DE1804366A1 - Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion - Google Patents

Description

Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion mit zwei als Differential verstärker ausgeführten Operationsverstärkern.

Betragsfunktionsgeneratoren werden auf vielen technischen Gebieten verwendet, z.B. bei der Prozeßsteuerung, in der Analogrechentechnik und auf Gebieten, in denen Hybrid-Rechner zum Einsatz kommen, z. B. bei der Zeichenerkennung usw. Mit den steigenden Anforderungen auf diesen Anwendungsgebieten steigen auch die schaltungstechnischen Anforderungen nach besserer Lineartität, grösserer Genauigkeit und besserem Frequenzgang, was insbesondere bei hohen Frequenzen Schwierigkeiten mit sich bringt. Es sind die genannten erhöhten Anforderungen, die die vorliegende verbesserte erfindungsgemässe Schaltung erfüllt.

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Es sind bereits viele derartige Schaltungsanordnungen zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion vorgeschlagen worden, z. B. in der älteren Anmeldung P 17 74 527. 6; Karl Steinbuch, Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung .1962, Seite 1195 und W. Giloi/R. Lauber, Analogrechnen, 1963, Seite 207. Dar grösste Teil dieser B etr ag sfunktions generator en besitzt entweder Summier stufen, in deiae.n die Signale entgegengesetzter Polarität aufsummiert werden, oder es sind entgegengesetzt gepolte Dioden vorgesehen, über die die Signale einer Polarität einein ersten Operationsverstärker mit einem Verstärkungsfaktor von + 1 und die Signale der entgegengesetzten Polarität einenizweiten Operationsverstärker mit dem Verstärkungsfaktor von -1 zugeführt werden. Hinsichtlich der obengenannten schaltungstechnischen Anforderungen sind diese Schaltungen jedoch unzureichend.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Betragsfunktionsgenerator anzugeben, der einen sehr hohen Genauigkeitsgrad, sehr gute Linearität und einen sehr grossen Frequenzbereich aufweist. Gelbst wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanoi'd-aung, die durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet ist: a) Ein erster Operationsverstärker besitzt zwei

parallele, je die Reihenschaltung eines Widerstandes mit einer Diode enthaltende Rückkopplungszweige;

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b) die Dioden sind entgegengesetzt gepolt und mit je einem ihrer Anschlüsse mit der Ausgangsklemme des ersten Operationsverstärkers verbunden;

c) die Verbindungspunkte von Diode und Widerstand im jeweiligen Ruckkopplungszweig sind mit den beiden Eingangsklemmen des zweiten Operationsverstärkers gekoppelt, an dessen Ausgangsklemme die Ausgangsspannung der Schaltung zur Verfügung steht.

Nach einem, weiteren Merkmal der Erfindung ist der Betrag der Verstärkungsfaktoren beider Operationsverstärker gleich 1, wobei das Vorzeichen des Verstärkungsfaktors des ersten Operationsverstärkers fest ist, während es beim zweiten Operationsverstärker davon abhängt, ■welcher der beiden Eingangsklemmen das Signal zugeführt. Um bei der direkten Gleichspannungskopplung Gleichspanmmgsfehler weitgehend auszuschliessen, ist es von Vorteil, wenn die Strom-Spannungskennlinien beider Dioden im Rückkopplungszweig möglichst übereinstimmen. Die Gleichspannungsverschiebungen der Operationsverstärker können durch zusätzliche Spannungsteiler sehr genau kompensiert werden.

Bei einer gemäss der Erfindung ausgeführten Schaltung wird das bipolare Einga.igs signal auf einen ersten Operationsverstärker mit en 9-66-020 90 9 8 25/1032

einem durch Gegenkopplung eingestellten Verstärkungsfaktor von -1 gegeben. Das Gegenkopplungsnetzwerk enthält einen ersten Zweig mit der Serienschaltung einer Diode und eines Widerstandes und einen zweiten Zweig mit der Serienschaltung einer entgegengesetzt gepolten Diode und ebenfalls einem Widerstand. Jeweils ein Anschluss jeder Diode ist direkt mit der Ausgangsklemme des Verstärkers verbunden. Die entgegengesetzten Diodenanschlüss'e sind mit dem invertierenden bzw. nicht-invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers gekoppelt. Dieser Verstärker besitzt einen durch Gegenkopplung eingestellten Verstärkungsfaktor von +1 oder -1, je nactudem, welche der beiden Dioden leitend ist.

Es wäre wünschenswert, das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers direkt dem einen oder dem anderen Eingang des zweiten Verstärkers zuzuführen, und zwar in Abhängigkeit von der Polarität des Aus gangs signale s des ersten Verstärkers., z. B. durch ein theoretisch denkbares Bauelement mit dem Widerstand 0, das jedoch

g polaritätsempfindlich ist. In einer praktischen Schaltung jedoch muss diese Kopplung über konkrete Elemente geschehen, z.B. Dioden, die zwar ρolaritätsempfindlich sind, jedoch, einen Spannungsabfall im Leitzustand verursachen. Dementsprechend verursachen die Dioden einen Gleichspannungsfehler bezüglich des Massepotentials als* Vergleichsspannung. -Die Grosse dieses Fehlers ist-jedoch im wesentlichen gleich dem Spannungsabfall über der leitenden Diode en 9-66-020 90 9 8 25/1032

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geteilt durch den Verstärkungsfaktor des nicht gegengekoppelten ersten Verstärkers. Wählt man einen Verstärker mit sehr hohem Verstärkungsfaktor aus, z.B. 50 000 bis Unendlich, können diese durch die Dioden bedingten Gleichspannungsfehler äußerst klein gehalten werden.

Um einen hgrhen Genauigkeitsgrad zu erreichen, wird man einen Operationsverstärker aussuchen, der nur einen sehr kleinen inneren Gleichspannungsfehler aufweist, oder man wird durch einen zusätzlichen Korrekturkreis diesen Gleichspannungsfehler kompensieren. In dem gewählten Ausführungsbeispiel besitzen die beiden Dioden sehr genau übereinstimmende Strom-Spannungskenii*inien. Der Gleichspannungsfehler am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers ist im wesentlichen gleich der Potentialdifferenz der Diodenfinfolge ihrer Nichtgleichheitjgeteilt durch den Verstärkungsfaktor des ersten Operationsverstärkers ohne Gegenkopplung, wobei weiterhin vorausgesetzt ist, daß der Gleichspannungsfehler des zweiten Verstärkers 0 ist. Kleine Gleichspannungsfehler, verursacht durch die Nichtgleichheit der Dioden oder durch einen inneren Gleichspannungsfehler des zweiten Verstärkers können durch eine zusätzliche Spannungskorrekturschaltung am Eingang des zweiten Verstärkers" kompensiert werden. Das Verstärkungsfaktor/Bandbreite-Verhältnis des zweiten Operationsverstärkers sollte genaue ogut wie das des ersten Operationsveren 9-66-020 909825/1032 "

stärkers sein. In typischen Fällen werden beide Verstärker im wesentlichen identisch zueinander sein, d.h. einen Verstärkungsfaktor ohne Gegenkopplung von etwa 50 000 und einen Frequenzbereich von etwa 10 MHZ besitzen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen aus der folgenden Beschreibung eines Attsführungsbeispieles, das anhand der Zeichnung erklärt wird, hervorgehen.

Der verbesserte, in der Zeichnung dargestellte Funktionsgenerator besteht aus den Verstärkern 1 und 2. Über den Widerstand R5 werden bipolare Signale von einer Quelle 3 auf den invertierenden Eingang 4 des Verstärkers 1 geführt. Die Verstärker sind vorzugsweise als aus der Analogtechnik her bekannte Operationsverstärker ausgeführt, die durch einen sehr hohen Eingangswiderstand, einen hohen Verstärkungsfaktor, möglichst kleine Gleichspannungsverschiebung und einem hohen Frequenzbereich gekennzeichnet sind.

Ein erster Gegenkopplungszweig besteht aus einer Diode 6 und einem Widerstand R7, die zwischen die Ausgangsklemme 8 Und die Eingangsklemme 4 des Verstärkers geschaltet sind. Ein zweiter Gegenkopplungszweig besteht aus der Diode 9 und'dem Widerstand RIO, die ebenfalls zwischen die Klemmen 8 ürt'd 4 eilige-schaltet sind.

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Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R7 und der Diode R6 ist mit dem invertierenden Eingang 15 des Verstärkers 2 über den Teilwiderstand RIl des Potentiometers 16 verbunden, der andere Teilwiderstand Rl2 des Potentiometers bildet den Gegenkopplung s zweig des Verstärkers 2.

Der Verbindungspunkt zwischen der Diode 9 und dem. Widerstand RIO ist mit dem nicht-invertierenden Eingang 17 des Verstärkers 2 über den Teilwiderstand R13 des Potentiometers 18 verbunden, während der andere Teilwiderstand R14 an Massepotential angeschlossen ist.

Die Potentiometer 16 und 18 dienen dazu, die Verstärkung des Verstärkers 2 auf -1 oder +1 für positive bzw. negative Eingangssignale an der Klemme 4 einzustellen. Ein Widerstand R19 ist zwischen die Klemmen 15 und Masse als Rückkopplungswiderstand zum in Reihe ^

liegenden Eingangs wider stand geschaltet und bewirkt, daß der Verstärkungsfaktor für negative Eingangs signale an der Klemme 4 gleich 1 ist. Bei genauer EinsteÄing des Potentiometers 16 ist der Betrag der Aus gangs spannung E2 gleich dem Betrag der Eingangs spannung El für positive Signale; entsprechend ist bei genauer Einstellung des Potentiometers 18 der Betrag der Aus gangs spannung E2 gleich dem. Betrag der Eingangs spannung El für den Fall negativer Eingangssignale. Für manche Anwendungsfälle kann es besser sein, statt der Verwendung der Potentiometer 16 und 18 sorgfältig ausgesuchte en 9-66-020 9 0 9 825/1032

Präzisionswider stände zu benutzen.

Bei positiver Eingangs spannung El ist lediglich die Diode 6 in Durchlassrichtung vorgespannt, und das Eingangssignal wird in beiden Verstärkern invertiert, so daß die Aus gangs spannung E2 wiederum positiv wird. Ist jedoch die Eingangs spannung El

™ negativ, ist lediglich die Diode 9 in Durchlassrichtung vorgespannt,

so daß das Eingangssignal nur durch den Verstärker 1 invertiert wird, am Ausgang also wiederum ein positives Ausgangssignal E2 entsteht.

Für die Verstärkung dieser Schaltung gilt :

^{E2 = E1} (sr) (-Sr)

für positive Eingangs signale und

R12 (R7+R11+R19)

E2 = -El h

-J

R19 (R7 + RIl) für negative Eingangs signale.

Für beide Gleichungen wurde vorausgesetzt, daß die Verstärker keine Gleichspannungs verschiebung verursachen und daß die von den Dioden 6 und 9 hervorgerufene GleichspannungsverSchiebung

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vernachlässigbar klein ist.

Für den Fall, daß der Verstärker 1 keine Gleichspannungsverschiebung hervorruft, ist die Eingangsklemme 20 des nicht-invertierenden Einganges an Massepotential gelegt. Für den Fall, daß ein Verstärker verwandt wird, für den diese Voraussetzungen nicht zutreffen, wird die Klemme 20 vorzugsweise mit einem Korrekturnetzwerk, bestehend aus den Widerständen R21 und R22 sowie dem Potentiometer 23 verbunden. Der Abgriff des Potentiometers 23 wird so eingestellt, daß bei einer Eingangs spannung 0 auch die Aus gang s spannung 0 auftritt. Ein entsprechendes Gleichspannung-Korrekturnetzwerk, bestehend aus den Widerständen R26, R27 und dem Potentiometer 28 kann mit der Eingangsklemme 15 verbunden werden, wenn auch für den Verstärker 2 diese Korrektur notwendig ist.

Die folgende Tabelle zeigt die Dimensonierung eines praktisch ausgeführten Schaltungsbeispiels.
Widerstände Wert in K-OHM

R5.R7.R10	10
Rll,R12,Rli,R14	1
R 19	ι, ι
R21,R22	1
R26, R27	100
Ii (Potentiometer)	0,2
ZH (Potentiometer)	2

Ks soll noch betont werden, daß eine Polaritataänderung dea Aus-

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gangssignales E2 erreicht werden kann, indem man lediglich die Dioden 6 und 9 umpolt.

Weiterhin kann es erwünscht sein, das Eingangssignal El auf
den nicht invertierenden Eingang 20 des Verstärkers 1 zu geben. In diesem Fall wird der Widerstand R5 weggelassen, man muss jedoch sehr sorgfältig darauf achten, einen Verstärker mit sehr hohem Eingangs wider stand zu verwenden, um einen Verstärkungsfaktor von 1 zu erreichen.

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion mit zwei als Differentialverstärker ausgeführten Operationsverstärkern, gekennzeichnetdurch die Kombination folgender Merkmale

a) ein erster Operationsverstärker (l) besitzt zwei parallele, je die Reihenschaltung eines "Widerstandes mit einer Diode (R7,6;R10, 9) enthaltende Rückkopplungszweige;

b) die Dioden (6, 9) sind entgegengesetzt gepolt und mit je einem ihrer Anschlüsse mit der Ausgangsklemme (8) des ersten Operationsverstärkers (1) verbunden;

c) die Verbindungspunkte von Diode und Widerstand im jeweiligen Rückkopplungszweig sind mit den beiden Eingangsquellen (15, 17) des zweiten Operationsverstärkers (2) gekoppelt, an dessen Ausgangsklemme die Ausgangs spannung (E2) der Schaltung zur Verfügung steht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Betrag der Verstärkungsfaktoren beider Operationsverstärker gleich eins ist, wobei das Vorzeichen des Verstärkungsfaktors des ersten Operationsverstärkers fest ist, während es beim zweiten Operationsverstärker davon abhängt, welcher der

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beiden Eingangsklemmen das Signal zugeführt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl die Strom-Spannungskennlinien beider Dioden, (6,9) im iltlckkopplungs zweig möglichst Übereinstimmen, und dafl nur Kompensation der Gleichspannung* verschiebung der ' Operationsverstärker zusätzliche Spannungsteiler (23, 28) vorgesehen sind. .

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