DE2723609A1

DE2723609A1 - Eingangsschaltung fuer einen messverstaerker

Info

Publication number: DE2723609A1
Application number: DE19772723609
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Ing Beinitz; Volker Dipl Ing Kaltenbach
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1977-05-25
Filing date: 1977-05-25
Publication date: 1978-11-30
Also published as: US4198607A; GB1600879A; FR2392541A1

Description

Bekannte Meßverstärker weisen einen Operationsverstärker auf, der in seinem Gegenkopplungszweig ein seinen Meßbereich bestimmendes Element aufweist. Einfsolches Element kann z.B. ein Ohm'scher Widerstand sein, durch den ein linearer Meßbereich festgelegt wird. Je größer dieser Widerstand ist, desto empfindlicher ist der Meßverstärker. Ein anderes Element im Gegenkopplungszweig des Meßverstärkers kann z.B. eine Diode sein, die im Grunde ein Widerstand mit logarithmischer Kennlinie ist. Dadurch erhält der Meßverstärker einen logarithmischen Meßbereich. Es ist bekannt,z.B. eine Diode und mehrere verschiedene Widerstände vorzusehen, von denen jeweils ein Element mit Hilfe eines Meßbereichsumschalters wahlweise in den Gegenkopplungszweig einschaltbar ist.

Während die linearen Meßbereiche wegen der beliebig wählbaren

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Empfindlichkeitsabstufung (bis zu 10 A) und der großen Genauigkeit (ca. 1 %) vorwiegend zu Meßzwecken verwendet werden, dient der logarithmische Meßbereich, der meistens das Empfindlichkeitsspektrum sämtlicher linearen Bereiche umfaßt, zu Kontroll- und Steuerzwecken. In vielen Fällen ist es dabei wünschenswert, daß z.B. das Meßsignal und das Steuersignal gleichzeitig zur Verfügung stehen. Diese Forderung ist jedoch um so schwerer zu erfüllen, je extremer die gewünschten technischen Eigenschaften des Meßverstärkers in ßezug auf Empfindlichkeit, Meßgenauigkeit und Anzahl der Dekaden in logarithmischen Meßbereich sein sollen. Bei Meßverstärkern mit Strommeßbereichen bis.in das pA-Gebiet, zulässigen Meßgenauigkeiten, in den linearen Bereichen von ca. 1 % und 6 bis 8 Dekaden des logarithmischen Meßbereiches war die gleichzeitige Meßung im logarithmisehen und linearen Maßstab

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bisher nicht möglich. Eine Kompromißlösung bestand deshalb in der Verwendung zweier Meßgeräte mit zwei getrennten Meßfühlern als Stromspeisequellen. Das war jedoch nicht immer realisierbar, so daß auf zwei gleichzeitig zur Verfügung stehende Signale verzichtet werden mußte. Konnte die Kompromißlösung realisiert werden, dann war der meßtechnische Aufwand sehr hoch.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Eingangsschaltung für einen Meßverstärker zu schaffen, die es erlaubt, einen Meßverstärker so zu gestalten und zu betreiben, daß auch in den empfindlichsten Meßbereichen gleichzeitig zwei Signale (z.B. ein lineares Meßsignal und ein logarithmisches Steuersignal) zur Verfügung stehen, und zwar bei nur einem Eingangssignal.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Eingangsstrom einem Operationsverstärker zugeführt wird, in dessen Gegenkopplungszweig mehrere jeweils einen Meßbereich bestimmende Elemente in Reihe geschaltet sind.

Bei einer Schaltung dieser Art erhält man am Ausgang des Operationsverstärkers ein Signal, dessen Größe durch die Summe der durch die Elemente festgelegten Funktionen bestimmt ist. Auch zwischen den einzelnen Elementen steht ein Signal zur Verfügung, dessen Größe durch die Summe der Funktionen derjenigen Bauelemente bestimmt ist, die bis zur jeweiligen Abnahmestelle vom Meßstrom durchflossen wurden. Durch geeignetes, an sich bekanntes Subtrahieren der zur Verfügung stehenden Signale können also so viele Ausgangssignale erzeugt werden wie Elemente im Gegenkopplungskreis vorhanden sind, wobei die Größe der Ausgangssignale den Kennlinien der einzelnen, die Meßbereiche charakterisierenden Elemente entspricht.

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Das Abnehmen der Signale zwischen den einzelnen Elementen im Gegenkopplungszweig erfolgt zweckmäßig über Impedanzwandler. Dadurch werden die Empfindlichkeit und die Genauigkeit der Schaltung nicht beeinträchtigt.

Zur uifrerenzbildung können weitere Operationsverstärker Verwendung finden. Ihre Ausgangssignale können in bekannter weise weiter verstärkt werden oder' - was bei logarithmischen Signalen notwendig ist - mit einer den Nullpunkt festlegenden Kompensationsspannung versehen werden.

Eine andere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht darin, daß der zu messende Strom mit Hilfe von Dioden und/oder Dioden-Widerstands-Netzwerken aufgeteilt wird und daß für jeden Teilstrom ein unabhängiger Meßkanal zur Bildung von mehreren|?Uisgangssignalen in vorzugsweise unterschiedlichen Maßstäben vorgesehen sind. Mit einer solchen Beschaltung des Einganges einer Meßverstärkerschaitung wird eine Aufteilung des zu messenden Stromes erreicht, die einen großen Dynamikbereich zuläßt, d.h., daß sich auch bei einem großen Dynamikbereich des zu messenden Stromes die Spannung am Verteilernetzwerk nur unwesentlich ändert. Mit festen Vorwiderständen läßt sich eine Aufteilung eines zu messenden Stromes in zwei oder mehrere, insbesondere gleiche Anteile vor parallel betriebenen Meßverstärkern nur für einen sehr kleinen Dynamikbereich des zu messenden Stromes erreichen. Bei der Messung von Kleinen und kleinsten Strömen wird jedoch ein großer Dynmaikbereich gefordert. Der ürund dafür, daß Festwiderstände bei kleinen undjkleinsten Strömen und bei einem großen Dynamikbereich nicht anwendbar sind, liegt vor allem in der Tatsache, daß die Spannung an den Vorwiderständen im gleichen Maß variiert, d.h., den gleichen Dynamikumfang auf-

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weist wie die zu messenden Ströme. Das ist bei Dioden nicht der Fall. Die Erfindung nutzt also den logarithmischen Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie von Dioden aus. Zur Bildung einheitlicher Meßwerte ist es dabei zweckmäßig, wenn die Verläufe der Kennlinien der in einer Schaltung nach der Erfindung verwendeten Dioden untereinander übereinstimmen.

Weitere^orteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 ein Prinzipschaltbild nach der Erfindung,

Figur 2 ein Schaltungsbeispiel für die Bildung eines linearen und eines logarithmischen Ausgangssignals,

Figur 3 eine Eingangsschaltung nach der Erfindung mit Dioden und

Figur 4 verschiedene beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 anwendbarer Möglichkeiten

Beim Ausführungsbeispiel nachJFigur 1 ist der Operationsverstärker, dem der zu messende Strom vom Eingang 1 zugeführt wird, mit 2 bezeichnet. In dem mit dem invertierenden Eingang (angedeutet durch das Minus-Zeichen) verbundenen Gegenkopplungszweig 3 dieses Operationsverstärkers 2 sind drei Elemente 4, 5 und 6 in Reihe geschaltet, die - wäre jeder für sxch alleine in einem derartigen Gegenkopplungszweig angeordnet - je nach ihrer Kennlinie einen bestimmtenileßbereich definieren, d.h., sie legen die Funktion bzw. die Beziehung fest, in der das Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Eingangssignal gebildet wird.Dadurch, daß die Elemente 4 bis

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6 im Gegenkopplungszweig 3 in Reihe geschaltet sind, erhält man am Ausgang 7 des Operationsverstärkers 2 gegenjaas Bezugspotential eine Spannung, deren Größe proportional der Summe der durch die Elemente 4 bis b gegebenen Funktionen des Eingangsstromes ist. Zwischen den Elementen 4 und 5 erhält man eine Spannung, derenGröße gekennzeichnet ist durch die vom Element 4 definierte Funktion. Zwischen den Elementen 5 und 6 erhält man eine Spannung, deren Größe proportional der Summe der Funktion ist, die durch die Elemente 4 und 5 bestimmt sind. Mit Hilfe von Subtraktionsstufen 8,9 und 10, die eoenfalls von schematisch dargestelltem Operationsverstärkern gebildet werden, ist es deshalb möglich, an den Ausgängen 11, 12 und 13 Signale zu erhalten, die den einzelnen, jeweils durch die Elemente 4 bis 6 definierten Funktionen entsprechen. Daran schließen sich nicht dargestellte Schaltmittel an, die der analogen oder digitalen Weiterverarbeitung der Signale dienen.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird mit Hilfe der Subtraktionsstufe 10 eine Signaldifferenz gebildet. Der Minuend ist das vom Ausgang 7 des Operationsverstärkers 2 gelieferte Summensignal, dessen Größe proportional der Summe der durch die Elemente 4 bis 6 bestimmten Signale ist. Der der Subtraktionsstufe 10 zugeführte Subtrahend ist das zwischen den Elementen 5 und 6 über den Impedanzwandler 14 abgenommene Signal, dessen Größe der Summe der durch die Elemente 4 und 5 bestimmten Signale entspricht. Am Ausgang 13 erscheint deshalb ein Signal, das allein durch die Funktion bestimmt ist, die durch das Element 6 definiert ist. Am Ausgang 11 erscheint ein Signal, das zwischen den/Elementen 4 und 5 mit Hilfe des Operationsverstärkers 15 abgenommen wird

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und dann dem Operationsverstärker 6 zugeführt wird. Die Größe dieses Signals entspricht der durch das Element 4 festgelegten Funktion. Zusätzlich wird dieses Signal über die Leitung 16 der Subtraktionsstufe 9 als Subtrahend zugeführt. Als Minuend erhält die Subtraktionsstufe 9 über den Impedanzwandler 14 zwischen den Elementen 5 und 6 abgenommene Signale, so daß am Ausgang 12 ein Signal abgenommen werden kann, dessen Größe der durch das Element 5 festgelegten Funktion entspricht.

Figur 2 zeigt ein konkreteres Ausführungsbeispiel für eine Schaltung nach der Erfindung. Bei dieser Schaltung sind im Gegenkopplungszweig 3 des Operationsverstärkers eine Diode 17 und eine der Widerstände 18,19 oder 20 in Reihe geschaltet. Die wahlweise Einschaltung eines der Widerstände erfolgt mit Hilfe des Schalters 21.

Zwischen der Diode 17 und dem jeweils eingeschalteten Widerstand wird über den Impedanzwandler 15 ein Signal abgenommen, das wegen des logarithmischen Cahrakters der Diode 1/ einen logarithmischen Meßbereich definiert. Dieses Signal wird dem Operationsverstärker 8 zugeführt, an dessen Ausgang 11 das verstärkte logarithmische Signal abgenommen werden kann. Die Anzeige erfolgt logarithmisch mit Hilfe des Anzeigerätes 22. Bei 23 erfolgt die bei logaritnmischen Meßbereichen notwendige Zuführung einer Kompensationsspannung zur Festlegung des Nullpunktes.

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Am Ausgang 7 des Operationsverstärkers 2 erhält man ein Signal, dessen Größe der Summe der durch die Diode 17 festgelegten logarithmischen und der durch einen der Widerstände 1b, 19 und 2O festgelegten linearen Funktion entspricht. Dieses Signal wird der Subtraktionsstufe 10 als Minuend zugerührt. Als Subtrahend wird über die Leitung 24 das Ausgangssignal des Impedanzwandlers 1b zugeführt. Dadurch erhält man am Ausgang 13 der Subtraktionsstufe 1O ein durch die Kennlinie des jeweils eingeschalteten Widerstandes bestimmtes lineares Signal, das vom Anzeigegerät 25 angezeigt wird.

Die impedanzwandler 14 und 1b werden vopv Operationsverstärkern mit einem Verstärkungsfaktor "eins"gebildet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 erfolgt eine Aufteilung des bei 26 zugeführten Eingangsstromes mit Hilfe von Dioden oder Dioden-Widerstands-Netzwerken, welche allgemein als Blöcke 27 Dis 29 dargestellt sind. Die Teilströme werden unabhängigen Meßkanäien zugeführt, die jeweils einen Operationsverstärker 3O , 31 und 32 aufweisen. Im Gegenkopplungszweig dieser Operationsverstärker sind jeweils ein allgemein als Block dargestelltesElement (33 bis 35) angeordnet, durch die die Maßstäbe der an den Ausgängen 36,37 und 38 der Operationsverstärker erscheinenden Signale definiert sind.

In der Figur 4 sind drei Beschaltungsmöglichkeiten (a, b und c) der Blöcke 27, 28 und 29 nach Figur 3 dargestellt. Diese Blöcke können entweder nur von einer Diode 3 9 (Figur 4a) gebildet werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit eine

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Reihenschaltung (Figur 4b) oder eine Parallelschaltung (Figur 4c) von einem Widerstand 40 mit einer Diode 41 zu verwenden. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, Kombinationen dieser drei Aufteilungsschaltungen zu verwenden. Eine solche Schaltung ermöglicht es, auch kleine und kleinste Eingangsströme mit einem großen Dynamikbereich aufzuteilen und voneinander unabhängigen Meßkanälen zuzuführen.

Da die Schaltungen nach der Erfindung nur integrierbare Bauelemente beinhalten, ist es mjglich, diese Bauelemente alleine oder zusammen mit anderen Bauelemente oder integrierten Bausteinen, z.B., zusammen mit dem Operationsverstärker, zu einer integrierten Schaltung zuzusammenzufassen.

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Claims

77.ΟΟ9

LEYBOLD-HERAEUS GMBH & CO KG Köln-Bayental

Eingangsschaltung für einen Meßyerstärker

ANSPRÜCHE

Eingangsschaltung für einen Meßverstärker, dadurch gekenn- ~ zeichnet, daß der Eingangsstrom einem Operationsverstärker (2) zugeführt wird, in dessen Gegenkoppiungszweig (3 J mehrere jeweils einen Meßbereich bestimmende Elemente (4 bis 6 oder 1/ und 18 bzw. 19 bzw. ^0) in Reihe geschaltet sind und daß zur Bildung der einzelnen Ausgangssignale mit verscniedenen Meßbereichen eine oder mehrere Subtraktionsstufen (8,9,10) vorgesehen sind.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abnehmen der Signale zwischen den einzelnen die Meßbereiche charakterisierenden Elementen mit Hilfe von Impedanzwandlern (14,15) erfolgt, die vorzugsweise von Operationsverstärkern mit einem Verstärkungsfaktor "eins" gebildet werden.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Differenzbildung von zwei Signalen dienenden Sutraktionsstufen (9,10) ebenfalls von Operationsverstärkern gebildet werden.

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ORIGINAL INSPECTED
4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dioae (17) rür die Bildung eines iogarithmischen Meßbereichs und ein Ohm"scher Widerstand (1b,19 oder 20) für die Bildung eines linearen Meßbereichs im Gegenkopplungszweig (3) des Operationsverstärkers (2) in Reihe geschaltet sind.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Widerstand (18) mehrere weitere Widerstände (19,20) zugeordnet sind, die zur Bildung mehrerer einstellbarer Meßßereiche mit Hilfe eines Scnalters (21) wahlweise in den Gegenkopplungszweig (3) einschaltbar sind.
6. Eingangsschaltung für einen Meßverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der zu messende Strom mit Hilfe von Dioden (39) und/oder Dioden-Widerstands-Netzwerken aufgeteilt wird und üaß tür jeden Teilstrom ein unabhängiger Meßkanal zur Bildung von mehreren Ausgangssignalen in vorzugsweise unterschiedlichen Maßstäben vorgesehen sind.
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkanäle Operationsverstärker (30 bis 32) aufweisen.
b. Schaltung nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer Dioden-Widerstands-Kombination eine Diode (41) mit einem Widerstand (40) in Reihe oder parallel geschaltet ist.
9. Schaltung nach den Ansprüchen 6,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinien der in einer Schaltung verwendeten Dioden (39,41) übereinstimmen.

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10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis y, dadurch gekennzeichnet, daß sie zu einer integrierten Schaltung zusammengefaßt ist.

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