Als
Basis für
die hochpräzise
Gleichrichterschaltung des Standes der Technik liegt das Patent
DE 198 09 784 C1 Grunde.
Mit der aufgeführten Schaltung
lassen sich Wechselsignale ohne Justierung etwa eine Größenordnung
genauer detektieren als mit anderen analogen Gleichrichtverfahren.
Mit
der Einführung
von LCD Anzeigen mit immer mehr Stellen in der Messtechnik wird
dem Anwender häufig
eine Präzision
der Messergebnisse vorgegaukelt, die faktisch nicht gegeben ist.
Der nicht professionelle Anwender (z. B. in der Umweltmesstechnik)
möchte
nicht ständig
zwischen unterschiedlichen Messbereichen wechseln und auch für den Messtechniker
ist eine möglichst
große
Dynamik wünschenswert.
Somit
stellt sich das Problem mit nur einem oder jedenfalls mit wenigen
Messbereichen einen breiten Dynamikbereich zu überstreichen und das möglichst
preisgünstig,
weil der besonders für
messtechnische Laien ein wichtiges Kriterium ist. Insbesondere bei
der Messtechnik für
messtechnische Laien ist eine minimale Nullpunktabweichung von großer Bedeutung,
da diesen das Problem der Nullpunktabweichung meist nicht verständlich ist.
In der professionellen Messtechnik sind die Messgeräte in der Regel
mit einer Auto Range Funktion ausgerüstet, die unbemerkt dafür sorgt,
das ein vernünftiger
Messbereich nicht verlassen wird. Bei manuell einzustellenden Messgeräten sorgt
der Fachmann durch seine Ausbildung dafür, dass er die Messungen immer in
dem kleinst möglichen
Messbereich durchführt. Die
op- timierten Schaltungen des Standes der Technik sind somit hauptsächlich für die professionellen Messgeräte und Anwender
optimiert. Beim messtechnischen Laien führen die Auto Range Verfahren aber
oft zur Verwirrung da häufig
jedes Verständnis für Skalierungsfaktoren
wie Milli-, Mikro- oder Nano- fehlt. Gerade in der Umweltmesstechnik
für Laien, z.B.
für die
Messung der HF-Leistungsflussdichte, ist es wünschenswert, die Messergebnisse
mit möglichst
großer
Dynamik in derjenigen Einheit darzustellen, in welcher der für den Benutzer
interessante Grenzwert angegeben ist.
Gerade
in der oben beispielhaft aufgeführten Messung
der HF-Leistungsflussdichte, einer möglichen Anwendung der Erfindung,
wird von den maßgeblichen
Verbänden
zunehmend neben dem Mittelwert auch der Spitzenwert gefragt, wie
im Bereich von z.B. berufgenossenschaftlichen Grenzwerten schon
längst üblich. Bei
lokal stark schwankenden Messwerten wird darüber hinaus auch die Funktion „Spitzenwert
halten"/„peak hold" gefordert, da sonst ein
Ablesen der „klappernden" Digitalziffern sehr schwierig
ist.
All
diese Anforderungen soll durch die hier vorgestellte Schaltung Rechnung
getragen werden.
Stand der
Technik
Diese
z.B. in der Umweltmesstechnik anfallenden neuen Forderungen können nach
dem Stand der Technik zum Beispiel durch die digitale Abtastung der
Signalströme
mit schnellen hochauflösenden Wandlern
erledigt werden. Jedoch hat diese Lösung zwei Nachteile:
- 1. Sie braucht durch die Geschwindigkeit und
den Rechenalgorithmen erheblich Strom und ist somit für Handheld
Geräte
nur eingeschränkt
tauglich.
- 2. Sie ist mit erheblichen Kosten verbunden, so dass ein Einsatz
in preiswerten Messgeräten
mit geringer Stückzahl
nicht in Frage kommt. Im professionellen Bereich gibt es, wie weiter
oben dargelegt, ohnehin andere Optimierungskriterien.
Man
kann einige diese Anforderungen auch durch analoge Standard Schaltkreise
erzielen, dann muss man jedoch Abstriche in der Genauigkeit machen
oder – wieder mit
erheblichen Kosten verbunden – Präzisionsbauteile
verwenden, die z.B. laserabgeglichen sind. Dies kollidiert wieder
mit der Forderung nach niedrigen Preisen.
Aufgabestellung
Ausgehend
vom der als Stand der Technik betrachteten Präzisionsgleichrichterschaltung
aus dem Patent
DE
198 09 784 C1 soll eine einfache und kostengünstige Schaltung
entwickelt werden, welche die Präzision
der bekannten Schaltung weiter steigert, zusätzlich zum Gleichrichtmittelwert
der Wechselsignale auch dessen Spitzenwert berechnet und eine peak
hold Funktion besitzt. Die Schaltung muss präzise und kostengünstig sein
um Produkte mit den im vorigen Kapitel beschriebenen Eigenschaften
zu ermöglichen.
Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Schaltung
gelöst.
Erfindungsbeschreibung
Die
Schaltung aus dem Patent
DE
198 09 784 C1 wurde so verändert dass am Operationsverstärker (IC2)
ein negatives Signal erzeugt wird. Dafür wurde das Diodenpaar (D1)
umgedreht. Allerdings hängt
das vom Typ des verwendeten Operationsverstärkers ab, prinzipiell würde die
Erfindung auch mit gleicher Polarität des Diodenpaars funktionieren. Wichtig
ist nur, dass die Diodenpaare D1 und D2 antiparallel zueinander
verschalt sind. In der weiteren Beschreibung gehen wir von der gegenüber
DE 198 09 784 C1 umgekehrten
Anordnung des Diodenpaars D1 aus.
Um
die Präzision
nochmals um eine Dekade steigern zu können wurde ein Abgleichelement
(TR2) eingeführt.
Mit diesem Trimmwiderstand kann der Dynamikbereich der Gleichrichtung
nochmals um den Faktor 10 gesteigert werden. Alternativ kann selbstverständlich ein
Laserabgleich eingesetzt werden.
Um
einen Ausgangsoffset am Operationsverstärker 2 (IC2) zu eliminieren
wurde das Abgleichelement (TR4) eingeführt. Dadurch wird eine präzise Nullpunktkorrektur
des Operationsverstärkers 2 (IC2) möglich. Auch
hier kann selbstverständlich
ein Laserabgleich eingesetzt werden.
Die
beiden Glättungskondensatoren
C4 und C4' wurden
wesentlich kleiner dimensioniert (einige Pikofarad), und dienen
nur noch der Stabilität
der Operationsverstärkers 2 (IC2).
An
dem Ausgang des Operationsverstärkers 2 wurde
eine zusätzliche
Doppeldiode (D2) angebracht. Die obere Diode (D2-1) ist die für den Arbeitsbetrieb
aktive Diode. Der Operationsverstärker 2 wurde so gewählt, das
er einen negativen Eingangsruhestrom besitzt, so dass die obere
Diode im Ruhebetrieb immer durchgesteuert ist. Die Untere Diode (D2-2)
ist eine reine Freilaufdiode, die über einen Strombegrenzungswiderstand
direkt an den negativen Eingang des Differenzverstärkers zurückgekoppelt
ist. Mit geringerer Präzision
im dynamischen Betrieb diese Freilaufdiode und der zugehörige Widerstand
auch weggelassen werden. Zur möglichen
Umkehrung siehe erster Abschnitt der Erfindungsbeschreibung.
Um
die Gleichrichtung in den entsprechenden Betriebsmodus zu schalten
wurde ein 2-poliger 3-fach-Wechelsschalter (SW4) eingeführt. Weiterhin wurden
die Gleichrichtmittelwert Kapazitäten (C4avg) sowie (C4'avg) eingeführt und
mit dem Schalter verschaltet um in Schalterstellung „eins" die Funktion eines
integrierenden Differenzverstärkers zu
realisieren. Bei der Doppeldiode (D2) ist in diesem Betriebsmodus
die obere Diode immer durchgesteuert und die untere Diode immer
gesperrt. In diesem Fall arbeitet die Gleichrichtschaltung als Gleichrichtmittelwert-Berechner.
Um
die Spitzenwertgleichrichtung zu realisieren wurde der Kondensator
(C4peak) eingeführt und
mit dem Schalter verschaltet. In der Schalterstellung „zwei" wird dieser Kondensator
gegen Masse mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden. Die Doppeldiode
(D2) sorgt nun dafür
das der Kondensator durch den Operationsverstärkerausgang nur negativ aufgeladen
werden kann nicht aber wieder entladen wird. Entladen wird dieser
Kondensator durch den Rückkoppelwiderstand
(R4) des Operationsverstärkers 2 (IC2).
Der Kondensator ist so zu dimensionieren, dass seine Zeitkonstante
mit dem Widerstand (R4) in etwa im Sekundenbereich und damit in
der Updatefrequenz von LCD Displays liegt.
Um
die Funktion peak hold („Spitze
halten") zu realisieren
wurde in Analogie zu letzten Punkt der Kondensator (C4peakhold)
eingeführt
und mit dem Schalter verschaltet. In der Schalterstellung „drei" wird wie oben beschrieben
dieser Kondensator gegen Masse mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden.
Der Unterschied besteht darin, dass sein Kapazitätswert und damit seine Zeitkonstante etwa
1000 bis 10000 mal größer ist
als die im Spitzenwert-Messbetrieb. Der Kondensator entlädt sich dadurch
erst in dem Bereich von Stunden, und hält somit den größten Wert
für die
Messpraxis ausreichend lange.
Die
beiden peak Kondensatoren (C4peak) und (C4Peakhold) sind am Schalter
(SW4) so verschaltet, dass jeweils der nicht aktive sofort gegen Masse
entladen wird, wenn der Schalter im anderen Betriebsmodus steht.
Damit wird der Startwert 0 in den Haltekondensatoren hergestellt.
Um
in den Peak Modus Schalt- und Ausgleichsspitzen zu glätten wird
zu der Schaltung noch ein aktiver Tiefpass erster Ordnung (R5, C5,
R6, TR6, IC3) eingeführt.
Gleichzeitig führt
dieser Tiefpass noch eine Impedanzanpassung durch, damit die Haltekondensatoren
nicht durch zusätzliche
Lastströme
entladen werden. Der Offset dieses Operationsverstärkers kann
für präzise Schaltungen
durch das Abgleichelement (TR6) eingestellt werden.
Weiterhin
können
die Funktionen Mittelwertgleichrichtung, Spitzenwertgleichrichtung
und „Spitze haften", auch nach dem gleichen
Schaltungsprinzip separat, also nicht umschaltbar realisiert werden.
Durch
zusätzliche
Abgleichelemente kann die Präzision
obiger Schaltungen weiter erhöht
werden.
Vorteile der
Erfindung
Die
Auswertung der Wechselsignale kann durch wenige Komponenten zusätzlich zur
Ausgangsschaltung aus Patent
DE
198 09 784 auch die Funktionen Gleichrichtmittelwert, Spitzenwert
und Spitze halten durchführen.
Die Präzision
der Schaltung kann durch Abgleichelemente weiter erhöht werden.
Die Umschaltung kann mittels eines preiswerten mechanischen Schalters
durchgeführt
werden oder alternativ auch mit elektronischen Schaltern, wie etwa
MOSFETs.