DE1170166B - Differenzspannungsverstaerker fuer Analog-Digital-Umsetzer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G06f

Deutsche Kl.: 42 m-14

Nummer: 1 170 166

Aktenzeichen: S 70661IX c / 42 m

Anmeldetag: 30. September 1960

Auslegetag: 14. Mai 1964

Für die Anzeige bzw. Übertragung und/oder Verarbeitung innerhalb von Regelgeräten von analog vorliegenden Werten wird vielfach ein sogenannter Analog-Digital-Umsetzer benötigt, der unmittelbar die Feststellung eines analogen Wertes, z. B. einer Spannung, in einem digitalen Wert ermöglicht. Es gibt verschiedene Arten, analoge Werte unmittelbar in digitale Werte überzuführen. Ein Umsetzerprinzip bedient sich der selbstabgleichenden, digital gesteuerten Brückenschaltung. Das Prinzip dieser Umsetzungsart besteht darin, daß in einem digital arbeitenden Netzwerk aus einer Mehrzahl von Widerständen, die den digitalen Werten zugeordnet sind, diese Widerstände in einem Stromkreis mit fester Spannung nacheinander der umzuwandelnden Spannung so lange entgegengeschaltet werden, bis in guter Annäherung an den Widerständen die anliegende umzuwandelnde Spannung abgegriffen werden kann. Die Zahl der zu diesem Zweck eingeschalteten Widerstände gibt dann unmittelbar den digitalen Wert der analogen Meßspannung wieder.

Dieses Prinzip sei an Hand der Schaltskizze nach Fig.l der Zeichnung erläutert. Die am Eingang E anliegende Meßspannung soll in digitaler Anzeige wiedergegeben werden. Hierzu wird diese Meßspannung einer an dem Widerstandsnetzwerk, bestehend aus den Widerständen Wl bis W 6, liegenden Spannung entgegengeschaltet. Die Widerstände Wl bis W 6 sind so abgestuft, daß der Widerstand W 2 in seinem Widerstandswert halb so groß wie der Widerstand Wl, der Widerstand W 3 halb so groß wie der Widerstand W 2, also nur noch ein Viertel so groß wie der Widerstand Wl ist usw. Die einzelnen Widerstände werden einzeln oder paralell mit dem Widerstand Wl in Reihe geschaltet. Dementsprechend wird am Widerstand Wl eine Spannung zwischen 0 und einem durch die Größe des kleinsten Widerstandswertes, also durch die Parallelschaltung aller Widerstände W, gegebene Höchstspannung auf. Zur Einschaltung der entsprechenden Widerstände ist ein Steuerglied St vorgesehen, das abhängig von der am Kondensator C liegenden Spannung gesteuert wird. Parallel zum Kondensator C ist dementsprechend ein Differenzverstärker V vorgesehen. Die Arbeitsweise eines derartigen Netzwerkes ist bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung hingegen bezieht sich ausschließlich auf die Ausbildung des Differenzverstärkers, also des Verstärkers, der die am Kondensator C anliegende Spannung verstärkt.

An einen Differenzverstärker für den genannten Zweck sind deshalb besondere Anforderungen zu Differenzspannungsverstärker für
Analog-Digital-Umsetzer

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Dr. Jens Piening, München

stellen, da im Eingang dieses Verstärkers verhältnismäßig große und auch sehr kleine Spannungen anliegen können, wobei die kleinen Spannungen in jedem Fall noch erfaßt werden müssen, ohne daß vorausgegangene große Spannungen diese kleinen Spannungen irgenwie überdecken dürfen.

Eine^: besondere Schwierigkeit bei der Auslegung des Verstärkers bietet der eingangsseitig anliegende Gleichspannungsanteil, der in ungünstigen Fällen einen nicht unerheblichen Wert annehmen kann.

In der F i g. 2 der Zeichnung ist der Verlauf einer möglichen Spannung am Kondensator C und damit am Eingang des Differenzverstärkers anliegenden Spannung wiedergegeben. Diese Treppenspannung entsteht in dieser Form im ungünstigsten Fall, nämlich dann, wenn in unmittelbarer Folge Analogwerte verschlüsselt werden müssen, die alle den größten verarbeitbaren Wert haben oder, bei umgekehrter Polarität, alle 0 sind. In der F i g. 2 ist mit einer strichpunktierten Linie der Gleichspannungsanteil dieser Differenzspannung wiedergegeben. Wie die Darstellung zeigt, ist dieser Gleichspannungsanteil größer als die dritte Stufe der Treppenspannung.

Man könnte an sich daran denken, diesen Gleichspannungsanteil mit einem Gleichspannungsverstärker mit Begrenzung festzustellen und für die Verstärkung dann eine entsprechende Kompensationsgleichspannung einzuführen. Dieses Verfahren ist aber sehr aufwendig.

Zur Herabsetzung des Gleichspannungsanteiles der im Differenzverstärker zu verstärkenden Spannung ist bereits vorgeschlagen worden, mit Hilfe von mechanischen Kontakten, die Treppenspannung abzutasten und dann in einem Wechselspannungsverstärker zu verstärken und zu begrenzen. Dieses Verfahren versagt aber auch dann, wenn wiederholt die Grenzwerte, die mit dem Umsetzer gerade noch umzusetzen sind, anliegen. Dies zeigt die Fig. 3 in

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anschaulicher Weise. Dort ist die Treppenspannung nach Fig. 2 in einzelne ausgetastete Impulse aufgelöst. Diese Impulse werden entsprechend dem älteren Vorschlag einem Wechselspannungsverstärker mit beidseitigem Begrenzungsniveau zugeführt. Durch diese Austastung wird der Gleichspannungsanteil (vgl. die strichpunktierte Linie in Fig. 3) zwar wesentlich erniedrigt, doch liegt sie immer noch so hoch, daß bei einer beidseitigen Bregenzung an dieser Gleichspannungslinie die beiden untersten Impulse unterdrückt werden. Die beiden Begrenzungslinien sind in die Fig. 3 eingezeichnet, wobei die außerhalb der Begrenzung liegenden Flächen gestrichelt sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Differenzverstärker, mit dem auch noch die kleinsten Impulse sicher erfaßt werden. Auch Differenzspannungsverstärker nach der Erfindung arbeiten ebenfalls mit Abtastimpulsen der Differenzspannung. Im Gegensatz zu der bekannten älteren Ausführung ist der Differenzspannungsverstärker nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der vorzugsweise über elektronische Schalter ausgeblendeten Differenzspannungsimpulse ein mehrstufiger Wechselspannungsverstärker mit gleichstrommäßiger Entkopplung der einzelnen Verstärkerstufen mit je einem Amplitudenbegrenzerglied pro Verstärkerstufe vorgesehen ist. Bei dem Differenzspannungsverstärker nach der Erfindung ist also ein mehrstufiger Wechselspannungsverstärker vorgesehen, wobei jede Stufe für sich aus einem begrenzenden Wechselspannungsverstärker besteht. Die einzelnen Stufen sind gleichstrommäßig voreinander entkoppelt, so daß über jede Stufe der dieser Stufe eigene Gleichstrommittelwert sich selbsttätig einstellen kann.

Eine Ausbildung des Verstärkers ist im Prinzip in F i g. 4 der Zeichnung wiedergegeben. Wie aus dieser Figur zu ersehen ist, besteht der ganze Verstärker aus mehreren einzelnen Verstärkergliedern Vl bis Vn. Jeder einzelnen Stufe ist ein Amplitudenbegrenzer A1 bis A η nachgeordnet. Die einzelnen Stufen sind in an sich bekannter Weise über Kondensatoren wechselspannungsmäßig gekoppelt, also gleichspannungsmäßig getrennt. Am Eingang α dieses Verstärkers liegt eine Impulsfolge, wie sie durch Abtastung der Treppenspannung entsteht, wobei diese Impulsspannung über elektronische Schalter aus einer Treppenspannung gemäß der F i g. 2 der Zeichnung gewonnen ist. Durch die gleichstrommäßige Entkopplung hat jeder Spannungsverlauf am Ausgang einer Stufe einen Gleichspannungsanteil, der, verglichen mit dem Gleichspannungsanteil am Eingang, relativ näher am wirklichen O-Wert der Differenz-Spannung liegt (vgl. Fig. 5), in der in Zeile a die Verhältnisse am Eingang des Wechselspannungs-Verstärkers nach F i g. 4 und in Zeile b in strichpunktierter Weise der Gleichspannungsanteil zwischen der ersten und zweiten Verstärkerstufe und in gestrichelter Weise der Gleichspannungsanteil zwischen der zweiten und dritten Verstärkerstufe wiedergegeben ist. Wie aus diesen Diagrammen zu ersehen ist, ist schon nach der dritten Stufe der Gleichspannungsanteil so erniedrigt, daß auch der kleinste Impuls durch die Verstärkereinrichtung noch erfaßt und richtig ausgewertet wird.

Es sei noch erwähnt, daß die Koppeizeitkonstanten zwischen den einzelnen Verstärkerstufen sehr groß gegen die Dauer der einzelnen Impulse sein sollen.

Die Stufenzahl und die Verstärkung der einzelnen Stufen kann an sich aus den jeweiligen Gegebenheiten sehr leicht berechnet werden. Der Verstärkungsgrad jeder einzelnen Stufe ergibt sich aus der Anzahl der Stufen und dem am Ausgang gewünschten Verstärkungsgrad, während die Zahl der Stufen abhängig von der Breite der ausgeblendeten Impulse ist. Man kann aber in erster Annäherung sagen, daß die Zahl der Stufen des Verstärkers ungefähr halb so groß sein muß wie die Anzahl der Widerstände innerhalb des Widerstandsnetzwerkes. Bei sehr schmalen Impulsen kann die Zahl entsprechend erniedrigt werden, während bei Impulsen, die breit zu den Stufen der Treppenspannung sind, entsprechend mehr Stufen des Verstärkers notwendig sind.

In der F i g. 6 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Verstärkerstufe wiedergegeben. Die Induktivität L ist sehr groß und hält den Arbeitspunkt der Kollektorspannung genau zwischen dem durch die Schleusenspannung der Dioden D1 und D 2 bestimmten beidseitigen Begrenzungsniveau. Hierdurch wird die gewünschte beidseitige Amplitudenbegrenzung des Verstärkers unmittelbar erreicht.

Es ist lediglich auf die gleichstrommäßige Entkopplung zwischen den einzelnen Stufen zu achten, damit sich innerhalb jeder Verstärkerstufe von selbst der gewünschte Mittelwert entsprechend einstellt. Die Abtastung der zu verstärkenden Impulspannung aus der Treppenspannung kann in verschiedener Weise erfolgen, wobei mit Rücksicht darauf, daß die Konvertierung einer analogen in eine digitale Spannung in einer verhältnismäßig kurzen Zeit erfolgen soll und der Digital-Analog-Konverter daher verhältnismäßig schnell arbeiten soll, elektronischen Schaltern der Vorzug zu geben sein dürfte.

Die Verwendung eines elektronischen Schalters zur Abtastung der Differenzspannungsimpulse ermöglicht, wie ausgeführt, ein schnelles Arbeiten der gesamten Anordnung, erzeugt jedoch neben dem Nutzsignal noch Schaltspitzen, die sich auch bei Anwendung von Kompensationsmaßnahmen nicht zuverlässig unter einige Millivolt hinunterdrücken lassen. Die Dauer der Abtastimpulse muß deshalb groß gegen die Dauer der Schaltspitzen sein, so daß eine Abtastung mit sehr schmalen Impulsen zur Erzielung eines verschwindenden Gleichspannungsanteiles nicht möglich und somit eine Mehrzahl von Verstärkern gemäß der Erfindung notwendig ist. Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist es dann zur Vermeidung dieses durch die elektronischen Schalter hervorgerufenen Nachteils vorteilhaft, am Ende der Verstärker die Verstärkerausgangsspannung nochmals abzutasten, und zwar jeweils erst gegen Ende des Abtastimpulses, an dem die Schaltspitzen, die am Anfang auftreten, bereits abgeklungen sind.

Dieser zusätzliche konstruktive Aufwand eines zweiten Abtasters am Verstärkerausgang ist mit Rücksicht auf die dort vorhandenen großen Spannungsimpulse nur sehr gering.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Differenzspannungsverstärker für Analog-Digital-Umsetzer in Form eines Wechselspannungsverstärkers, dem Abtastimpulse der Differenzspannung eingangsseitig zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der vorzugsweise über elektronische

Schalter ausgeblendeten Differenzspannungsimpulse ein mehrstufiger Wechselspannungsverstärker mit gleichstrommäßiger Entkopplung der einzelnen Verstärkerstufen und mit je einem Amplitudenbegrenzerglied pro Verstärkerstufe vorgesehen ist.

2. Differenzspannungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Amplitudenbegrenzerglied jeweils hinter der ihm zugeordneten Verstärkerstufe angeordnet ist.

3. Differenzspannungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker mit angenähert halb soviel Stufen ausgerüstet ist, wie das Umsetzernetzwerk Stufen aufweist.

4. Differenzspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der Kopplung zwischen den einzelnen Verstärkerstufen groß gegen die Dauer der einzelnen Impulse gewählt ist.

5. Differenzspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfunktion am Ausgang des Verstärkers erneut abgetastet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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