DE2214114A1 - Schaltungsanordnung zur umformung einer brueckenverstimmung in eine frequenzaenderung - Google Patents
Schaltungsanordnung zur umformung einer brueckenverstimmung in eine frequenzaenderungInfo
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Description
22141H
Philips Patentverwaltung GmbH, Hamburg, 1, Steindamm 94
"Schaltungsanordnung zur Umformung einer Brückenverstimmung
in eine'Frequenzänderung" · . Zusatz zu P 15 91 988.7 '
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung
einer-Verstimmung einer aus einer Spannungsquelle
gespeisten Widerstandsbrücke mit vier Widerständen in eine dazu proportionale Frequenzänderung eines RC-Oszillators,
wobei die Ausgangsklemmen der Brücke mit den Eingangsklemmen eines Kompensationsverstärkers verbunden sind, dessen Ausgangsspannung
einen steuerbaren Widerstand mittelbar oder unmittelbar steuert und eine der Ausgangsklemmen der Brücke
außerdem über einen Widerstand mit dem Ausgang eines in bekannter Weise gegengekoppelten Operations-Verstärkers ver-,
bunden ist, dessen Eingang über den steuerbaren Widerstand an die Spannungsquelle ,angeschlossen ist und der steuerbare
Widerstand Bestandteil des frequenzbestimmenden Netzwerkes des RC-Oszillators ist, nach Patent.... (Patentanmeldung
P 15 91 988.7).
Eine derartige Schaltung ist auch in dem Aufsatz von
D. MEYER: 'Präzisions-^R-Af-Umformer für frequenzanaloges
Messen mit DMS1, VDI Berichte 137, S--41 - 44, beschrieben.
PHD 72-027 Po/S. - 2 -
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-2- ■ 22U1H
Darin liegen also die variablen Widerstände des Meßwertaufnehmers
als Brückenschaltung in einem Regelkreis, der durch Verstimmung eines Oszillators die Verstimmung der Brücke
kompensiert. Dadurch ist die Frequenz des Oszillators linear abhängig von der Brückenverstimmung und im übrigen unempfindlich
gegenüber parasitären Blindkomponenten des Meßwertaufnehmers. Ein gewisser'Nachteil ist jedoch, daß die Regelkreise
dieser Schaltung potentialfrei elektronisch steuerbare Widerstände mit linearer u/i-Kennlinie erfordern. Die zur
Zeit technisch realisierbaren'steuerbaren Widerstände sind entweder träge, wie z.B. Photowiderstände, so daß also nur
verhältnismäßig langsame Änderungen des Meßwertes genau wiedergegeben werden, oder sie sind nichtlinear, wie z.B, Feldeffekttransistoren,
was zu Nichtlinearität der Steuerkennlinie
und mangelnder Frequenzkonstanz führt.
Das eingangs beschriebene Prinzip kann jedoch auch mit anderen Oszillatorschaltungen verwendet werden. Bei harmonischen
Oszillatoren ist jedoch immer zur Amplitudenstabilisierung ein zusätzlicher Regelkreis notwendig, so daß die Schaltung
in jedem Falle zwei Regelkreise enthält.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Oszillatorschaltung anzugeben,
bei der diese Regelkreise möglichst einfach aufgebaut sind. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß auch der
Operationsverstärker Bestandteil des frequenzbestimmenden
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~ 3~ 22141 H
Netzwerkes des RC-Oszillators ist," daß an den Ausgang des
Operationsverstärkers ein weiterer Verstärker über ein drei ohmsche Widerstände und einen Kondensator enthaltendes Allpaßnetzwerk
angeschlossen ist, in dem der eine an Masse liegende Widerstand steuerbar ist, daß der Ausgang des weiteren
Verstärkers mit dem Eingang eines Integrators verbunden ist, daß an den Ausgang des Integrators ein Amplitudendetektor
angeschlossen ist, der den steuerbaren Widerstand des Allpaß-Netzwerkes
so steuert, daß die Spannung am Ausgang des Integrators
konstant ist, und daß diese Spannung die Speisespannung der Widerstandsbrücke ist* Ein derartige Oszillator
hat den Vorteil, daß die steuerbaren Widerstände durch elektronische Multipli2i&i3Chaltaja.geii gcuJLlu&t wGIrdSIi IZC-IaiSil, Z.
B. durch eine integrierte Halbleiterschaltung, wie sie in dem Aufsatz von B. GILBERT 1A precise four-quadrant multiplier
with subnanosecond response1, IEEE J. SSC, Dec. 1968S p.
365-373 beschrieben ist. ■ - -
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand, der Zeichnung
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Oszilla-
Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Oszilla-
tors,
Pig. 2 das Ersetzen der steuerbaren Widerstände durch MuIti-
Pig. 2 das Ersetzen der steuerbaren Widerstände durch MuIti-
plizierschaltungen.
in Pig. 1
Der Meßwertaufnehmer bildet/zusammen mit anderen Widerständen
eine Widerstandsbrücke RB1....R33,,. die mit der Spannung
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-■4 -
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U gespeist wird^ die durch den Oszillator OS erzeugt wird, wie
noch beschrieben wird. Der Ausgang der Brückenschaltung führt auf einen Kompensationsverstärker K, der einen an der Brückenspeisespannung
U angeschlossenen steuerbaren Widerstand P, der hier als Potentiometer dargestellt ist, so verändert, daß
die Spannung U^. am Ausgang des an den steuerbaren Widerstand
angeschlossenen Operationsverstärkers V, über den Widerstand
Rj5. das Brückengleichgewicht wieder herstellt. Dieser Widerstand
Rfc ist an den einen Ausgang der Widerstandsbrücke angeschlossen,
an deren anderem Ausgang ein Widerstand R1^ gegen
Masse geschaltet ist, um die Kompensation symmetrisch und linear zu machen. Das Verhältnis der Spannungen Uv/U ist somit linear
abhängig von der Verstimmung der Widerstandsbrücke aus den Widerständen Rg1....Rg. und wird im folgenden k bezeichnet.
Der Ausgang des Operationsverstärkers V,, der in bekannter Weise gegengekoppelt ist, ί
speist außerdem ein Allpaß-Hetzwerk aus den Widerständen R,,,
Rp, R, und dem Kondensator C^, das hier ebenfalls als Brücke
aufgebaut ist. Die Ausgänge des Allpaß-Hetzwerkes führen auf die Eingänge eines Differenzverstärkers V-., der einen Integrator
speiet. Dieser besteht aus dem invertierenden Verstärker V2 mit hoher Verstärkung, einem diesen Verstärker überbrückenden
Integrations-Kondensator C1 sowie einem vorgeschalteten
ohmschen Widerstand R1. Der Ausgang des Integrators ist mit
einem Amplitudendetektor AR verbunden, der den an Masse liegenden veränderbaren Widerstand R1 im Allpaß-Hetzwerk so ver-
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ändert, daß am Ausgang des Integrators die Amplitude der Spannung immer konstant ist. Die Ausgangsspannung des Integrators
ist gleichzeitig die Brückenspeisespannung U .
Dies stellt eine schwingfähige Schaltung dar, wobei-die Kreisfrequenz
Wq sich nach folgender G-Ieichung einstellt, wenn die
beiden Widerstände JL· und R~ des Allpaß-Netzwerkes gleich
groß gewählt werden:
05O = K ' 2TE^"
Darin ist v«. die Verstärkung des Differenzier stärkers Y* und
k wie bereits erwähnt das Verhältnis der Spannungen Auf diese Weise kann i»0 durch k linear verstellt werden.
Da andererseits k linear von der Brückenverstimmung äRb abhängt,
ist somit auch die Kreisfrequenz <dq des Oszillators
eine lineare Funktion der Brückenverstimmung:
Dabei kann bei entsprechender Bemesung von ^/^3 eine sehr
kleine Brückenverstimmen zu einer großen Prequenzverstimmung führen. \
Die steuerbaren Widerstände in den beiden Regelkreisen können
nun durch elektronische Multiplizierschaltungen gebildet werden, wie dies in Pig. 2 dargestellt 1st. Bei dem veränderbaren
Widerstand P in der Oszillatorschaltung OS in Fig. 1, der
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22Hl H
dort als Potentiometer dargestellt ist, ist dies ohne weiteres
zu übersehen. Das Ausgangssignal des Komparators K gibt dabei an, welcher Bruchteil der Brückenspeisespannung U_ dem
Operationsverstärker V, zugeführt werden soll, d.h. es gibt den Faktor k an.
Eine elektronische Multiplizierschaltung liefert an ihrem Ausgang
das Produkt der zwei an ihren beiden Eingängen liegenden Signale. Venn der eine Eingang eine Gleichspannung erhält,
gibt die Größe dieser Gleichspannung an, welcher Bruchteil des am anderen Eingang liegenden Signals am Ausgang der Multiplizierschaltung
erscheint. Daher ist in Fig. 2 die Multiplizierschaltung Μ« so geschaltet, daß der eine Eingang mit dem"
Ausgang des Kompensationsverstärkers K verbunden ist und der andere Eingang mit der Brückenspeisespannung. Die Multiplizierschaltung
M2 kann dabei die Punktion des Operationsverstärkers
V~ in Fig. 1 ohne weiteres mit übernehmen, so daß ihr Ausgang
unmittelbar die Kompensa ti ons spannung IJ^. liefert.
Die Realisierung des steuerbaren Widerstandes R1 im Allpaß-Netzwerk
erfolgt dadurch, daß er durch einen Festwiderstand R1.. ersetzt wird, dessen Fußpunkt jedoch nicht mit Masse, sondern
mit dem Ausgang einer weiteren Multiplizierschaltung M1
verbunden ist. Der eine Eingang der Multiplizierschaltung ist mit dem Ausgang des Verstärkers V1 verbunden, und der andere
Eingang erhält von dem Amplitudendetektor AR eine Steuergleichspannung, die mit ur bezeichnet werde und die angibt-, welcher
Bruchteil der Ausgangsspannung des Verstärkers V1 am Ausgang
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der Multiplizierschaltung M1 erscheint. Der für das Allpaß-Uetzwerk
wirksame Widerstand R1 ist dann
1 1 + m
wobei m eine Konstante der Multiplizierschaltung ist
Der ohmsche Zweig R2»R3 des Allpaß-Netzwerkes und damit die
HOtwendigkeit der Differenzbildung in dem Verstärker V1 können
entfallen, so daß der Verstärker V1 nur ein einfacher umkehrender
Verstärker zu sein braucht, wenn die Ausgangsspannung der Multiplizierschaltung VU über einen zweiten Integra-
2
toreingangswiderstand RS=R^. ebenfalls dem Integra-
toreingangswiderstand RS=R^. ebenfalls dem Integra-
tor zugeführt wird. .
In der Pig. 2 sind weiterhin die Verbindungen der Widerstandsbrücke Rg1....Rg. und des Kompensationswiderstandes R^. mit dem
Oszillator OS gegeneinander vertauscht, so daß der Kompensationswiderstand Rj. an der Brückenspeisespannung U0 und die
Widerstandsbrücke an der Kompensationsspannung U^ angeschlossen
ist. Dadurch wird die Kreisfrequenz ω0 des Oszillators
nicht mehr proportional k, sondern proportional t/k, so daß nunmehr die Periodendauer der BrückenderStimmung proportional
wird, was vorteilhaft für die Auswertung sein kann. l
Schließlich ist in Pig. 2 der Fußpunfct der Widerstandsbrücke .
sowie des Kompensationswiderstandes RV nicht mit Masse,
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sondern über einen umkehrenden Verstärker mit dem oberen Einspeisungspunkt der Brücke verbunden» Dadurch wird der
Fußpunkt der Brücke gegenphasig zu dem Einspeisungspunkt
angesteuert, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung er-, höht wird'.
Patentansprüche:
— Q _
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Claims (4)
1.) Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Verstimmung einer
aus einer Spannung«quelle gespeisten Widerstandsbrücke mit
vier Widerständen in eine dazu proportionale Frequenzänderung eines RC-Oszillators, wobei die Ausgangsklemmen der
Brücke mit den Eingangsklemmen eines Kompensationsverstärkers verbunden sind, dessen Ausgangsspannung einen steuerbaren
Widerstand mittelbar oder unmittelbar steuert und eine
der Ausgangsklemmen der Brücke außerdem über einen Widerstand mit dem Ausgang eines in bekannter Weise gegengekoppelten , · Operatiohs-Verstärkers
verbunden ist, dessen Eingang über den steuerbaren Widerstand an die Spannungsquelle angeschlossen ist und
der steuerbare Widerstand Bestandteil des frequenzbestimmenden
Netzwerkes des RC-Oszillators ist, nach Patent ... ( Patentanmeldung P 15 91 988.7 ), dadurch gekennzeichnet.
daß auch der Operationsverstärker (V,) Bestandteil des frequenzbestimmenden
Netzwerkes (P, V,,R1,Rg1R^tC1) des RC-Oszillators
(OS) ist, daß an den Ausgang des Operationsverstärkers (V,)' ein weiterer Verstärker (V1) über ein drei
ohmsche Widerstände und einen Kondensator enthaltendes AIlpaß-Netzwerk
(R11R2»R*,C-.) angeschlossen ist, in dem der
eine an Masse liegende Widerstand (R1) steuerbar ist, daß
der Ausgang des weiteren Verstärkers (V1) mit dem Eingang ein
Integrators (R^,C^,V«) verbunden ist, daß an den Ausgang
des Integrators ein Amplitudendetektor (AR) angeschlossen ist, der den steuerbaren Widerstand (R1) des Allpaß-Netzwerkes
so steuert, daß die Spannung (U_) am Ausgang des Integrators
konstant ist, und daß; diese Spannung (IJ8) die Speisespannung,
der Widerstandsbrücke (RB1,.....R34) ist.
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- 10 -
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2.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzbestimmende steuerbare Widerstand (P) und
der Operationsverstärker (Y,) durch eine Multiplizierschaltunj
(Mo) gebildet ist, die an ihrem Ausgang das Produkt von zwei
an ihren Eingängen liegenden Signalen liefert, wobei der
eine Eingang mit dem Ausgang des Kompensationsverstärkers
(K) und der andere Eingang mit der Brückenspeisespannung (U )
und der Ausgang mit einer Ausgangsklemme der Widerstandsbrücke (RB1i R-g*) sowie mit dem Allpaßnetzwerk (R1, R2,
R_, C.) verbunden ist.
3.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- · zeichnet, daß der steuerbare Widerstand (R1) im Allpaßnetzwerk
aus einem Festwiderstand (R^) besteht, dessen vom weiteren
Verstärker (V1) abgewandtes Ende mit dem Auegang einer
weiteren Multiplizierschaltung (M-) verbunden ist, deren Eingang mit dem Ausgang des weiteren Verstärkers (V^) und deren
anderer Eingang mit dem Ausgang des Amplitudendetektors (AR) verbunden ist.
4.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Widerstandebrücke (RjJ1I ....R-gi) und des Kompensationswiderstandes
(R^) mit dem Oszillator (OS) gegeneinander vertauscht
sind.
5,) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunkt der Wider-
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.41
standsbrücke (R-D1,.... .R-g,) eine zur Brückenspeisespannung
("U0) gegenphasige Spannung erhält.
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