CH640377A5

CH640377A5 - Amplifier arrangement with adjustable gain

Info

Publication number: CH640377A5
Application number: CH235479A
Authority: CH
Inventors: Eberhard Schmidt
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1978-03-30
Filing date: 1979-03-13
Publication date: 1983-12-30
Also published as: DE2813720A1; DE2813720C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkeranordnung mit einstellbarem Verstärkungsgrad mit einem Verstärker, in dessen Rückkopplungskreis einzelne Widerstände wirksam bzw. unwirksam schaltbar sind. The invention relates to an amplifier arrangement with an adjustable degree of amplification with an amplifier, in the feedback circuit of which individual resistors can be activated or deactivated.

Verstärker und insbesondere Operationsverstärker, deren Verstärkungsgrade einstellbar sind, werden in einer Vielzahl von Anwendungsfällen benutzt, wie beispielsweise beim Eichen elektrisch erzeugter Signale von Messwertgebern. Bei derartigen Messwertgebern kann es sich beispielsweise um Achslastmessbrücken in Eisenbahnanlagen handeln. Amplifiers and in particular operational amplifiers, the amplification levels of which can be set, are used in a large number of applications, such as, for example, in the calibration of electrically generated signals from sensors. Such sensors can be, for example, axle load measuring bridges in railway systems.

Bei einer bekannten Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art («Elektronik», 1970, Heft 11, Seite 402) werden in einer der Anzahl der erforderlichen unterschiedlichen Verstärkungen eines vorgesehenen Operationsverstärkers entsprechenden Anzahl Widerstände im Rückkopplungskreis dieses Operationsverstärkers wirksam geschaltet. Dazu wird üblicherweise ein manuell betätigbarer Drehschalter verwendet. Insgesamt ergibt sich hierdurch jedoch ein relativ hoher schaltungstechnischer Aufwand. In a known amplifier arrangement of the type mentioned at the outset (“Electronics”, 1970, number 11, page 402), a number of resistors in the feedback circuit of this operational amplifier are activated in a number corresponding to the number of different amplifications required for an operational amplifier. A manually operated rotary switch is usually used for this. Overall, however, this results in a relatively high outlay on circuitry.

Es ist nun auch schon bekannt (DE-Anm. P 2722311.6-35), die Verstärkung bei einem Operationsverstärker ferngesteuert einzustellen. Für diese Verstärkungseinstellung wird ein im Dualcode auftretendes Steuersignal verwendet, mit dessen Hilfe im Gegenkopplungskreis des vorgesehenen Operationsverstärkers liegende Widerstände wirksam bzw. unwirksam geschaltet werden. Ein derartiges Widerstandsnetzwerk im Gegenkopplungskreis eines Operationsverstärkers hat jedoch zur Folge, dass von Einstellstufe zu Einstellstufe unterschiedliche Verstärkungsfaktoren auftreten. It is now also known (DE-P 2722311.6-35) to set the gain in an operational amplifier remotely. For this gain setting, a control signal occurring in the dual code is used, with the aid of which resistors located in the negative feedback circuit of the operational amplifier provided are activated or deactivated. However, such a resistance network in the negative feedback circuit of an operational amplifier has the result that different gain factors occur from setting level to setting level.

Obwohl eine derartige Verstärkungseinstellung in vielen Fällen genügt, gibt es jedoch Fälle, in denen es erwünscht ist, die Verstärkung eines Verstärkers stufenweise um stets den gleichen Faktor ändern zu können. Dies trifft insbesondere für mittels elektrischer Messwertgeber gemessene physikalische (z.B. mechanische) Grössen zu. Although such a gain setting is sufficient in many cases, there are cases in which it is desirable to be able to gradually change the gain of an amplifier by always the same factor. This applies in particular to physical (e.g. mechanical) quantities measured using electrical sensors.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie bei einer Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art auf relativ einfache Weise eine Verstärkungsänderung von Einstellstufe zu Einstellstufe um einen vorgegebenen, stets gleichbleibenden Faktor erfolgen kann. The invention is therefore based on the object of showing a way in which an amplification change from setting level to setting level can take place in a relatively simple manner in an amplifier arrangement of the type mentioned by a predetermined, always constant factor.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art erfindungs-gemäss dadurch, dass der Eingangskreis des Verstärkers durch zusätzliche Widerstandszweige erweitert ist, deren Widerstände im Verhältnis zu den im Rückkopplungskreis des Verstärkers liegenden Widerständen so bemessen und in Abstimmung mit dem Schalten dieser Widerstände derart wirksam bzw. unwirksam schaltbar sind, dass sich der Verstärkungsgrad stufenweise um einen stets gleichbleibenden, vorgegebenen Faktor ändert. The object outlined above is achieved according to the invention in an amplifier arrangement of the type mentioned at the outset in that the input circuit of the amplifier is expanded by additional resistance branches, the resistances of which are dimensioned in relation to the resistances in the feedback circuit of the amplifier and in coordination with the switching thereof Resistors can be switched so effectively or ineffectively that the degree of amplification changes gradually by a constant, predetermined factor.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass mit relativ geringem schaltungstechnischem Aufwand ausgekommen werden kann, um den Verstärkungsgrad stufenweise um einen stets gleichbleibenden Faktor zu ändern. Dabei kann in vorteilhafter Weise diese Verstärkungsänderung ferngesteuert mittels binär codierter Steuersignale erfolgen, wie dies weiter unten noch näher ersichtlich werden wird. The invention has the advantage that relatively little circuitry can be used to gradually change the degree of amplification by a constant factor. This gain change can advantageously be carried out remotely by means of binary-coded control signals, as will be seen in more detail below.

Gemäss einer zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Verstärker ein Operationsverstärker, der als invertierender gegengekoppelter Verstärker beschaltet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die im Rückkopplungskreis und im Eingangskreis des Verstärkers einzuführenden Widerstände relativ einfach bestimmt werden können. According to an expedient embodiment of the invention, the amplifier is an operational amplifier which is connected as an inverting negative feedback amplifier. This has the advantage that the resistances to be introduced in the feedback circuit and in the input circuit of the amplifier can be determined relatively easily.

Gemäss einer weiteren zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung sind für das Wirksamschalten bzw. Unwirksamschalten der Widerstände elektronische Analogschalter oder optoelektronische Koppelelemente verwendet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Schaltfunktionen ohne mechanisch bewegte, dem Verschleiss unterworfene Teile auf rein elektrischem Wege mit beliebig codierten binären Steuersignalen ausführbar sind. According to a further expedient embodiment of the invention, electronic analog switches or optoelectronic coupling elements are used for switching the resistors on or off. This results in the advantage that the switching functions can be carried out without any mechanically moved parts subject to wear and tear in a purely electrical way with arbitrarily coded binary control signals.

Gemäss einer noch weiteren zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung sind zum Einstellen von 16 unterschiedlichen Verstärkungsgraden mit einem 4-Bit-Steuersignal den ansteigenden Stellenwertigkeiten entsprechend schaltbare Kontaktmittel mit zugehörigen Widerständen auf Eingangsund Rückkapplungskreis anteilmässig gleichmässig verteilt, wobei von doppelt eingesetzten Kontaktmitteln jeweils eines durch eine UND-Verknüpfung nur zusammen mit dem in der Stellenwertigkeit nächst höheren Kontaktmittel eine wirksame Veränderung des resultierenden Widerstands des betreffenden Netzwerks hervorruft. According to yet another expedient embodiment of the invention, for setting 16 different amplification levels with a 4-bit control signal, switchable contact means with associated resistances are distributed evenly over the input and feedback circuit in accordance with the increasing significance, one of the two contact means being used by an AND operation only in conjunction with the next higher contact means in terms of significance causes an effective change in the resulting resistance of the network in question.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mit nur acht Widerständen und sechs Kontakten insgesamt 16 unterschiedliche Verstärkungsgrade eingestellt werden können, die sich jeweils um einen gleichbleibenden Faktor ändern. This has the advantage that a total of 16 different amplification levels can be set with only eight resistors and six contacts, each of which changes by a constant factor.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to a drawing.

In der Zeichnung ist als Verstärker ein Operationsverstärker Op dargestellt, der als invertierender, gegengekoppelter Verstärker betrieben ist. Dieser Operationsverstärker Op liegt mit seinem nichtinvertierenden Eingang + an Masse. Mit seinem invertierenden Eingang — ist der Operationsverstärker Op über ein in seinem Eingangskreis liegendes Widestands-netzwerk an einem-Eingangsanschluss E angeschlossen. Dieses Widerstandsnetzwerk wird weiter unten noch näher betrachtet werden. Mit seinem Ausgang ist der Operations- In the drawing, an operational amplifier Op is shown as an amplifier, which is operated as an inverting, negative feedback amplifier. This operational amplifier Op is connected to ground with its non-inverting input +. With its inverting input - the operational amplifier Op is connected to an input terminal E via a resistance network located in its input circuit. This resistor network will be considered in more detail below. With its output, the surgical

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

t>5 t> 5

3 3rd

640 377 640 377

Verstärker Op mit einem Ausgangsanschluss A verbunden. Ausserdem ist der Ausgang des Operationsverstärkers Op über ein weiteres, nachstehend noch näher zu betrachtendes Widerstandsnetzwerk mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Dieses zuletzt erwähnte Widerstandsnetzwerk liegt im Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers Op. Amplifier Op connected to an output terminal A. In addition, the output of the operational amplifier Op is connected to its inverting input via a further resistance network, which will be considered in more detail below. This last-mentioned resistance network is in the feedback circuit of the operational amplifier Op.

Das im Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers Op liegende Widerstandsnetzwerk besteht im vorliegenden Fall aus einem Rückkopplungs-Widerstand RI, zu dem ein erster Widerstand R3 und ein zweiter Widerstand R5 in Reihe geschaltet sind. Dem ersten Widerstand R3 ist dabei ein Ruhekontakt al parallel geschaltet, der durch ein Bit eines Verstärkungseinstellungs-Steuersignals betätigbar ist. Dem zweiten Widerstand R5 ist ein dritter Widerstand R6 mit einem dazu in Reihe liegenden Ruhekontakt a2 parallel geschaltet, der durch dasselbe Bit des Steuersignals betätigbar ist wie der zuvor erwähnte Ruhekontakt al. Zu dem zweiten Widerstand R5 und zu der Reihenschaltung aus dem dritten Widerstand R6 und dem Ruhekontakt a2 liegt noch ein Ruhekontakt b parallel, der entsprechend einem anderen Bit des erwähnten Steuersignals betätigbar ist. In the present case, the resistance network located in the feedback circuit of the operational amplifier Op consists of a feedback resistor RI, to which a first resistor R3 and a second resistor R5 are connected in series. A normally closed contact al is connected in parallel with the first resistor R3 and can be actuated by a bit of a gain setting control signal. The third resistor R5 is connected in parallel with a third resistor R6 with a normally closed contact a2, which can be actuated by the same bit of the control signal as the previously mentioned normally closed contact a1. To the second resistor R5 and to the series connection of the third resistor R6 and the normally closed contact a2 there is also a normally closed contact b which can be actuated in accordance with another bit of the control signal mentioned.

Das im Eingangskreis des Operationsverstärkers Op liegende Widerstandsnetzwerk besteht aus einem Eingangswiderstand R2, dem ein vierter Widerstand R7 mit einem dazu in Reihe liegenden Arbeitskontakt cl parallel geschaltet ist. Dieser Arbeitskontakt cl wird durch ein noch weiteres Bit des erwähnten Steuersignals betätigt. Dem Eingangswiderstand R2 liegt ferner ein fünfter Widerstand R8 mit einem dazu in Reihe liegenden Arbeitskontakt d parallel. Dieser Arbeitskontakt d wird durch ein noch weiteres Bit des erwähnten Steuersignals betätigt. Dem gerade erwähnten Widerstand R8 liegt schliesslich noch ein sechster Widerstand R9 mit einem dazu in Reihe liegenden Arbeitskontakt c2 parallel. Dieser Arbeitskontakt c2 wird durch dasselbe Bit des erwähnten Steuersignals betätigt wie der bereits erwähnte Arbeitskontakt cl. The resistor network located in the input circuit of the operational amplifier Op consists of an input resistor R2, to which a fourth resistor R7 with a normally open contact cl is connected in parallel. This make contact cl is actuated by yet another bit of the control signal mentioned. The input resistor R2 is also connected in parallel with a fifth resistor R8 with a normally open contact d. This make contact d is actuated by yet another bit of the control signal mentioned. Finally, the resistor R8 just mentioned is connected in parallel with a sixth resistor R9 with a normally open contact c2. This normally open contact c2 is operated by the same bit of the control signal mentioned as the previously mentioned normally open contact cl.

Zur Betätigung der vorstehend bezeichneten Schalter -die durch elektronische Schalter oder durch optoelektronische Koppelelemente gebildet sein mögen - wird im vorliegenden Fall ein vier Bits umfassendes Steuersignal verwendet. Im folgenden ist anhand einer Tabelle der Zusammenhang zwischen den einzelnen einstellbaren Verstärkungsgraden und den Bits des Steuersignals veranschaulicht, welches beispielsweise mit seinem Bit niedrigster Wertigkeit die Ruhekontakte al und a2 und mit seinem Bit höchster Wertigkeit den Arbeitskontakt d steuert. In the present case, a control signal comprising four bits is used to actuate the switches described above, which may be formed by electronic switches or optoelectronic coupling elements. The table below shows the relationship between the individual adjustable amplification levels and the bits of the control signal, which controls the normally closed contacts a1 and a2, for example, with its least significant bit and the normally open contact d with its most significant bit.

Verstärkungsgrade Reinforcement levels

Steuersignal d c l° vo vi V2 V3 V4 15 V5 V6 V7 V8 V9 20 VlO Vll V12 Vl3 V14 VIS Control signal d c l ° vo vi V2 V3 V4 15 V5 V6 V7 V8 V9 20 VlO Vll V12 Vl3 V14 VIS

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

25 25th

0 0

0 10 0 10

1 0 1 0

0 0

1 1 1 1

0 0

1 1 1 1

0 0

1 1 1 1

0 0

1 1

0 0

1 1

0 0

1 1

0 0

1 1

0 0

1 1

0 0

1 1

0 0

1 1

ä = 1 und b = 1 bedeutet, dass a und b geöffnet sind; c = 1 und d = 1 bedeutet, dass c und d geschlossen sind. ä = 1 and b = 1 means that a and b are open; c = 1 and d = 1 means that c and d are closed.

30 Zum Berechnen der einzelnen Widerstände im Rückkopplungskreis und im Eingangskreis des Operationsverstärkers wird von einer vorgegebenen Grundverstärkung vo des Operationsverstärkers Op ausgegangen. Diese Grundverstärkung vo entspricht dem Verhältnis des Widerstands R1 zu dem Wider-35 stand R2. Geht man ferner davon aus, dass sich der Verstärkungsgrad in der betrachteten Schaltungsanordnung von Stufe zu Stufe um einen Faktor von beispielsweise 1,1 ändern soll, so ergeben sich für die neben den bereits erwähnten Widerständen R1 und R2 vorzusehenden Widerstände R3, io R5, R6, R7, R8 und R9 folgende Bemessungsgrössen: 30 To calculate the individual resistances in the feedback circuit and in the input circuit of the operational amplifier, a predefined basic gain vo of the operational amplifier Op is assumed. This basic gain vo corresponds to the ratio of resistor R1 to resistor 35. If it is also assumed that the degree of amplification in the circuit arrangement under consideration should change from stage to stage by a factor of, for example, 1.1, then the resistors R3, io R5, R6 to be provided in addition to the already mentioned resistors R1 and R2 , R7, R8 and R9 following sizes:

'0 '0

R1 ÏÏ2 R1 ÏÏ2

- 1,1 - 1.1

vn = 1,1 vn = 1.1

Verstärkungsände-rungsfaktor =1,1 Gain change factor = 1.1

R1 R1 + R3 R1 R1 + R3

- -W— - -W—

K2 = K2 =

d.h.R3 = 0,1 R1 * 1,12 • v0 = 1,21 • g = R4 d.h.R4 = 0,21 R1 i.e.R3 = 0.1 R1 * 1.12 • v0 = 1.21 • g = R4 i.e.R4 = 0.21 R1

= 1,1 = 1.1

1 ,1 1, 1

wobei R4 = R5 II R6 gilt where R4 = R5 II R6 applies

3 . v _ * -z-T . RI _ RI * d h R5 = vQ - 1,33 $2 - R2 a.n.Kp 3rd v _ * -z-T. RI _ RI * d h R5 = vQ - 1.33 $ 2 - R2 a.n.Kp

4 4th

R1 R1

v0 = 1,46 • jg. = v0 = 1.46 • yg. =

R1 R1

R2 * R7 R2 * R7

d.h.R6 d.h.R? i.e.R6 i.e.R?

0,33 R1 0.33 R1

R5 • R4 R5 - RÏ R5 • R4 R5 - RÏ

R2 R2

ÖTTo ÖTTo

640 377 640 377

'0 '0

= 2,14 = 2.14

R1 R1

R1 ^ V, DÛ _ ^-^7. R1 ^ V, DÛ _ ^ - ^ 7.

d.h.R8 - i.e.R8 -

R2~+~R8 R2 ~ + ~ R8

RI R1___.Rq _ R2 RI R1 ___. Rq _ R2

R2 ~ R2-R7-R8-R9 0,54 R2 ~ R2-R7-R8-R9 0.54

v12 = 1»l12> vo = 3,14 ' v12 = 1 »l12> vo = 3.14 '

Im vorstehenden sind lediglich diejenigen Verstärkungsgrade näher betrachtet worden, die zur Bemessung der einzelnen Widerstände benötigt worden sind. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass sich einander unmittelbar benachbarte unterschiedliche Verstärkungsgrade jeweils um denselben Verstärkungsstufenfaktor von 1,1 voneinander unterscheiden. Wenn die Forderung besteht, mit anderen Verstärkungsgraden zu arbeiten, dann sind die neben den Widerständen R1 und R2 bei der betrachteten Schaltungsanordnung vorzusehenden Widerstände nach dem vorstehenden Schema entsprechend zu bemessen. In the foregoing, only those amplification levels that were required to measure the individual resistances were considered. However, it should be pointed out that immediately adjacent different gain levels differ from one another by the same gain step factor of 1.1. If there is a requirement to work with different amplification levels, then the resistors to be provided in addition to the resistors R1 and R2 in the circuit arrangement under consideration are to be dimensioned accordingly in accordance with the above scheme.

Abschliessend sei noch bemerkt, dass in Abweichung von den vorstehend erläuterten und in der Zeichnung dargestellten Verhältnissen auch so vorgegangen werden kann, dass der Verstärker der Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung in mehrere Verstärkerstufen aufgeteilt ist und dass jeder derarti- Finally, it should be noted that, in deviation from the conditions explained above and shown in the drawing, the procedure can also be such that the amplifier of the circuit arrangement according to the invention is divided into several amplifier stages and that each

R2+R7+R8+R9 R2 + R7 + R8 + R9

15 gen Verstärkerstufe im Eingangskreis und im Rückkopplungskreis Widerstände entsprechend den vorstehenden Ausführungen zugeordnet sind. Ausserdem sei noch angemerkt, dass Erweiterungen der vorstehend erläuterten Verhältnisse in der Weise möglich sind, dass im Eingangskreis 20 und im Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers eine grössere Anzahl von Widerständen und Schaltern vorgesehen ist. Wenn man beispielsweise neben den Widerständen R1 und R2 noch 12 zusätzliche Widerstände entsprechend dem vorstehend erläuterten Schema vorsieht, so lassen sich insge-25 samt 26 = 64 unterschiedliche Verstärkungsgrade mit der betreffenden Schaltungsanordnung erreichen. Überdies sei noch angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Operationsverstärkers als Verstärker beschränkt ist. Vielmehr kann das Prinzip der vorliegenden Erfindung 30 grundsätzlich bei jeder Art von Verstärker angewandt werden. 15 gene amplifier stage in the input circuit and in the feedback circuit resistors are assigned according to the above statements. In addition, it should also be noted that extensions of the relationships explained above are possible in such a way that a larger number of resistors and switches are provided in the input circuit 20 and in the feedback circuit of the operational amplifier. If, for example, in addition to the resistors R1 and R2, 12 additional resistors are provided in accordance with the scheme explained above, a total of 26 = 64 different amplification levels can be achieved with the circuit arrangement in question. Furthermore, it should be noted that the invention is not limited to the use of an operational amplifier as an amplifier. Rather, the principle of the present invention 30 can basically be applied to any type of amplifier.

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

640 377

1. Amplifier arrangement with an adjustable degree of amplification with an amplifier, in the feedback circuit of which individual resistors can be activated or deactivated, characterized in that the input circuit of the amplifier (Op) is expanded by additional resistance branches (R7, R8, R9), the resistances of which are in the ratio to the resistors (Rl, R3, R5, R6) located in the feedback circuit of the amplifier (Op) and can be switched so effectively or ineffectively in coordination with the switching of these resistors that the degree of amplification is gradual by a constant, predetermined factor changes.

2. Amplifier arrangement according to claim 1, characterized in that the amplifier (Op) is an operational amplifier which is connected as an inverting, negative feedback amplifier.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Amplifier arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that electronic analog switches (al, a2, b, cl, c2, d) or optoelectronic coupling elements are used for the activation or deactivation of the resistors.

4. Amplifier arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that for setting 16 different amplification levels with a 4-bit control signal according to the increasing significance switchable contact means (a, b, c, d) with associated resistors (R3 , R5, R6, R7, R8, R9) are evenly distributed on the input and feedback circuit and that one of the two contact means (a and c) is used (a2 and c2) by means of an AND link only together with the one in significance next higher contact means (b or d) causes an effective change in the resulting resistance of the network in question.