DE2620282A1

DE2620282A1 - Nichtlinearer gleichspannungsverstaerker fuer messzwecke

Info

Publication number: DE2620282A1
Application number: DE19762620282
Authority: DE
Inventors: Kurt Brolde
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1976-05-07
Filing date: 1976-05-07
Publication date: 1977-11-10
Also published as: GB1575556A; JPS6128084B2; CH615504A5; US4147989A; DE2620282B2; FR2350730B1; SE7705316L; IT1075099B; JPS52154653A; DE2620282C3; NL7704982A; FR2350730A1

Description

Patentanwälte

Dlpl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. 2620 282

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Endress u. Hauser GmbH u. Co. 5. Mai 1976

Hauptstraße 1

7867 Maulburg

Unser Zeichen: E 868

Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker für Meßzwecke

Die Erfindung bezieht sich auf einen niqhtlinearen Gleichspannungsverstärker für Meßzwecke, mit einem an einen Meßwandler angeschlossenen Hauptverstärker, dessen Gesamtverstärkung durch einen oaer mehrere nichtlinear ausgebildete Operationsverstärkerglieder bestimmt ist, deren Ausgänge jeweils über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden sind und deren Einsatzpunkte von unterschiedlichen Werten der Meßgröße abhängen.

Meßwandler, die zur Umsetzung einer beliebigen physikalischen Meßgröße in ein elektrisches Signal (Spannung, Strom) verwendet v/erden, sind in den meisten Fällen nicht linear;, d.h., daß das abgegebene elektrische Signal der Meßgröße

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Lei/Gl

nicht proportional ist. Der Zusammenhang zwischen der Meßgröße und dem vom Meßwandler gelieferten elektrischen Signal wird durch die Eichkurve des Meßwandlers ausgedrückt. Dies© Sichkurve ist für die verschiedenen Arten von Meßwandlern verschieden. Auch bei Meßwandlern gleicher Art unterscheiden sich die Eichkurven infolge der unvermeidlichen Exemplarstreuungen durch exemplarspezifische Offset-Faktoren und/oder Empfindlichkeitsfaktoren. Für viele Anwendungen, beispielsweise für die Anzeige der Meßgröße auf einem linearen Anzeigegerät, muß eine Proportionalität zwischen dem physikalischen Meßwert und dem elektrischen Signal vorhanden sein. Es ist bekannt, zu diesem Zweck dem Meßwandler einen nichtlinearen Gleichspannungsverstärker nachzuschalten, dessen Kennlinie zu der Eichkurve genau invers ist (Umkehr- oder Spiegelfunktion).

Zu diesem Zweck können nichtlineare Gleichspannungsverstärker der eingang angegebenen Art verwendet werden, die beispielsweise aus dem "Handbook and Catalog of Operational Amplifiers" der Burr-Brown Research Corporation, 1969, Seite 48, sowie aus der Zeitschrift "Internationale elektronische Rundschau" 1970, Nr. 10, Seiten 265 bis 269, insbesondere Bild 8 auf Seite 267, bekannt sind und auch als nichtlineare Funktionsgeneratoren bezeichnet werden. Die Wirkungsweise dieser nichtlinearen Gleichspannungsverstärker beruht darauf, daß die gewünschte nichtlineare Verstärkungskennlinie duroh lineare Teilstücke angenähert wird, wobei die Kniokpunkte den Einsatzpunkten der nichtlinear ausgebildeten Operationsverstärkerglieder entsprechen. Bei diesen bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärkern sind die invertierenden Eingänge der Operationsverstärkerglieder, die als Präzisionsgleichrichter geschaltet

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sind und daher das Verhalten einer idealen Diode zeigen, mit den Abgriffen von Spannungsteilern verbunden, die parallel zueinander zwischen einer Eingangsklemme und einem Bezugspotential angeschlossen sind. Die Spannungsteilerverhältnisse der Spannungsteiler sind verschieden. Wenn das Ausgangssignal des Meßwandlers an den Signaleingang gelegt wird, werden die Operationsverstärkerglieder, je nach dem Spannungsteilerverhältnis, bei verschiedenen Werten des Eingangssignals durchlässig, so daß sie einen vom Summierwiderstand abhängigen Strom zum Summierpunkt am Verstärkereingang liefern. Dadurch wird die Verstärkungskennlinie des durch einen gegengekoppelten Operationsverstärker gebildeten Hauptverstärkers bestimmt.

Wenn diese bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärker für die linearisierung der Eichkurven von Meßwandlern verwendet werden, sind die Einsatzpunkte der nichtlinearen Operationsverstärkerglieder und damit die Knickpunkte der Verstärkerkennlinie durch bestimmte Werte des Ausgangssignals des Meßwandlers festgelegt, das in einer nichtlinearen Beziehung zur H^Bgröße steht₀ Wenn somit die Eichkurve eines bestimmten Wandlers durch einen Offset-Jaktor verfälscht ist, ist auch die auf die Meßgröße bezogene Verstärkerkennlinie verfälscht. Eine Offset-Korrektur duroh einfache Verschiebung der Verstärkerkennlinie ist daher nicht möglich.

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In gleicher Weise äußern sich, auch Offset- und Verstärkungsänderungen, die durch elektrische Bauelemente des nichtlinearen GIeiohspannungsverstärkers selbst verursacht werden.

Die vorstehend geschilderten Nachteile treten umso mehr in Erscheinung, je stärker die Eichkurve und damit die dazu inverse Verstärkerkennlinie gekrümmt sind. Die Ausbildung der nichtlinearen Verstärker erfordert dann einen sorgfältigen individuellen Abgleich zur Anpassung an den jeweiligen Meßwandler.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers der eingangs angegebenen Art, der eine exakte Annäherung auch an stark gekrümmte Kennlinien und eine einfache Anpassung an unterschiedliche Meßwandler ermöglicht.

Mach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeweils ein Eingang jedes Operationsverstärkerglieds mit einem Abgriff eines Widerstands-Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an eine Referenzspannung gelegten Schaltungspunkt angeschlossen ist.

Bei dem nach der Erfindung ausgebildeten nichtlinearen Gleichspannungsverstärker sind die Einsatzpunkte der Operationsverstärkerglieder nicht durch das Ausgangssignal des Meßwandlers bestimmt, sondern durch das Ausgangssignal des Hauptverstärkers, das bereits einen weitgehend linearen Zusammenhang mit der Meßgröße zeigt. Dadurch ergibt sich insbesondere bei der Realisierung von starken Kennlinienkrümmungen der Vorteil, daß durch elektronische Bauelemente verursachte Offset- und Verstärkungsänderungen in den niohtlinearen Operationsverstärkern

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einen wesentlich, geringeren Fehler am Ausgang äes Hauptverstärkers erzeugen als bei den bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärkern. Dadurch, daß die Einsatzpunkte der nichtlinearen Operationsverstärkerglieder von der Ausgangsspannung des Hauptverstärkers abhängen, die bereits einen auf die Meßgröße bezogenen entgegengesetzten Verlauf zur Eichkurve hat, beziehen sich auch die Referenzspannungen für die nichtlinearen Operationsverstärkerglieder immer auf die Meßgröße. Es kann somit eine durch einen Offset-Paktor verfälschte Eichkurve ohne Umstellen der Referenzspannungen linearisiert werden, indem ein dem Offset-Faktor entsprechender Offset-Strom dem Summierpunkt am Eingang der Hauptverstärkerkette zugeführt wird. Diese Maßnahme hat eine einfache Parallelverschiebung der Verstärkerkennlinie zur Folge.

Vorzugsweise ist der Hauptverstärker so ausgebildet, daß sich sein Ausgangssignal gleichsinnig mit seinem Eingangssignal ändert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Hauptverstärker zwei Operationsverstärker enthält, daß der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers den Eingang des Hauptverstärkers bildet, daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers den Ausgang des Hauptverstärkers bildet, und daß der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß für wenigstens einen Seil der Operationsverstärkerglieder jeweils ein eigener Spannungsteiler vorgesehen ist, an dessen Abgriff der invertierende Eingang des

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Operationsverstärkers angeschlossen ist, und daß die Spannungsteiler zueinander parallel zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und Schaltungspunkten mit unterschiedlichen Refsi-anzspannungen angeschlossen sind.

Diese Ausbildung ergibt eine Verstärkerkennlinie mit abnehmender Steigung. Dabei ist vorzugsweise jedes Operationsverstärkerglied als Präzisionsgleichrichter geschaltet, und die Referenzspannung jedes Spannungsteilers ist vorzugsweise einstellbar.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß für wenigstens einen Teil der Operationsverstärkerglieder ein zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an der Referenzspannung liegenden Schaltungspunkt angeschlossener Spannungsteiler mit mehreren gestaffelten Abgriffen vorgesehen ist, und daß die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärkerglieder an die Abgriffe des Spannungsteilers angeschlossen sind.

Diese Ausbildung ergibt eine Verstärkerkennlinie mit zunehmender Steigung.

Die beiden Maßnahmen können auch gleichzeitig angewendet werden, wodurch es möglich ist, Verstärkerkennlinien mit Wendepunkten zu erhalten.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß in jeder Verbindung zwischen dem Ausgang eines Operationsverstärkerglieds und dem Eingang des Hauptverstärkers eine Halbleiterdiode liegt. Dadurch wird eine Verrundung der Knickpunkte der Verstärkerkennlinie erzielt.

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Die Verstärkungsänderung des Hauptverstärkers kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auf einfache Weise dadurch geschehen, daß mit dem Ausgang des HauptVerstärkers der invertierende Eingang eines linearen Operationsverstärkerglieds verbunden ist, an dessen Ausgang ein Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung "besteht darin, daß an den Ausgang jedes Operationsverstärkerglieds wenigstens ein Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Abgriff über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des-Hauptverstärkers verbunden ist. Dadurch ergibt sich eine weitere Möglichkeit zur Einstellung der Verstärkerkennlinie.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile machen es insbeson^ dere möglich, den nichtlinearen Gleichspannungsverstärker so auszugestalten, daß er auf verschiedene voreingestellte nichtlineare Kennlinien umschaltbar ist. Dies kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung äse Erfindungsgegenstandes dadurch erfolgen, daß an den Ausgang jedes Operationsver— Stärkerglieds mehrere Spannungsteiler parallel angeschlossen sind, daß mit dem Abgriff jedes Spannungsteilers jeweils die eine Klemme eines Summierwiderstandes verbunden ist, daß die anderen Klemmen der Summierwiderstände gruppenweise zusammengeschaltet sind, und daß der Verbindungspunkt jeder Gruppe über einen Schalter mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist. Die Schalter sind dabei vorzugsweise durch Halbleiterschaltungselemente, beispielsweise Feldeffekttransistoren gebildet.

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Weitere Merkmale und Torteile der Erfindung ergeben sich, aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine erste Ausführungsform des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers nach der Erfindung,

Pig. 2 die Verstärkerkennlinie des Verstärkers von Pig. 1,

Pig. 3 eine andere Ausfuhrungsform des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers nach der Erfindung,

Pig. 4 die Verstärkerkennlinie des Verstärkers von Pig. 3,

Pig. 5 einen nach der Erfindung ausgebildeten nichtlinearen Gleichspannungsverstärker, bei dem die Ausführungsformen von Pig. 1 und 3 vereinigt sind,

Pig. 6 Beispiele möglicher Verstärkerkennlinien des Verstärkers von Pig. 5 und

Pig. 7 und 8 verschiedene Kennliniendiagramrae zur Erläuterung der mit der Erfindung erzielten vorteilhaften Wirkungen.

Der in Pig. 1 dargestellte nichtlineare Gleichspannungsverstärker enthält einen Hauptverstärker 10, der aus zwei in Kaskade geschalteten Operationsverstärkern 11 und 12 gebildet ist. Von der äußeren Besohaltung der Operationsverstärker ist jeweils nur der Rückführungswiderstand 13 bzw. 14 dargestellt, der den Ausgang des Operationsverstärkers mit dem invertierenden Eingang verbindet. Der nichtinvertierende Eingang jedes der beiden Operationsverstärker ist an Masse gelegt₀ Ferner ist der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 11 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 12 über einen

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Widerstand 15 verbunden. Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 11 ist über einen Widerstand mit der Eingangsklemme 17 verbunden, an die das Ausgangssignal des Meßwandlers angelegt ist, das durch den nichtlinearen Gleichspannungsverstärker linearisiert werden soll. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 12 ist mit der Ausgangsklemme 18 der Schaltung verbunden.

Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 11 stellt somit den Eingang 19 des Hauptverstärkers dar, und der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 12 bildet den Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10.

Der Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 ist mit seinem Eingang 19 über eine Anzahl von parallelen Schaltungszweigen A.J ... A verbunden, von denen in Pig. 1 nur der erste Schaltungszweig A.J und der letzte Schaltungszweig A dargestellt sind. Diese Sohaltungszweige haben alle den gleichen Aufbau; es wird daher nur der Aufbau des Schaltungszweigs A^ beschrieben. Dieser Schaltungszweig enthält ein nichtlineares Operationsverstärkerglied, bestehend aus einem Operationsverstärker 21 mit einer äußeren Beschaltung, die dem Operationsverstärkerglied ein nichtlineares Verhalten erteilt. Zu dieser äußeren Beschaltung gehören zwei Dioden 22 und 23, von denen die Diode 22 den Ausgang des Operationsverstärkers 21 mit seinem invertierenden Eingang verbindet, während die Diode 23 in Serie mit dem Rückführungswiderstand im Rückführungskreis liegt, der vom Ausgang des Operationsverstärkers zum invertierenden Eingang führt. Diese Schaltung stellt einen sogenannten Präzisionsgleichrichter dar, der das Verhalten einer idealen Diode zeigt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 21 liegt an Masse. Der invertierende Eingang ist einerseits über einen Widerstand 25 mit der Ausgangsklemme 20 des Hauptverstärkers 10 verbunden, und andererseits über einen Widerstand 26 mit einem Schaltungspunkt 27, der an einer

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negativen Referenzspannung -U_{Ref 1} liegt. Die Widerstände urd 26 "bilden somit einen Spannungsteiler, der zwischen dem Ausgang 20 des HauptVerstärkers 10 und dem an der negativen Referenzspannung liegenden Schaltungspunkt 27 angeschlossen ist und dessen Abgriff mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 21 verbunden ist.

Der Ausgang des nictitlinearen Operationsverstärkerglieds, der durch, den Verbindungspunkt zwischen dem Rückführungswiderstand 24- und der Diode 23 gebildet ist, ist über einen Summierwiderstand 28 mit dem Eingang 19 des Hauptverstärkers 10 verbunden. Dieser Eingang, an dem die Summierwiderstände aller Schaltungszweige sowie der Widerstand zusammengeführt sind, bildet somit einen Summierpunkt für die dem Hauptverstärker 10 zugefühx_uen Ströme.

Mit diesem Summierpunkt 19 ist auch der Abgriff eines einstellbaren Spannungsteiler 29, der an einer Gleichspannung Ur^f ₀ ÜQgt» über einen weiteren Summierwiderstand 30 verbunden.

Die die nichtlinearen Operationsverstärkerglieder enthaltenden Schaltungszweige A^..A liegen also zueinander parallel zwischen dem Ausgang 20 und dem Eingang 19 des Hauptverstärkers 10. Infolge des Aufbaus des Hauptverstärkers aus zwei in Kaskade geschalteten Operationsverstärkern ändert sich das Signal am Ausgang 20 gleichsinnig mit dem dem Eingang 19 zugeführten Signal. Es wird angenommen, daß die Eingangs spannung IT nur positive Vierte annimmt, so daß auch die Ausgangsspannung U stets positiv ist.

Die Wirkungsweise dieses nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers soll anhand von Eig. 2 erläutert werden, welche die Verstärkerkennlinie, d.h. den Verlauf der Ausgangsspannung IT als Punktion der Eingangsspannung U_ zeigt.

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Die an die Klemmen 27 der verschiedenen Schaltungszweige ■*"1 '""^n ^anSQ-l-6gt6^ Referenzspannungen U_R - .. ... Ut, sind alle negativ, so daß die sich wie ideale Dioden verhaltenden nichtlinearen Operationsverstärkerglieder aller Schaltungszweige gesperrt sind, wenn die Ausgangsspannung U₀ den ¥ert Null hat. Im Kennliniendiagramm von Pig. 2 ist angenommen, daß dies für den Wert Null der Eingangsspannung U der Pail ist.

Im Anfangszustand sind daher alle Schaltungszweige A₁ ... A unterbrochen und somit für die Punktion des Verstärkers unwirksam. Wenn die Eingangsspannung U₀ vom Wert Null in positiver Richtung ansteigt, ändert sich die Ausgangsspannung U_n dazu proportional entsprechend dem Segment I der Kennlinie von Pig. 2, dessen Steigung durch den Widerstand 16 in Verbindung mit dem inneren Aufbau des Hauptverstärkers 10 bestimmt ist«,

Wenn die Ausgangsspannung U_& einen bestimmten Wert U_&1 erreicht, der von den Werten der Widerstände 25, 26 des Schaltungszweigs A₁ und der an die Klemme 27 dieses Schaltungszweigs angelegten Referenzspannung ~U_Ref1 abhängt, beginnt das nichtlineare Operationsverstärkerglied dieses Schaltungszweigs stromführend zu werden, so daß es über den Summierwiderstand 28 einen Strom in den Summierpunkt 19 einzuspeisen beginnt. Dadurch ändert sich die Steigung der Verstärkerkennlinie, so daß der weitere Anstieg der Ausgangsspannung U_ entsprechend dem Segment II der Verstärkerkennlinie erfolgt.

Wenn die Ausgangsspannung U einen Wert U₂ erreicht, wird ein weiterer Schaltungszweig stromführend, und die Steigung der Verstärkerkennlinie entspricht nun dem Segment III von Fig. 2«

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Auf diese Weise kann eine Verstärkerkennlinie mit η Knickpunkten erhalten werden, die den gevränschten Verlauf angenähert wiedergibt. Die Knickpunkte sind durch die Bemessung der Widerstände 25» 26 und die Einstellung der Referenzspannungen Up_e£ .j ·«. U_R £ der verschiedenen Schaltungszweige A₁ ... A wählbar, und die Steigungen der verschiedenen Segmente der Verstärkerkennlinie sind durch die Vierte der Widerstände 24, 25 und der Summierwiderstände 28 einstellbar, so daß mit der dargestellten Schaltung jeder beliebige Kennlinienverlauf angenähert werden kann, mit der Einschränkung, daß nur eine abfallende Steigung möglich ist, wie in Pig. 2 gezeigt ist.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit Pig. 2 zu erkennen ist, zeigt diese Schaltung die wesentliche Eigenschaft, daß die lage der Knickpunkte der Kennlinie nur von bestimmten Werten der Ausgangsspannung U abhängig sind, unabhängig von den Werten der Eingangsspannung U-, bei denen diese Vierte der Ausgangsspannung IJ

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erhalten werden.

Die dadurch erzielte vorteilhafte Wirkung soll anhand der Figuren 7 und 8 erläutert werden.

Das Diagramm von Fig. 7 zeigt die Eichkurve a eines Meßwandlers, also die Ausgangsspannung des Meßwandlers als Punktion der Meßgröße M. Diese Spannung bildet zugleich die Eingangsspannung U_Q des nichtlinearen Gleichspannungs-Verstärkers. Diese Eichkurve ist gekrümmt; die Spannung U steht also in keinem linearen Verhältnis zu der Meßgröße M. Damit eine in Abhängigkeit von der Meßgröße M lineare Spannung erhalten wird, muß der dem Meßwandler naohgesohaltete Gleichspannungsverstärker eine Verstärkerkennlinie haben, wie sie bei c in Pig· δ dargestellt ist ; diese

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Kennlinie ist die Umkehr- oder Spiegelfunktion zu der Eiohkurve a. Diese Kennlinie kann in der zuvor geschilderten Weise näherungsweise durch Einstellung der Knickpunkte und Steigungen der Verstärkerkennlinie der Schaltungsanordnung von Pig. 1 erhalten werden.

Es sei nun angenommen, daß der Verstärker an einen Meßwandler angeschlossen ist, der eine Eichkurve hat, die der Kurve b von Pig. 7 entspricht. Diese Kurve entspricht einer Parallelverschiebung der Kurve a um einen konstanten Betrag (Offset-Paktor) in der Ordinatenrichtung. Die Ausgangsspannung des Meßwandlers hat dann im Nullpunkt der Meßgröße nicht den Wert Full, sondern einen Wert Uq. Um diesen Offset-Paktor in der Ausgangsspannunt U zu besei-

et

tigen, so daß diese für den Meßwert Null ebenfalls den Wert Null annimmt, muß die Verstärkerkennlinie von Pig. 8 parallel zu sich selbst verschoben werden, wie durch die Pfeile angedeutet ist.

Diese Parallelverschiebung kann bei der Schaltung von Pig. einfach durch entsprechende Einstellung des Potentiometers erfolgen, so daß dieses zum Summierpunkt 19 einen Offset-Strom liefert, der den Anfangspunkt der Kennlinie in den Punkt TJ₀ verschiebt. Infolge der zuvor geschilderten Tatsache, daß die Knickpunkte der Kennlinie nicht von den Werten der Eingangsspannung Ü_Q, sondern von den Werten der Ausgangsspannung Ü_Q abhängen, behält die Kennlinie

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bei dieser Verschiebung ihre Porm unverändert bei, so daß der lineare Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung ΙΤ_& und der Meßgröße erhalten bleibt.

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Pig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers zur Erzielung einer Verstärkerkennlinie mit zunehmender Steigung, wie sie in Pig. 4 gezeigt ist.

Die Ausbildung des Hauptverstärkers 10 mit den Operationsverstärkern 11, 12 und den Widerständen 13, 14, 15, die Verbindung des Hauptverstärkers 10 mit der Eingangsklemme über den Widerstand 16 und mit der Ausgangsklemme 18 sowie die Schaltung 29,30 zur Offset-Kompensation sind gegenüber der Schaltungsanordnung von Pig. 1 unverändert beibehalten. Dagegen unterscheidet sich die Schaltung von Pig. 3 von derjenigen von Pig. 1 hinsichtlich der Ausbildung der die nichtlinearen Operationsverstärkerglieder enthaltenden Schaltungszweige B₁ ... B , von denen nur der erste Schaltungszweig B₁ und der letzte Schaltungszweig B_n dargestellt sind.

Da diese Schaltungszweige den gleichen Aufbau haben, wird wieder nur die Ausbildung des Schaltungszweiges B₁ beschrieben. Er enthält einen Operationsverstärker 31, der durch die äußere Beschaltung nichtlinear ausgebildet ist. Zu diesem Zweck ist dem Operationsverstärker eine Diode 32 nachgeschaltet, die in Reihe mit dem Rückführungswider stand 33 in dem zum invertierenden Eingang des

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Verstärkers führenden Rückführungskreis liegt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Rückführungswiderstand 33 und der Diode 32 bildet des Ausgang des nichtlinearen Operationsverstärkerglieds, der über den Sumraierwiderstand 34 mit dem Summierpunkt am Eingang 19 des Hauptverstärkers 10 verbunden ist.

Zwischen dem Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 und einem an einer negativen Bezugsspannung -U_Ref liegenden Klemme ist eine Spannungsteilerkette aus Widerständen R^, R₂ ··· R , R-j angeschlossen. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 31 ist mit dem ersten Abgriff P^ der Spannungsteilerkette verbunden. In gleicher Weise sind die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker der übrigen Schaltungsaweige B₂ ..· B_n mit den aufeinanderfolgenden Abgriffen ?2 ··· ^_n ^{äer s}P^annunSsteilerkette verbunden.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht vollkommen der zuvor beschriebenen Wirkungskreise der Schaltung von Fig. 1, mit dem Unterschied, daß die Steigung der aufeinanderfolgenden Segmente I, II, III ... der Verstärkerkennlinie nicht abnimmt, sondern zunimmt (Fig. 4)·

Diese Schaltung weist auch alle Vorteile auf, die zuvor anhand der Figuren 7 bis 12 erläutert worden sind; insbesondere ist es möglich, den Offset-Faktor durch entsprechende Einstellung des Potentiometers 29 ohne merkliche

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Verschlechterung der Linearität zu kompensieren und Änderungen des Empfindlichkeitsfaktors durch Einstellung der Verstärkung des Hauptverstärkers 10 zu berücksichtigen.

Pig. 5 zeigt einen niohtlinearen G-Ie ic hspannungsver stärker, bei dem die Schaltungen von Fig. 1 und Pig. 3 vereinigt sind, so daß es möglich ist, Verstärkerkennlinien mit wechselnder Steigungsrichtung und Wendepunkten zu erhalten, wie sie als Beispiel in Pig. 6 dargestellt sind.

Die Ausbildung des Hauptverstärkers 10 mit den Operationsverstärkern 11, 12 und die Verbindungen des Hauptverstärkers mit der Eingangsklemme 17 und der Ausgangsklemme 18 sind wiederum unverändert beibehalten. Die zusätzlichen Widerstände 37 und 38, welohe die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker 11, 12 mit Masse verbinden, stellen eine bekannte Maßnahme zur Verbesserung des Teraperaturverhal tens der Operationsverstärker dar.

In diesem Pail sind zwei Gruppen von Schaltungszweigeri Cj...C und D.j#..D_n vorgesehen, von denen jeweils nur der erste Sohaltungszweig Cj bzw· D^ dargestellt ist. Die Sohaltungszweige C entsprechen dem Prinzip von Pig. 1 und ergeben somit eine Verstärkerkennlinie mit fallender Steigung, wenn Bie der Reihe nach ansprechen. Die Schaitungszweige D entsprechen dem Prinzip von Pig. 3 und ergeben eine Verstärkerkennlinie mit zunehmender Steigung, wenn sie der Reihe nach ansprechen. Wenn die Ausbildung so getroffen wird, daß zunächst alle Schaltungszweige C und dann alle Schaltungszweige D der Reihe naoh anspreohen, erhält man eine Kennlinie der bei m in Pig. 6 dargestellten Art, deren Steigung zunächst abnimmt und dann naoh Durohgang durch einen Wendepunkt wieder zunimmt. Wenn umgekehrt zunächst alle Schaltungszweige D und dann alle Schaltungszweige C der Reihe nach anspreohen, hat die Verstärkerkennlinie etwa den bei η in Pig. 6 gezeigten Verlauf. Es können auch kompliziertere Formen der Verstärkerkennlinie erhalten werden.

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Die Schaltung von Fig. 5 enthält darüber hinaus eine Reihe von weiteren Maßnahmen, die das Verhalten der Schaltung verbessern und die Anwendungsmöglichkeiten der Schaltung erweitern.

Jeder Schaltungszweig C enthält, wie die Schaltungszweige A von Pig. 1, ein nichtlineares Operationsverstärkerglied, das als Präzisionsgleichrichter geschaltet ist und aus einem Operationsverstärker 41, Dioden 42 und 43 und einem den Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbindenden Rückführungswiderstand 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 dient. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 41 ist über einen das 3Je tnperatur verhalt en verbessernden Widerstand 48 mit Masse verbunden. Pur jeden der Schaltungszweige C₁ ... C_n ist natürlich ein eigenes Potentiometer zur getrennten Einstellung der zugeordneten Referenzspannung vorgesehen.

Jeder der Schaltungszweige D enthält, wie jeder Schaltungszweig B von Pig. 3, ein nichtlineares Operationsverstärkerglied mit einem Operationsverstärker 51, einer Diode 52 und einem zum invertierenden Eingang führenden Rückführungswiderstand 53. Die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker der Schaltungszweige D₁ ... D sind mit den Abgriffen P₁ ... P_n einer Spannungsteilerkette verbunden, die aus in Serie geschalteten Widerständen R₁, ^R2 ··· ^Rn+1 ^⁶⁸*⁰*¹* ^un<i zwischen dem Ausgang 20 des Haiiptverstärkers 10 und einem an einer Bezugsspannung liegenden Schaltungspunkt 55 angeschlossen ist.

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Gegenüber den Schaltungen von Fig. 1 und 3 sind bei der kombinierten Schaltung von Fig. 5 noch folgende zusätzliche Maßnahmen getroffen:

- Die Susaierwiderstände 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 eine zusätzliche Einstellraöglichkeit für die Yerstärkerkennlinie.

- In jedem Schaltungszweig sind mehrere Spannungsteiler mit angeschlossenem Suraraierwiderstand vorgesehen, und die Summierwiderstände sind zu Gruppen zusammengefaßt, die 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 nichtlinearen Verstärker auf verschiedene vorprogrammierte Verstärkerkennlinien umzuschalten« ■

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

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

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- Parallel zu den nicht line ar en Sohaltungszweigen C. ... C , D₁ ..· 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 Anpassung an unterschiedliche Empfindlichkeitsfaktoren.

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

An den Ausgang des nichtlinearen Operationsverstärkerglieds des Sohaltungszweigs Cj sind parallel mehrere einstellbare Potentiometer 60 ... 60, jeweils über eine Diode 61_a ... 61^ angeschlossen, Die Dioden 61_& ... 61_fc sind die Verrundungs-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 Verrundungsdioden. ' Der Abgriff jedes Potentiometers 60_a ... 60_fc ist mit der einen Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 63 ...63 verbunden.

In gleicher Weise sind an den Ausgang des nichtlinearen Operationsverstärkerglieds des Schaltungszweiges D₁ parallel mehrere einstellbare Potentiometer 70_& ... 70^ jeweils über eine Verrundungs-Diode 71_ft ··· 71^ angeschlossen. Die Temperaturkompensation erfolgt in diesem Fall durch eine Diode 72, die in Reihe mit dem Widerstand R₁ in der Spannungsteilerkette liegt. Der Abgriff jedes Potentiometers 70_& ... 70^ ist mit der einen Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 73_ ··· 73_V verbunden.

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Der Schaltungszweig E enthält einen linearen Operationsverstärker 81 rait einem Rückführungswiderstand 82, der seinen Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbindet, der außerdem über einen Widerstand 83 mit dem Ausgang 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 85 ... 85,

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angeschlossen, deren Abgriffe jeweils mit einer Klemme eines zugeordneten Suramierwiderstands 86„ ... 86, verbunden sind.

Schließlich sind zur Offset-Kompensation mehrere Potentiometer 29_ ... 29^ vorgesehen, deren Abgriffe jeweils mit einer Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 30 ... 30, verbunden sind.

Die Summierwiderstände 30„, 63„, 73„, 86 und die entsprechenden Summierwiderstände der übrigen Schaltungszweige C₂ ··· C_n* D₂ ··· ^_n sind zu einer Gruppe zusammengefaßt, und der Verbindungspunkt 9O„ dieser Gruppe

ist mit dem Drain-Anschluß eines Feldeffekttransistors 91 _

verbunden, dessen Source-Anschluß mit dem Summierpunkt am Verstärkereingang 19 verbunden ist, und dessen Gate-Anschluß über einen Widerstand 92_ 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 Pig. 5 nur noch für die Summierwiderstände 30, , 63_k, 73_k, 86, und den Feldeffekttransistor 91_fc mit seinem Vorspannungswiderstand 92^ gezeigt ist.

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Die an die Gate-Anschlüsse angelegte negative Spannung hält die Feldeffekttransistoren 91_ ... 9I₁^ normalerweise gesperrt. Mit Hilfe eines Umschalters 93 kann jeweils der Gate-Anschluß eines der Feldeffekttransistoren an Massepotential gelegt werden, wodurch der betreffende' Feldeffekttransistor leitend v/ird und die ihm zugeordnete Gruppe von Sumraierwiderständen 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 85 ... 85^. 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 Eemperaturkompensation praktisch nicht beeinflußt«,

In gleicher Weise kann auch der Strom zur Korrektur des Offset-Faktors für jede Verstärkerkennlinie mit Hilfe der Potentiometer 29„ ... 29_V getrennt eingestellt wer-

a κ

den, und die Umschaltung der Offset-Korapensation erfolgt gleichfalls automatisch zusammen mit der Umschaltung der Verstärkerkennlinie.

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Claims

Patentansprüche

Ό Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker für Meßzwecke, mit einem an einen Meßwandler angeschlossenen Hauptverstärker, dessen Gesamtverstärkung durch einen oder mehrere nichtlinear ausgebildete Operationsverstärkerglieder bestimmt ist, deren Ausgänge jeweils über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden sind und deren Einsatzpunkte von unterschiedlichen V/erten der Meßgröße abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Eingang jedes Operationsverstärkerglieds mit einem Abgriff eines Widerstands-Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkors und einem an eine Referenzspannung gelegten Schaltungspunkt angeschlossen ist.

2. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptverstärker so ausgebildet ist, daß sich sein Ausgangssignal gleichsinnig mit seinem Eingangssignal ändert.

3. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 2₉ dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptverstärker zwei Operationsverstärker enthält, daß der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers den Eingang des Hauptverstärkers bildet, daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers den Ausgang des Hauptverstärkers bildet, und daß der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist.

4. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für

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wenigstens einen Teil der Operationsverstärkerglieder jeweils ein eigener Spannungsteiler vorgesehen ist, an dessen Abgriff der invertierende Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, und daß die Spannungsteiler zueinander parallel zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und Schaltungspunkten mit unterschiedlichen Referenzspannungen angeschlossen sind.

5. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Operationsverstärkerglied als Präzisionsgleichrichter geschaltet ist.

6. Nichtlinearer GrIeichspannungsverstärker nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung jedes Spannungsteilers einstellbar ist.

7· Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens einen Seil der Operationsverstärkerglieder ein zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an der Referenzspannung liegenden Schaltungspunkt angeschlossenen Spannungsteiler mit mehreren gestaffelten Abgriffen vorgesehen ist, und daß die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärkerglieder an die Abgriffe des Spannungsteilers angeschlossen sind.

8. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß jedes Operationsverstärkerglied durch einen Operationsverstärker mit nachgeschalteter Diode und einen den Diodenausgang mit dem invertierenden Eingang verbindenden Rückführungswiderstand gebildet ist.

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9. IJichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Verbindung zwischen dem Ausgang eines Operationsverstärkergiieds und dem Eingang des Hauptverstärkers eine Halbleiterdiode liegt.

10. Uichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit dem Eingang des Operationsverstärkerglieds verbundenen Spannungsteiler eine Halbleiterdiode liegt.

11. Uichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des Hauptverstärkers der invertierende Eingang eines linearen Operationsverstärkerglieds verbunden ist, an dessen Ausgang ein Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des HauptVerstärkers verbunden ist.

12. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang jedes Operationsverstärkerglieds wenigstens ein Spannungsteiler angeschlossen ist, aessen Abgriff über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist.

12. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 12 oder nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang jedes Operationsverstärkerglieds mehrere Spannungsteiler parallel angeschlossen sind, daß mit dem Abgriff jedes Spannungsteilers jeweils die eine Klemme eines Summierwiderstandes verbunden ist, daß die anderen Klemmen der Summierwiderstände gruppenweise zusaramengeschaltet sind, und daß der Verbindungspunkt jeder Gruppe über einen Schalter mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist.

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14· Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter durch Halbleiterschaltungselemente gebildet sindt

15. Elchtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Ausgänge der Operationsverstärkerglieder angeschlossenen Spannungsteiler einstellbar sind.

16. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung eines Offset-Faktors der Eingang des Hauptverstärkers über einen weiteren Summierwiderstand mit dem Abgriff eines an eine Referenzspannung gelegten Spannungsteilers verbunden ist.

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