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PATENTANSPRÜCHE
1. Tiefpass, bestehend aus mindestens einem RC-Glied und einem nachgeschalteten Operationsverstärker, zur Glättung einer von Störsignalen überlagerten Gleichspannung, insbesondere in elektronischen Waagen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der dielektrischen Nachwirkung des Kondensators (Cl) des Tiefpasses mindestens ein weiterer Kondensator (C2) und ein weiterer Widerstand (R2) vorhanden sind, die in der Schaltung eine entgegengesetzte Nachwirkurg ergeben, ohne das Zeitverhalten des Tiefpasses wesentlich zu verändern.
2. Tiefpass nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kondensator (C2) und der weitere Widerstand (R2) parallel zum Widerstand (Rl) des RC-Gliedes liegen.
3. Tiefpass nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kondensator (C2) und der weitere Widerstand (R2) in der Rückkopplungsschleife des nachgeschalteten Operationsverstärkers (Vl) liegen.
4. Tiefpass nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kondensator (C2) und der weitere Widerstand (R2) parallel zum Vorwiderstand (R4) eines zweiten, invertierenden Operationsverstärkers (V2) liegen.
5. Tiefpass nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für das Dielektrikum des weiteren Kondensators (C2) ein Material mit grösserer dielektrischer Nachwirkung als für das Dielektrikum des Tiefpass-Kondensators (Cl) eingesetzt ist.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Tiefpass, bestehend aus mindestens einem RC-Glied und einem nachgeschalteten Operationsverstärker, zur Glättung einer von Störsignalen überlagerten Gleichspannung, insbesondere in elektronischen Waagen.
Soll die Zeitkonstante eines solchen Tiefpasses im Bereich um eine Sekunde liegen, so sind verhältnismässig grosse Kondensatoren mit Kapazitäten von etwa 1 ,uF notwendig. Bei diesen Kapazitäten macht sich bereits die dielektrische Nachwirkung des Dielektrikums bemerkbar. Diese dielektrische Nachwirkung ist beispielsweise in Grimsehls Lehrbuch der Physik, herausgegeben von W. Schallreuter, Band II, 15. Auflage 1961 auf Seite 73 beschrieben. Da diese dielektrische Nachwirkung im allgemeinen mit einer Zeitkonstante von etwa 10 Sek. abklingt, macht sie sich als störende Änderung des Zeitverhaltens des Tiefpasses bemerkbar und führt z.B.
nach einem Spannungssprung am Eingang des Tiefpasses noch zu geringen Spannungsänderungen am Ausgang des Tiefpasses zu einem Zeitpunkt, an dem der Einschwingvorgang des Tiefpasses gemäss seiner Zeitkonstante längst abgeschlossen sein sollte. Wird solch ein Tiefpass beispielsweise im Eingang eines hochauflösenden Analog/Digital-Wandlers einer elektronischen Waage eingesetzt, um die der zu messenden Gleichspannung überlagerten Störsignale zu unterdrükken, so tritt beim Belasten der Waage eine Anzeigeänderung noch zu einem Zeitpunkt auf, an dem der Einschwingvorgang des Tiefpasses längst abgeschlossen sein sollte.
Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gesetzt, einen Tiefpass, bestehend aus mindestens einem RC-Glied und einem nachgeschalteten Operationsverstärker, so weiteren zuentwickeln, dass die dielektrische Nachwirkung keinen störenden Einfluss auf sein Ausgangssignal hat.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zur Kompensation der dielektrischen Nachwirkung des Kondensators des Tiefpasses mindestens ein weiterer Kondensator und ein weiterer Widerstand vorgesehen sind, die in der Schaltung eine entgegengesetzte Nachwirkung ergeben, ohne das Zeitverhalten des Tiefpasses wesentlich zu verändern.
Dabei liegt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der weitere Kondensator und der weitere Widerstand parallel zum Widerstand des RC-Gliedes.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung liegt der weitere Kondensator und der weitere Widerstand in der Rückkopplungsschleife des nachgeschalteten Operationsverstärkers.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt der weitere Kondensator und der weitere Widerstand parallel zum Vorwiderstand eines zweiten, invertierenden Operationsverstärkers.
Vorteilhafterweise wird in allen Ausgestaltungen für das Dielektrikum des weiteren Kondensators ein Material eingesetzt, das eine grössere dielektrische Nachwirkung zeigt als das Dielektrikum des Tiefpass-Kondensators.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Schaltbildern und einem Spannungsdiagramm beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine erste Variante des erfindungsgemässen Tiefpasses,
Fig. 2 eine zweite Variante des erfindungsgemässen Tiefpasses,
Fig. 3 eine dritte Variante des erfindungsgemässen Tiefpasses und
Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Spannung am Eingang und Ausgang des Tiefpasses.
Der Tiefpass in Fig. 1 wird durch das aus dem Widerstand Rl und dem Kondensator Cl bestehende RC-Glied gebildet.
Der Operationsverstärker Vl bewirkt eine nichtinvertierende Entkopplung des Ausgangs A. Ohne den weiteren Kondensator C2 und den weiteren Widerstand R2 würde ein Spannungssprung am Eingang E der Tiefpass-Schaltung, wie er im ersten Diagramm der Fig. 4 dargestellt ist, am Ausgang A einen Spannungsverlauf erzeugen, wie er im zweiten Diagramm der Fig. 4 für das reale RC-Glied dargestellt ist. Der Unterschied zum idealen RC-Glied, der in Fig. 4 der Deutlichkeit halber übertrieben gross dargestellt ist, wird durch die dielektrische Nachwirkung des Kondensator C1 verursacht.
Der weitere Kondensator C2 und der weitere Widerstand R2 parallel zum Widerstand Rl sorgen nun dafür, dass die Spannung am Kondensator Cl und damit auch die Ausgangsspannung schneller ansteigen. Der Spannungsverlauf am Ausgang des so beschalteten Tiefpasses nähert sich also dem Spannungsverlauf eines idealen RC-Gliedes an. Dabei kann durch richtige Wahl der Grösse des zusätzlichen Widerstandes R2 das Verhalten unmittelbar nach dem Spannungssprung am Eingang optimal an den Idealverlauf angepasst werden, während das Verhalten einige Sekunden nach dem Spannungssprung am Eingang wesentlich von der Grösse des zusätzlichen Kondensators C2 und der dielektrischen Nachwirkung seines Dielektrikums bestimmt wird.
Wird für das Dielektrikum des Kondensators C2 ein Material eingesetzt, das eine grössere dielektrische Nachwirkung zeigt als das Dielektrikum des Kondenstors C1, so kann auch mit kleineren Kapazitätswerten C2 eine genügend grosse dielektrische Nachwirkung erreicht werden.
Durch richtige Wahl der Grösse des zusätzlichen Widerstandes R2, der Grösse des zusätzlichen Kondensators C2 und des Dielektrikums des Kondensators C2 ist es im allgemeinen möglich, den Spannungsverlauf am Ausgang des erfindungsgemässen Tiefpasses so gut an den Spannungsverlauf am Ausgang eines idealen RC-Gliedes ohne dielektrische
Nachwirkung anzupassen, dass selbst bei sehr hochauflösenden Messgeräten kein störender Einfluss der dielektrischen
Nachwirkung erkennbar ist.
In Fig. 2 ist eine Variante des erfindungsgemässen Tief
passes dargestellt. Der zusätzliche Kondensator C2 und der zusätzliche Widerstand R2 befinden sich zusammen mit einem weiteren Kondensator C3 in der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers Vl. Die Wirkungsweise entspricht der bei Fig. 1 beschriebenen:
Unmittelbar nach einem Spannungssprung am Eingang E wird der zu geringe Spannungsanstieg des realen RC-Gliedes durch eine leicht über eins liegende Verstärkung des Operationsverstärkers Vl kompensiert, da durch den kapazitiven Spannungsteiler C2/C3 nur ein Teil der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers auf seinen invertierenden Eingang zurückgekoppelt wird. Der zusätzliche Widerstand R2 und die Nachwirkung des Kondensators C2 bestimmen in dieser Schaltung das Verhalten längere Zeit nach einem Spannungssprung.
Die Fig. 3 zeigt eine andere Variante, die sich von der ersten dadurch unterscheidet, dass der zusätzliche Kondensator C2 und der zusätzliche Widerstand R2 parallel zum Vorwiderstand eines zweiten, invertierenden Operationsverstärkers V2 liegen, während in Fig. 1 der zusätzliche Kondensator C2 und der zusätzliche Widerstand R2 parallel zum Widerstand Rl des RC-Gliedes liegen. Der zweite Operationsverstärker V2 ist meist sowieso in der Schaltung vorhanden, beispielsweise als Messbereichsverstärker mit einstellbarem R3 oder als Integrator mit einem Kondensator C3 an Stelle von R3 in der Rückkopplung. Die zusätzliche Beschaltung parallel zu R4 wirkt genauso wie eine zusätzliche Beschaltung parallel zu Rl. Da der Widerstand im allgemeinen niederohmiger ist als der Widerstand Rl, hat diese Variante manchmal den Vorteil, dass auch der Widerstand R2 einen nicht zu hohen Wert haben muss.
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PATENT CLAIMS
1. Low pass, consisting of at least one RC element and a downstream operational amplifier, for smoothing a DC voltage superimposed by interference signals, in particular in electronic scales, characterized in that at least one further capacitor () to compensate for the dielectric after-effect of the capacitor (Cl) of the low pass. C2) and another resistor (R2) are present, which result in an opposite after-effect in the circuit without significantly changing the time behavior of the low-pass filter.
2. Low pass according to claim 1, characterized in that the further capacitor (C2) and the further resistor (R2) are parallel to the resistor (Rl) of the RC element.
3. Low pass according to claim 1, characterized in that the further capacitor (C2) and the further resistor (R2) are in the feedback loop of the downstream operational amplifier (Vl).
4. Low pass filter according to claim 1, characterized in that the further capacitor (C2) and the further resistor (R2) are parallel to the series resistor (R4) of a second, inverting operational amplifier (V2).
5. Low pass according to one of claims 1 to 4, characterized in that for the dielectric of the further capacitor (C2) a material with greater dielectric aftereffect than for the dielectric of the low pass capacitor (Cl) is used.
The invention relates to a low-pass filter, consisting of at least one RC element and a downstream operational amplifier, for smoothing a DC voltage superimposed by interference signals, in particular in electronic scales.
If the time constant of such a low-pass filter is to be in the range of one second, then relatively large capacitors with capacities of approximately 1 .mu.F are necessary. With these capacities, the dielectric aftereffect of the dielectric is already noticeable. This dielectric after-effect is described, for example, in Grimsehl's textbook on physics, edited by W. Schallreuter, Volume II, 15th edition 1961 on page 73. Since this dielectric aftereffect generally subsides with a time constant of about 10 seconds, it manifests itself as a disturbing change in the time behavior of the low pass and leads e.g.
after a voltage jump at the input of the low pass still too small voltage changes at the output of the low pass at a point in time at which the settling process of the low pass should have been completed according to its time constant. If such a low-pass filter is used, for example, in the input of a high-resolution analog / digital converter of an electronic balance in order to suppress the interference signals superimposed on the DC voltage to be measured, a change in the display occurs when the balance is loaded, at a point in time when the low-pass filter settles should have been completed long ago.
The invention therefore has set itself the task of developing a low-pass filter consisting of at least one RC element and a downstream operational amplifier in such a way that the dielectric after-effect has no disruptive influence on its output signal.
According to the invention, this is achieved in that at least one further capacitor and a further resistor are provided to compensate for the dielectric after-effect of the capacitor of the low-pass, which result in an opposite after-effect in the circuit without significantly changing the time behavior of the low-pass.
In an advantageous embodiment, the additional capacitor and the additional resistor lie parallel to the resistance of the RC element.
In another advantageous embodiment, the additional capacitor and the additional resistor lie in the feedback loop of the downstream operational amplifier.
In a further advantageous embodiment, the further capacitor and the further resistor are parallel to the series resistor of a second, inverting operational amplifier.
In all configurations, a material is advantageously used for the dielectric of the further capacitor which has a greater dielectric aftereffect than the dielectric of the low-pass capacitor.
The invention is described below using three circuit diagrams and a voltage diagram. It shows:
1 shows a first variant of the low pass according to the invention,
2 shows a second variant of the low pass according to the invention,
Fig. 3 shows a third variant of the low pass according to the invention and
Fig. 4 shows the time course of the voltage at the input and output of the low pass.
The low-pass filter in FIG. 1 is formed by the RC element consisting of the resistor R1 and the capacitor C1.
The operational amplifier VI effects a non-inverting decoupling of the output A. Without the additional capacitor C2 and the additional resistor R2, a voltage jump at the input E of the low-pass circuit, as shown in the first diagram in FIG. 4, would produce a voltage curve at the output A. as shown in the second diagram of FIG. 4 for the real RC element. The difference from the ideal RC element, which is shown exaggeratedly large in FIG. 4, is caused by the dielectric after-effect of the capacitor C1.
The additional capacitor C2 and the additional resistor R2 in parallel with the resistor R1 now ensure that the voltage across the capacitor C1 and thus also the output voltage rise more quickly. The voltage curve at the output of the low-pass filter wired in this way approximates the voltage curve of an ideal RC element. By correctly choosing the size of the additional resistor R2, the behavior immediately after the voltage jump at the input can be optimally adapted to the ideal course, while the behavior a few seconds after the voltage jump at the input depends essentially on the size of the additional capacitor C2 and the dielectric aftereffect of its dielectric is determined.
If a material is used for the dielectric of the capacitor C2 which has a greater dielectric after-effect than the dielectric of the capacitor C1, a sufficiently large dielectric after-effect can also be achieved with smaller capacitance values C2.
By correctly choosing the size of the additional resistor R2, the size of the additional capacitor C2 and the dielectric of the capacitor C2, it is generally possible to match the voltage profile at the output of the low-pass filter according to the invention as well as the voltage profile at the output of an ideal RC element without dielectric
Aftereffect to adjust that even with very high-resolution measuring devices no interference from the dielectric
Aftereffect is recognizable.
2 shows a variant of the low according to the invention
passes shown. The additional capacitor C2 and the additional resistor R2 are located together with a further capacitor C3 in the feedback loop of the operational amplifier Vl. The mode of operation corresponds to that described in FIG. 1:
Immediately after a voltage jump at input E, the insufficient rise in voltage of the real RC element is compensated for by a gain of operational amplifier Vl slightly above one, since only a part of the output voltage of the operational amplifier is fed back to its inverting input through capacitive voltage divider C2 / C3 . The additional resistance R2 and the after-effect of the capacitor C2 determine the behavior in this circuit for a longer time after a voltage jump.
FIG. 3 shows another variant, which differs from the first in that the additional capacitor C2 and the additional resistor R2 lie in parallel with the series resistor of a second, inverting operational amplifier V2, while in FIG. 1 the additional capacitor C2 and the additional one Resistor R2 are parallel to resistor Rl of the RC element. The second operational amplifier V2 is usually present in the circuit anyway, for example as a measuring range amplifier with adjustable R3 or as an integrator with a capacitor C3 instead of R3 in the feedback. The additional wiring in parallel with R4 works in the same way as an additional wiring in parallel with Rl. Since the resistance is generally lower-resistance than the resistance R1, this variant sometimes has the advantage that the resistance R2 does not have to be too high.