DE2620282B2 - Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker für Meßzwecke - Google Patents
Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker für MeßzweckeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtlinearen Gleichspannungsverstärker für Meßzwecke, mit einem
an einen Meßwandler angeschlossenen Hauptverstärker, dessen Gesamtverstärkung durch einen
oder mehrere nichtlinear ausgebildete Operationsverstärkerglieder
bestimmt ist, deren Ausgänge jeveils über einen Summierwiderstand mit dem Eingang
des Hauptverstärkers verbunden sind und deren Einsatzpunkte von unterschiedlichen Werten der Meß- "»
größe abhängen.
Meßwandler, die zur Umsetzung einer beliebigen physikalischen Meßgröße in ein elektrisches Signal
(Spannung, Strom) verwendet werden, sind in den meisten Fällen nichtlinear, d.h., daß das abgegebene '<
> elektrische Signal der Meßgröße nicht proportional ist. Der Zusammenhang zwischen der Meßgröße und
dem vom Meßwandler gelieferten elektrischen Signal wird durch die Eichkurve des Meßwandlers ausgedrückt.
Diese Eichkurve ist für die verschiedenen Ar- ι "> ten 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 2"> Gleichspannungsverstärker nachzuschalten, dessen
Kennlinie zu der Eichkurve genau invers ist (Umkehroder Spiegelfunktion).
Zu diesem Zweck können nichtlineare Gleichspannungsverstärker der eingangs angegebenen Art ver- jo
wendet 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, j-, 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 durch
lineare Teilstücke angenähert wird, wobei die Knickpunkte den Einsatzpunkten der nichtlinear ausgebildeten
Operationsverstärkerglieder entsprechen. Bei diesen bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärkern
sind die invertierenden Eingänge -Ti der Operationsverstärkerglieder, die als Präzisionsgleichrichter geschaltet sind und daher das Verhalten
einer idealen Diode zeigen, mit den Abgriffen von Spannungsteilern verbunden, die parallel zueinander
zwischen einer Eingangsklemme und einem Bezugs- >o potential angeschlossen sind. Die Spannungsteilerverhältnisse
der Spannungsteiler sind verschieden. Wenn das Ausgangssignal des Meßwandlers an den
Signaleingang gelegt wird, werden die Operationsverstürkerglieder,
je nach dem Spannungsteilerverhält- γ, nis, 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 Opera- txi
tionsverstärker gebildeten Hauptverstärkers bestimmt.
Wenn diese bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärker für die Linearisierung der Eichkurven
von Meßwandlern verwendet werden, sind die b5 Einsatzpunkte der nichtlinearen Operationsverstärkerglieder
und damit die Knickpunkte der Verstärkerkennlinie durch bestimmte Werte des Ausgangssignals
des Mcßwandlers festgelegt, das in einer nichtlinearen Beziehung zur Meßgröße steht. Wenn
somit die Eichkurve eines bestimmten Wandlers durch einen Offset-Faktor verfälscht ist, ist auch die auf die
Meßgröße bezogene Verstärkerkennlinie verfälscht. Eine Offset-Korrektur durch einfache Verschiebung
der Verstärkerkennlinie ist daher nicht möglich.
In gleicher Weise äußern sich auch Offset- und Verstärkungsänderungen, die durch elektrische
Bauelemente des nichtlinearen Gleichspannungsvcrstärkers selbst verursacht werden.
Die vorstehend geschilderten Nachteile treten um so 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.
Nach 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, sondem
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 nichtlinearen Operationsverstärkern
einen wesentlich geringeren Fehler am Ausgang des Hauptverstärkers erzeugen als bei den bekannten
nichtlinearen G'eichspannungsverstärkern. Dadurch, daß die Einsatzpunktc 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-Faktor 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 Verstärkerkennliiiie 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 eisten Operationsverstärkers verbunden ist.
Eine Ausfiihrungsform der Erfindung besteht darin, daß für 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.
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 Ausfiihrungsform 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 Opcrationsverstärkerglieder 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 Operationsvcrstärkerglieds und dem Eingang des Hauptverstärkers eine Halbleiterdiode
liegt. Dadurch wird eine Verrundung der Knickpunkte der Verstärkerkennünie erzielt.
Die Verstärkungsänderung des Hauptverstärkers kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
auf einfache Weise dadurch geschehen, daß mit dem Ausgang des Hauptverstärkers der invertierende
Einsang 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 Operationsverslärkcrglieds
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 insbesondere möglich, den nichtlinearen Gleichspannungsverstärker
so auszugestalten, daß er auf vcrschicdjnc vorangestellte nichtlineare Kennlinien
umschaltbar ist. Dies kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes dadurch
erfolgen, daß an den Ausgang jedes Operationsverstärkcrglicds
mehrere Spannungsteiler parallel angeschlossen sind, daß mit dem Abgriff jedes Spannungsteiler·
jeweils clie eine Klemme eines Sumniierwidcrstandcs
verbunden ist, daß die anderen Klemmen der Summierwidersiände gruppenweise zusammengeschüttet
sind, und daß der Verbindungspunkt jeder Gruppe über einen Schalter mit dem Eingang des
Hauptvcrstiirkcrs verbunden ist. Die Schalter sind dabei
vorzugsweise durch Halbleiterschaltungselemente, beispielsweise Feldeffekttransistoren gebildet
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Es zeigl
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des nichtlinearen Gleichspannungsverslärkers nach der Erfindung,
Fig. 2 die Vcrstärkerkcnnlinie des Verstärkers von Fig. 1,
Fig. 3 eine andere Ausfiihrungsform des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers nach der Erfindung,
Fig. 4 die Verstärkerkennlinie des Verstärkers von
Fig. 3,
Fig. 5 einen nach der Erfindung ausgebildeten nichtlinearen Gleichspannungsverstärker, bei dem die
Ausführungsformen von Fig. 1 und 3 vereinigt sind
Fig. 6 Beispiele möglicher Verstärkerkcnnlinier des Verstärkers von Fig. 5 und
Fig. 7 und 8 verschiedene Kennliniendiagramme zur Erläuterung der mit der Erfindung erzielten vorteilhaften
Wirkungen.
Der in Fig. 1 dargestellte nichtlineare Gleichspannungsverstärker enthält einen Hauptverstärker 10
der aus zwei in Kaskade geschalteten Operationsverstärkern 11 und 12 gebildet ist. Von der äußeren Beschaltung
der Operationsverstärker ist jeweils nur dei Rückführungswiderstand 13 bzw. 14 dargestellt, dei
den Ausgang des Operationsverstärkers mit dem in-ι vertierenden Eingang verbindet. Der nichtinvertierende
Eingang jedes der beiden Operationsverstärkei ist an Masse gelegt. Ferner ist der Ausgang des erster
Operationsverstärkers 11 mit dem invertierender Eingang des zweiten Operationsverstärkers 12 übei
eine Widerstand 15 verbunden. Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 11 ist übei
einen Widerstand 16 mit der Eingangsklemme 17 verbunden, an die das Ausgangssignal des Meßwandlen
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
10 dar, und der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 12 bildet den Ausgang 20 de;
Hauptverstärkers 10.
Der Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 ist mil seinem Eingang 19 über eine Anzahl von paralleler
Schaltungszweigen /I1... An verbunden, von dener
in Fig. 1 nur der erste Schaltungszweig A1 und dei
letzte Schaltungszweig An dargestellt sind. Diese
Schaltungszweige haben alle den gleichen Aufbau; Ci wird daher nur der Aufbau des Schaltungszweigs A
beschrieben. Dieser Schaltungszweig enthält cir nichtlineares Operationsverstärkerglied, bestehcnc
aus einem Operationsverstärker 21 mit einer äußerer Beschallung, die dem Operationsverstärkerglied cir
nichtlineares Verhalten erteilt. Zu dieser äußeren Beschallung gehören zwei Dioden 22 und 23, von dcncr
die Diode 22 den Ausgang des Operationsverstärker! 21 mit seinem invertierenden Eingang verbindet
während die Diode 23 in Serie mit dem Rückführungswiderstand 24 im Rückführungskreis liegt, dei
vom Ausgang des Operationsverstärkers zum invertierenden Eingang führt. Diese Schaltung stellt einer
sogenannten Präzisionsglcichrichteidar, der das Verhalten einer idealen Diode zeigt. Der nichtinvertie-
rende Eingang des Operationsverstärkers 21 liegt an Masse. Der invertierende Eingang ist einerseits über
einen Widerstand 25 mit der Ausgangsklemmc 20 des Hauptverstärkers 10 verbunden, und andererseits
über einen Widerstand 26 mit einem Schaltungspunkt 27, der an einer negativen Referenzspannung — URe/ ,
liegt. Die Widerstände 25 und 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 nichtlincarcn 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 16 zusammengeführt
sind, bildet somit einen Summierpunkt für die dem Hauptverstärker 10 zugeführten Ströme.
Mit diesem Summierpunkt 19 ist auch der Abgriff eines einstellbaren Spannungsteilers 29, der an einer
Gleichspannung URr/n liegt, über einen weiteren Summierwiderstand
30 verbunden.
Die die nichtlinearen Operationsverstärkerglieder enthaltenden Schaltungszweige Ax... An 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 Eingangsspannung U1. nur positive Werte annimmt,
so daß auch die Ausgangsspannung U11 stets
positiv ist.
Die Wirkungsweise dieses nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers soll anhand von Fig. 2 erläutert
werden, welche die Verstärkerkennlinie, d.h. den Verlauf der Ausgangsspannung U11 als Funktion der
Eingangsspannung Uc zeigt.
Die an die Klemmen 27 der verschiedenen Schaltungszweige Ax... An angelegten Referenzspannungen
URfj ,... UHr/ „ sind alle negativ, so daß die sich
wie ideale Dioden verhaltenden nichtlinearen Operationsverstärkergliedcr
aller Schaltungszweigc gesperrt sind, wenn die Ausgangsspannung U11 den Wert Null
hat. Im Kcnnliniendiagramm von Fig. 2 ist angenommen, daß dies für den Wert Null der Eingangsspannung
Ur der Fall ist.
Im Anfangszustand sind daher alle Schaltungs-
zweigc
An unterbrochen und somit für die
Funktion des Verstärkers unwirksam. Wenn die Eingangsspannung U1. vom Wert Null in positiver Richtung
ansteigt, ändert sich die Ausgangsspannung U11
dazu proportional entsprechend dem Segment I der Kennlinie von Fig. 2, dessen Steigung durch den Widerstand
16 in Verbindung mit dem inneren Aufbau des Hauptverstärkers 10 bestimmt ist.
Wenn die Ausgangsspannung U11 einen bestimmten
Wert UuX erreicht, der von den Werten der Widerstände
25, 26 des Schaltungszweigs Ax und der an
die Klemme 27 dieses Schallungszweigs angelegten Referenzspannung — Ul(cl , abhängt, beginnt das
nielitlineare Operationsverstärkerglied dieses Schallungszweigs stromführend zu weiden, so daß es über
den Suniniierwiderstand 28 einen Strom in den Summierpunkt
19 einzuspeisen beginnt. Dadurch ändert sich die Steigung der Vcrstärkerkennlinie, so daß der
weitere Anstieg der Ausgangsspannung U11 entsprechend
dem Segment II der Verstärkerkennlinie erfolgt.
Wenn die Ausgangsspannung U11 einen Wert Utl2
erreicht, wird ein weiterer Schaltungszweig stromführend, und die Steigung der Verstärkerkennlinie entspricht
nun dem Segment III von Fig. 2.
Auf diese Weise kann eine Verstärkerkennlinic mit η Knickpunkten erhalten werden, die den gewünschten
Verlauf angenähert wiedergibt. Die Knickpunkte sind durch die Bemessung der Widerstände
25, 26 und die Einstellung der Referenzspannungen UKejX... UKl.jn der verschiedenen Schaltungszweige A1... An wählbar, und die Steigungen der
verschiedenen Segmente der Verstärkerkennlinie sind durch die Werte 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 Fig. 2
gezeigt ist.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit Fig. 2 zu erkennen ist, zeigt diese Schaltung
die wesentliche Eigenschaft, daß die Lage der Knickpunkte der Kennlinie nur von bestimmten Werten der
Ausgangsspannung U11 abhängig sind, unabhängig von
den Werten der Eingangsspannung U1., bei denen diese Werte der Ausgangsspannung U11 erhalten werden.
Die dadurch erzielte vorteilhafte Wirkung soll anhand der Fig. 7 und 8 erläutert werden.
Das Diagramm von Fig. 7 zeigt die Eichkurve a
eines Meßwandlers, also die Ausgangsspannung des Meßwandlers als Funktion der Meßgröße M. Diese
Spannung bildet zugleich die Eingangsspannung U1.
des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers. Diese Eichkurvc ist gekrümmt; die Spannung U1. 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 nachgeschaltete Gleichspannungsverstärker
eine Verstärkerkennlinie haben, wie sie bei ein Fig. 8
dargestellt ist; diese Kennlinie ist die Umkehr- oder Spiegelfunktion zu der Eichkurve a. Diese Kennlinie
kann in der zuvor geschilderten Weise näherungsweise durch Einstellung der Knickpunkte und Steigungen
der Vcrstärkerkennlinie der Schaltungsanordnung von Fig. 1 erhalten werden.
Es sei nun angenommen, daß der Verstärker an einen Meßwandler angeschlossen ist, der eine Eichkurvc
hai, die der Kurve h von Fig. 7 entspricht.
Diese Kurve entspricht einer Parallelverschiebung der Kurve α um einen konstanten Betrag (Offset-Faktor)
in der Ordinatenrichtung. Die Ausgangsspannung des Meßwandlers hat dann im Nullpunkt der Meßgröße
nicht den Wert Null, sondern einen Wert Un. Um diesen
Offsct-Faklor in der Ausgangsspannung U11 zu beseitigen,
so daß diese für den Meßwert Null ebenfalls den Wert Null annimmt, muß die Vcrstärkerkennlinie
von Fig. 8 parallel zu sich selbst verschoben werden, wie durch die Pfeile angedeutet ist.
Diese Parallel verschiebung kann bei der Schaltung von Fig. 1 einfach durch entsprechende Einstellung
des Potentiometers 29 erfolgen, so daß dieses /um Summierpunkt 19 einen Offsct-Stmm liefen, der den
Anfangspunkt der Kennlinie in den Punkt (V1, ver-
schiebt. Infolge der zuvor geschilderten Tatsache, daß die Knickpunkte der Kennlinie nicht von den Werten
der Eingangsspannung U1,, sondern von den Werten
der Ausgangsspannung U11 abhängen, behält die
Kennlinie bei dieser Verschiebung ihre Form unverändert bei, so daß der lineare Zusammenhang zwischen
der Ausgangsspannung U1, und der Meßgröße erhalten bleibt.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers zur Erzielung
einer Verstärkerkennlinie mit zunehmender Steigung, wie sie in Fig. 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 17 über den Widerstand 16
und mit der Ausgangsklemme 18 sowie die Schaltung 29, 30 zur Offset-Kompensation sind gegenüber der
Schaltungsanordnung von Fig. 1 unverändert beibehalten. Dagegen unterscheidet sich die Schaltung von
Fig. 3 von derjenigen von Fig. 1 hinsichtlich der Ausbildung der die nichtlinearen Operationsverstärkerglieder
enthaltenden Schaltungszweige S1... Bn, von
denen nur der erste Schaltungszweig B1 und der letzte
Schaltungszweig Bn dargestellt sind.
Da diese Schaltungszweige den gleichen Aufbau haben, wird wieder nur die Ausbildung des Schaltungszweiges
ß, beschrieben. Er enthält einen Operationsverstärker 31, der durch die äußere Beschallung
nichtlinear ausgebildet ist. Zu diesem Zweck ist dem Operationsverstärker eine Diode 32 nachgeschaltet,
die in Reihe mit dem Rückführungswiderstand 33 in dem zum invertierenden Eingang des Verstärkers
führenden Rückführungskreis liegt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Rückführungswiderstand
33 und der Diode 32 bildet den Ausgang des nichtlinearen Operationsverstärkerglieds, der über den
Summierwiderstand 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
— UKe/ liegenden Klemme 35 ist eine Spannungsteilerkette
aus Widerständen A1, /{,... Wn, Rn M angeschlossen.
Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 31 ist mit dem ersten Abgriff P1
der Spannungsteilerkette verbunden. In gleicher Weise sind die nichtinvertierenden Eingänge der
Operationsverstärker der übrigen Schaltungszweige Ii2... Bn mit den aufeinanderfolgenden Abgriffen
/\... /', der Spannungsteilerkette verbunden.
Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht vollkommen der zuvor beschriebenen Wirkungsweise
der Schaltung von Fig. I, mit dem Unterschied, daß die Steigung der aufeinanderfolgenden Segmente 1, II,
III... der Verstärkerkennlinie nicht abnimmt,sondern
zunimmt (Fig. 4).
Diese Schaltung weist auch alle Vorteile auf, die zuvor anhand der Fig. 7 bis 12 erläutert worden sind;
insbesondere ist es möglich, den Offset-Faktor durch entsprechende Einstellung des Potentiometers 29
ohne merkliche Verschlechterung der Linearität zu kompensieren und Änderungen des Empfindliehkeitsfaktors
durch Einstellung der Verstärkung des Hauptverstärkers IO zu berücksichtigen.
Fig. 5 zeigt einen nichtlinearen Gleichspannungsverstärker,
bei dem die Schaltungen von Fig. I und Fig. 3 vereinigt sind, so daß es möglieh ist, Verstärkerkennlinien
mit wechselnder Steigungsrichtung und Wendepunkten zu erhalten, wie sie als Beispiel in
Fig. 6 dargestellt sind.
Die Ausbildung des Hauptverstärkers 10 mit den Operationsverstärkern 11, 12 und die Verbindungen
"ι des Hauptverstärkers mit der Eingangsklemme S 7 und der Ausgangsklemme 18 sind wiederum unverändert
beibehalten. Die zusätzlichen Widerstände 37 und 38, welche die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker
11, 12 mit Masse verbinden, stellen
K) eine bekannte Maßnahme zur Verbesserung des Temperaturverhaltens
der Operationsverstärker dar.
In diesem Fall sind zwei Gruppen von Schaltungszweigen
C1... Cn und D1... Dn vorgesehen, von denen
jeweils nur der erste Schaltungszweig C1 bzw. D1 dar-
ΙΊ gestellt ist. Die Schaltungszweige C entsprechen dem
Prinzip von Fig. 1 und ergeben somit eine Verstärkerkennlinie mit fallender Steigung, wenn sie der
Reihe nach ansprechen. Die Schaltungszweige D entsprechen dem Prinzip von Fig. 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 nach ansprechen, erhält man eine Kennlinie der
2j bei m in Fig. 6 dargestellten Art, deren Steigung zunächst
abnimmt und dann nach Durchgang durch einen Wendepunkt wieder zunimmt. Wenn umgekehrt
zunächst alle Schaltungszweige D und dann alle Schaltungszweige C der Reihe nach ansprechen, hat
i« die Verstärkerkennlinie etwa den bei /i in Fig. 6 gezeigten
Verlauf. Es können auch kompliziertere Formen der Verstärkerkennlinie erhalten werden.
Die Schaltung von Fig. 5 enthält darüber hinaus eine Reihe von weiteren Maßnahmen, die das Verhal-
n ten der Schaltung verbessern und die Anwendungsmöglichkeiten der Schaltung erweitern.
Jeder Schaltungszweig C enthält, wie die Schaltungszweige
A von Fig. 1, ein nichtlineares Operationsverstärkcrglied, das als Präzisionsgleichrichter
to 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 Eigang ist
ferner über einen Widerstand 45 mit dem Ausgang
r> 20des 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 Operationsverstär-
-,n kers 41 ist über einen das Temperaturverhalten verbessernden
Widerstand 48 mit Masse verbunden. Für jeden der Schaltungszweige C1... C11 ist natürlich ein
eigenes Potentiometer 47 zur getrennten Einstellung der zugeordneten Referenzspannung vorgesehen.
γ-, Jeder der Schaltungszweige D enthält, wie jeder
Schaltungszweig B von Fig. 3, ein nichtlineares Operationsverstärkerglied
mil einem Operationsverstärker 51, einer Diode 52 und einem zum invertierenden Ringang führenden Rückführungswiderstand 53. Die
ho nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker
der Schaltungszweige D1... Dn sind mit den Abgriffen
/',.·· ''„ einer Spannungsteilerketle verbunden,
die aus in Serie geschalteten Widerständen W1, W2... Wn,! besteht und zwischen dem Ausgang 20 des
t,--, Hauptverstärkers 10 und einem an einer Be/.ugsspannung
liegenden Schultungspunkt 55 angeschlossen ist.
Gegenüber den Schallungen von Fig. 1 und 3 sind
bei der kombinierten Schaltung von Fig. 5 noch fol-
gende zusätzliche Maßnahmen getroffen:
- Die Summierwiderstände der Schaltungszwcigc sind nicht direkt an die Ausgänge der nichtiinearen
Operationsverstärkerglieder angeschlossen, sondern an die Abgriffe von einstellbaren
Spannungsteilern, die ihrerseits an du; Ausgänge der nichtlinearen Operationsverstärkerglieder
angeschlossen sind; dies ergibt eine zusätzliche Einstellmöglichkcit für die Verstärkerkennlinie.
- In jedem Schaltungszweig sind mehrere Spannungsteiler mit angeschlossenem Summierwiderstand
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.
- Parallel zu den nichtlinearen Schaltungszweigen C1... Cn, D1... Dn 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 nichtiincaren Opcrationsvcrstärkerglieds
des Schaltungszweigs C1 sind parallel mehrere einstellbare Potentiometer 6O0... 60* jeweils
über eine Diode 6I0... 61* angeschlossen. Die Dioden
6I0... 61* 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 6O0... 60*. ist mit der einen Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands
63O... 63* verbunden.
In gleicher Weise sind an den Ausgang des nichtiincaren Operationsverstärkerglieds des Schaltungszweiges D1 parallel mehrere einstellbare Potentiometer
7O0... 70* jeweils über eine Verrundungs-Diode
7I11... 71* angeschlossen. Die Temperaturkompensation
erfolgt in diesem Fall durch eine Diode 72, die in Reihe mit dem Widerstand R1 in der Spannungsteilcrkcttc
liegt. Der Abgriff jedes Potentiometers 7O0... 70* ist mit der einen Klemme eines zugeordneten
Summierwiderstands 73„... 73* verbunden.
Der Schaltungszweig E enthält einen linearen Operationsverstärker 81 mit einem Rückführungswiü-irstand
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 nichtinverticrenden Ausgang und Masse liegt ein Widerstand 84 zur Verbesserung des Temperaturverhaltens.
An den Ausgang des Operationsverstärkers 81 sind parallel mehrere einstellbare Potentiometer
85,,... 85,. angeschlossen, deren Abgriffe jeweils mit
einer Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 86O... 86* verbunden sind.
Schließlich sind zur Offset-Kompensation mehrere Potentiometer 29a... 29* vorgesehen, deren Abgriffe
jeweils mit einer Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 3O0... 3O1 verbunden sind.
Die Summierwiderstände 3O0, 63O, 73O, 86O und die
entsprechenden Summierwiderstände der übrigen Schaltungszweige C1... Cn, D1... D11 sind zu einer
Gruppe zusammengefaßt, und der Verbindungspunkt 9O0 dieser Gruppe ist mit dem Drain-Anschluß eines
Feldeffekttransistors 91U verbunden, dessen Source-Anschluß
mit dem Summierpunkt am Verstärkereingang 19 verbunden ist, und dessen Gate-Anschluß
über einen Widerstand 92O 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 30*, 63*, 73*,
86* und den Feldeffekttransistor 9>1*. mit seinem Vorspannungswiderstand
92*. gezeigt ist.
Die an die Gate-Anschlüsse angelegte negative Spannung hält die Feldeffekttransistoren 91U... 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
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 weiden.
Mit Hilfe der Potentiometer 85„... 85* des Schaltungszweiges
E kann für jede Verstärkerkennlinie die Verstärkung des Hauptverstärkers 10 eingestellt werden;
beider Umschaltung auf eine andere Verslärkerkcnnlinie wird diese Verstärkung automatisch mit
umgeschaltet. Diese Art der Verstärkungseinstellung ergibt den Vorteil, daß sie die durch die Widerslände
37, 38, 48, 84 bewirkte Temperaturkompensation praktisch nicht beeinflußt.
In gleicher Weise kann auch der Strom zur Korrektur des Offset-Faklors für jede Veistärkerkennlinie
mit Hilfe der Potentiometer 29U... 29* getrennt eingestellt
werden, und die Umschaltung der Offset-Kompensation erfolgt gleichfalls automatisch zusammen
mit der Umschaltung der Vcrstärkcrkcnnliniu.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (16)
1. Nichtlinearer Gleichspannungsvcrstärker 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 Werten der Meßgröße
abhängen, dadurch gekennzeichnet, 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.
2. Nichtlincarer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß
der Hauptverstärker so ausgebildet ist, daß sich sein Ausgangssignal gleichsinnig mit seinem Eingangssignal
ändert.
3. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Hauptverstärker zwei Operationsverstärker enthält, daß der f-nvertierende 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 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 Gleichspannungsverstärker 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 Teil 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.
9. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nacli einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in jeder Verbindung zwischen dem Ausgang eines Operationsverstärkerglieds
und den Eingang des Hauptverstärkers eine Halbleiterdiode liegt.
K). Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in
dem mit dem Eingang des Operationsverstärkerglieds verbundenen Spannungsteiler eine Halbleiterdiode
liegt.
I). Nichtlinearer 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 K), dadurch gekennzeichnet,
daß an den Ausgang jedes Operationsverst;<rkerglieds
wenigstens ein Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Abgriff über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers
verbunden ist.
13. 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 zusammengeschaltet sind, und daß der Verbindungspunkt jeder Gruppe über einen Schalter mit dem Eingang des
Hauptvcistärkers verbunden ist.
14. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schalter durch Halbleiterschaltungselemente gebildet sind.
15. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die an die Ausgänge der Operationsverstärkerglieder angeschlossenen Spannungsteiler
einstellbar sind.
16. Nichtlinearcr 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.
Priority Applications (9)
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DE2620282A DE2620282C3 (de) | 1976-05-07 | 1976-05-07 | Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker für Meßzwecke |
CH487477A CH615504A5 (de) | 1976-05-07 | 1977-04-20 | |
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