DE2028667B2 - AMPLIFIER CIRCUIT WITH ADJUSTABLE GAIN LEVEL - Google Patents
AMPLIFIER CIRCUIT WITH ADJUSTABLE GAIN LEVELInfo
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Description
3535
Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung mit regelbarem Verstärkungsgrad, bei welcher der Ver-Stärkungsgrad automatisch veränderbar ist, bis ein vorgegebenes Eingangssignal nach Verstärkung einem Referenzsignal gleich ist, und dieser Verstärkungsgrad dann gespeichert wird.The invention relates to an amplifier circuit with an adjustable gain, in which the gain can be changed automatically until a given input signal is amplified Reference signal is the same, and this gain is then stored.
Bei bekannten Verstärkerschaltungen dieser Art erfolgt die Regelung des Verstärkungsgrades durch einen veränderbaren Widerstand im Gegenkopplungszweig. Bei einer bekannten Schaltung wird das verstärkte Signal an einem Motor einem Referenzsignal entgegengeschaltet. Der Motor treibt ein Potentiometer im Gegenkopplungskreis. Der Potentiometerwiderstand wird so lange geändert, bis das verstärkte Signal dem Referenzsignal gleich ist. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß bewegliche Teile und ein Motor erforderlich sind.In known amplifier circuits of this type, the gain is regulated by a variable resistance in the negative feedback branch. In a known circuit this is amplified Signal on a motor switched against a reference signal. The motor drives a potentiometer in the negative feedback circuit. The potentiometer resistance is changed until the amplified Signal is equal to the reference signal. This arrangement has the disadvantage that moving parts and a motor required are.
Es ist weiterhin bekannt, einen Feldeffekttransistor als einstellbaren Widerstand in der Gegenkopplung eines Verstärkers vorzusehen. Die Speicherung des Verstärkungsgrades erfolgt durch analoge Spannungsspeicherung in einem Kondensator.It is also known, a field effect transistor to be provided as an adjustable resistor in the negative feedback of an amplifier. The storage of the The gain is achieved through analog voltage storage in a capacitor.
Diese Lösung hat den Nachteil, daß die Speicherzeit und der Einstellbereich begrenzt sind. Die gleichen Nachteile ergeben sich bei Verwendung eines magnetisch steuerbaren Widerstandes in der Gegenkopplung des Verstärkers. Außerdem bringt diese Lösung Fehlermöglichkeiten durch Fremdfelder mit sich.This solution has the disadvantage that the storage time and the setting range are limited. The same Disadvantages arise when using a magnetically controllable resistor in the negative feedback of the amplifier. In addition, this solution brings with it the possibility of errors due to external fields.
Es ist ein Regler bekannt, bei welchem einem Verstärker ein umschaltbarer Spannungsteiler vorgeschaltet ist, durch den der Verstärkungsgrad um einen Faktor 2 verändert werden kann. Am Ausgang des Verstärkers liegt ein Maximumfühler, von welchem ein Umschalter für den Spannungsteiler steuerbar ist. Dadurch soll eine Verbesserung der Ubergangsfunktion des Reglers erreicht werden. Bei einem Stufensignal am Eingang schwingt das Ausgangssignal normalerweise mit einem gedämpften Schwingungszug auf den entsprechenden neuen Wert ein. Dabei tritt ein nicht unerhebliches überschießen ein. Um dies zu vermeiden, wird bei der bekannten Anordnung zunächst mit einem um einen Faktor 2 gegenüber dem Endzustand verminderten Verstärkungsgrad gearbeitet. Wenn das so verminderte Ausgangssignal durch das erste Schwingungsmaximum geht, welches noch unter dem stationären Ausgangswert liegt, erfolgt über den Maximumfühler die Umschaltung des Spannungsteilers um den Faktor 2. Es tritt dann ein Einschwingungsvorgang auf den stationären Ausgangswert mit geringerem Uberschwingen ein. Bei dieser bekannten Anordnung handelt es sich um das dynamische Verhalten des Verstärkers gegenüber einem stufenförmigen Eingangssignal und nicht um die automatische Regelung des Verstärkungsgrades derart, daß einem vorgegebenen Eingangssignal ein durch ein Referenzsignal vorgegebenes Ausgangssignal entspricht, bei Speicherung des so geregelten Verstärkungsgrades. A controller is known in which an amplifier a switchable voltage divider is connected upstream, through which the gain by one Factor 2 can be changed. At the output of the amplifier there is a maximum sensor, one of which a switch for the voltage divider can be controlled. This is intended to improve the transition function of the controller can be achieved. With a step signal at the input, the output signal oscillates normally with a dampened oscillation to the corresponding new value. Included there is a not inconsiderable overshoot. In order to avoid this, in the known arrangement initially worked with a gain factor reduced by a factor of 2 compared to the final state. If the output signal so decreased goes through the first oscillation maximum, which is still below the steady-state starting value The voltage divider is switched by a factor of 2 via the maximum sensor. It then occurs Settling process to the steady output value with less overshoot. This known arrangement is the dynamic behavior of the amplifier in relation to a step-shaped input signal and not to the automatic control of the gain in such a way that a predetermined input signal corresponds to the output signal predetermined by a reference signal, with storage of the gain regulated in this way.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß eine Speicherung des einmal eingestellten Verstärkungsgrades über lange Zeit möglich ist.The invention is based on the object of providing an amplifier circuit of the type mentioned at the beginning to train that a storage of the gain once set is possible over a long period of time is.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Verstärker ein stufenweise umschaltbarer Spannungsteiler vorgeschaltet ist, daß zur Umschaltung des Spannungsteilers eine impulsgesteuert fortschaltende Umschalteinrichtung vorgesehen ist und daß von der Differenz von Verstärkerausgangssignal (verstärktem vorgegebenem Eingangssignal) und Referenzsignal die Frequenz eines die Umschalteinrichtung fortschaltenden Generators steuerbar ist.According to the invention, this object is achieved in that the amplifier has a step-wise switchable A voltage divider is connected upstream so that a pulse-controlled switch is used to switch the voltage divider progressive switching device is provided and that of the difference of the amplifier output signal (amplified predetermined input signal) and reference signal the frequency of the switching device switching generator is controllable.
Bei der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung erfolgt eine digitale Umschaltung und Speicherung des Verstärkungsgrades mittels des stufenweise umschaltbaren Spannungsteilers. Bei einer Abweichung des Verstärkerausgangssignals von dem Referenzsignal gibt der Generator ein Signal mit einer von dieser Differenz abhängigen Frequenz ab. Dieses Signal schaltet über die Umschalteinrichtung den Spannungsteiler stufenweise um. Hierdurch wird wiederum die Differenz von Verstärkerausgangssignal und Referenzsignal kleiner, was zu einer Verringerung der Generatorfrequenz führt. Der Spannungsteiler wird somit stufenweise so lange umgeschaltet, bis das Verstärkerausgangssignal gleich dem Referenzsignal ist und damit die Generatorfrequenz zu Null wird. Dieser Schaltzustand des Spannungsteilers ist digital gespeichert und bleibt daher über lange Zeit unbedingt erhalten.In the amplifier circuit according to the invention, digital switching and storage takes place the gain by means of the step-wise switchable voltage divider. In the event of a discrepancy of the amplifier output signal from the reference signal, the generator outputs a signal with one of this difference dependent frequency. This signal switches the switchover device Voltage divider in steps. This in turn reduces the difference between the amplifier output signal and the reference signal, which leads to a reduction the generator frequency leads. The voltage divider is thus switched over in stages as long as until the amplifier output signal is equal to the reference signal and thus the generator frequency becomes zero. This switching state of the voltage divider is stored digitally and therefore remains unconditionally preserved for a long time.
Die Erfindung wird vorteilhafterweise in der Form verwirklicht, daß der Spannungsteiler einen Widerstand am Eingang des Verstärkers sowie eine Parallelschaltung von Widerständen in binärer Stufung in Reihe mit je einem Schalterglied enthält und daß die Schalterglieder von je einer Zählerstufe eines mit den Generatorsignalen beaufschlagten Binärzählers gesteuert sind.The invention is advantageously implemented in the form that the voltage divider has a resistor at the input of the amplifier as well as a parallel connection of resistors in binary steps in Row with one switch element each and that the switch elements each have a counter stage with one the binary counter acted upon by the generator signals are controlled.
Die Schalterglieder können dabei von Feldeffekttransistoren gebildet werden, die von den als integrierte Flip-Flops ausgebildeten Zählerstufen gesteuert sind.The switch elements can be formed by field effect transistors, which are used as integrated Flip-flops trained counter stages are controlled.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:The invention is described below using an exemplary embodiment with reference to the drawings explained in more detail:
F i g. 1 zeigt schematisch die gesamte Verstärkerschaltung nach der Erfindung;F i g. 1 shows schematically the entire amplifier circuit according to the invention;
F i g. 2 ist ein Schaltbild des Verstärkers mit dem digital verstellbaren Spannungsteiler;F i g. 2 is a circuit diagram of the amplifier with the digitally adjustable voltage divider;
F i g. 3 zeigt den Generator mit der zugehörigen Steuerung.F i g. 3 shows the generator with the associated control.
Die Verstärkerschaltung nach F i g. 1 enthält einen Verstärker V1, der eine durch die Widerstände Ra und Rb definierte feste VerstärkungThe amplifier circuit according to FIG. 1 contains an amplifier V 1 which has a fixed gain defined by the resistors R a and R b
V =V =
Rt,Rt,
liefert.supplies.
Der Verstärkungsgrad des eigentlichen Verstärkers ist dabei sehr groß, so daß die wirksame Verstärkung praktisch nur durch die Gegenkopplung bestimmt ist. Dem Verstärker ist ein Spannungsteiler vorgeschaltet, an welchem eine Eingangsspannung Ve anliegt. Dieser Spannungsteiler besteht aus einem Widerstand R0 am Eingang des Verstärkers und einer Parallelschaltung von Widerständen R1 ... Rn, wobei mit jedem Widerstand ein Schalter S1 ... Sn in Reihe geschaltet ist. Die Widerstände ^1 ... Rn sind binär gestuft. Die Schalter enthalten Feldeffekttransistoren als Schaltstrecken, die von Flip-Flops geschaltet werden. Die Flip-Flops bilden einen Binärzähler.The gain of the actual amplifier is very high, so that the effective gain is practically only determined by the negative feedback. A voltage divider to which an input voltage V e is applied is connected upstream of the amplifier. This voltage divider consists of a resistor R 0 at the input of the amplifier and a parallel connection of resistors R 1 ... R n , a switch S 1 ... S n being connected in series with each resistor. The resistances ^ 1 ... R n are binary. The switches contain field effect transistors as switching paths that are switched by flip-flops. The flip-flops form a binary counter.
Die Ausgangsspannung Va des Verstärkers V1 wird an einem Verstärker V2 einer Referenzspannung Vref entgegengeschaltet. Von der Spannungsdifferenz wird ein Generator G in seiner Frequenz gesteuert. Die Ausgangssignale des Generators G werden auf den die Schalter S1 ... Sn steuernden Binärzähler gegeben.The output voltage V a of the amplifier V 1 is switched against a reference voltage V ref at an amplifier V 2 . The frequency of a generator G is controlled by the voltage difference. The output signals of the generator G are given to the binary counter controlling the switches S 1 ... S n.
Diese Schaltung arbeitet wie folgt: Es wird eine definierte Eingangsspannung Ve angelegt. Die Verstärkung der Schaltung soll so eingestellt werden, daß die Ausgangsspannung Va gleich der vorgegebenen Referenzspannung Vref ist. Wenn Va kleiner als Vref ist, dann liefert der Generator G eine Impulsfolge, die in den Binärzähler eingezählt wird. Hierdurch werden entsprechend dem Zählerstand Schalter S1 ... Sn geschlossen, so daß der Strom durch den Widerstand R0 in binärer Stufung zunimmt. Entsprechend vermindert sich die Spannungsdifferenz Va — Vref, wodurch die Generatorfrequenz abnimmt. Wenn die Spannungsdifferenz Va—Vref gleich Null wird, dann liefert der Generator keine Impulse mehr, und der Binärzähler bleibt in seinem letzten Zustand, der den Verstärkungsgrad der genannten Verstärkerschaltung bestimmt. Dieser Verstärkungsgrad ist digital gespeichert, so daß eine Speicherung über lange Zeit hinweg möglich ist.This circuit works as follows: A defined input voltage V e is applied. The gain of the circuit should be set so that the output voltage V a is equal to the predetermined reference voltage V ref . If V a is less than V ref , then the generator G delivers a pulse train which is counted into the binary counter. As a result, switches S 1 ... S n are closed according to the count, so that the current through resistor R 0 increases in binary steps. The voltage difference V a - V re f decreases accordingly, as a result of which the generator frequency decreases. When the voltage difference V a -V ref becomes equal to zero, the generator no longer supplies any pulses and the binary counter remains in its last state, which determines the gain of the amplifier circuit mentioned. This gain is stored digitally so that it can be stored over a long period of time.
F i g. 2 zeigt die Ausbildung des Verstärkers V1 von F i g. 1 und des Spannungsteilers bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.F i g. FIG. 2 shows the design of the amplifier V 1 from FIG. 1 and the voltage divider in a preferred embodiment of the invention.
Die Eingangsspannung Ve wird auf einen Verstärker 10 gegeben, der als Impedanzwandler wirkt und eine zu starke Belastung der Eingangsspannungsquelle Ve durch die Schalter S1 ... S16 verhindert. Die Einstellung der Verstärkung erfolgt mittels des Spannungsteilers, bestehend aus dem Widerstand R0 und den Widerständen R1 ... R16, die durch die Schalter S1 ... S16 eingeschaltet werden. Die Schalter S1 ... S16 werden von Feldeffekttransistoren gebildet, die über Flip-Flops F1 ... F15 steuerbar sind. Die Flip-Flops sind als integrierte Bauteile ausgebildet und als Binärzähler geschaltet, der von dem Takt T beaufschlagt ist. Dieser Takt T ist das Signal von dem Generator G (Fig. 1), wie im Zusammenhang mit F i g. 3 noch geschildert wird. An F liegt die Betriebsspannung der Flip-Flops. Wird diese abgeschaltet, so entfällt auch die Steuerspannung für die Schaltertransistoren S1 ... S16, und diese gehen in den leitenden Zustand über. Das ergibt maximale Spannung an dem Widerstand R0 und damit maximale Verstärkung. Die Spannung an R0 wird in einem Verstärker 12 mit einem konstanten Verstärkungsfaktor von etwa 50 verstärkt und liefert die Ausgangsspannung V0. The input voltage V e is fed to an amplifier 10, which acts as an impedance converter and prevents excessive loading of the input voltage source V e from the switches S 1 ... S 16. The gain is set by means of the voltage divider, consisting of the resistor R 0 and the resistors R 1 ... R 16 , which are switched on by the switches S 1 ... S 16 . The switches S 1 ... S 16 are formed by field effect transistors which can be controlled via flip-flops F 1 ... F 15. The flip-flops are designed as integrated components and connected as a binary counter to which the clock T is applied. This clock T is the signal from the generator G (Fig. 1), as in connection with F i g. 3 will be described. The operating voltage of the flip-flops is applied to F. If this is switched off, the control voltage for the switch transistors S 1 ... S 16 is also omitted, and these go into the conductive state. This results in maximum voltage across resistor R 0 and thus maximum gain. The voltage at R 0 is amplified in an amplifier 12 with a constant gain factor of approximately 50 and supplies the output voltage V 0 .
Die Schaltung nach F i g. 3 liefert den Takt T für die Steuerung der Flip-Flops.The circuit according to FIG. 3 supplies the clock T for controlling the flip-flops.
Der Abgleichvorgang wird durch eine positive Flanke an der Klemme Si eingeleitet. Ein Thyristor Th1 zündet und legt über den Transistor T1 eine positive Spannung an die Leitung U. Die Ausgangsspannung V„ und die Referenzspannung Vref liegen an einem Differenzverstärker 14 an. Am Ausgang des Verstärkers 14 erscheint bei TP1 die verstärkte Differenz (Vref — Va). Ist die Differenz negativ, also Va größer als Vref, beginnt ein Integrierverstärker 16The calibration process is initiated by a positive edge at terminal Si. A thyristor Th 1 ignites and applies a positive voltage to the line U via the transistor T 1. The output voltage V " and the reference voltage V ref are applied to a differential amplifier 14. The amplified difference (V ref - V a ) appears at the output of the amplifier 14 at TP 1. If the difference is negative, that is to say V a greater than V ref , an integrating amplifier 16 begins
eine Spannung aufzuintegrieren. Der Verstärker 16 ist ein Miller-Integrator, bestehend aus einem Verstärkerteil
mit hohem Verstärkungsgrad und einer kapazitiven Gegenkopplung über einen Kondensator
18. Am Ausgang des Integrierverstärkers 16 erscheint eine Spannung bei TP2. Wenn die Spannung
im Punkte TP2 einen Wert von etwa + 2 Volt erreicht,
dann zündet der nachgeschaltete Thyristor Th2. Der
Thyristor Th2 wird aus einem Kondensator 20 gespeist
und fällt dann wegen Unterschreiten des Haltestromes in den nicht leitenden Zustand zurück.
.Während der Thyristor Th2 leitend ist, wird der Kondensator
18 über den Feldeffekttransistor T8 entladen, der über den Transistor T9 aufgesteuert wird,
wenn an den Widerständen 22, 24 eine Spannung abfällt. An der Leitung T erscheint dabei ein positiver
Impuls. Dieser Vorgang wiederholt sich, und zwar mit einer Frequenz, die proportional zu der
Spannungsdifferenz Va — Vref anwächst.
Bei großer Spannungsdifferenz Va — Vref erscheintto integrate a tension. The amplifier 16 is a Miller integrator, consisting of an amplifier part with a high gain and a capacitive negative feedback via a capacitor 18. A voltage appears at TP 2 at the output of the integrating amplifier 16. When the voltage at point TP 2 reaches a value of approximately + 2 volts, the downstream thyristor Th 2 ignites. The thyristor Th 2 is fed from a capacitor 20 and then falls back into the non-conductive state because the holding current is not reached. .While the thyristor Th 2 is conductive, the capacitor 18 is discharged via the field effect transistor T 8 , which is turned on via the transistor T 9 when a voltage drops across the resistors 22, 24. A positive pulse appears on the line T. This process is repeated, to be precise with a frequency which increases proportionally to the voltage difference V a - V ref .
If the voltage difference V a - V ref is large, appears
durch schnelles Nachladen des Kondensators 18 eine hohe Impulsfolge von beispielsweise 20 kHz an der Klemme T. Mit fortlaufender Weiterschaltung der Schaltstufen in F i g. 2 verringert sich Va und nähert sich dem eingestellten Wert Vref. Geht die Spannungby rapidly recharging the capacitor 18, a high pulse train of, for example, 20 kHz at the terminal T. With continuous switching of the switching stages in FIG. 2, V a decreases and approaches the set value V ref . The tension goes
an TP1 dabei gegen Null, so wird die Spannung im Punkte A über den Transistor T5 positiv.at TP 1 towards zero, the voltage at point A across transistor T 5 becomes positive.
Hierdurch wird der Thyristor TZj3 gezündet, der über den Transistor T9 die Erzeugung weiterer Impulse an der Leitung T verhindert. Der Abgleich ist dann vollzogen, und der Verstärker speichert durch die Flip-Flops F1 ... F15 den eingestellten Verstärkungsgrad. This triggers the thyristor TZj 3 , which prevents further pulses from being generated on the line T via the transistor T 9. The adjustment is then completed and the amplifier stores the set gain through the flip-flops F 1 ... F 15 .
Eine andere Ausgangssituation herrscht, wenn V0 kleiner als Vref ist. Dann erscheint an TP1 eine posi-A different starting situation prevails when V 0 is less than V ref . Then at TP 1 a positive
tive Spannung. Hierdurch wird ein Transistor T7 gesperrt, und über einen Widerstand 26 und eine Diode 28 erscheint die negative Betriebsspannung ( — 15 Volt) an dem Eingang des Integrierverstärkerstive tension. As a result, a transistor T 7 is blocked, and the negative operating voltage (-15 volts) appears at the input of the integrating amplifier via a resistor 26 and a diode 28
16. Es werden jetzt so lange Impulse auf den Binärzähler JF1 ... F15 gegeben, bis alle Schalter S1 ... S16 geöffnet sind und dann beim nächsten Schritt infolge der Binärcode dann alle Schalter geschlossen werden. Dadurch wird Va wieder größer als Vref, und die zuerst beschriebene Situation tritt wieder ein: Die Spannung an TP1 wird negativ, der Transistor T7 schaltet durch, und die Diode 28 blockiert den Strom über den Widerstand 26.16. Pulses are now sent to the binary counter JF 1 ... F 15 until all switches S 1 ... S 16 are open and then all switches are closed in the next step as a result of the binary code. As a result, V a again becomes greater than V ref , and the situation described first occurs again: the voltage at TP 1 becomes negative, transistor T 7 switches on, and diode 28 blocks the current through resistor 26.
Zur Einstellung der Referenzspannung dient ein Potentiometer 30, an welchem eine durch eine Zenerdiode 32 stabilisierte Spannung anliegt. Ein Verstärker 34 für die an dem Potentiometer 30 abgegriffene Spannung dient als Impedanzwandler.A potentiometer 30 is used to set the reference voltage, on which a Zener diode 32 stabilized voltage is present. An amplifier 34 for the voltage tapped at the potentiometer 30 serves as an impedance converter.
Wird ein zu großer Wert von Vref eingestellt, den der Verstärkungsbereich der Apparatur nicht erreichen kann, so wird durch einen Verstärker 36 über Transistoren T2 und T4 die Versorgungsspannung an der Klemme F für die Flip-Flops -F1 ... F15 abgeschaltet. Dadurch wird die maximale Verstärkung eingestellt, da alle Schalter S1 ... S16 wegen Fehlens der negativen Sperrspannung leitend werden.Is set to a large value of V ref, the gain range of the apparatus can not reach, it is amplified by an amplifier 36 via the transistors T 2 and T 4, the supply voltage at terminal F for the flip-flops F 1 ... F 15 switched off. This sets the maximum gain, since all switches S 1 ... S 16 become conductive due to the absence of the negative reverse voltage.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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