FI87861C - An automatic amplification control instrumentation amplifier - Google Patents

Description

1 878611 87861

Automaattisesti vahvistuksensa säätävä instrumentointi-vahvistin. - En automatiskt sin förstärkning reglerande instrumenteringsförstärkare.An instrumentation amplifier that automatically adjusts its gain. - It is automatically authorized for use in the provisioning of funds.

5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannossa määriteltyä tyyppiä oleva instrumentointivahvistin.The invention relates to an instrumentation amplifier of the type defined in the preamble of claim 1.

I nstrumentointivahvistime I la tarkoitetaan laitetta, jonka avulla mitataan erillaisilta antureilta usein heikkoja ana logiajännitteitä. 10 Vahvistin on nykyisin rakennettu muutaman operaatiovahvistimen avulla, mutta se voidaan toteuttaa myös UJT- ja FET-transistori-vahvistinasteiden avulla. Instrumentointivahvistimen ulostulosignaali mitataan tavallisesti tietokoneeseen liitetyn analogia-digitaalimuuntimen avulla, mikä muuntaa esimerkiksi vahvistimen ulos-15 tulojännitteen 0 - 5 V vastaamaan lukuja 0 - 1023- Tietyissä sovellutuksissa mittaussignaalin taso vaihtelee voimakkaasti esim.I instrumentation amplifier I la means a device that measures often weak analog voltages from different sensors. 10 The amplifier is currently built with a few operational amplifiers, but can also be implemented with UJT and FET transistor amplifier stages. The output signal of the instrumentation amplifier is usually measured by means of an analog-to-digital converter connected to a computer, which converts, for example, the output voltage of the amplifier output-15 0 to 5 V to correspond to numbers 0 to 1023.

10 mi 11{voltista 5 volttiin eli kolme kertalukua. Jos tietokoneessa käytettävän analogia-digitaalimuuntimen mittausalue on 0 - 5 V, matalaa jännitealuetta ei saada mitattua riittävän tarkasti.10 mi from 11 {volts to 5 volts, or three orders of magnitude. If the measuring range of the analog-to-digital converter used in the computer is 0 to 5 V, the low voltage range cannot be measured with sufficient accuracy.

20 Esimerkkitapauksessa muuntimella, jonka erotuskyky on 1000 ei mi I Iivoi11isignaaleja saada enää mitattua millään tarkkuudella, vaikka useiden analogiasignaalien oma erottelutarkkuus on suuruusluokkaa yksi promille. Käytännössä ratkaisuna käytetään tällä het-:.· ' kellä niin sanottua logaritmista vahvistinta, minkä ulostulo- 25 jännite on s i säänmenojänn i t teen logaritmi. Ongelmaksi muodostuu se, että logaritminen vahvistin ön rakennettava myötäsuuntaisen diodin avulla, mikä on erittäin lämpötilaherkkä. Vahvistimen lämpö-tilaryömintä on kompensoitava>tava11 a tai toisella esimerkiksi lämpötilariippuvan vastuksen eli termistorin avulla. Käytännössä 30 logaritminen vahvistin tulee, rakenteeltaan monimutkaiseksi ja kalliiksi. Sovellutuksissa, joissa antureita on paljon, hinta Ratkaisee paljolti käyttökelpoisuutta.In the exemplary case, with a converter having a resolution of 1000, the signal signals can no longer be measured with any accuracy, even though the inherent resolution of several analog signals is of the order of one per thousand. In practice, a so-called logarithmic amplifier is currently used as a solution, the output voltage of which is the logarithm of the weather input voltage. The problem is that the logarithmic amplifier has to be built with a forward diode, which is very temperature sensitive. The temperature-drift of the amplifier must be compensated for in one way or another, for example by means of a temperature-dependent resistor, i.e. a thermistor. In practice, a 30 logarithmic amplifier becomes, complicated in structure and expensive. In applications with a large number of sensors, price Much determines usability.

Keksinnön tarkoituksena on kehittää yksinkertainen ja halpa 35 instrumentointivahvistin, jolla voidaan mitata antureiden antamia 2 87861 analogiasignaa1 eja riittävällä tarkkuudella, vaikka signaalin koko vaihtelisi useita kertalukuja.The object of the invention is to develop a simple and inexpensive instrumentation amplifier with which it is possible to measure the 2 87861 analog signals given by the sensors with sufficient accuracy, even if the size of the signal varies by several orders of magnitude.

Keksinnön suurimpana etuna voidaan pitää juuri halpuutta, joka on 5 seurausta yksinkertaisten peruskomponenttien käytöstä. Keksinnön mukaisilla vahvistimilla vältetään logaritmisten vahvistinten suuri vaikeasti kompensoitavissa oleva lämpötilariippuvuus.The greatest advantage of the invention can be considered to be the cheapness which results from the use of simple basic components. The amplifiers according to the invention avoid the high temperature dependence of logarithmic amplifiers which is difficult to compensate for.

Edellä esitetyn vaikutuksen aikaansaamiseksi on keksinnölle pääasiassa 10 tunnusomaista patenttivaatimuksissa esitetyt seikat.In order to achieve the above effect, the invention is mainly characterized by the features set forth in the claims.

Kuvassa 1 on es i tetty vahvistimen per iaate ja eräs sen toteutus-ratkaisu komponenttitasolla.Figure 1 shows the principle of the amplifier and one of its implementation solutions at the component level.

15 Keksinnössä instrumentointivahvistin, kuva 1, on toteutettu siten, että vahvistin muuttaa automaattisesti vahvistusta, kunnes ulostulosignaali on aina esimerkiksi 1 - 10 voltin välillä. Vahvistimella voidaan mitata jännitealue esimerkiksi yhdestä milli voiC i sta kymmeneen volttiin käytännössä samalla tarkkuudella. Vahvistin voidaan 20 rakentaa yksinkertaisten peruskomponenttien avulla, minkä vuoksi vaikeasti kompensoitavaa suurta lämpötilaryömi ntää kuten logaritmisessa vahvistimessa ei esiinny. Vahvistin 1 on takaisinkytketty multiplekserin 2 ja vastusten 3 avulla siten, että yksi vastus kerrallaan kytkeytyy vahvistimen ulostulon ja sisäänmenon välille.In the invention, the instrumentation amplifier, Fig. 1, is implemented in such a way that the amplifier automatically changes the gain until the output signal is always between, for example, 1 to 10 volts. The amplifier can be used to measure the voltage range from, for example, one millilecond to ten volts with practically the same accuracy. The amplifier can be constructed with simple basic components, which makes it difficult to compensate for a large temperature drop, as is not the case in a logarithmic amplifier. The amplifier 1 is feedback by means of the multiplexer 2 and the resistors 3 so that one resistor at a time is connected between the output and the input of the amplifier.

25 Multiplekseriä ohjataan linjojen k avulla. Ohjauslinjat on kytketty ylös/alas laskurille 5 . Vahvistimen ulostulojännitettä verrataan I voltin referenssijännitteeseen 7 komparaattorin 6 avulla. Jos ulostulojännite on alle 1 voltin komparaattorin ulostulo menee 1-tilaan ja laskurin arvo lisääntyy. Laskurin 5 ulostulolinjat 4 30 * ohjaavat multiplekseriä 2, mikä vaihtaa kanavaa valiten suurennan takaisinkytkentävastuksen 3. Voimakkaasta takaisinkytkennästä johtuen vahvistimen ulostulo asettuu aina 1 voltin yläpuolelle. Vahvistimen vahvistuskerroin saadaan luettua tietokoneeseen laskurin 5 ulos-. ; tulolinjoista.25 The multiplexer is controlled by lines k. The control lines are connected up / down to counter 5. The output voltage of the amplifier is compared with a reference voltage of 7 volts by means of a comparator 6. If the output voltage is less than 1 volt, the output of the comparator goes to 1 and the counter value increases. The output lines 4 30 * of the counter 5 control the multiplexer 2, which changes the channel by selecting a magnifying feedback resistor 3. Due to the strong feedback, the output of the amplifier is always above 1 volt. The gain of the amplifier can be read into the computer by the output 5 of the counter 5. ; the input lines.

3 87 8613,887,861

Keksintöä on edellä selostettu hyvin yksinkertaiseen toteuttamisvaihtoehtoon viitaten, johon keksintöä ei suinkaan rajata,vaan sitä voidaan muunnella patenttivaatimusten puitteissa. Käytännössä vahvistin voidaan toteuttaa useiden erilaisten komponenttien 5 avulla. Esimerkiksi multiplekseri voidaan korvata mui1 la logiikka-piireillä.The invention has been described above with reference to a very simple embodiment, to which the invention is by no means limited, but can be modified within the scope of the claims. In practice, the amplifier can be implemented by means of several different components 5. For example, the multiplexer can be replaced by other logic circuits.

Claims (2)

4 878614 87861 1. Automaattisesti vahvistuksensa säätävä instrumentointivahvistin, jonka vahvistimen (1) takaisinkytkennän muo- 5 dostaa rinnakkaiset vastukset (3), joista kytkeytyy yksi kerrallaan määräämään vahvistimen vahvistuskertoimen vertaamalla ulostuloa referenssi jännitteeseen (7) niin monta kertaa, samalla vaihtaen aina vastusta (3), että mittasig-naali ylittää valitun referenssi jännitteen ja samanaikai-10 sesti luettaessa signaalin vahvistettu arvo luetaan myös vahvistuskerroin eli vastus (3), johon on siirrytty, tunnettu siitä, että vahvistimen (1) vahvistuksen määräävät rinnakkaiset takaisinkytkentävastukset (3) ovat kytketyt multiplekserin (2) tai logiikkapiirien kautta, 15 jota tai joita ohjataan (4) ylös/alas-laskurilla (5), joka taas edelleen seuraa komparaattorin (6) tilaa kunnes se havaitessaan referenssiarvon ylittyneen pysäyttää laskurin (5) ja takaisinkytkentävastus kiinnitetään, minkä jälkeen luetaan vahvistimen (1) ulostulojännite ja vahvistusker-20 roin eli vastus (3) ylÖs/alas-laskurin (5) ulostulolin-joista.An automatically amplifying instrumentation amplifier, the feedback of which is formed by parallel resistors (3), which are connected one by one to determine the gain of the amplifier by comparing the output to the reference voltage (7) as many times, always changing the resistor (3), so that the measurement signal exceeds the selected reference voltage and at the same time reading the amplified value of the signal, the gain, i.e. the resistor (3), is also read, characterized in that the parallel feedback resistors (3) determining the gain of the amplifier (1) are connected to the multiplexer (2) or via logic circuits 15 controlled by (4) an up / down counter (5) which in turn continues to monitor the state of the comparator (6) until it detects that the reference value has been exceeded stops the counter (5) and the feedback resistor is fixed, then reads the amplifier (1). ) output voltage and gain tusker-20 roin, i.e. the resistor (3) of the output lines of the up / down counter (5). 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vahvistin, tunnettu siitä, että komparaattorin (6) rinnalle on 25 kytketty toinen ylärajakomparaattori maksimiulostulojännitteeseen ja että se laskee ylös/alas-laskuria toiseen suuntaan, jos jännite instrumentointivahvistimen ulostulossa nousee liian suureksi. ς 87861 DAmplifier according to Claim 1, characterized in that a second upper limit comparator is connected in parallel with the comparator (6) to the maximum output voltage and that it lowers the up / down counter in the other direction if the voltage at the output of the instrumentation amplifier becomes too high. ς 87861 D