DE1945908C3

DE1945908C3 - Measuring circuit with a differential amplifier

Info

Publication number: DE1945908C3
Application number: DE19691945908
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Metrawatt 8500 Nuernberg GmbH
Current assignee: Metrawatt 8500 Nuernberg GmbH
Priority date: 1969-09-11
Filing date: 1969-09-11
Publication date: 1978-05-11
Also published as: DE1945908B2; DE1945908A1

Description

baut ist Die dann zur Messung gelangenden Spannungsquellen werden sehr verschieden hohe Innenwiderstände besitzen, deren Werte außerdem im allgemeinen unbekannt sind. Wäre es möglich, die Spannung einer solchen Meßspannungsquelle abzuschalten, so daß nur noch deren sich passiv verhaltender Innen widerstand am Eingang des Verstärkers liegt, so könnte man die durch den Eingangsstrom an ihm hervorgerufenen Fehlerspannifngen feststellen, da sich eine entsprechend große von Null abweichende Verstärkerausgangsgröße einstellen würde. Man könnte also feststellen, daß vielleicht der angeschlossene Innenwiderstand der Meßspannungsquelle so niedrig ist, daß er keinen erkennbaren Fehler verursacht, oder anderenfalls doch sehen, wie groß der Meßfehler ist Würde letzteres der Fall sein, gäbe es weiter die Möglichkeit, den anderen Veratärkereingang mit einem Potentiometer auszurüsten und damit die Fehlerspannung auf Null abzugleichen. Leider ist dieses Verfahren nur in den seltensten Fällen anwendbar, da die Spannung einer Meßspannungsquelle im allgemeinen nicht in der gewünschten Form abschaltbar ist Bei anliegender Meßspannung kann jedoch nicht gesagt werden, inwieweit sie oder die Fehlerspannung die Verstärkerausgangsgröße beeinflußt The voltage sources that are then used for measurement have very different internal resistances whose values are also generally unknown. Would it be possible to experience the tension of a turn off such measuring voltage source, so that only the passive behavior inside resisted is at the input of the amplifier, one could see the effects caused by the input current to it Determine error margins, as there is a corresponding would set a large non-zero amplifier output. So you could see that perhaps the connected internal resistance of the measuring voltage source is so low that it does not have any causes a recognizable error, or otherwise see how large the measurement error is would the latter If so, there would also be the option of equipping the other converter input with a potentiometer and thus to adjust the error voltage to zero. Unfortunately, this procedure is very rare Can be used in cases where the voltage of a measuring voltage source is generally not in the desired range Form can be switched off Error voltage affects the amplifier output

Zum Stand der Technik sei noch bemerkt, daß es auch bekannt ist (Archiv für techn. Messen, BL Z 634-13), das jeweilige Gegenkopplungsprinzip, Spannungs- oder Stromseriengegenkopplung, bei Differenzverstärkern in zwei verschiedenen Schaltungsarten zu erreichen. Beide Gegenkopplungsprinzipe erlauben es, den Verstärker entweder als invertierenden oder nichtinvertierenden Verstärker zu schalten. Beim nichtinvertierenden Verstärker liegt die Gegenkopplungsspannung am invertierenden Eingang an, so daß eine dem nichtinvertierenden Eingang entgegenwirkende Potentialverschiebung auftritt Beim invertierenden Verstärker wird dagegen die Gegenkopplungsspannung der Meßspannungsquelle direkt entgegengeschaltet, so daß diese dadurch weitgehend kompensiert wird. Im allgemeinen ist es gleichgültig, welche der beiden Schaltungsarten bei einem Verstärker gewählt wird, doch ist der nichtinvertierende Verstärker nur mit einem Differenz-Verstärker realisierbar.Regarding the state of the art, it should also be noted that it is also known (archive for technical trade fairs, BL Z 634-13) that respective negative feedback principle, voltage or current series negative feedback, with differential amplifiers can be achieved in two different types of circuit. Both negative feedback principles allow the amplifier to switch as either an inverting or a non-inverting amplifier. With the non-inverting Amplifier is the negative feedback voltage at the inverting input, so that one of the non-inverting Input counteracting potential shift occurs When inverting amplifier is on the other hand, the negative feedback voltage of the measuring voltage source is switched directly in opposition, so that this this is largely compensated for. In general, it does not matter which of the two types of circuit is chosen at an amplifier, but the non-inverting amplifier is only compatible with a differential amplifier realizable.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zu schaffen, mit der die Fehlerspannung, die der Fehlerstrom eines Differenzverstärkers am Innenwiderstand einer angeschlossenen Eingangsquelle erzeugt und die sich der Eingangsspannung überlagert, erkennbar wird und die so die Voraussetzung dafür schafft, daß auch eine Kompensation der Fehlerspannung möglich ist die wiederum die Möglichkeit bietet auch den Innenwiderstand der Eingangsspannungsquelle zu bestimmer.The object of the invention is to create a circuit with which the error voltage that the error current a differential amplifier generated at the internal resistance of a connected input source and the superimposed on the input voltage, becomes recognizable and thus creates the conditions for that too a compensation of the error voltage is possible, which in turn also offers the possibility of the internal resistance the input voltage source to be determined.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Meßschaltung mit einem Differenzverstärker der eingangs genannten Art durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genanntThis object is achieved according to the invention by a measuring circuit with a differential amplifier initially mentioned type solved by the features characterized in claim 1 Advantageous embodiments and further developments of the invention are mentioned in the subclaims

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß es möglich ist, bei einer unbekannten Meßspannungsquelle den durch ihren Innenwiderstand verursachten Meßfehler zu erkennen, so daß er bei der Auswertung des Meßergebnisses in Rechnung gesetzt werden kann. Bisher konnten zur Vermeidung von Fehlmessungen Spannungsmessungen nur an solchen Meßquellen durchgeführt werden, deren Innenwiderstand einen bestimmten Grenzwert nicht überstieg. Weiterhin erlaubt die Erfindung, durch Zuschalten eines Widerstandes den Meßfehler auf Null abzugleichen, ohne die Meßspannung ausschalten zu müssen. Da der abgeglichene Widerstand bei gleichen Eingangsstromen zwangsläufig gleich dem Innenwiderstand der Meßspannungsquelle ist, muß ein Potentiometer nur mit einer Ohmskala versehen sein, um gleichzeitig auch den Wert des Innenwiderstandes feststellen zu können. Die Schaltung bietet also auch eine sehr bequeme Lösung zur Widerstandsmessung an, insbesondere zur Innenwiderstandsmessung bei Spannungsquellen, denn diese läßt sich mit bekannten Methoden, also z. B. durch Messung der Spannungsänderung: bei Änderung eines Lastwiderstandes, nur sehr umständlich durchführen.The advantages achieved by the invention are in particular that it is possible at a to recognize the measurement error caused by its internal resistance from an unknown measurement voltage source, so that it can be taken into account when evaluating the measurement result. So far, the Avoiding incorrect measurements Voltage measurements can only be carried out on measurement sources whose Internal resistance did not exceed a certain limit. Furthermore, the invention allows through Switching on a resistor to adjust the measurement error to zero without switching off the measurement voltage have to. Since the balanced resistance necessarily equals the internal resistance with the same input currents the measuring voltage source, a potentiometer only has to be provided with an ohm scale in order to to be able to determine the value of the internal resistance at the same time. So the circuit also offers a very convenient solution for resistance measurement, especially for internal resistance measurement in voltage sources, because this can be done with known methods, e.g. B. by measuring the change in voltage: when changing a load resistance, can only be carried out very laboriously.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben.An exemplary embodiment is shown in the drawings and described in more detail below.

F i g. 1 zeigt den Differenzverstärker mit Umschalter bei Stromseriengegenkopplung;F i g. 1 shows the differential amplifier with changeover switch with current series negative feedback;

F i g. 2 zeigt die gleiche Schaltung bei Spannungsseriengegenkopplung. F i g. 2 shows the same circuit with voltage series negative feedback.

Soweit die Bauteile in den beiden Figuren in ihrer Wirkungsweise übereinstimmen, wurden zur besseren Anschaulichkeit gleiche Kennziffern verwendetAs far as the components in the two figures correspond in their mode of operation, the better The same code numbers are used for clarity

Wie F i g. 1 zeigt führen die beiden Eingänge 1 a, 1 b eines Differenzverstärkers t zu einem Umschalter 2. Der Verstärkerausgang I c ist über den Lastwiderstand 3 mit einem Spannungsteiler bestehend aus drei Widerständen 4, 5, 6 verbunden. Der Widerstand 6 liegt einseitig auf Nullpotential, das identisch ist mit der Mittelanzapfung einer hier nicht dargestellten Stromversorgungsquelle, die den Verstärker 1 über die Anschlüsse le, Xd speist Beide Seiten des Widerstandes 6, an dem die Gegenkopplungsspannung erzeugt wird, sind mit dem Umschalter 2 verbunden. In der Schaltstellung 2a verbindet der Umschalter den invertierenden Verstärkereingang Xa mit einer Eingangsspannungsquelle 7 und ihrem Inner.widerstand 8 und diese wiederum mit dem Widerstand 6. Der Stromkreis des nichtinvertierenden Verstärkereingangs Xb ist über einen Ausgleichswiderstand 9 und ein Potentiometer 10 nach Nullpotential geschlossen. In der Schaltstellung 2a ist also die dem Ausgangsstroni proportionale Gegenkopplungsspannung, die am Widerstand erzeugt wird, der Eingangsspannungsquelle 7 entgegengeschaltetLike F i g. 1 shows the two inputs 1 a, 1 b of a differential amplifier t lead to a changeover switch 2. The amplifier output I c is connected via the load resistor 3 to a voltage divider consisting of three resistors 4, 5, 6. The resistor 6 is at zero potential on one side, which is identical to the center tap of a power supply source, not shown here, which feeds the amplifier 1 via the connections le, Xd. Both sides of the resistor 6, at which the negative feedback voltage is generated, are connected to the switch 2 . In switching position 2a , the changeover switch connects the inverting amplifier input Xa to an input voltage source 7 and its inner resistance 8 and this in turn to the resistor 6. The circuit of the non- inverting amplifier input Xb is closed via a compensating resistor 9 and a potentiometer 10 to zero potential. In the switching position 2a , the negative feedback voltage, which is proportional to the output current and which is generated at the resistor, is connected in opposition to the input voltage source 7

In der Schaltstellung 2b wird die am Widerstand 6 erzeugte Gegenkopplungsspannung über das Potentiometer 10 dem invertierenden Eingang la zugeführt während der nichtinvertierende Verstärkereingang Xb über den Ausgleichswiderstand 9 mit der Eingangsspannungsquelle 7 verbunden ist die wiederum einseitig auf Nullpotential liegt Die Meßschaltung arbeitet wie folgt:In the switch position 2b , the negative feedback voltage generated at the resistor 6 is fed to the inverting input la via the potentiometer 10, while the non-inverting amplifier input Xb is connected via the compensation resistor 9 to the input voltage source 7, which in turn is at zero potential on one side.The measuring circuit works as follows:

Es sei das Potentiometer 10 kurzgeschlossen und der Innenwiderstand 8 der Eingangsspannungsquelle 7 Null, dann wird — unter der Voraussetzung, daß beide Eingangsströme des Verstärkers 1 gleich sind — die Verstärkerausgangsgröße (Ausgangsstrom oder Ausgangsspannung) in beiden Schaltstellungen des Umschalters 2 ebenfalls gleich sein. Der im Stromkreis des nichtinvertierenden Eingangs Xb liegende Ausgleichswiderstand 9 ist so dimensioniert daß sein Wert gleich dem Wert des Widerstandes ist der zwischen dem invertierenden Eingang 2a und Nullpotential liegt, also bei Widerstand 6 < Widerstand 5 etwa gleich dem Widerstand 6. In der Praxis ist der Innenwiderstand 8 der Eingangsspannungsqueüe natürlich nicht Nu!!. Das bedeutet daß in der Schaltstelluni? la der Verstä Λ fr. If the potentiometer 10 is short-circuited and the internal resistance 8 of the input voltage source 7 is zero, then - provided that both input currents of the amplifier 1 are the same - the amplifier output variable (output current or output voltage) in both switching positions of the switch 2 will also be the same. The equalizing resistor 9 in the circuit of the non- inverting input Xb is dimensioned so that its value is equal to the value of the resistor between the inverting input 2a and zero potential, i.e. when resistor 6 < resistor 5, it is approximately equal to resistor 6. In practice, this is Internal resistance 8 of the input voltage source of course not Nu !!. That means that in the switching station? la the understanding .

eingangsstrom vom invertierenden Verstärkereingang te und in der Schaltstellung 2b der Verstärkereingangsstrom vom nichtinvertierenden Verstärkereingang einen Spannungsabfall am Innenwiderstand 8 erzeugen. Beide Spannungsabfälle haben eine gleich große aber entgegengesetzte Änderung der Ausgangsgröße zur Folge. Die Diffferenz der Ausgangsgrößen, die einmal in Schaltstellung 2a und dann in Schaltstellung 2b gemessen werden, ist zwangsläufig doppelt so groß, wie der Meßfehler. Dieser muß je nach Schaltstellung durch Addition oder Subtraktion zur gemessenen Ausgangsgröße berücksichtigt werden.input current from the inverting amplifier input te and in switching position 2b the amplifier input current from the non-inverting amplifier input generate a voltage drop across the internal resistance 8. Both voltage drops result in an equally large but opposite change in the output variable. The difference between the output variables, which are measured once in switching position 2a and then in switching position 2b , is inevitably twice as large as the measurement error. Depending on the switch position, this must be taken into account by adding or subtracting the measured output variable.

Ist der Verstärkereingangsstrom bekannt, so kann aus dem Meßfehler auch der Innenwiderstand der Eingangsspannungsquelle berechnet werden. Um jedoch unnötiges Rechnen zu ersparen, wurde das Potentiometer 10 in die Schaltung aufgenommen. Mit Hilfe des Umschalters 2 wird es abwechselnd in den Stromkreis des invertierenden und des nichtinvertierenden Verstärkereingangs geschaltet, und zwar immer so, daß der Innenwiderstand 8 der Eingangsspannungsquelle 7 jeweils im anderen Stromkreis liegt Sobald das Potentiometer 10 von Null beginnend in seinem Widerstandswert erhöht wird, vermindert sich dei Meßfehler. Der Abgleich des Potentiometers wird kontrolliert, indem mehrmals zwischen den beider Schaltstellungen 2a, 2b umgeschaltet wird. Ist dieIf the amplifier input current is known, the internal resistance of the input voltage source can also be calculated from the measurement error. However, in order to save unnecessary calculation, the potentiometer 10 was included in the circuit. With the help of the switch 2 it is switched alternately into the circuit of the inverting and the non-inverting amplifier input, always in such a way that the internal resistance 8 of the input voltage source 7 is in the other circuit as soon as the potentiometer 10 is increased in its resistance value, starting from zero the measurement errors. The adjustment of the potentiometer is checked by switching several times between the two switching positions 2a, 2b . Is the

j Ausgangsgröße in beiden Schaltstellungen gleich großj Output variable is the same in both switching positions

so ist der Abgleich beendet und der Widerstand desthe adjustment is finished and the resistance of the

Potentiometer 10 equal to the internal resistance 8 dei Input voltage source 7. If you have the potentiometer 10 with a counter

Standsskala versehen, so kann nach erfolgtem Abgleich der Wert des Innenwiderstandes der Eingangsspannung direkt abgelesen werden.When the adjustment is complete, the value of the internal resistance of the input voltage can be displayed can be read directly.

Die Wirkungsweise der in F i g. 2 dargestellter Schaltung entspricht der Schaltung von Fig. 1. HieiThe mode of operation of the in F i g. 2 shown The circuit corresponds to the circuit of FIG. 1. Here

,₅ handelt es sich lediglich um eine Spannungs-Seriengegenkopplung, d. h. der Lastwiderstand 3 liegt jetzt nicht mehr in Reihe zu dem Spannungsteiler 4, 5,6, sondern parallel zu diesem und einem weiteren dazu in Serie geschalteten Widerstand U. Die Anordnung de; Spannungsteilers 4,5,6 wurde willkürlich gewählt, kanr also auch ganz anders aussehen. Das gleiche gill natürlich auch für den Aufbau des Umschalters 2 unc das dazugehörige Netzwerk., ₅ is merely a voltage series negative feedback, ie the load resistor 3 is now no longer in series with the voltage divider 4, 5, 6, but parallel to this and a further resistor U connected in series with it. The arrangement de; Voltage divider 4,5,6 was chosen arbitrarily, so it can look completely different. The same applies, of course, to the construction of the switch 2 and the associated network.

1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Measuring circuit with a differential amplifier, which is connected in voltage or current series negative feedback and from whose two inputs approximately equal fault currents flow towards zero potential, whereby one of the two fault currents at the internal resistance of an input voltage source applied to the circuit input generates an error voltage which is superimposed on the input voltage, while the error voltage generated by the error current of the inverting input at the resistor of the negative feedback network against zero potential is compensated, if necessary, by a corresponding compensation resistor between the non-inverting input and zero potential, characterized in that to determine the error voltage, the error current of a differential amplifier connected to the internal resistance of a Generated input source and the input voltage superimposed a switch (2) is provided, which is generated on the negative feedback network (4,5,6) In one switching position (2a) via the input voltage source (7, 8) to the inverting input (Xa) of the differential amplifier (1), and the non- inverting input (Xb), possibly via resistors (9, 10), with zero potential is connected (negative feedback circuit of the inverting amplifier) and in the other switch position (2b) the negative feedback voltage, if necessary via a resistor (10), is directly at the inverting input (Xa) , the input voltage source (7,8) then between the non- inverting input ( Xb) and zero potential is connected (negative feedback circuit of the non-interverting amplifier) and in both switch positions (2a, 2b) the input voltage source (7,8) is applied to the differential amplifier (1) in such a way that the output variable caused by it or the one corresponding to it is applied to the load resistance ( 3) the voltage that can be tapped off maintains its polarity, and that in both switching positions (2a, 2b) an equally large negative feedback treatment is provided, the respective negative feedback principle (voltage or current series negative feedback) is maintained and the output variable of the differential amplifier (1) is displayed in every switch position (2a, 2b), the difference of which is a measure of the error voltage

2. Measuring circuit according to claim 1, characterized in that to compensate for the error voltage a compensation resistor (10) is provided depending on the switch position of the switch (2) in each case between that input (la or 1 ty of the differential amplifier (1) whose fault current does not flow via the input voltage source (7,8) and zero potential comes to rest

3. Measuring circuit according to claim 1 and 2, characterized in that the compensation resistor (10) is designed to be changeable and consists of one or more potentiometers or switchable individual resistors consists.

4. Measuring circuit according to claim 1 to 3, characterized in that for reading the each set value of the compensation resistor (10) a digital or analog display device is provided

The invention relates to a measuring circuit with a differential amplifier according to the preamble of Claim 1. Differential amplifier with voltage or current series negative feedback is used because of S their high input resistance in general for voltage measurement. Should be the output variable of the amplifier be an impressed voltage, one will choose a voltage series negative feedback. With on the other hand, a current series negative feedback is achieved

ίο an impressed stream.

With a differential amplifier that is used for voltage measurement If you want to serve, you have to pay special attention to two sources of error. Once upon a time there is one error generally referred to as offset voltage

voltage must be taken into account. She will be particular due to the inequality of four base-emitter voltages of the two transistors of the first differential stage Generated by balancing resistors in the emitter or collector circuit of the transistors or by generation This error voltage can have a compensation voltage at least at a constant temperature Be adjusted to zero. It is not so easy to identify the disturbance emanating from the other source of error impede. It is caused by a

2s transistor amplifier does not work without power but base currents are required to set the operating points of the amplifier input stage a differential amplifier from the inverting and non-inverting input to zero potential, which is im is generally identical to the center tap of the supply voltage source. Both cause currents a voltage drop across the resistors in their circuit, which leads to a falsification of the measured values leads

It is known that the two input currents of a differential amplifier are approximately equal are large to be exploited by taking the sum of the resistances between the inverting The input and zero potential are equal to the sum of the resistances that makes the between the non-inverting Input and zero potential lie. The measure ensures that the voltage drops caused by the input currents (fault currents) (Fault voltages) are also equal and cancel each other out. Requirement for this The method that leads to success is that the two input currents of the differential amplifier really do are the same size. Here there is the option of so-called transistor pairs for the first transistor stage to be provided, that is to say transistors in which the parameters, in particular the current amplification factors, are as far as possible match exactly. On the other hand, however, there are also circuits that allow an exact comparison of the two amplifier input currents. Provided

SS so the internal resistance of the measuring voltage source, the One of the two differential amplifier inputs is known to be in the circuit, it means no difficulty to introduce an output resistance of the same size into the circuit of the other input and thus to mutually compensate for the error voltages caused by the input currents.

If the amplifier is used in stationary operation, it always remains with the same measurement voltage source interconnected so is the internal resistance

This measuring voltage source was generally available for 6s known or easy to determine. It is different, however, with an amplifier that is in a transportable one Measuring device, e.g. B. a multiple instrument,