DE102015203651A1

DE102015203651A1 - Kompensationsschaltung für Offset-Spannung in einem Messverstärker und/oder für Gleichsignalanteil in einem Messsignal

Info

Publication number: DE102015203651A1
Application number: DE102015203651.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Peschke
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2016-09-08
Also published as: US20160261254A1; US9667233B2

Abstract

Eine Schaltung zur Kompensation einer Offset-Spannung in einem Messverstärker (3) und/oder eines in einem Messsignal enthaltenen Gleichsignalanteils enthält einen Messsignal-Anschluss (15) für das Messsignal. Der nicht-invertierender Eingang (2) des Messverstärkers (3) dient zur Einspeisung eines Wechselsignalanteils des Messsignals über einen ersten Kondensator (4). Zusätzlich enthält die Schaltung einen zweiten Verstärker (21) zur Addition des Gleichsignalanteils im Messsignal und eines zur negativen Offset-Spannung und zum negativen Gleichsignalanteil korrespondierenden Signals und eine eingangsseitig oder ausgangsseitig zum Messverstärker (2) angeordneten Einheit zum Subtrahieren eines Ausgangssignals des zweiten Verstärkers (21) vom Wechselsignalanteil des Messsignals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsschaltung für eine Offset-Spannung (Versatz-Spannung) in einem Messverstärker und/oder für einen Gleichsignalanteil in einem Messsignal.
Messsignale werden in einem Messgerät, beispielsweise in einem Oszilloskop, über verschiedene Kopplungspfade einem Messverstärker zugeführt. Die wesentlichen Kopplungspfade sind, wie in 1 beispielhaft dargestellt ist, die Gleichspannungs-Kopplung oder DC-Kopplung, die über eine direkte Signalleitung 1 mit dem nicht-invertierenden Eingang 2 des Messverstärkers 3 erfolgt, die Wechselspannungskopplung oder AC-Kopplung, die über eine mit einem Kondensator 4 zur Abblockung von Gleichsignalanteilen versehene Signalleitung 5 mit dem nicht-invertierenden Eingang 2 des Messverstärkers 3 erfolgt, und die Masse-Kopplung, bei der der nicht-invertierende Eingang 2 des Messverstärkers 3 mit einer Masse 6 verbunden ist. Die Auswahl, welcher der einzelnen Kopplungspfade an den nicht-invertierenden Eingang 2 des Messverstärkers 3 angeschlossen wird, erfolgt über Schalter 7 ₁, 7 ₂ und 7 ₃.
Darüber hinaus kann der nicht-invertierenden Eingang 2 des Messverstärkers 3 zusätzlich mit dem ersten Anschluss 8 eines Widerstands 9 verbunden sein, dessen zweiter Anschluss 10 an die Masse 6 angeschlossen ist. Mit dem ausgewählten Impedanzwert dieses Widerstands 9 kann die Eingangsimpedanz der Schaltung gezielt – beispielsweise auf eine Systemimpedanz von 50 Ω – eingestellt werden.
Zur Kompensation einer internen Offset-Spannung im Messverstärker 3 und eines Gleichsignalanteils im Messsignal kann der invertierende Eingang 11 des Messverstärkers 3 wie bei der EP 1 688 748 A1 mit dem ersten Anschluss 12 einer hinsichtlich ihres Spannungspegels einstellbaren Spannungsquelle 13 verbunden sein, deren zweiter Anschluss 14 an die Masse 6 angeschlossen ist.
Durch die Kompensation erfolgt eine Verschiebung des Messsignals in den Nullpunkt des Dynamikbereiches des Messverstärkers 3 und damit in den optimalen Arbeitspunkt des Messverstärkers 3, in dem der Messverstärker 3 seine höchste Linearität aufweist.
Nachteil dieser Offset-Kompensation ist die Beschränkung des Spannungspegels der Spannungsquelle auf die durch den Gleichsignal(common-mode)-Bereich des verwendeten Messverstärkers 3 vorgegebene maximal mögliche Spannungspegel. Hinzu kommt, dass der Linearitätsbereich des Messverstärkers 3 gegenüber seinem common-mode-Bereich reduziert ist, so dass ein nicht im optimalen Arbeitspunkt betriebener Messverstärker 3, d.h. ein Messverstärker 3, der mit einer common-mode-Spannung ungleich Null betrieben wird, eine Verzerrung des Messsignals verursacht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Kompensationsschaltung sowie ein Messgerät und einen Messtastkopf zur Kompensation der im Messverstärker vorhandenen Offset-Spannung und des in einem Messsignal vorhandenen Gleichsignalanteils zu schaffen, die auch höhere Offset-Spannungen im Messverstärker und höhere Gleichsignalanteile im Messsignal korrekt ohne die genannten Nachteile kompensieren kann.
Die Erfindungsaufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Kompensationsschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein erfindungsgemäßes Messgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 und durch einen erfindungsgemäßen Messtastkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte technische Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
Erfindungsgemäß erfolgt in der Kompensationsschaltung eine Trennung des Messsignals in seinen Gleichsignalanteil und in seinen Wechselsignalanteil. Hierzu wird der Wechselsignalanteil des Messsignals bevorzugt über einen ersten Kondensator an den ersten Eingang, bevorzugt den nicht-invertierenden Eingang, des Messverstärkers geführt. Der Gleichsignalanteil des Messsignals wird zu einer Spannung, die zur negativen Offset-Spannung des Messverstärkers und/oder zum negativen Gleichsignalanteil des Messsignals korrespondiert, in einem zweiten Verstärker addiert. Schließlich ist eine Einheit zum Subtrahieren eines Signals am Ausgang des zweiten Verstärkers vom Wechselsignalanteil des Messsignals dem zweiten Verstärker nachgeschaltet.
Somit erfolgt die Kompensation des Gleichsignalanteils des Messsignals bereits im zweiten Verstärker. In der Einheit zum Subtrahieren ist lediglich die Kompensation der Offset-Spannung des Messverstärkers durchzuführen. Falls die Kompensation der Offset-Spannung ausgangsseitig zum Messverstärker realisiert ist, wird der Arbeitspunkt des Messverstärkers durch das Kompensationssignal überhaupt nicht verschoben. Für den Fall, dass die Kompensation der Offset-Spannung eingangsseitig zum Messverstärker erfolgt, wird der Arbeitspunkt des Messverstärkers lediglich durch eine Kompensationsgröße zur Kompensation der Offset-Spannung verschoben und erfährt somit vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik eine deutlich geringere Verschiebung.
Der Wechselsignalanteil des Messsignals ergibt sich aus den Signalanteilen des Messsignals oberhalb einer Grenzfrequenz, die sich wiederum aus der Kapazität des ersten Kondensators und der Eingangsimpedanz des Messverstärkers eines sich bildenden Hochpasses ergibt.
Der Gleichsignalanteil des Messsignals wiederum ergibt sich aus der Bandbreite des ein Tiefpassverhalten aufweisenden zweiten Verstärkers.
Für den Fall, dass lediglich der Gleichsignalanteil des Messsignals zu kompensieren ist, wird dem zweiten Verstärker, der als addierender Verstärker beschaltet ist, das zu kompensierende Gleichsignalanteil des Messsignals und ein zum zu kompensierenden Gleichsignalanteil des Messsignals korrespondierendes Signal zugeführt. Durch geeignete Dimensionierung der Widerstände des als addierender Verstärker realisierten zweiten Verstärkers ergibt sich am Ausgang des zweiten Verstärkers eine Spannung von zumindest annähernd 0 Volt.
Ist weiterhin die Einheit zum Subtrahieren eingangsseitig zum Messverstärker realisiert, indem sie bevorzugt in den Eingang des Messverstärkers dadurch integriert ist, dass der Ausgang des zweiten Verstärkers mit dem invertierenden Eingang des Messverstärkers verbunden ist. So wird der Messverstärker vorteilhaft in seinem optimalen Arbeitspunkt, d.h. mit einer common-mode-Eingangsspannung von 0 Volt, betrieben.
Ist die Einheit zum Subtrahieren ausgangsseitig zum Messverstärker als erstes Subtrahier-Glied realisiert, dessen Eingänge jeweils mit dem Ausgang des Messverstärkers bzw. mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers verbunden sind und gleichzeitig der invertierende Eingang des Messverstärkers mit der Masse verbunden, so wird auch in diesem Fall der Messverstärker vorteilhaft in seinem optimalen Arbeitspunkt, d.h. mit einer common-mode-Eingangsspannung von 0 Volt, betrieben.
Ist dagegen neben dem Gleichsignalanteil des Messsignals auch die im Messverstärker vorhandene Offset-Spannung zu kompensieren, so liegt am Ausgang des zweiten Verstärkers bei identischer Dimensionierung der Widerstände des als addierenden Verstärker realisierten zweiten Verstärkers eine der zu kompensierenden Offset-Spannung entsprechende Spannung an. Diese Kompensationsgröße ist gegenüber der Kompensationsgröße beim Stand der Technik deutlich reduziert.
Somit ist die am invertierenden Eingang des Messverstärkers anliegende Spannung im Fall einer eingangsseitig zum Messverstärker realisierten Einheit zum Subtrahieren nur gering vom optimalen Arbeitspunkt des Messverstärkers entfernt. Der Messverstärker wird somit auch in diesem Betriebsunfall zumindest näherungsweise optimal betrieben.
Im Fall einer ausgangsseitig zum Messverstärker realisierten Einheit zum Subtrahieren wird auch für den Fall einer zu kompensierenden Offset-Spannung aufgrund der Verbindung des invertierenden Eingangs des Messverstärkers mit der Masse ein Betrieb des Messverstärkers im optimalen Betriebspunkt verwirklicht.
Bevorzugt entspricht die Bandbreite des zweiten Verstärkers der Grenzfrequenz des aus dem ersten Kondensator und der Eingangsimpedanz des Messverstärkers bestehenden Hochpasses. In diesem Fall ergibt sich kein überlappender oder ausgeblendeter Frequenzbereich zwischen dem Gleichsignalanteil und dem Wechselsignalanteil des Messsignals.
Das Signal, das zur negativen Offset-Spannung im Messverstärker und zum negativen Gleichsignalanteil des Messsignals korrespondiert und dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers zugeführt wird, wird bevorzugt in einer Spannungsquelle erzeugt, die mit ihrem ersten Anschluss über einen ersten Widerstand mit dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers und mit ihrem zweiten Anschluss mit der Masse verbunden ist. Zur Realisierung eines negativen Signals wird eine Spannungsquelle verwendet, deren höheres Potential an dem mit der Masse verbundenen zweiten Anschluss anliegt.
Zur Einstellung der zur kompensierenden Offset-Spannung im Messverstärker und/oder zum kompensierenden Gleichsignalanteil des Messsignals proportionalen Spannung ist der Spannungspegel der Spannungsquelle bevorzugt verstellbar.
Alternativ zur Spannungsquelle kann eine hinsichtlich ihrer Stromstärke verstellbare Stromquelle verwendet werden, die mit ihrem ersten Anschluss mit dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers und mit ihrem zweiten Anschluss mit der Masse verbunden ist. Zur Realisierung eines negativen Signals erzeugt die Stromquelle einen Strom, der in Richtung der Masse fließt.
Der Gleichsignalanteil des Messsignals wird über einen zweiten Widerstand mit dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers verbunden.
Der erste und zweite Widerstand sowie der im Rückkopplungszweig des als addierender Verstärker realisierten zweiten Verstärkers vorgesehene Widerstand sind so dimensioniert, dass bei einer idealen Kompensation des Gleichsignalanteils des Messsignals durch den eingestellten Spannungspegel der Spannungsquelle bzw. durch den eingestellten Strompegel der Stromquelle – unter der Annahme, dass die Offset-Spannung des Messverstärkers nicht zusätzlich kompensiert wird – die beiden im zweiten Verstärker zu addierenden Ströme am Summationspunkt vor dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers sich gegenseitig aufheben.
Ist zusätzlich die Offset-Spannung im Messverstärker zu kompensieren, indem in der Spannungsquelle bzw. in der Stromquelle zusätzlich ein zur kompensierenden Offset-Spannung korrespondierender Spannungspegel bzw. Strompegel eingestellt wird, so ergibt sich am Summationspunkt vor dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers ein von Null verschiedener Strom, der vom Ausgang des zweiten Verstärkers über den Rückkopplungs-Widerstand zum Summationspunkt fließt. Der vom Ausgang des zweiten Verstärkers fließende Strom verursacht eine Ausgangsspannung, die der im Messverstärker zu kompensierenden Offset-Spannung entspricht.
Da dem zweiten Verstärker keine hochfrequenten Signalanteile zugeführt werden, sind bei der Auswahl des zweiten Verstärkers keine hohen Anforderungen hinsichtlich der Bandbreite zu stellen. Stattdessen sind hochwertige Gleichsignal-Eigenschaften für den zweiten Verstärker wie beispielsweise eine hohe Linearität und eine hohe Genauigkeit (geringe interne Offset-Spannung und -ströme, geringe Drift) vorteilhaft erzielbar.
Zur Realisierung einer definierten Eingangsimpedanz des Messverstärkers, beispielsweise einer Systemimpedanz von 50 Ohm, ist der nicht invertierende Eingang des Messverstärkers mit einem ersten Anschluss eines dritten Widerstandes, der die gewünschte Eingangsimpedanz aufweist, verbunden, während der zweite Anschluss dieses dritten Widerstandes mit der Masse verbunden ist. Auf diese Weise ist auch die Grenzfrequenz des aus der Kapazität des ersten Kondensators und der Eingangsimpedanz des Messverstärkers bestehenden Hochpasses vorteilhaft eindeutig festgelegt.
Bevorzugt ist in der zweiten Ausführungsform der Erfindung der Ausgang des Messverstärkers über einen ersten Analog-Digital-Wandler mit dem nicht-invertierenden Eingang der ausgangsseitig zum Messverstärker realisierten Einheit zum Subtrahieren, die als erstes Subtrahier-Glied verwirklicht ist, und der Ausgang des zweiten Verstärkers über einen zweiten Analog-Digital-Wandler mit dem jeweiligen invertierenden Eingang des ersten Subtrahier-Gliedes verbunden. Auf diese Weise erfolgen die Subtraktion und damit die Kompensation der Offset-Spannung digital.
Das digitalisierte Ausgangssignal des Messverstärkers weist aufgrund des im ersten Analog-Digital-Wandler verursachten Quantisierungsfehlers einen zusätzlichen Offset-Fehler auf. Um diesen zusätzlichen Quantisierungsfehler vorteilhaft im Hinblick auf das Kompensationsergebnis zu minimieren, ist der in der zweiten Analog-Digital-Wandlung erzeugte Quantisierungsfehler möglichst gering zu halten, um eine möglichst exakte Kompensationsgröße zu bestimmen. Hierzu wird die Genauigkeit des zweiten Analog-Digital-Wandlers gegenüber der Genauigkeit des ersten Analog-Digital-Wandlers bevorzugt erhöht.
Neben einer unerwünschten zeitlich konstanten Offset-Spannung kann der Messverstärker auch einer unerwünschten zeitlich veränderlichen Drift unterworfen sein. Zur Kompensation einer derartigen Drift ist bevorzugt dem ersten Analog-Digital-Wandler eine Einheit zum Entfernen eines Mittelwertes aus dem Ausgangssignal des ersten Analog-Digital-Wandlers nachgeschaltet. Diese Einheit zum Entfernen eines Mittelwertes besteht bevorzugt aus einem digitalen Mittelungsfilter und einem nachgeschalteten digitalen Subtrahier-Glied. Um die im Messverstärker auftretende Drift wirkungsvoll zu kompensieren, führt das digitale Mittelungsfilter eine Mitteilung über eine geeignete Anzahl von Abtastwerten des Ausgangssignals des ersten Analog-Digital-Wandlers durch.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung für jedes Messsignal eines Messgeräts, bevorzugt eines Oszilloskops, zum Einsatz kommen. Hierbei ist jeder Eingangsanschluss dieses Messgerätes zu einem Messsignal-Anschluss einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung geführt.
Die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung kann alternativ auch für jedes Messsignal, das von einer Messtastspitze eines Messtastkopfes gemessen wird, verwendet werden. Hierzu wird das von der Messtastspitze des Messtastkopfes erfasste Messsignal dem Messsignal-Anschluss der erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung zugeführt.
Die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung wird in ihren Ausführungsformen und Varianten anhand der Figuren der Zeichnung im Detail beispielhaft erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
1 ein Blockdiagramm mit verschiedenen Signalkopplungen eines Messverstärkers,
2A ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung mit einer ersten Variante einer Generierung eines Kompensationssignals,
2B ein Blockdiagramm einer zweiten Variante einer Generierung eines Kompensationssignals und
3 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung.
Im Folgenden wird die erste Variante der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung anhand von 2A beschrieben.
Ein Messsignal V_in liegt an einem Messsignal-Anschluss 15 an. Hierbei handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein Messsignal V_in, das zur Masse 6 bezogen ist.
Der Messsignal-Anschluss 15 ist im Ausführungsbeispiel über einen ersten Kondensator 4 mit dem nicht-invertierenden Eingang 2 eines Messverstärkers 3 verbunden. Der nicht-invertierende Eingang 2 des Messverstärkers 3 ist zusätzlich mit dem ersten Anschluss 8 eines dritten Widerstandes 9 verbunden, der mit seinem zweiten Anschluss 10 an Masse 6 liegt. Der dritte Widerstand 9 weist einen definierten Impedanzwert, typischerweise eine Systemimpedanz von z.B. 50 Ohm, auf. Dieser Impedanzwert stellt die gewünschte Eingangsimpedanz der Schaltung dar. Der erste Kondensator 4 und der dritte Widerstand 9 stellen eine Hochpass-Schaltung 16 dar, die für höherfrequente Signalanteile des Messsignals Vin oberhalb einer Grenzfrequenz durchlässig ist. Die Grenzfrequenz der Hochpass-Schaltung 16 ergibt sich aus der Kapazität des ersten Kondensators 4 und dem Widerstandswert des dritten Widerstandes 9.
Der Messsignal-Anschluss 15 ist zusätzlich mit dem ersten Anschluss 17 eines zweiten Widerstandes 18 verbunden, dessen zweiter Anschluss 19 an den invertierenden Eingang 20 eines zweiten Verstärker 21 geführt ist. Der invertierende Eingang 20 des zweiten Verstärkers 21 ist zusätzlich mit dem zweiten Anschluss 22 eines ersten Widerstandes 23 verbunden, dessen erster Anschluss 24 mit dem ersten Anschluss 25 einer Spannungsquelle 26 verbunden ist. Die Spannungsquelle 26 ist wiederum mit ihrem zweiten Anschluss 27 an Masse 6 geführt. Die Spannungsquelle 26 ist hinsichtlich ihres Spannungspegels verstellbar und erzeugt eine Spannung V_offset, deren Bezugs-Potential am zweiten Anschluss 27 liegt.
Mit der eingestellten Spannung V_offset wird der Gleichsignalanteil im Messsignal V_in und/oder eine im Messverstärker 3 vorhandene Offset-Spannung kompensiert.
Die Einstellung der Spannung V_offset kann entweder manuell durch einen Anwender der erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung oder automatisch durch eine in 2A nicht dargestellte, automatische Spannungspegelregelung erfolgen. Der eingestellte Spannungspegelwert ist folglich zum zu kompensierenden Gleichsignalanteil im Messsignal V_in und/oder zur zu kompensierenden Offset-Spannung im Messverstärker 3 proportional.
Der nicht-invertierende Eingang 28 des zweiten Verstärkers 21 ist an Masse 6 geführt. Zwischen dem invertierenden Eingang 20 und dem Ausgang 29 des als addierenden Verstärker geschalteten zweiten Verstärkers 21 ist ein vierter Widerstand 30 geschaltet. Der Ausgang 29 des zweiten Verstärkers 21 ist wiederum mit dem nicht-invertierenden Eingang 31 des Messverstärkers 3 verbunden.
Da der zweite Verstärker 21 eine bestimmte Bandbreite und somit ein Tiefpass-Verhalten aufweist, werden über den Signalpfad bestehend aus dem zweiten Widerstand 18 und dem zweiten Verstärker 21 lediglich niederfrequente Signalanteile des Messsignals V_in geführt. Entspricht die Bandbreite des zweiten Verstärkers 21 der Grenzfrequenz der Hochpass-Schaltung 16, so werden im Signalpfad über den ersten Kondensator 4 die oberhalb der Grenzfrequenz befindlichen Signalanteile des Messsignals V_in und im Signalpfad über den zweiten Widerstand 18 und den zweiten Verstärker 21 die unterhalb der Grenzfrequenz befindlichen Signalanteile des Messsignals Vin geführt.
Der Summationspunkt 33 vor dem invertierenden Eingang 20 des zweiten Verstärkers 21 stellt einen virtuellen Massepunkt dar und weist somit das Potential der Masse 6 auf.
Der Strom I₁ durch den ersten Widerstand 23 zum ersten Anschluss 25 der Spannungsquelle 26, der sich aus dem Verhältnis des in der Spannungsquelle 26 eingestellten Spannungspegels V_offset und dem Widerstandswert des ersten Widerstandes 23 ergibt, entspricht der Summe aus dem Strom I₂ durch den zweiten Widerstand 18, der sich aus dem Verhältnis des Messsignals V_in und dem Widerstandswert des zweiten Widerstandes 18 ergibt, und dem Strom I₃ durch den vierten Widerstand 30 vom Ausgang 29 bis zum invertierenden Eingang 20 des zweiten Verstärkers 21, der sich aus dem Verhältnis der Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers 21 und dem Widerstandswert des vierten Widerstandes 30 ergibt.
Der Strom I₁ der Spannungsquelle 26 dient also der Kompensation des Stromes I₂ durch den zweiten Widerstand 18, der zum zu kompensierenden Gleichsignalanteil des Messsignals V_in proportional ist, und der Kompensation des Stromes I₃ durch den dritten Widerstand 30, der über den Widerstandswert des dritten Widerstandes 30 zur Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers 21 und damit zur zu kompensierenden Offset-Spannung des Messverstärkers 3 proportional ist.
Durch geeignete Dimensionierung des ersten Widerstandes 23, des zweiten Widerstandes 18 und des vierten Widerstandes 30 können geeignete Verstärkungsfaktoren zwischen der Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers 21 und der Spannung V_offset der Spannungsquelle 26 bzw. dem Spannungspegel V_in des Messsignals erzielt werden. Das Verhältnis des Spannungspegels V_in des Messsignals zur Ausgangsspannung des zweiten Verstärker 21 ist typischerweise 1:1, während das Verhältnis des von der Spannungsquelle 26 erzeugten Spannungspegels V_offset in einem Bereich zwischen 1:10 und 1:100 liegt. Auf diese Weise kann eine Spannungsquelle 26 verwendet werden, die einen Spannungspegel V_offset erzeugt, der um den Faktor 10 bis 100 geringer als der Spannungspegel V_in des Messsignals ist.
Typische Widerstandswerte für den ersten Widerstand 23 liegen zwischen 100 kΩ und 1 MΩ, für den zweiten Widerstand 18 bei 10 MΩ und für den vierten Widerstand bei ebenfalls 10 MΩ.
Das Ausgangssignal 29 des zweiten Verstärkers 21 wird in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung an den invertierenden Eingang 31 des Messverstärkers 3 geführt. Auf diese Weise erfolgt die Differenzbildung zwischen der im Messverstärker 3 verursachten Offset-Spannung und der zugehörigen Kompensationsgröße innerhalb des Messverstärkers 3. Die Einheit zum Subtrahieren, die in der ersten Ausführungsform der Erfindung eingangsseitig zum Messverstärker 3 realisiert ist, ist somit in den Messverstärker 3 integriert.
Das Ausgangssignal V_out am Ausgang 32 des Messverstärkers 3 und damit am Ausgangs-Anschluss 42, das auf das Potential der Masse 6 bezogen ist, ist folglich vom Gleichsignalanteil des Messsignals V_in am Messsignal-Anschluss 15 und von einer unerwünschten und im Messverstärker 3 auftretenden Offset-Spannung kompensiert.
Aus 2B geht eine zweite Variante einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung hervor. Hierbei sind nur die für die zweite Variante wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung dargestellt. Die nicht dargestellten Elemente der erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung entsprechen denen in 2A dargestellten Elemente und werden hierbei nicht mehr wiederholt erläutert.
Anstelle einer Spannungsquelle 26 gemäß der ersten erfindungsgemäßen Variante weist die zweite erfindungsgemäße Variante eine Stromquelle 33 auf, deren erster Anschluss 34 mit dem Summationsknoten 33 und deren zweiter Anschluss 35 mit dem Potential der Masse 6 verbunden ist. Der erste Widerstand 23 gemäß der ersten Variante wird in der zweiten Variante nicht benötigt. Die Stromquelle 33 ist so geschaltet, dass sie einen Strom erzeugt, der vom Summationsknoten 33 zum ersten Anschluss 34 der Stromquelle 33 fließt. Der Strompegel der Stromquelle 33 ist ebenfalls verstellbar.
Der Strom I₁ der Stromquelle 33 kompensiert den Strom I₂ durch den zweiten Widerstand 18, der zum zu kompensierenden Gleichsignalanteil des Messsignals V_in proportional ist, und den Strom I₃ durch den vierten Widerstand 30, der unter Berücksichtigung des Widerstandswertes des vierten Widerstandes 30 zur Ausgangsspannung des zweiten Verstärker 21 und damit der zu kompensierenden Offset-Spannung im Messverstärker 3 proportional ist.
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung ist in 3 dargestellt. Bereits bezüglich der ersten Ausführungsform beschriebene Elemente werden im Folgenden bei der Beschreibung der zweiten Ausführungsform nicht wiederholt beschrieben:
Bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung ist der Ausgang 29 des zweiten Verstärkers 21 mit dem Eingang eines zweiten Analog-Digital-Wandlers 36 verbunden. Der invertierende Eingang 31 des Messverstärkers 3 ist stattdessen mit der Masse 6 verbunden. Der Ausgang 32 des Messverstärkers 3 ist mit dem Eingang eines ersten Analog-Digital-Wandlers 37 verbunden.
Die Auflösung des zweiten Analog-Digital-Wandlers 36 ist gegenüber der Auflösung des ersten Analog-Digital-Wandlers 37 erhöht. Z.B. wird für den ersten Analog-Digital-Wandler 37 eine Auflösung von 8 Bit verwendet, während der zweiten Analog-Digital-Wandler 36 eine Auflösung von 16 Bit aufweist. Auf diese Weise kann die durch den Quantisierungsfehler des ersten Analog-Digital-Wandlers 37 verursachte Erhöhung des Offsets im Signalpfad des Messverstärkers 3 – dem Signalpfad des Wechselsignalanteils des Messsignals V_in – durch eine Kompensationsgröße mit einer höheren Auflösung, nämlich der Kompensationsgröße im Signalpfad des zweiten Verstärkers 21 – dem Signalpfad des Gleichsignalanteils des Messsignals V_in – exakter korrigiert werden. Der Ausgang des ersten Analog-Digital-Wandlers 37 ist mit dem Eingang eine Einheit 38 zum Entfernen eines Mittelwerts verbunden. Diese Einheit 38 zum Entfernen eines Mittelwerts besteht aus einem digitalen Filter 39, das als digitales Mittelungsfilter ausgeführt ist, und einem nachgeschalteten zweiten Subtrahier-Glied 40. Der nicht invertierende Eingang des zweiten Subtrahier-Gliedes 40 ist mit dem Ausgang des ersten Analog-Digital-Wandlers 37 und der invertierenden Eingang des zweiten Subtrahier-Gliedes 40 ist mit dem Ausgang des digitalen Mittelungsfilter 39 verbunden.
Das digitale Mittelungsfilter 39 ermittelt den Mittelwert des digitalisierten Ausgangssignals des Messverstärkers 3 am Ausgang des ersten Analog-Digital-Wandlers 37. Die Mittelung erfolgt hierbei über mehrere Abtastwerte des digitalisierten Ausgangssignals des Messverstärkers 3. Auf diese Weise kann ein veränderter Mittelwert des digitalisierten Ausgangssignals des Messverstärkers 3 aufgrund einer Drift des Messverstärkers 3 ermittelt werden und anschließend durch die Subtraktion im zweiten Subtrahier-Glied 40 kontinuierlich kompensiert werden. Die Anzahl von Abtastwerten, die in die Mittelung einfließen, ist geeignet in Abhängigkeit der Driftgeschwindigkeit zu wählen.
Ein erstes digital realisiertes Subtrahier-Glied 41, dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Ausgang der Einheit 38 zum Entfernen eines Mittelwerts und dessen invertierenden Eingang mit dem Ausgang des zweiten Analog-Digital-Wandlers 36 verbunden ist, stellt eine Einheit zum Subtrahieren, die ausgangsseitig zum Messverstärker 3 realisiert ist, dar und führt eine Kompensation der im Messverstärker 3 enthaltenen Offset-Spannung und optional eines durch den ersten Analog-Digital-Wandler 37 verursachten Quantisierungsfehler durch.
Das digitalisierte Ausgangssignal V_out am Ausgangs-Anschluss 42, das auf das Potential der Masse 6 bezogen ist, ist folglich vom Gleichsignalanteil des ursprünglichen Messsignals V_in und von einer unerwünschten, vom Messverstärker 3 verursachten Offset-Spannung kompensiert.
Die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung kann in all ihren Ausführungsformen und Varianten in einem Messgerät, bevorzugt einem Oszilloskop, zur Kompensation des Gleichsignalanteils des im Messgerät zu vermessenden Messsignals und zur Kompensation der Offset-Spannung des in einer Eingangsstufe des Messgerät verwendeten Eingangsverstärkers benutzt werden. Hierzu wird jeweils jeder Eingangs-Anschluss eines Messgerätes mit dem Messsignal-Anschluss 15 einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung verbunden.
Außerdem kann die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung auch in einem Messtastkopf zur Kompensation des Gleichsignalanteils des von der Messtastspitze gemessenen Messsignals und zur Kompensation der Offset-Spannung des in einem Messtastkopf integrierten Eingangsverstärkers verwendet werden. Hierzu wird die Messtastspitze des Messtastkopfes mit dem Messsignal-Anschluss 15 einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung verbunden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen und Varianten beschränkt. Von der Erfindung sind insbesondere alle Kombinationen aller in der Beschreibung offenbarten Merkmale, aller in den Patentansprüchen jeweils beanspruchten Merkmale und aller in den Figuren der Zeichnung jeweils dargestellten Merkmale mit abgedeckt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1688748 A1 [0004]

Claims

Schaltung zur Kompensation einer Offset-Spannung in einem Messverstärker (3) und/oder eines in einem Messsignal enthaltenen Gleichsignalanteils mit einem Messsignal-Anschluss (15) für das Messsignal, dem Messverstärker (3), dessen erster Eingang (2) zur Einspeisung eines Wechselsignalanteils des Messsignals dient, einem zweiten Verstärker (21) zur Addition des Gleichsignalanteils im Messsignal und eines zur negativen Offset-Spannung und zum negativen Gleichsignalanteil korrespondierenden Signals und einer eingangsseitig oder ausgangsseitig zum Messverstärker (2) angeordneten Einheit zum Subtrahieren eines Ausgangssignals des zweiten Verstärkers (21) vom Wechselsignalanteil des Messsignals.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselsignalanteil des Messsignals über einen ersten Kondensator einem nicht-invertierenden Eingang des Messverstärkers (3) zugeführt ist, und dass die Bandbreite des zweiten Verstärkers (21) der sich aus der Kapazität des ersten Kondensators (4) und der Eingangsimpedanz des Messverstärkers (2) ergebenden Grenzfrequenz entspricht.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des zur negativen Offset-Spannung und/oder zum negativen Gleichsignalanteil korrespondierenden Signals in einer hinsichtlich des Spannungspegels verstellbaren Spannungsquelle (26) erfolgt.
Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (26) mit ihrem ersten Anschluss (25) über einen ersten Widerstand (23) mit einem invertierenden Eingang (20) des zweiten Verstärkers (21) und mit ihrem zweiten Anschluss (28) mit einer Masse (6) verbunden ist, wobei die Spannungsquelle (26) an dem mit der Masse (6) verbundenen zweiten Anschluss (28) ein höheres Potential aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des zur negativen Offset-Spannung und/oder zum negativen Gleichsignalanteil korrespondierenden Signals in einer hinsichtlich des Strompegels verstellbaren Stromquelle (33) erfolgt, die mit ihrem ersten Anschluss (34) mit dem invertierenden Eingang (20) des zweiten Verstärkers (21) und mit ihrem zweiten Anschluss (35) mit einer Masse (6) verbunden ist, wobei in der Stromquelle (33) die Erzeugung eines in Richtung der Masse (6) fließenden Stromes erfolgt.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichsignalanteil des Messsignals über einen zweiten Widerstand (18) mit dem invertierenden Eingang (20) des zweiten Verstärkers (21) verbunden ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang (2) des Messverstärkers (3) zusätzlich über einen dritten Widerstand (9), der der gewünschten Eingangsimpedanz des Messverstärkers (2) entspricht, an Masse (6) geschaltet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zum Subtrahieren im Messverstärker (3) integriert ist, indem der invertierende Eingang (31) des Messverstärkers (3) mit dem Ausgang (29) des zweiten Verstärkers (21) verbunden ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zum Subtrahieren ein erstes Subtrahier-Glied (41) ist, dessen nicht-invertierender Eingang über einen ersten Analog-Digital-Wandler (27) mit dem Ausgang (32) des Messverstärkers (3) und dessen invertierender Eingang über einen zweiten Analog-Digital-Wandler (36) mit dem Ausgang (29) des zweiten Verstärkers (21) verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Analog-Digital-Wandler (36) eine höhere Genauigkeit als der erste Analog-Digital-Wandler (37) aufweist.
Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Analog-Digital-Wandler (37) und dem ersten Subtrahier-Glied (41) eine Einheit (38) zum Entfernen eines Mittelwerts aus einem Ausgangssignals des ersten Analog-Digital-Wandlers (37) geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (38) zum Entfernen des Mittelwerts ein digitales Mittelungsfilter (39) und ein zweites Subtrahier-Glied (40) enthält.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Eingang (31) des Messverstärkers (3) an Masse (6) geschaltet ist.
Messgerät mit mindestens einem Eingangs-Anschluss, wobei jeder Eingangs-Anschluss einem Messsignal-Anschluss (15) einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zugeführt ist.
Messtastkopf mit einer Messstastspitze, welche mit einem Messsignal-Anschluss (15) einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verbunden ist.