DE3307597C2 - Verstärker mit veränderlicher Verstärkung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einem solchen, aus der DE-OS 20 32 102 bekannten Ver­ stärker ändert die Halbleiter-Schalter-Einrichtung die Ver­ stärkung des Verstärkers in digitalen Schritten, d. h. in Faktoren von 2. Die Halbleiter-Schaltereinrichtung besteht dabei aus einer Anzahl von Flip-Flops, wobei die veränderliche Verstärkung einem stufenförmigen Steuersignal folgt, das von einer Zählschaltung erzeugt wird. Das stufenförmige Steuersignal wird mit einem Spitzensignal verglichen, das aus dem Eingangssignal abgeleitet wird, und eine Änderung des Steuersignals wird bei einem vorgewählten Pegel beendet. Die Genauigkeit der Verstärkung wird in jedem Schritt durch die Genauigkeit der Widerstands-Steuerkomponenten des Rück­ kopplungsnetzwerkes bestimmt. Dieser bekannte Verstärker muß daher hochwertige Widerstände und Halbleiterschalter mit ge­ ringen Widerstandstoleranzen aufweisen.

Aus der GB-PS 13 42 383 ist ein Verstärker veränderlicher Verstärkung bekannt, bei dem die Verstärkung mit Hilfe einer Eingangs-Widerstandsteilerschaltung mit mehreren Reihen- und Rückkopplungswiderständen gesteuert wird, die so geschaltet werden, daß die Einhüllende des Ausgangssignals eine kon­ stante Amplitude hat. Ein mit zwei Schwellwerten arbeitender Vergleicher vergleicht die Ausgangsamplitude mit einer Be­ zugsspannung und steuert die Verstärkung des Verstärkers schrittweise nach plus oder minus, um das Ausgangssignal an­ nähernd konstant zu halten. Die Steuerung erfolgt digital mit Taktimpulsen, was die Größe der Verstärkungsänderung steuert.

Aus der DE 25 44 121 A1 ist ein digitaler Pegelregler für die Verstärkungssteuerung einer Verstärkerschaltung mit Mul­ tiplexleitungen bekannt. Die Größe eines der Multiplexsig­ nale wird als ein Bezugssignal abgetastet, in einen digita­ len Wert umgeformt, gefiltert und der Wert der Quadratwurzel dieses Signals wird mit dem gewünschten Gesamtsignalpegel verglichen. Die Differenz wird demoduliert und an einen Ver­ stärker änderbarer Verstärkung vor Einstellung seines Aus­ gangssignals gegeben, wobei die Schaltung dieses Verstärkers nicht näher angegeben ist. Eine Anzahl von im Multiplex übertragenen Signalen kann nacheinander in der gleichen Weise behandelt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verstärker der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubil­ den, daß seine Verstärkung in dem jeweils ausgewählten Ver­ stärkungsbereich genau zu bestimmen ist, ohne daß dabei hochwertige Widerstände und Halbleiterschalter für das Rück­ kopplungsnetzwerk sowie die Schaltereinrichtung erforderlich sind.

Bei einem Verstärker der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Verstärker zeichnet sich dadurch aus, daß in einem Speicher eines Mikroprozessors Korrekturfakto­ ren für jeden auszuwählenden Verstärkungsbereich gespeichert sind, wobei bei jedem jeweils ausgewählten Verstärkungsbe­ reich sein zugeordneter Korrekturfaktor mit dem am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers erscheinenden digitalen Signal multipliziert wird, um die aufgrund der jeweils geschalteten Widerstände in dem Rückkopplungsnetzwerk eingestellte und relativ ungenaue Verstärkung des jeweils gewählten Verstär­ kungsbereiches auf den genauen Wert zu korrigieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verstärker erfolgt daher diese Korrektur mit Hilfe von Software durch den Mikroprozessor mit beliebi­ ger Genauigkeit, ohne daß dadurch jedoch ein großer und da­ mit teurer Schaltungsaufwand verbunden ist.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 5 kann der je­ weilige Korrekturfaktor vom Mikroprozessor beliebig oft be­ stimmt werden, indem eine bekannte Eingangsspannung an den Verstärker angelegt und die vom Verstärker verstärkte ent­ sprechende Ausgangsspannung mit einem z. B. abgespeicherten richtigen Ausgangssignalwert verglichen wird. Der zu be­ stimmende Korrekturfaktor ist dann jeweils der Faktor, der erforderlich ist, um multipliziert mit der am Ausgang des Verstärkers erhaltenen Ausgangsspannung den richtigen Aus­ gangssignalwert zu ergeben.

Durch eine jeweils neue Bestimmung der Korrekturfaktoren nach bestimmten Betriebszeiten des Verstärkers können auch Alterungseinflüsse der Schaltungskomponenten sowie deren eventuelle Temperatureinflüsse korrigiert werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.

Aufgrund der beschränkten Anzahl von Widerständen und Schaltern, die in diesem Rückkopplungs-Netzwerk zur Steuerung der Ver­ stärkung verwendet werden, können die gewünschten Span­ nungsteiler-Verhältnisse für die zehn Verstärkungsver­ hältnisse eines Ausführungsbeispieles ledig­ lich angenähert werden. Ein Programm, das für jeden Be­ reich einen Korrekturfaktor, der in dem Software-Programm mit FUDGE bezeichnet wird, erzeugt, multipliziert den un­ genauen oder groben Ausgangswert vom Analog-Digital-Wand­ ler mit diesem Korrekturfaktor, um einen korrigierten di­ gitalen Ausgangswert für diesen Bereich zu gewährleisten. Der korrigierte Wert wird nachfolgend in dem Meßwertschrei­ ber verwendet. Der zentrale Mikroprozessor, der weitere Funktionen eines den Verstärker als Eingangsverstärker verwendenden Meßwertschreibers steuert, richtet seine Aufmerksamkeit auf dieses Programm zu vorbestimmten zeit­ lichen Intervallen. Die Ausgangswerte werden nach ihrer Korrektur durch den Mikroprozessor für eine Verwendung in einem Servo-Programm des Meßwertschreibers gespei­ chert.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich­ nungen beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein vereinfachtes schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen Verstärkers;

Fig. 2 eine Code-Tabelle für die Bereichsumschal­ tung;

Fig. 3 ein vereinfachtes Flußdiagramm des Software- Programmes, und

Fig. 4 einen typischen Maschinencode für das Soft­ ware-Programm.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Ver­ stärkers, wobei ein Analogsignal, das gemessen werden soll, an den Eingang eines einfachen Filters 1 angelegt wird, das Ge­ räuschimpulse und ähnliche Verzerrungen beseitigt und den üblichen, die Vorspannung ausgleichenden Widerstand 2 ent­ hält. Die untere Seite des Einganges ist üblicherweise mit der Meßgeräte-Masse verbunden, während die andere Sei­ te mit der Plus-Klemme bzw. nicht-invertierenden Klemme 3 eines üblichen Operationsverstärkers 5 verbunden ist.

Der Ausgang 14 des Operationsverstärkers 5 ist mit dem oberen Leiter 10 eines schaltbaren Rückkoppelungsnetz­ werkes 6 verbunden. Zwischen diesem oberen Leiter und Masse liegt ein erster Spannungsteiler mit einem Wider­ stand 11 und mit entweder einem Widerstand 13 oder einem Widerstand 15 in Abhängigkeit von dem Zustand von zwei gegenseitig-exklusiven Schaltern, die in der Figur mit dem Bezugszeichen SW-4 und SW-5 bezeichnet sind. Diese Schal­ ter, die hier in ihrer Funktionsform dargestellt sind, sind Teil eines Halbleiterschalters 17, der ein Teil eines digitalen Gatterkreises 17, 21 . . . 25 ist. Ebenso ist mit dem oberen Leiter 10 ein erster Neben­ schluß-Widerstand 23 verbunden, der parallel zum Wider­ stand 11 durch Betätigung des Schalters SW1 des digita­ len Gatterkreises 21 geschaltet werden kann. In ähnlicher Weise ist ein zweiter Nebenschluß-Widerstand 23 auch mit dem oberen Leiter 10 verbunden und kann parallel zum Wi­ derstand 11 durch Betätigen des Schalters SW2 des digita­ len Gatterkreises 25 geschaltet werden. Es ist offensichtlich, daß das Verhältnis der Spannung, die an dem mittleren Punkt 8 des Teilers mit den Widerständen 11, 19, 25, 13 und 15 erscheint, zu der Spannung, die am Aus­ gang 14 erscheint, einen von mehreren Werten in Abhängig­ keit von der Stellung der Schalter SW1, SW2, SW4 und SW5 annehmen wird. Der mittlere Punkt 8 wird zu der invertie­ renden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 5 in der üblichen Weise durch den üblichen, die Vorspannung aus­ gleichenden Widerstand 14 und einen eine Schwingung unter­ drückenden Kondensator 12 zurückgeführt. Die Spannungs­ verstärkung einer Rückkoppelungsverstärkungsschaltung dieses Types ist umgekehrt proportional zu dem Verhält­ nis der Spannung an dem mittleren Punkt 8 in Bezug auf die Spannung an dem Ausgang 4 und wird daher durch die Schalterstellungen bestimmt.

Ein Ausgangsteiler enthält Widerstände 27 und 29 und ist ebenso zwischen dem oberen Leiter 10 und Masse geschaltet. Ein digitales Gatter 34 besteht aus einem Teil des Gatter­ kreises und arbeitet als Schalter SW3, der den Widerstand 27 kurzschließen kann und damit das Teilerver­ hältnis um einen Faktor von ungefähr 5 verändern kann. Der mittlere Punkt 12 dieses Teilers ist mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) verbunden, der die Ausgangsspannung, die am Punkt 12 erscheint, digitali­ siert.

Die Schalterfunktionen, die durch die digitalen Gatter bewirkt werden, werden durch einen Mikroprozessor 35 be­ stimmt, der ein peripheres Schnittstellen-Anpassungsnetz­ werk 33 (PIA) adressiert und die Ausgangstore der Schnitt­ stellenschaltung als Halteschaltungen zum Setzen der digi­ talen Gatterschalter in deren offene oder geschlossene Stellung verwendet, wie es durch einen Bit-Code bestimmt ist, der durch den Mikroprozessor in Übereinstimmung mit dem gewählten Bereich eingestellt wird. Fig. 2 zeigt eine Tabelle der Schalterpositionen und der resultierenden Ana­ logverstärkungen, die den Schalterstellungen entsprechen in Bezug auf das dargestellte Ausführungsbeispiel.

Obwohl die analogen Verstärkungswerte, die sich aus dem Schalten ergeben, ungefähr die gewünschten korrigierten Verstärkungswerte erreichen, ist es möglich, die Verstär­ kungsgenauigkeit durch eine Software-Korrektur zu verbes­ sern, die durch den Mikroprozessor auf den digitalisier­ ten AD-Ausgangswert bzw. ungenauen AD-Ausgangswert ange­ wendet wird. In der einfachsten Fassung dieser Software- Korrektur wird ein Korrektur-Code-Faktor, der in dem Software-Programm mit FUDGE bezeichnet wird, für jeden Verstärkungsbereich vorbestimmt und im Speicher gespei­ chert. Der Mikroprozessor erhält diesen Wert vom Spei­ cher und wendet ihn auf den digitalisierten AD-Wandler- Ausgangswert unter Verwendung der folgenden Formel an:
Korrigierter AD-Ausgangswert ist ungefährer AD-Ausgangs­ wert + 1/N · (ungefährer AD-Ausgangswert).

Der Faktor 1/N wird durch ein Unterprogramm von FUDGE geliefert und durch Verwendung des Schiebeprogrammes und des Additionsprogrammes angewendet, das in dem Flußdia­ gramm von Fig. 3 dargestellt ist und in dem "FUDGER"-Ser­ viceprogramm-Maschinencode von Fig. 14 dargestellt ist. Da­ her wird durch eine Kombination dieses Software-Programmes und eines geschalteten Hardware-Widerstandnetzwerkes der gewünschte korrigierte A/D-Wandler-Ausgangswert ge­ währleistet.

Um die Ableitung und Verwendung des FUDGE-Codes beispiel­ haft darzustellen, sei ein Bereich betrachtet, bei dem die durch das geschaltete Netzwerk eingestellte Analogverstär­ kung in dem 500-mV-Bereich sich zu 3,690 berechnet. Die analoge Ausgangs-Spannung ist dann 1845 mV. Um dieses Bei­ spiel zu vereinfachen, nehme man an, daß die A/D-Wandler- Bezugsspannung derart sei, daß der "ungenaue" A/D-Wandler- Ausgangswert ebenfalls 1845 mV ist. Man nehme nun an, daß ein korrigierter A/D-Wandler-Ausgangswert von 2000 mV ge­ wünscht sei, was einem Zählwert von 2000 und damit dem vollen Skalenbereich des Aufzeichnungsgerätes entspräche. Bei Verwendung der obigen Formel ergibt sich:
2000 = 1845 + (1845/N).

Hieraus ergibt sich:

1845/N = 2000 - 1845 = 155.

Die Lösung der obigen Gleichung ergibt:

N = 11.903;
1/N = 0.08401.

In binärer Darstellung entspricht dieser Wert 00010101. Der Erfinder fand heraus, daß es möglich ist, die Soft­ ware-Korrektur-Berechnungsroutine durch eine neue und nicht nahegelegte Vorgehensweise erheblich zu vereinfa­ chen, indem der 1/N-Wert umgekehrt wird und um eine Zif­ fer nach links verschoben wird, so daß der in der Software- Routine verwendete Code für FUDGE sicher erhalten wird.

Durch Ausführen dieser Operation wird der Binärwert 101010000 für FUDGE gebildet. Dieser Binärwert kann nun in ein Byte als Binärwert 01010000 getan werden, indem das höchstwertige Bit fortgelassen wird. Diese Vorgehens­ weise erzeugt einen ungefähr korrigierten A/D-Ausgangs­ wert von 1989 mittels der Berechnungsroutine. Anderer­ seits kann die binäre Date FUDGE auf zwei Byte zur Er­ zielung einer höheren Genauigkeit ausgedehnt werden. In diesem Fall kann man den Wert 1/N mit 12 bis 16 Bit be­ rechnen, umkehren und nach links schieben, wodurch sich der FUDGE-Code als 1101010000 ergibt, was einen korri­ gierten A/D-Wandler-Ausgangswert von 1999,95 als Ergebnis der Berechnungs-Routine ergibt. Ein weiterer Ausweg be­ steht manchmal darin, die Date FUDGE durch Überprüfung in Abhängigkeit von einer Entscheidung zu verändern, wie für einen Fachmann auf dem Gebiet der Binärzahlen offensicht­ lich ist, um diese Date zum Erreichen eines näheren Ergeb­ nisses zu codieren, während weiterhin eine Datenlänge von einem Byte beibehalten wird. Ein Ausführungsbeispiel für diesen Fall ist die Verwendung des Binärwertes 11010000 für die Date FUDGE, die den korrigierten A/D-Wandler-Aus­ gangswert von 2003,6 erzeugt. Diese Veränderung der Date FUDGE, um diese in einem Byte zu halten, kann im allge­ meinen wirkungsvoller sein, wenn die Software-Verstärkungs­ korrektur in Abhängigkeit von einer Entscheidung zu einem höheren Wert mit dem gleichen Verhältnis für alle Berei­ che angehoben wird. Diese Vorgehensweise würde ebenso ne­ gative 1/N-Werte beseitigen. Das Verkürzen der Date FUDGE auf ein Byte kann sehr hilfreich sein oder sogar nötig sein, wenn der Speicherplatz begrenzt ist. Ebenso trägt die Kürze der neuen Software-Berechnungsroutine dazu bei, daß man mit einem kleinen Speicherplatz auskommen kann. Die "höhere" Software-Korrektur kann häufig ausgewählt werden, um die Notwendigkeit einer Korrektur in einigen Bereichen zu beseitigen. Wenn die "höhere" Software-Kor­ rektur verwendet wird, bewirkt eine Änderung der A/D-Wand­ ler-Bezugsspannung ein Zurücksetzen der letztendlichen Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert für sämtliche Bereiche, z. B. auf 2000 mV im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel.

Diese neue Kombination einer Software- und Hardware-Ver­ stärkungssteuerung ermöglicht weitere Vorteile. Im vorher­ gehenden einfachen Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß Widerstände einer derartigen Genauigkeit verwendet werden, daß eine Veränderung der Verstärkung von einem Gerät zu einem anderen aufgrund von Toleranzen der Wider­ standswerte unerheblich sei. Es ist allerdings ein wei­ teres Merkmal, daß durch eine Auswahl oder durch eine numerische Einstellung des FUDGE-Codes für jeg­ lichen Bereich ein grober Verstärkungsfehler aufgrund von Veränderungen des Widerstandswertes mittels der Software- Berechnungsroutine sehr genau korrigiert werden kann. Die Bestimmung des benötigten FUDGE-Codewertes kann ausgeführt werden, indem dem Analogverstärker eine bekannte Spannung eingangsseitig zugeführt wird und indem der FUDGE-Code bestimmt wird, der den entsprechenden digitalen Ausgangs­ wert, der erwünscht ist, erzeugt. Dadurch wird eine kor­ rigierte Gesamtverstärkung erreicht. Dieser FUDGE-Code wird daraufhin in einem nicht-flüchtigen Speicher zur Ver­ wendung in dem FUDGE-Unterprogramm gespeichert.

Weiterhin umfaßt der Verstärker ein automati­ sches Verstärkungskorrekturprogramm, das jedesmal durch den Mikroprozessor ausgeführt wird, wenn ein Bereich aus­ gewählt wird. Eine bekannte Spannung wird an den Analog­ eingang angelegt. Diese Spannung kann durch ein internes, auf digitale Weise gesteuertes Bezugsspannungsgerät ge­ liefert werden, das eine Genauigkeit von 0,1 Prozent oder besser hat. Der Mikroprozessor liest daraufhin den ungenauen A/D-Wandler-Ausgangswert, wie es oben beschrieben wurde, und bestimmt den FUDGE-Code, der nötig ist, um diesen Ausgangswert zu korrigieren, und spei­ chert den FUDGE-Code, der derart bestimmt wurde, in dem flüchtigen Speicher RAM. Dieser Vorgang wird für jede Be­ reichsauswahl wiederholt und wird so oft ausgeführt, wie es benötigt wird, so daß jegliche zeitliche Veränderung der tatsächlichen Verstärkung kompensiert werden kann.

Claims (6)

1. Verstärker mit veränderlicher Verstärkung mit
einem Operationsverstärker (5),
einem Mehrweg-Widerstands-Rückkopplungsnetzwerk (6), das mit dem Operationsverstärker (5) verbunden ist, und
einer Halbleiter-Schaltereinrichtung (17, 21, 25, 34) zum Schalten des Mehrweg-Widerstands-Rückkopplungsnetzwerks (6) in einen ausgewählten der Wege des Rückkopplungsnetzwerkes,
gekennzeichnet durch einen Analog-Digital-Wandler, der mit dem Rückkopplungsnetzwerk (6) verbunden ist und das verstärkte analoge Signal in ein digitales Signal umformt, und
einem Mikroprozessor (35) zum Steuern der Halbleiter-Schalter-Einrichtung (17, 21, 25, 34) entsprechend einem ausgewählten Verstärkungsbereich,
wobei der Mikroprozessor (35) einen Korrekturfaktor für jeden der Verstärkungsbereiche in einem Speicher speichert und den dem ausgewählten Verstärkungsbereich entsprechenden Korrekturfaktor an den Ausgang des Analog-Digital-Wandlers gibt, um eine korrigierte Verstärkung zu bewirken.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsnetzwerk (6) eine Mehrzahl von Spannungs-Halbleiterschaltern (SW1-SW5) enthält, um eine Mehrzahl durch mit den Halbleiterschaltern geschaltete Spannungsteiler-Wege vorbestimmten Spannungsverhältnisses auszuwählen.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (SW1-SW5) digitale Festkörper-Schalter aufweisen.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (SW1-SW5) durch Bits einer Schnittstellen-Halteschaltung (33) betätigt werden, die von dem Mikroprozessor (35) gesteuert wird.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor von dem Mikroprozessor (35) durch Anlegen einer bekannten Eingangsspannung an den Operationsverstärker (5) und Bestimmen des Wertes des Korrekturfaktors vorbestimmt wird, der erforderlich ist, um einen richtigen Ausgangssignalwert, der dem ausgewählten Verstärkungsbereich entspricht, vom Analog-Digital-Wandler zu bewirken.

6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (35) zum Speichern des Korrekturfaktors ein auch für andere Aufgaben benutzter Mikroprozessor ist.