DE19912632B4

DE19912632B4 - Schaltung zur Verstärkung und/oder Wandlung analoger elektrischer Signale auf der Basis eines Spannungs-/Tastverhältnis-Wandlers

Info

Publication number: DE19912632B4
Application number: DE19912632A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dressler
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: KNICK ELEKTRONISCHE MESSGERAETE GMBH & CO. KG, 1416
Priority date: 1999-03-20
Filing date: 1999-03-20
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2019-03-21
Also published as: DE19912632A1

Abstract

Schaltung zur Verstärkung und/oder Wandlung analoger elektrischer Signale in Form von Spannungen oder Strömen auf der Basis eines Spannungs-/Tastverhältnis-Wandlers mit
– einem Eingangsverstärker (OP1), an dessen Eingang das Eingangssignal (Ue) anzulegen ist,
– einem Rechtecksignal-Generator (2), der dem Eingangsverstärker (OP1) nachgeschaltet ist und aus einem Komparator (5) sowie einem Sägezahn-Generator (3) besteht, wobei am Ausgang des Komparators (5) ein für das Eingangssignal (Ue) repräsentatives pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) ansteht, und
– einer ausgangsseitigen Regenerationsschaltung (RG) zur Rückgewinnung eines für das Eingangssignal (Ue) repräsentativen, analogen Ausgangssignals (Ua),
dadurch gekennzeichnet, daß
– als Komparator ein Baustein (5) mit Logik-Gatter und Schmitt-Trigger-Eingang vorgesehen ist, wobei der Baustein (5) bis an seine positive und negative Versorgungsspannung (EPR, ENR) aussteuerbar ist, und
– die Ansteuerung der Versorgungsspannungen (EPR, ENR) durch einen Referenzspannungsgenerator (8) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Verstärkung und/oder Wandlung analoger elektrischer Signale in Form von Spannungen oder Strömen auf der Basis eines Spannungs-/Tastverhältnis-Wandlers mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Ein einfaches und übliches Verfahren zur Wandlung von analogen elektrischen Signalen, wie es z. B. in dem Lehrbuch von Prof. Dr. Manfred Seifart „Analoge Schaltungen", Verlag Technik, Berlin, 5. Auflage 1996, Seiten 491, 492 offenbart ist, ist die Erzeugung eines frequenzkonstanten Rechtecksignales, dessen Tastverhältnis abhängig vom Eingangssignal variiert. Dies wird durch einen sogenannten Spannungs-/Tastverhältnis-Wandler umgesetzt. Ein solcher Wandler weist in der Regel einen Eingangsverstärker für das Eingangssignal auf. Diesem Eingangsverstärker ist ein Rechtecksignal-Generator nachgeschaltet, der aus einem Komparator und einem Sägezahn-Generator besteht. Am Ausgang des Komparators steht ein für das Eingangssignal repräsentatives pulsweitenmoduliertes Signal zur Verfügung. Eine ausgangsseitige Regerationsschaltung dient zur Rückgewinnung eines für das Eingangssignal repräsentativen, analogen Ausgangssignals.

Derlei Verstärkungs- und/oder Wandlerschaltungen können für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden, wie z. B. in einem Potentialtrenner, Signalübertrager o. dgl.

Regelmäßiges Problem bei solchen Schaltungen – insbesondere wenn diese mit mehreren Funktionsbereichen, wie z. B. unterschiedlichen Übertragerfunktionen versehen sind – ist der Abgleich der einzelnen Funktionsbereiche und der Bauteiltoleranzen. Hierzu werden meist elektromechanische Einstellelemente, wie beispielsweise Potentiometer im Rückkopplungszweig des Eingangsverstärkers, oder sehr aufwendige, für einen automatischen, Mikroprozessor-gesteuerten Abgleich taugliche Widerstandsdekaden eingesetzt.

Als Lösungsansatz für die vorstehende Problematik wurde bereits versucht, in den Rückkopplungszweig des Spannungs-/Tastverhältnis-Wandlers einen Tastverhältnis-/Spannungs-Wandler einzufügen, dessen Übernagungsverhalten steuerbar ist. Es kann sich dabei etwa um eine Schalteranordnung mit nachgeschaltetem Tiefpaß handeln, bei der eine positive und negative Referenzspannung das Übertragungsverhalten des Wandlers im Rückkopplungszweig und damit das Übertragungsverhalten des Spannungs-/Tastverhältnis-Wandlers beeinflussen. Über die Veränderung der Absolutwerte der negativen und positiven Referenzspannungen kann die Verstärkung variiert werden, über eine Verschiebung dieser Spannungen bei Konstanthaltung der Differenz dazwischen ergibt sich eine variable Verschiebung der Übertragungsfunktion gegenüber dem Nullpunkt.

Problematisch bei dem vorstehenden Lösungsansatz ist die Tatsache, daß die Übertragungsfrequenz des Tastverhältnis-/Spannungs-Wandlers niedrig und insbesondere regelmäßig deutlich geringer als die Schaltfrequenz des Spannungs-/Tastverhältnis-Wandlers ist. Ferner ist der Aufbau der Schalterstufe aufwendig und driftanfällig.

Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Verstärkung und/oder Wandlung analoger elektrischer Signale auf der Basis eines Spannungs-/Tastverhältnis-Wandlers anzugeben, bei der der Abgleich einzelner Funktionsbereiche und der Bauteiltoleranzen einfach über eine kostengünstige Mikroprozessorsteuerung und insbesondere ohne mechanische Einstellelemente, wie Potentiometer, möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil der beiden unabhängigen Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach ist im eingangsseitigen Spannungs-/Tastverhältnis-Wandler als Komparator ein Baustein mit Logik-Gatter und Schmitt-Trigger-Eingang und/oder in der ausgangsseitigen Regerationsschaltung mindestens ein Logik-Gatter vorgesehen. Der erstgenannte Baustein und/oder das Logik-Gatter sind bis an ihre positive und negative Versorgungsspannung aussteuerbar, wobei die Ansteuerung der Versorgungsspannungen durch einen vorzugsweise Mikroprozessor-gesteuerten Referenzspannungsgenerator erfolgt.

Durch die Verwendung von Bauelementen, die sich bis direkt an ihre positive und negative Versorgungsspannung aussteuern lassen – also insbesondere CMOS-Bausteine – entsprechen die Ausgangssignale dieser Bauelemente und insbesondere die vom Baustein mit Logik-Gatter und Schmitt-Trigger-Eingang gelieferte Rechteckspannung bei geringer Ausgangsbelastung genau der Differenz der Versorgungsspannungen. Demzufolge können zur Einstellung des Übertragungsverhaltens des Wandlers entsprechende Referenzspannungen direkt an die Versorgungsanschlüsse des Bauelementes angelegt werden. Durch die Veränderung der beiden Referenzspannungen kann das Übertragungsverhalten des Spannungs-/Tastverhältnis-Wandlers direkt beeinflußt und damit ein Abgleich von Bauelemente-Toleranzen und Übertragungsfehlern erreicht werden. Auch bei der Regeneration des vom Spannungs-/Tastverhältnis-Wandler erzeugten Rechteck signals in eine analoge Ausgangsspannung ist ein Abgleich auf der Ausgangsseite der erfindungsgemäßen Schaltung möglich.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Näheres hierzu ist der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels entnehmbar, das anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:
1 einen Schaltplan des eingangsseitigen Schaltungsteils und
2 den Schaltplan eines ausgangsseitigen Schaltungsteils eines Signalübertragers mit Potentialtrennung.
Wie aus 1 hervorgeht, wird die analoge Eingangsspannung Ue über einen Eingangswiderstand R1 dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP1 zugeführt. Dessen nicht-invertierender Eingang liegt auf Masse. Der Ausgang des Eingangsverstärkers OP1 ist direkt über eine Kapazität C1 auf den invertierenden Eingang zurückgekoppelt. Über einen dem Ausgang nachgeschalteten Widerstand R4 wird die Ausgangsspannung des Verstärkers OP1 auf einen Summenpunkt 1 gelegt, der den Eingang eines Rechtecksignal-Generators repräsentiert, der als Ganzes als 2 bezeichnet ist. Dieser weist einen Sägezahn-Generator 3 auf, der aus einem Rechteck-Generator 4 und einem RC-Glied bestehend aus einer Reihenschaltung aus dem Widerstand R3 über den Summenpunkt 1 und der Kapazität C2 gegen Masse gebildet ist.
Der Rechtecksignal-Generator 2 weist ferner einen Komparator auf, der im gezeigten Fall gemäß 1 aus einem Logik-Gatter 5 mit Schmitt-Trigger- Eingang in CMOS-Technik gebildet ist. Die Versorgungsanschlüsse 6, 7 sind mit einem Mikroprozessor-gesteuerten Referenzspannungsgenerator 8 verbunden, der jeweils eine eingangsseitige positive Referenzspannung EPR und eine eingangsseitige negative Referenzspannung ENR liefert. Am Ausgang des Logikbausteins 5 steht ein pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal PWM zur Verfügung, dessen Tastverhältnis repräsentativ für die Größe des Eingangssignals Ue ist. Der Ausgang des Bausteins 5 ist über einen Rückkopplungswiderstand R2 auf den invertierenden Eingang des Eingangsverstärkers OP1 rückgekoppelt.
Das Signal PWM wird nun auf die beiden in Reihe gegen Masse geschalteten Primärwicklungen 9, 10 eines Transformators 11 gegeben.
Wie nun aus der eine Regenerationsschaltung RG darstellenden 2 deutlich wird, ist der Transformator 11 sekundärseitig mit zwei Sekundärwicklungen 12, 13 versehen, die jeweils parallel zur Basis-Emitterstrecke zweier Transistoren 14, 15 geschaltet sind. Deren Emitter sind mit der negativen Versorgungsspannung ANR verbunden. Ihre Kollektoren sind über jeweilige Kollektorwiderstände 16, 17 an die positive Versorgungsspannung APR angeschlossen. Ferner sind ihre Kollektoren mit einem RS-Flip-Flop 18 beschaltet, das aus zwei NAND-Logik-Gattern 19, 20 besteht. Die beiden NAND-Gatter 19, 20 sind in der üblichen Weise zur Realisierung eines RS-Flip-Flops verschaltet. Sie sind wiederum als CMOS-Bauelemente realisiert, deren Versorgungsanschlüsse 21, 22 mit der positiven Versorgungsspannung APR bzw. negativen Versorgungsspannung ANR versorgt werden. Die Versorgungsspannungen APR und ANR werden wiederum – wie in 2 nicht näher dargestellt ist – durch den Mikroprozessor-gesteuerten Referenzspannungsgenerator 8 erzeugt.
Das sekundärseitige Signal wird in der Regenerationsschaltung RG über den aus den beiden Transistoren 14, 15 gebildeten Pulsformer und das RS-Flip-Flop 18 aufbereiteter und durch ein Tiefpaßfilter bestehend aus dem Ohm'schen Widerstand 23 und der Kapazität 24 in das analoge Ausgangssignal Ua zurückgewandelt.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist festzuhalten, daß ein Abgleich des Wandlers sowohl auf der Eingangsseite durch eine Variierung der Referenzspannung EPR und EMR als auch auf der Ausgangsseite durch eine Veränderung der Referenzspannungen ARP und AMR möglich ist. Die hierbei geltende Übertragungsfunktion genügt dabei folgender Beziehung: Ua = F·Ue + Smit F = (R2/R1)·[(ANR – APR)/(ENR – EPR)]
und S = (EPR·ANR – ENR·APR)/(ENR – EPR)
sowie

Ue: = Eingangsspannung
Ua: = Ausgangsspannung
R2: = Widerstand in der Gegenkopplung
R1: = Eingangswiderstand
EPR: = positive Versorgungsspannung auf der Eingangsseite
ENR: = negative Versorgungsspannung auf der Eingangsseite
APR: = positive Versorgungsspannung auf der Ausgangsseite
ANR: = negative Versorgungsspannung auf der Ausgangsseite

Die Herleitung dieser Übertragungsfunktion ergibt sich aus der dieser Beschreibung beigefügten Anlage und bedarf keiner näheren Erläuterung, da diese unmittelbar nachvollziehbar ist.
Aus dieser Gleichung ist erkennbar, daß aufgrund des Faktors F die Verstärkung mit Hilfe des Widerstands- und Spannungsverhältnisses eingestellt werden kann. Der Summand S sorgt für eine Verschiebung des Nullpunktes ebenfalls auf der Basis der verschiedenen Referenz- bzw. Versorgungsspannungen der an der Schaltung beteiligten CMOS-Bauelemente.
Da sich diese Spannungen – wie erwähnt – sehr einfach durch einen Mikroprozessor-gesteuerten Referenzspannungsgenerator generieren und einstellen lassen, ist eine automatische Kalibrierung auch für unterschiedliche Funktionsbereiche und eine entsprechende Speicherung dieser Kalibrierung beispielsweise in einem Normsignaltrenner mit verschiedenen Funktionsbereichen auf einfache Weise möglich. Anlage

Claims

Schaltung zur Verstärkung und/oder Wandlung analoger elektrischer Signale in Form von Spannungen oder Strömen auf der Basis eines Spannungs-/Tastverhältnis-Wandlers mit – einem Eingangsverstärker (OP1), an dessen Eingang das Eingangssignal (Ue) anzulegen ist, – einem Rechtecksignal-Generator (2), der dem Eingangsverstärker (OP1) nachgeschaltet ist und aus einem Komparator (5) sowie einem Sägezahn-Generator (3) besteht, wobei am Ausgang des Komparators (5) ein für das Eingangssignal (Ue) repräsentatives pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) ansteht, und – einer ausgangsseitigen Regenerationsschaltung (RG) zur Rückgewinnung eines für das Eingangssignal (Ue) repräsentativen, analogen Ausgangssignals (Ua), dadurch gekennzeichnet, daß – als Komparator ein Baustein (5) mit Logik-Gatter und Schmitt-Trigger-Eingang vorgesehen ist, wobei der Baustein (5) bis an seine positive und negative Versorgungsspannung (EPR, ENR) aussteuerbar ist, und – die Ansteuerung der Versorgungsspannungen (EPR, ENR) durch einen Referenzspannungsgenerator (8) erfolgt.
Schaltung zur Verstärkung und/oder Wandlung analoger elektrischer Signale in Form von Spannungen oder Strömen auf der Basis eines Spannungs-/Tastverhältnis-Wandlers mit – einem Eingangsverstärker (OP1), an dessen Eingang das Eingangssignal (Ue) anzulegen ist, – einem Rechtecksignal-Generator (2), der dem Eingangsverstärker (OP1) nachgeschaltet ist und aus einem Komparator (5) sowie einem Sägezahn-Generator (3) besteht, wobei am Ausgang des Komparators (5) ein für das Eingangssignal (Ue) repräsentatives pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) ansteht, und – einer ausgangsseitigen Regenerationsschaltung (RG) zur Rückgewinnung eines für das Eingangssignal (Ue) repräsentativen, analogen Ausgangssignals (Ua), insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – in der ausgangsseitigen Regenerationsschaltung (RG) mindestens ein Logik-Gatter (19, 20) vorgesehen ist, das bis an seine positive und negative Versorgungsspannung (APR, ANR) aussteuerbar ist, und – die Ansteuerung der Versorgungsspannungen (APR, ANR) durch einen Referenzspannungsgenerator (8) erfolgt.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzspannungsgenerator (8) mikroprozessorgesteuert ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Baustein (5) mit Logik-Gatter und Schmitt-Trigger-Eingang und/oder das mindestens eine Logik-Gatter (19, 20) in der Regenerationsschaltung (RG) in CMOS-Technik ausgeführt sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sägezahn-Generator (3) aus einem Rechteck-Generator (4) besteht, dem ein RC-Glied (R3, C2) nachgeschaltet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den eingangsseitigen Rechtecksignal-Generator (2) und der ausgangsseitigen Regenerationsschaltung (RG) ein Potentialtrenner (11), insbesondere ein Transformator geschaltet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsverstärker (OP1) mit einem Eingangswiderstand (R1) und einem Gegenkopplungswiderstand (R2) zwischen dem Ausgang des Komparators (5) und seinem Eingang versehen ist.
Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Übertragungsfunktion folgender Beziehung genügt: Ua = F·Ue + Smit F = (R2/R1)·[(ANR – APR)/(ENR – EPR)] und S = (EPR·ANR – ENR·APR)/(ENR – EPR) sowie Ue = Eingangsspannung Ua = Ausgangsspannung R2 = Widerstand in der Gegenkopplung R1 = Eingangswiderstand EPR = positive Versorgungsspannung auf der Eingangsseite ENR = negative Versorgungsspannung auf der Eingangsseite APR = positive Versorgungsspannung auf der Ausgangsseite ANR = negative Versorgungsspannung auf der Ausgangsseite