorzugsweise jedes Opera-

Beziehung zur Messgrösse steht. Wenn somit die Eichkurve tionsverstärkerglied als Präzisionsgleichrichter geschaltet, und eines bestimmten Wandlers durch einen Offset-Faktor ver- 30 die Referenzspannung jedes Spannungsteilers ist vorzugsweise fälscht ist, ist auch die auf die Messgrösse bezogene Verstärker- einstellbar.

kennlinie verfälscht. Eine Offset-Korrektur durch einfache Ver- Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin,

Schiebung der Verstärkerkennlinie ist daher nicht möglich. dass für wenigstens einen Teil der Operationsverstärkerglieder

In gleicher Weise äussern sich auch Offset- und Verstär- ein zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an kungsänderungen, die durch elektrische Bauelemente des nicht- 35 der Referenzspannung liegenden Schaltungspunkt angeschlos-

linearen Gleichspannungsverstärkers selbst verursacht werden. sener Spannungsteiler mit mehreren gestaffelten Abgriffen vor-

Die vorstehend geschilderten Nachteile treten umso mehr in gesehen ist, und dass die nichtinvertierenden Eingänge der

Erscheinung, je stärker die Eichkurve und damit die dazu Operationsverstärkerglieder an die Abgriffe des Spannungstei-

inverse Verstärkerkennlinie gekrümmt sind. Die Ausbildung lers angeschlossen sind.

der nichtlinearen Verstärker erfordert dann einen sorgfältigen 40 Diese Ausbildung ergibt eine Verstärkerkennlinie mit individuellen Abgleich zur Anpassung an den jeweiligen Mess- zunehmender Steigung.

wandler. Die beiden Massnahmen können auch gleichzeitig angewen-