DE1804366A1 - Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen ZeitfunktionInfo
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Description
Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen
Zeitfunktion
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion mit zwei als Differential
verstärker ausgeführten Operationsverstärkern.
Betragsfunktionsgeneratoren werden auf vielen technischen Gebieten
verwendet, z.B. bei der Prozeßsteuerung, in der Analogrechentechnik
und auf Gebieten, in denen Hybrid-Rechner zum Einsatz kommen, z. B.
bei der Zeichenerkennung usw. Mit den steigenden Anforderungen auf diesen Anwendungsgebieten steigen auch die schaltungstechnischen Anforderungen
nach besserer Lineartität, grösserer Genauigkeit und besserem
Frequenzgang, was insbesondere bei hohen Frequenzen Schwierigkeiten
mit sich bringt. Es sind die genannten erhöhten Anforderungen, die die vorliegende verbesserte erfindungsgemässe Schaltung erfüllt.
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BAD
Es sind bereits viele derartige Schaltungsanordnungen zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion vorgeschlagen
worden, z. B. in der älteren Anmeldung P 17 74 527. 6; Karl Steinbuch, Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung .1962,
Seite 1195 und W. Giloi/R. Lauber, Analogrechnen, 1963, Seite 207.
Dar grösste Teil dieser B etr ag sfunktions generator en besitzt
entweder Summier stufen, in deiae.n die Signale entgegengesetzter Polarität aufsummiert werden, oder es sind entgegengesetzt gepolte
Dioden vorgesehen, über die die Signale einer Polarität einein ersten Operationsverstärker mit einem Verstärkungsfaktor von
+ 1 und die Signale der entgegengesetzten Polarität einenizweiten
Operationsverstärker mit dem Verstärkungsfaktor von -1 zugeführt werden. Hinsichtlich der obengenannten schaltungstechnischen
Anforderungen sind diese Schaltungen jedoch unzureichend.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Betragsfunktionsgenerator
anzugeben, der einen sehr hohen Genauigkeitsgrad, sehr
gute Linearität und einen sehr grossen Frequenzbereich aufweist. Gelbst wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanoi'd-aung, die
durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet ist: a) Ein erster Operationsverstärker besitzt zwei
parallele, je die Reihenschaltung eines Widerstandes mit einer Diode enthaltende Rückkopplungszweige;
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b) die Dioden sind entgegengesetzt gepolt und mit je einem ihrer Anschlüsse mit der Ausgangsklemme des
ersten Operationsverstärkers verbunden;
c) die Verbindungspunkte von Diode und Widerstand im
jeweiligen Ruckkopplungszweig sind mit den beiden Eingangsklemmen des zweiten Operationsverstärkers
gekoppelt, an dessen Ausgangsklemme die Ausgangsspannung der Schaltung zur Verfügung steht.
Nach einem, weiteren Merkmal der Erfindung ist der Betrag der
Verstärkungsfaktoren beider Operationsverstärker gleich 1, wobei das Vorzeichen des Verstärkungsfaktors des ersten Operationsverstärkers
fest ist, während es beim zweiten Operationsverstärker davon abhängt, ■welcher der beiden Eingangsklemmen das Signal
zugeführt. Um bei der direkten Gleichspannungskopplung Gleichspanmmgsfehler
weitgehend auszuschliessen, ist es von Vorteil,
wenn die Strom-Spannungskennlinien beider Dioden im Rückkopplungszweig möglichst übereinstimmen. Die Gleichspannungsverschiebungen
der Operationsverstärker können durch zusätzliche Spannungsteiler sehr genau kompensiert werden.
Bei einer gemäss der Erfindung ausgeführten Schaltung wird das bipolare Einga.igs signal auf einen ersten Operationsverstärker mit
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einem durch Gegenkopplung eingestellten Verstärkungsfaktor
von -1 gegeben. Das Gegenkopplungsnetzwerk enthält einen ersten Zweig mit der Serienschaltung einer Diode und eines Widerstandes
und einen zweiten Zweig mit der Serienschaltung einer entgegengesetzt gepolten Diode und ebenfalls einem Widerstand. Jeweils ein
Anschluss jeder Diode ist direkt mit der Ausgangsklemme des Verstärkers verbunden. Die entgegengesetzten Diodenanschlüss'e
sind mit dem invertierenden bzw. nicht-invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers gekoppelt. Dieser Verstärker
besitzt einen durch Gegenkopplung eingestellten Verstärkungsfaktor von +1 oder -1, je nactudem, welche der beiden Dioden leitend ist.
Es wäre wünschenswert, das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers
direkt dem einen oder dem anderen Eingang des zweiten Verstärkers zuzuführen, und zwar in Abhängigkeit von der Polarität
des Aus gangs signale s des ersten Verstärkers., z. B. durch ein
theoretisch denkbares Bauelement mit dem Widerstand 0, das jedoch
g polaritätsempfindlich ist. In einer praktischen Schaltung jedoch muss
diese Kopplung über konkrete Elemente geschehen, z.B. Dioden, die zwar ρolaritätsempfindlich sind, jedoch, einen Spannungsabfall
im Leitzustand verursachen. Dementsprechend verursachen die
Dioden einen Gleichspannungsfehler bezüglich des Massepotentials als* Vergleichsspannung. -Die Grosse dieses Fehlers ist-jedoch im
wesentlichen gleich dem Spannungsabfall über der leitenden Diode
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1.,1IrIi" ■ ..■■:■ π^ιριπι««. ...,;,.,,,
geteilt durch den Verstärkungsfaktor des nicht gegengekoppelten
ersten Verstärkers. Wählt man einen Verstärker mit sehr hohem
Verstärkungsfaktor aus, z.B. 50 000 bis Unendlich, können diese
durch die Dioden bedingten Gleichspannungsfehler äußerst klein gehalten werden.
Um einen hgrhen Genauigkeitsgrad zu erreichen, wird man einen
Operationsverstärker aussuchen, der nur einen sehr kleinen inneren Gleichspannungsfehler aufweist, oder man wird durch
einen zusätzlichen Korrekturkreis diesen Gleichspannungsfehler kompensieren. In dem gewählten Ausführungsbeispiel besitzen
die beiden Dioden sehr genau übereinstimmende Strom-Spannungskenii*inien.
Der Gleichspannungsfehler am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers ist im wesentlichen gleich der Potentialdifferenz
der Diodenfinfolge ihrer Nichtgleichheitjgeteilt durch
den Verstärkungsfaktor des ersten Operationsverstärkers ohne Gegenkopplung, wobei weiterhin vorausgesetzt ist, daß der Gleichspannungsfehler
des zweiten Verstärkers 0 ist. Kleine Gleichspannungsfehler, verursacht durch die Nichtgleichheit der Dioden
oder durch einen inneren Gleichspannungsfehler des zweiten Verstärkers
können durch eine zusätzliche Spannungskorrekturschaltung
am Eingang des zweiten Verstärkers" kompensiert werden. Das
Verstärkungsfaktor/Bandbreite-Verhältnis des zweiten Operationsverstärkers sollte genaue ogut wie das des ersten Operationsveren
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stärkers sein. In typischen Fällen werden beide Verstärker
im wesentlichen identisch zueinander sein, d.h. einen Verstärkungsfaktor ohne Gegenkopplung von etwa 50 000 und einen
Frequenzbereich von etwa 10 MHZ besitzen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen aus der folgenden Beschreibung eines Attsführungsbeispieles, das
anhand der Zeichnung erklärt wird, hervorgehen.
Der verbesserte, in der Zeichnung dargestellte Funktionsgenerator
besteht aus den Verstärkern 1 und 2. Über den Widerstand R5 werden bipolare Signale von einer Quelle 3 auf den invertierenden
Eingang 4 des Verstärkers 1 geführt. Die Verstärker sind vorzugsweise
als aus der Analogtechnik her bekannte Operationsverstärker ausgeführt, die durch einen sehr hohen Eingangswiderstand, einen
hohen Verstärkungsfaktor, möglichst kleine Gleichspannungsverschiebung und einem hohen Frequenzbereich gekennzeichnet sind.
Ein erster Gegenkopplungszweig besteht aus einer Diode 6 und
einem Widerstand R7, die zwischen die Ausgangsklemme 8 Und
die Eingangsklemme 4 des Verstärkers geschaltet sind. Ein
zweiter Gegenkopplungszweig besteht aus der Diode 9 und'dem
Widerstand RIO, die ebenfalls zwischen die Klemmen 8 ürt'd 4 eilige-schaltet
sind.
en 9-66-020 80982S/1032 f ■■■■ .
Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R7 und der Diode
R6 ist mit dem invertierenden Eingang 15 des Verstärkers 2 über
den Teilwiderstand RIl des Potentiometers 16 verbunden, der andere Teilwiderstand Rl2 des Potentiometers bildet den Gegenkopplung
s zweig des Verstärkers 2.
Der Verbindungspunkt zwischen der Diode 9 und dem. Widerstand RIO
ist mit dem nicht-invertierenden Eingang 17 des Verstärkers 2 über den Teilwiderstand R13 des Potentiometers 18 verbunden, während
der andere Teilwiderstand R14 an Massepotential angeschlossen ist.
Die Potentiometer 16 und 18 dienen dazu, die Verstärkung des Verstärkers
2 auf -1 oder +1 für positive bzw. negative Eingangssignale an der Klemme 4 einzustellen. Ein Widerstand R19 ist zwischen die
Klemmen 15 und Masse als Rückkopplungswiderstand zum in Reihe ^
liegenden Eingangs wider stand geschaltet und bewirkt, daß der Verstärkungsfaktor
für negative Eingangs signale an der Klemme 4 gleich 1 ist. Bei genauer EinsteÄing des Potentiometers 16 ist der Betrag
der Aus gangs spannung E2 gleich dem Betrag der Eingangs spannung El für positive Signale; entsprechend ist bei genauer Einstellung des
Potentiometers 18 der Betrag der Aus gangs spannung E2 gleich dem.
Betrag der Eingangs spannung El für den Fall negativer Eingangssignale. Für manche Anwendungsfälle kann es besser sein, statt der
Verwendung der Potentiometer 16 und 18 sorgfältig ausgesuchte en 9-66-020 9 0 9 825/1032
Präzisionswider stände zu benutzen.
Bei positiver Eingangs spannung El ist lediglich die Diode 6 in
Durchlassrichtung vorgespannt, und das Eingangssignal wird
in beiden Verstärkern invertiert, so daß die Aus gangs spannung E2 wiederum positiv wird. Ist jedoch die Eingangs spannung El
™ negativ, ist lediglich die Diode 9 in Durchlassrichtung vorgespannt,
so daß das Eingangssignal nur durch den Verstärker 1 invertiert
wird, am Ausgang also wiederum ein positives Ausgangssignal E2 entsteht.
Für die Verstärkung dieser Schaltung gilt :
E2 = E1 (sr) (-Sr)
für positive Eingangs signale und
R12 (R7+R11+R19)
E2 = -El h
-J
R19 (R7 + RIl) für negative Eingangs signale.
Für beide Gleichungen wurde vorausgesetzt, daß die Verstärker
keine Gleichspannungs verschiebung verursachen und daß die von den Dioden 6 und 9 hervorgerufene GleichspannungsverSchiebung
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vernachlässigbar klein ist.
Für den Fall, daß der Verstärker 1 keine Gleichspannungsverschiebung
hervorruft, ist die Eingangsklemme 20 des nicht-invertierenden Einganges an Massepotential gelegt. Für den Fall, daß
ein Verstärker verwandt wird, für den diese Voraussetzungen nicht zutreffen, wird die Klemme 20 vorzugsweise mit einem Korrekturnetzwerk,
bestehend aus den Widerständen R21 und R22 sowie dem Potentiometer 23 verbunden. Der Abgriff des Potentiometers 23
wird so eingestellt, daß bei einer Eingangs spannung 0 auch die Aus gang s spannung 0 auftritt. Ein entsprechendes Gleichspannung-Korrekturnetzwerk,
bestehend aus den Widerständen R26, R27 und dem Potentiometer 28 kann mit der Eingangsklemme 15 verbunden
werden, wenn auch für den Verstärker 2 diese Korrektur notwendig
ist.
Die folgende Tabelle zeigt die Dimensonierung eines praktisch ausgeführten
Schaltungsbeispiels.
Widerstände Wert in K-OHM
Widerstände Wert in K-OHM
R5.R7.R10 | 10 |
Rll,R12,Rli,R14 | 1 |
R 19 | ι, ι |
R21,R22 | 1 |
R26, R27 | 100 |
Ii (Potentiometer) | 0,2 |
ZH (Potentiometer) | 2 |
Ks soll noch betont werden, daß eine Polaritataänderung dea Aus-
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gangssignales E2 erreicht werden kann, indem man lediglich die
Dioden 6 und 9 umpolt.
Weiterhin kann es erwünscht sein, das Eingangssignal El auf
den nicht invertierenden Eingang 20 des Verstärkers 1 zu geben. In diesem Fall wird der Widerstand R5 weggelassen, man muss jedoch sehr sorgfältig darauf achten, einen Verstärker mit sehr hohem Eingangs wider stand zu verwenden, um einen Verstärkungsfaktor von 1 zu erreichen.
den nicht invertierenden Eingang 20 des Verstärkers 1 zu geben. In diesem Fall wird der Widerstand R5 weggelassen, man muss jedoch sehr sorgfältig darauf achten, einen Verstärker mit sehr hohem Eingangs wider stand zu verwenden, um einen Verstärkungsfaktor von 1 zu erreichen.
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Claims (3)
1. Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen
Zeitfunktion mit zwei als Differentialverstärker ausgeführten Operationsverstärkern, gekennzeichnetdurch die
Kombination folgender Merkmale
a) ein erster Operationsverstärker (l) besitzt zwei parallele,
je die Reihenschaltung eines "Widerstandes mit einer Diode (R7,6;R10, 9) enthaltende Rückkopplungszweige;
b) die Dioden (6, 9) sind entgegengesetzt gepolt und mit je
einem ihrer Anschlüsse mit der Ausgangsklemme (8) des ersten Operationsverstärkers (1) verbunden;
c) die Verbindungspunkte von Diode und Widerstand im jeweiligen Rückkopplungszweig sind mit den beiden Eingangsquellen
(15, 17) des zweiten Operationsverstärkers (2) gekoppelt, an dessen Ausgangsklemme die Ausgangs spannung
(E2) der Schaltung zur Verfügung steht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Betrag der Verstärkungsfaktoren beider Operationsverstärker
gleich eins ist, wobei das Vorzeichen des Verstärkungsfaktors
des ersten Operationsverstärkers fest ist, während es beim zweiten Operationsverstärker davon abhängt, welcher der
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beiden Eingangsklemmen das Signal zugeführt wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl die Strom-Spannungskennlinien beider Dioden,
(6,9) im iltlckkopplungs zweig möglichst Übereinstimmen, und dafl nur Kompensation der Gleichspannung* verschiebung der '
Operationsverstärker zusätzliche Spannungsteiler (23, 28)
vorgesehen sind. .
-en 9-66-020 β09825/1Ο3 2
BAD ORIGINAL
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