DD289137A5 - Schaltungsanordnung zur logarithmischen anzeige von spitzenwerten analoger elektrischer signale - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur logarithmischen Anzeige von Spitzenwerten analoger elektrischer Signale unter Verwendung eines Operationsverstaerkers. Es soll eine Schaltungsanordnung geschaffen werden, die durch vielfaeltige Variationsmoeglichkeiten an unterschiedlichste Meszaufgaben anpaszbar ist. Dies wird dadurch erreicht, dasz der invertierende Eingang des Operationsverstaerkers (3) ueber einen Widerstand (2) mit einer Eingangsklemme (1) verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang auf einem Bezugspotential liegt, der Operationsverstaerker (3) ausgangsseitig mit den in Durchlaszrichtung positiven Anschluessen zweier gleichartiger Halbleiterbauelemente (41; 42) mit einer nahezu identischen logarithmischen Strom-Spannungs-Kennlinie eines Arrays (4) verbunden ist, eines der Halbleiterbauelemente (41) auf den invertierenden Eingang des Operationsverstaerkers (3) zurueckgefuehrt und antiparallel dazu eine Diode (5) geschaltet ist, vom negativen Anschlusz des anderen Halbleiterbauelements (42) Verbindungen sowohl zu einer Stromquelle * die ueber eine Klemme (7) von einer negativen Betriebsspannung gespeist ist, als auch zum Eingang eines Maximumspeichers (8) fuer analoge Spannungssignale hergestellt sind, der Ausgang des Maximumspeichers (8) auf einen Gleichspannungsverstaerker (9) gefuehrt ist, dessen Ausgang an eine Ausgangsklemme (10) gelegt ist und die Eingaenge des Gleichspannungsverstaerkers (9) einerseits mit einem weiteren Halbleiterbauelement (43) des Arrays (4) und andererseits ueber eine Stromquelle (11) mit Betriebsspannungsquellen (12; 13) verbunden sind. Figur 1{Mesztechnik; Wechselspannungsparameter; Erfassung; Anzeige logarithmisch; Strom-Spannungs-Kennlinie; Operationsverstaerker; Maximumspeicher; Gleichspannungsverstaerker; Absolutwertbildner}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur logarithmischen Anzeige von Spitzenwerten analoger elektrischer Signale unter Verwendung eines Operationsverstärkers.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Ein häufig in der Meßtechnik auftretendes Problem beinhaltet die schnelle Erfassung von Wechselspannungsparametern, wenn deren Beträge in einem weiten Bereich veränderlich sind. In verschiedenen Gebieten, so z.B. der Nachrichtentechnik oder der Schallemissionsanalyse, hat sich deshalb die logarithmische Darstellungsweise durchgesetzt. Die Angaben erfolgen meist in dB (Dezibel).

Zur Bewertung nichtperiodischer Wechselspannungen, wie z. B. Burst- oder Rauschsignale in der Schallemissionsanalyse, werden Aussagen zu auftretenden Spitzenwerten benötigt, z. B. um angeschlossene Analog/Digital-Umsetzer optimal aussteuern zu können. Zur Anzeige des Spitzenwertes dienen in der Regel Zeigerinstrumente oder quasianalog arbeitende optoelektronische Anzeigegeräte, ζ. Β. LED-Bandanzeigen. Entsprechende Schaltungsanordnungen wurden bereits mehrfach beschrieben.

Bei einer bekannten Anordnung (DE-AS 2222600) ist ein Zeigerinstrument an die Ausgänge zweier gleichartiger passiver Gleichrichterschaltungen angeschlossen, die mit einem unterschiedlich verstärkten Pegel des Eingangssignals angesteuert werden. Die resultierende Anzeigefunktion hat nur in grober Näherung einen logarithmischen Verlauf. Eine weitere aus der DE-AS 2545 535 bekannte Schaltungsanordnung erzeugt die logarithmische Abhängigkeit einer Ausgangsgleichspannung von einer Eingangswechselspannung durch mehrere in Kaskade geschaltete Transistor-Begrenzerstufen. Zur Realisierung eines mehrere Dekaden umfassenden Meßbereiches erfordert diese Lösung einen erheblichen Aufwand an Bauelementen.

Es sind weiterhin Logarithmierschaltungen bekannt, die den nahezu logarithmischen Verlauf bestimmter Strom/Spannungs-Kennlinien von Halbleiterbauelementen (Dioden, Transistoren) ausnutzen. Zum Zweck der Spitzenwertanzeige von Wechselspannungen sind derartigen Schaltungen aktive Gleichrichter und Spitzenwertspeicher vorzuschalten, was insgesamt einen erhöhten Schaltungsaufwand bedeutet.

Außerdem ist eine Lösung bekannt, bei der ein Spitzenwertgleichrichter eingesetzt und die anschließende Logarithmierung mit Hilfe eines Widerstands-Dioden-Netzwerkes im Gegenkopplungszweig eines Operationsverstärkers vorgenommen wird. Dieser Schaltung ähnlich ist eine in der DE-AS 2836656 beschriebene Anordnung, die den Aufwand jedoch dadurch verringert, daß die Gleichrichtungs- und Logarithmierfunktion demselben Operationsverstärker zugeordnet ist.

Zur Anzeige dienen in beiden Fällen LED-Bänder, die durch integrierte Ansteuerschaltkreise getrieben werden. Der Nachteil beider Schaltungen liegt in der für meßtechnische Zwecke ungenügenden Genauigkeit bei der Bildung der

logarithmischen Funktion.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung, die bei geringem Aufwand mit hoher Genauigkeit eine logarithmische Anzeige des Spitzenwertes eines analogen elektrischen Signals ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung eines Operationsverstärkers eine Schaltungsanordnung zur logarithmischen Spitzenwertanzeige von analogen elektrischen Signalen zu schaffen, die durch vielfältige Variationsmöglichkeiten an unterschiedlichste Meßaufgaben anpaßbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der invertierende Eingang des Operationsverstärkers über einen Widerstand mit einer Eingangsklemme verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang auf einem Bezugspotential liegt, der Operationsverstärker ausgangsseitig mit den in Durchlaßrichtung positiven Anschlüssen zweier gleichartiger Halbleiterbauelemente mit einer nahezu identischen logarithmischen Strom-Spannungs-Kennlinie eine Arrays verbunden ist, eines der Halbleiterbauelemente auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zurückgeführt und antiparallel dazu eine Diode geschaltet ist, vom negativen Anschluß des anderen Halbleiterbauelementes Verbindungen sowohl zu einer Stromquelle, die über eine Klemme von einer negativen Betriebsspannung gespeist ist, als auch zum Eingang eines Maximumspeichers für analoge Spannungssignale hergestellt sind, der Ausgang des Maximumspeichers auf einen Gleichspannungsverstärker geführt ist, dessen Ausgang an eine Ausgangsklemme gelegt ist und die Eingänge des Gleichspannungsverstärkers einerseits mit einem weiteren Halbleiterbauelement des Arrays und andererseits über eine Stromquelle mit Betriebsspannungsquellen verbunden sind.

In den Eingangszweig des Operationsverstärkers ist ein Absolutwertbildner geschaltet und als Halbleiterbauelemente sind entweder Dioden oder Transistoren eingesetzt.

Zur Erzielung einer höheren Genauigkeit sind als Halbleiterbauelemente an sich bekannte Kombinationen elektronischer Bauelemente eingesetzt.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: die Schaltungsanordnung in schematischer Darstellung Fig. 2: den Signalverlauf an ausgewählten Meßpunkten Fig. 3: die Schaltungsanordnung mit einer LED-Bandanzeige.

Das zu überwachende Analogsignal wird an eine Eingangsklemme 1 gelegt. Über einen Widerstand 2 ist diese mit dem

invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 3 verbunden, dessen nichtinvertierender Eingang auf einem

Bezugspotential (Masseanschluß) liegt. Ausgangsseitig ist der Operationsverstärker 3 mit den in Durchlaßrichtung positiven Anschlüssen zweier Halbleiterbauelemente 41; 42 des Arrays 4 verbunden. Dieser Array 4 beinhaltet eine Anzahl gleichartiger Halbleiterbauelemente mit nahezu logarithmischer Kennlinie, insbesondere Dioden oder Transistoren. Zur Erzielung einer hohen Genauigkeit und Temperaturunabhängigkeit sind vorzugsweise monolithisch integrierte Bauelementearrays geeignet, die eine weitgehende Kennlinienübereinstimmung und eine enge thermische Kopplung

aufweisen.

In Fig. 1 wird für diese Halbleiterbauelemente 41 bis 43 verallgemeinernd das Diodensymbol verwendet. Eines dieser Halbleiterbauelemente 41 ist auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3 zurückgeführt. Antiparallel dazu ist eine Diode 5 geschaltet. Vom in Durchlaßrichtung negativen Anschluß des zweiten am Ausgang des Operationsverstärkers 3 angeschlossenen Halbleiterbauelements 42 führen Verbindungen einerseits an eine Stromquelle 6, die über eine Klemme 7 von einer negativen Betriebsspannung gespeist wird, andererseits zum Eingang eines Maximumspeichers 8 für analoge Spannungssignale, der in

vielfältiger Weise ausgebildet sein kann. Dessen Ausgang ist mit dem Eingang eines verstärkungssteuerbaren

Gleichspannungsverstärkers 9 verbunden. Das Ausgangssignal dieses Gleichspannungsverstärkers 9 ist an eine Ausgangsklemme 10 geführt. Zur Verstärkungssteuerung sind Eingänge des Gleichspannungsverstärkers 9 einerseits mit

einem weiteren Halbleiterbauelement 43 des Arrays 4, andererseits über eine Stromquelle 11 mit

Betriebsspannungsklemmen 12; 13 verbunden.

Fig. 2 verdeutlicht die Funktionsweise der Schaltungsanordnung. Das Diagramm A stellt den zeitlichen Verlauf eines willkürlich angenommenen Wechselspannungssignals dar, das an die Eingangsklemme 1 geführt ist. Am Ausgang des Operationsverstärkers 3 erscheint dieses Signal um 180° phasenverschoben und gemäß der logarithmischen Kennlinien des Halbleiterbauelements 41 des Arrays 4 und der Diode 5 verzerrt (Diagramm B).

Das konstantstromdurchflossene Halbleiterbauelement 42 bewirkt eine temperaturkompensierte Nullpunktverschiebung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 3, wodurch ein für die logarithmische Darstellungsweise erforderlicher Bezugspegel definiert wird (Diagramm C). Das nach erfolgter Maximalwertspeicherung erhaltene Ausgangssignal zeigt Diagramm D. Trotz des geringen Aufwandes zeichnet sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung durch eine hohe Einsatzflexibilität

und viele Variationsmöglichkeiten aus. In den Eingangszweig einbezogene frequenzabhängige Bauelemente ermöglichen inelnfacherWeise die Herausbildung verschiedenster Frequenzcharakteristika der Anzeigeschaltung.

Der in Fig. 1 dargestellte Kondensator 14 bewirkt im Zusammenhang mit dem Widerstand 2 ein Hochpaßverhalten. Ein

vorgeschalteter Absolutwertbildner 15, der in diesem Fall ein negatives Ausgangssignal erzeugen muß, ermöglicht die

Abtastung beider Halbwellen des Eingangssignals. Von Vorfeil Ist weiterhin d'e einfache Dimensionierung der Schaltung. Der Nullpunkt des Ausgangssignals

(Ausgangsspannung = Bezugspotential) ist wie folgt definiert:

/ -Uo / _ . -Ue: negativeAmplitude des Eingangssignals

R ^β R: Widerstand 2

Ι«: Konstantstrom der Stromquelle β

Der Anstieg des logarithmierten Ausgangssignals bei einer definierten Eingangsspannungserhöhung ist abhängig von den Bauelementeparametern des Arrays 4, deren Temperaturverhalten für bestimmte Anwendungsfäüe allerdings nicht vernachlässigbar sein wird, und vom Verstärkungsfaktor des Gleichspannungsverstärkers 9 wird, wie vorgeschlagen, eine Verstärkungssteuerung über ein weiteres Bauelement bzw. eine Bauelementengruppe des Arrays 4 vorgenommen, so läßt sich die Temperaturabhängigkeit weitgehend kompensieren. Noch bessere Ergebnisse erzielt man durch Thermostatisierung des Arrays 4.

Fig. 3 gibt als möglichen Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine logarithmische Ansteuerungsanzeige für NF-Pegel an.

Als Anzeigeelement dient eine LED-Bandanzeige VL1, die von einem speziellen Treiberschaltkreis angesteuert wird. Als logarithmierende Strom/Spannungs-Wandler dienen Transistoren eines Arrays VT2; VT3. Die Spitzenwertspeicherung wird durch einen Kondensator C2 bewirkt, der über eine Diode VD1 schnell aufgeladen wird, seine Entladung erfolgt dagegen über die Widerstände R3; R4; R 5. Deren Dimensionierung bestimmt somit das Abklingverhalten der Anzeige. Dem Temperatureinfluß auf die Kennliniensteilheit der Transistoren VT2; VT3 wird durch die Kombination der Widerstände R 6; R7 und des Transistors VT4 begegnet, die den Variationsbereich der Steuerspannung zum Überstreichen des gesamten Anzeigeumfanges bestimmen.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur logarithmischen Anzeige von Spitzenwerten analoger elektrischer Signale unter Verwendung eines Operationsverstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (3) über einen Widerstand (2) mit einer Eingangsklemme (1) verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang auf einem Bezugspotential liegt, der Operationsverstärker (3) ausgangsseitig mit den in Durchlaßrichtung positiven Anschlüssen zweier gleichartiger Halbleiterbauelemente (41; 42) mit einer nahezu identischen logarithmischen Strom-Spannungs-Kennlinie eines Arrays (4) verbunden ist, eines der Halbleiterbauelemente (41) auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (3) zurückgeführt und antiparallel dazu eine Diode (5) geschaltet ist, vom negativen Anschluß des anderen Halbleiterbauelements (42) Verbindungen sowohl zu einer Stromquelle (6), die über eine Klemme (7) von einer negativen Betriebsspannung gespeist ist, als auch zum Eingang eines Maximumspeichers (8) für analoge Spannungssignale hergestellt sind, der Ausgang des Maximumspeichers (8) auf einen Gleichspannungsverstärker (9) geführt ist, dessen Ausgang an eine Ausgangsklemme (10) gelegt ist und die Eingänge des Gleichspannungsverstärkers (9) einerseits mit einem weiteren Halbleiterbauelement (43) des Arrays (4) und andererseits über eine Stromquelle (11) mit Betriebsspannungsquellen (12; 13) verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Eingangszweig des Operationsverstärkers (3) ein Absolutwertbildner (15) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterbauelemente (41 bis 43) Dioden eingesetzt sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterbauelemente (41 bis 43) Transistoren eingesetzt sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer höheren Genauigkeit als Halbleiterbauelemente (41 bis 43) an sich bekannte Kombinationen elektronischer Bauelemente eingesetzt sind.