DD257150A1

DD257150A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR INCREASING VOLTAGES IN MEASUREMENT CIRCUITS

Info

Publication number: DD257150A1
Application number: DD29903587A
Authority: DD
Inventors: Reinhardt Boettcher; Walter Heier; Gerhard Naumann; Guenther Pangert; Roland Preller; Juergen Wehrle
Original assignee: Leipzig Werkstoffpruefmasch
Priority date: 1987-01-02
Filing date: 1987-01-02
Publication date: 1988-06-01

Abstract

Schaltungsanordnung zur Verstaerkung von Spannungen in Messkreisen, insbesondere schnell veraenderlicher Kleinspannungen von Sensoren. Ein aus Operationsverstaerkern und mit diesen verknuepften Widerstaenden bestehender unsymmetrisch arbeitender Gleichspannungs-Messverstaerker ist thermisch isoliert. Seine Arbeitstemperatur ist vorzugsweise unter der Umgebungstemperatur konstantgehalten. In einer Ausgestaltung der Erfindung sind nur die Operationsverstaerker thermisch isoliert. Damit werden sowohl temperaturabhaengige Aenderungen der Offsetspannungen der Operationsverstaerker ausgeschlossen als auch die diesen immanente Rauschspannung weitestgehend minimiert. FigurCircuit arrangement for amplification of voltages in measuring circuits, in particular fast veraenderlicher low voltages of sensors. An unbalanced DC measuring amplifier consisting of operational amplifiers and resistors connected to them is thermally insulated. Its working temperature is preferably kept constant below the ambient temperature. In one embodiment of the invention, only the operational enhancers are thermally insulated. Thus, both temperature-dependent changes in the offset voltages of the operational amplifier are excluded and the immanent noise voltage minimized as far as possible. figure

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Anwendung der Erfindung erstreckt sich auf die Verstärkung von Spannungen in Meßkreisen. Als spezielles Anwendungsgebiet kommen Sensoren in Betracht, von denen kleine Spannungen abgegeben werden.The application of the invention extends to the amplification of voltages in measuring circuits. As a special field of application are sensors into consideration, from which small voltages are delivered.

Characteristic of the known state of the art

Aus Bliklen: „Schaltungen zur Offsetspannungskompensation" Elektronik 17/85 S.95-96 ist es bekannt, Sensoren mit einer Trägerfrequenz zu speisen. Das Ausgangssignal ist dann ebenfalls in Form einer Trägerfrequenz verfügbar, die jedoch problemlos und präzise verstärkt werden kann. Nachteilig dabei ist, daß das nach der stabilen Verstärkung vorhandene Signal erst gleichgerichtet und gefiltert werden muß, um eine Gleichspannung zu erhalten, die dem Ausgangssignal des Sensors proportional ist.From Bliklen: "Offset Voltage Compensation Circuits" Electronics 17/85 p.95-96, it is known to feed sensors at a carrier frequency, and the output signal is also available in the form of a carrier frequency, which however can be amplified easily and precisely is that the signal present after the stable amplification must first be rectified and filtered in order to obtain a DC voltage which is proportional to the output signal of the sensor.

Es ist nach „brockhaus abc aromatisierung", Leipzig, 1975, S.679 weiterhin bekannt, den Sensor mit einer stabilen Gleichspannung zu versorgen. Das Ausgangssignal des Sensors wird dann durch einen Chopper in eine pulsierende Gleichspannung moduliert, die ebenfalls problemlos und präzise verstärkt werden kann. Von Nachteil ist hierbei, daß die verstärkte Spannung wieder demoduliert werden muß, um eine für die weitere Verarbeitung erforderliche Gleichspannung zur Verfügung zu haben.According to "brockhaus abc aromatisierung", Leipzig, 1975, p679, it is also known to supply the sensor with a stable DC voltage, and the output signal of the sensor is then modulated by a chopper into a pulsating DC voltage, which likewise is amplified easily and precisely The disadvantage here is that the amplified voltage must be demodulated again in order to have a required for further processing DC voltage available.

Beiden genannten Lösungen ist ein weiterer Nachteil eigen. Sie sind zur Messung quasistatischer Vorgänge gut geeignet.Both solutions are another disadvantage. They are well suited for measuring quasistatic processes.

Müssen jedoch schnell veränderliche Signale verarbeitet werden, wie das beispielsweise für die Beherrschung regelungstechnischer Vorgänge erforderlich ist, stoßen beide Verfahren schnell an Grenzen.However, if fast-changing signals have to be processed, as is required, for example, for mastering control engineering processes, both methods quickly reach their limits.

In der Praxis ist es auch üblich, daß Verstärkungsproblem zu lösen durch die Anwendung eines invertierenden Operationsverstärkers, bei dem ein Komparator mit Referenzeingang zu definierten Zeiten die Spannung des Summenpunktes abtastet und durch Einspeisung einer gegenpoligen Korrekturspannung am positiven Eingang des invertierenden Operationsverstärkers Änderungen der Offsetspannung kompensiert werden.In practice, it is also common to solve the gain problem by using an inverting operational amplifier in which a comparator with reference input at defined times samples the voltage of the summing point and compensated by feeding a reverse polarity correction voltage to the positive input of the inverting operational amplifier changes the offset voltage ,

Eine Gleichrichtung und Filterung des verstärkten Signals entfällt dabei. Das Verfahren kann jedoch nur angewandt werden, wenn eine in der Regel zyklische jeweils kurze Unterbrechung des Meßvorgangs möglich ist.A rectification and filtering of the amplified signal is eliminated. However, the method can only be used if a usually cyclic respectively short interruption of the measuring process is possible.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung liegt in einer Schaltungsanordnung, die in der Lage ist, kleine von Sensoren abgegebene Spannungen für Meß- und Regelzwecke schnell, stabil und kontinuierlich zu verstärken und hohen Anforderungen an die Nullpunkt-Stabilität des Verstärkers gerecht wird.The object of the invention is a circuit arrangement which is able to amplify small voltages emitted by sensors for measurement and control purposes quickly, stably and continuously and meet high demands on the zero point stability of the amplifier.

Explanation of the essence of the invention

Zur Beseitigung der in der Charakteristik des bekannten Standes der Technik dargelegten Mängel liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung von Spannungen in Meßkreisen, insbesondere der Ausgangsspannungen von Sensoren zu schaffen, die ohne Gleichrichtungs-. Filter- und Modulationsvorgänge schnell veränderliche Kleinspannungen kontinuierlich verstärkt und dabei gleichzeitig sowohl temperaturabhängige Änderungen der Offsetspannungen verwendeter Operationsverstärker ausschließt als auch die diesen immanente Rauschspannung weitestgehend minimiert. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß einem an einer stabilen Gleichspannung liegenden Sensor ein unsymmetrisch arbeitender Gleichspannungs-Meßverstärker nachgeschaltet ist. Dieser besteht aus einem ersten Operationsverstärker, der über einen Widerstand mit einem nichtinvertierenden zweiten Operationsverstärker mit einem Gegenkopplungswiderstand, elektrisch verbunden ist. Der Gleichspannungs-Meßverstärker ist thermisch isoliert und seine Arbeitstemperatur vorzugsweise unterhalb der Umgebungstemperatur konstantgehalten. Auch eine Isolierung nur der Operationsverstärker ist möglich.To overcome the deficiencies set forth in the prior art, the invention has for its object to provide a circuit arrangement for amplifying voltages in measuring circuits, in particular the output voltages of sensors, without rectification. Filtering and modulation processes continuously changing low voltages continuously amplified while at the same time excludes both temperature-dependent changes in the offset voltages used operational amplifier as well as this immanent noise voltage minimized as much as possible. According to the invention, this object is achieved in that a lying at a stable DC voltage sensor is followed by an asymmetrically operating DC voltage amplifier. This consists of a first operational amplifier, which is electrically connected via a resistor to a non-inverting second operational amplifier with a negative feedback resistor. The DC sense amplifier is thermally insulated and its operating temperature preferably kept constant below ambient temperature. Also, isolation of only the operational amplifier is possible.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die bekannte Abhängigkeit der Offsetspannung von Operationsverstärkern von der Umgebungstemperatur durch die thermische Isolierung des Gleichspannungs-Meßverstärkers eliminiert wird. Nachgewiesenermaßen wird die den Operationsverstärkern immanente Rauschspannung um so höher, je höher deren Arbeitstemperatur ansteigt. Durch die Konstanthaltung der Arbeitstemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur wird die Rauschspannung auf vernachlässigbare Werte minimiert.The operation of the solution according to the invention is that the known dependence of the offset voltage of operational amplifiers on the ambient temperature is eliminated by the thermal insulation of the DC sense amplifier. It has been proven that the noise inherent in the operational amplifiers is higher the higher the operating temperature thereof. By keeping the working temperature below the ambient temperature, the noise voltage is minimized to negligible levels.

embodiment

Die zugehörige Zeichnung zeigt die prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.The accompanying drawing shows the basic representation of a circuit arrangement according to the invention.

Ein an einer stabilen Gleichspannung 1 liegender Sensor 2 ist ausgangsseitig an einen Gleichspannungs-Meßverstärker angeschlossen. Dabei führt der eine Ausgang zum nichtinvertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers 3, der andere zum nichtinvertierenden Eingang eines nichtinvertierenden zweiten Operationsverstärkers 4. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 3 ist einmal mit dessen invertierendem Eingang, zum anderen über einen Widerstand 5 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 4 verbunden. Die Ausgangsleitung des zweiten Operationsverstärkers 4führt über einen Gegenkopplungswiderstand 6 zu seinem invertierenden Eingang. Die Ausgänge beider Operationsverstärker 3; 4 bilden gleichzeitig den zweipoligen Ausgang des Gleichspannungs-Meßverstärkers. Letzterer, bestehend aus den Operationsverstärkern 3; 4, dem Widerstand 5 und dem Gegenkopplungswiderstand 6, istthermisch isoliert, vorzugsweise in einem Dewargefäß 7, angeordnet, dessen Innentemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur beispielsweise durch ein (nicht dargestelltes) Peltier-Element garantiert ist.A lying at a stable DC voltage sensor 1 2 is the output side connected to a DC voltage amplifier. The output of the first operational amplifier 3 is once with its inverting input, on the other hand via a resistor 5 to the inverting input of the second operational amplifier 4 connected. The output line of the second operational amplifier 4 leads via a negative feedback resistor 6 to its inverting input. The outputs of both operational amplifiers 3; 4 simultaneously form the two-pole output of the DC voltage amplifier. The latter, consisting of the operational amplifiers 3; 4, the resistor 5 and the negative feedback resistor 6, is thermally insulated, preferably arranged in a Dewar 7, whose internal temperature below ambient temperature is guaranteed, for example, by a (not shown) Peltier element.

In einer Ausgestaltung des beschriebenen Beispiels können auch nur die beiden Operationsverstärkers; 4 thermisch isoliertIn one embodiment of the example described, only the two operational amplifiers; 4 thermally insulated

Gegenüber dem bekannten Stand der Technik bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, daß kleine von Sensoren abgegebene, schnelle veränderliche Spannungen für Meß- und Regelzwecke mit minimalem Aufwand ohne zusätzliche Gleichrichtungs-, Filter- und Modulationsvorgänge schnell, kontinuierlich und stabil verstärkt werden, wobei gleichzeitig sowohl temperaturabhängige Änderungen der Offsetspannungen verwendeter Operationsverstärker ausgeschlossen als auch die diesen immanente Rauschspannung weitestgehend minimiert werden. Der erfindungsgemäße Verstärker hat eine hohe Nullpunkt-Stabilität.Compared with the known prior art, the solution according to the invention has the advantage that small emitted by sensors, fast variable voltages for measurement and control purposes with minimal effort without additional rectification, filtering and modulation operations are amplified quickly, continuously and stably, at the same time both Temperature-dependent changes in the offset voltages used operational amplifier excluded and the immanent noise voltage are largely minimized. The amplifier according to the invention has a high zero-point stability.

Claims

-1- Z57 150 Claims:

1. Circuit arrangement for amplifying voltages in measuring circuits, in particular of rapidly varying small voltages emitted by sensors with an operational amplifiers and resistors associated with these existing asymmetrically operating DC voltage amplifier, characterized in that the DC voltage amplifier thermally insulated and its working temperature preferably below the ambient temperature is kept constant.

2. Circuit arrangement according to claim !, characterized in that only the operational amplifier is thermally insulated and whose working temperature is preferably kept constant below the ambient temperature.