DE2239277A1 - Gleichspannungsverstaerker - Google Patents

Description

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München, den "I FiK/Obd -σ 2238

GENERAL MOTORS CORPORATION Detroit, Michigan USA

(&eichsp*anungsvere tärker

Die Erfindung betrifft dis Teratärkung von Gleichspannungaoignalen und insbesondere die Verstärkung eines Spannungsaignala, welches durch ein Theraöelement erzeugt ist.

Thermoelementen~Au3gangsspannungen aind zu niedrig in ihrer Energie, um viele gewtinaonte Steuerfunfctionen zu erfüllen. Ba ist daher o¥i» •rwünecüt, ein Thermoelementen-Ausgangeepannujageaignal jsu verstärken, um eine versxärirce Sleicnepannung zu liefern, die dem Thermoelement en-Ausgangoaignal proportional ist. Bei Gleichapannungaverstarkem bee tent jedoch oft ein Drift-3?roblem₉ insbesondere dann, w«cn die Terstärker pberhalb einer hohea Umgebungstemperatur betrieben werde'n. Die auftretenden Drift-Probleme erfordern eine hau-, fige Nachkalibrierung des Instrumentes und verursachen oft ein· feh-

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lerhaftea Aue gaugesignal. Während durch Verwendung von Präziaions-Schaltelementen die Drift-Problem« auf ein bestimmtee Ausmaß reduaiert werden können, erhöht die Verwendung eoleher Präζieions-3ehaltel em en te die Kosten des Verstärkers erheblich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Verstärker für Ulelchspannungs-Thermoelementensignale zu lief era, der keine Drift aufweist und welcher das Thermo element ens ignal moduliert, das modulierte Signal verstärkt, das verstärkte Signal demoduliert und eine Bückkopplung in der feise aufweist, daß im Verstärker keine Präzi-BIonsel«mente verwendet werden müssen.

Sie Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, in welcher die einzige Figur eine schematische Schaltanordnung eines erfind ungsgeniä3en Thermoelement en -Ausgangssignalverstärkers darstellt.

der Zeiohnung ist ein Thereoelementen-Ausgangesignalveratärker 10 vorgesehen, welcher gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist und eine Gleichspannung verstärkt, welche durch ein Thermoelement 12 erzeugt wird und das verstärkte Grleichspannungssignal an eine Ausgangsklenme 14 liefert, deren Potential mit der Systemerdo vorglichen wird. Der Verstärker 10 weist eine erste Batterie 16 auf, welche in der bevorzugten Ausflihrungsrorm eine Spannongsquelle mit etwa 9,5 Volt darstellt, und besitzt eine Zweitbatterie 18, welche in der bevorzugten Aueführungsform eine Spannuagsquelle von etwa 3 Volt darstellt. Die Batterien 16 und 18, von denen jeweils eine Klemma geerdet ist, versorgen ein Temperaturkompensation^- und Summations-Netzwerk 20 und einen Modulator 22 mit Energie. Das Temperaturkompensation- und Summations-Netzwerk 20 addiert ein Vorspannungssignal zu dem Signal, welches von dem Thermoelement 12 erzeugt wird, und zwar gemäS der Umgebungstemperatur, so daß die algebraische Summe der Vorspannung und der Thermoelementen-Ausgangssignale ein Steuersignal auf eine Leitung 24- liefert. Das Teatperaturkompensations- und Summations-Netzwerk 20 erzeugt

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außerdem ein Bezugsapannungssignal, welches derart gewählt ist, daß es gleich dem- 7or3pannung3signal bei einer vorgegebenen Umgebungstemperatur ist, und zwar auf einer Leitung 26.

Die Bezugs- und Steuersignale werden abwechselnd durch den'Modulator 22 einer Eingangsklemme eines V/echselspanrmngg/verstärkers 28 zugeführt. V/enn das Steuersignal von dem -Beaugssignal abweicht, erzeugt der Wechselspannungsverstärker. 28 ein verstärktes Signal, welches sowohl. Wechsel- als auch Sleich-Komponenten an. seiner Ausgaxigsklemme aufweist. Die Ausgangsklemme des Wechseisp annungs Verstärkers 2b ist mit einer Seite eines Kondensators 30 verbunden, welcher die Übertragung von Glelcnspannungs-Signalkomponenten verhindert, jedoch Wechselspannungskomponenten des signals vom Y/echselspannungsverstärker 28 an einen Demodulator 32 überträgt. In alternativer Weise entlädt der Demodulator 32 den Kondensator 30 und verbindet den Kondensator 30 mit der-Eingangaklemme eines Integrators 34, welcher das Gleichapannungssignal auf der Ausgangsklemme 14 erzeugt. Die Ausgangeklemme 14 ist über einen Rückführwiderstand 36 mit *..der. Leitung 26 verbunden, auf welcher das 3e sugssp annungssignal^doiröh das Temperaturkompensations- und Summations-lTetzwerk 20 erzeugt wird„■ ·

Der Thermoelementen-Signalverstärker 10 umfaßt auch einen Rechteckwelien-OBzlllator 33 mit zwei Ausgängen, welcher beiepielswei.se ein astabiler Multivibrator sein kann. Der Oszillator 38 hat erste und zweite Ausgangsklemmen 40 und 42, die jeweils mit 'dem Modulator 22 und dem Demodulator 32 durch verschiedene Dioden 44 bis 47 verbunden sind, welcne eine Rückkopplung zwisqhen der Module tor s.ture 22"und der Demodulatorstufe 32 des Verstärkers 10 verhindern. Der Oöaillätor 38 synchronisiert auf diese V/eise den Betrieb des Modulators 22 und des Demodulators 32, wie nachfolgend im einzelnen erläutert wird«

Das Taaiperatuc-Kompensations- und Summations-Netzwerk 20 umraßt einen temperatürempfindlichen widerstand 48, der auch als Thermistor bezeichnet wird, welcher mit einem Widerstand 50 zwischen den

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positiven Klemmen der Batterien 16 und 18 in Beine liegt. Die Widerstände 48 und 50 bilden somit einen Spannung«teiler 52» und die Spannung an der Verbindung 54 zwischen denselben Terändert sich in Übereinstimmung mit den Veränderungen in der Umgebungstemperatur, wie ßie durch den tempera tür empfindlichen, Widerstand 48 ermittelt «erden. Da das Thermoelement 12 zwischen der Verbindung 54 und der Leitung 24 liegt, ist das Steuersignal auf der Leitung 24 gleich der algebraischen Summe der Basisspannung an der Verbindung 54 und der durch das Thermoelement 12 erzeugten Spannung.

Das Temp era tür-!Compensations- und Summations-Netzwerk 20 umfaßt weiterhin einen zweiten Spannungsteiler 56, der einen veränderbaren Widerstand 58 und einen festen Widerstand 60 aufweist, welche parallel zu dem ersten Spannungsteiler 52 geschaltet sind. Der veränderbare Widerstand 58 ist so eingestellt, daß die Spannung an der Verbindung 62 zwischen den Widerständen 58 und 60 gleich der Vorspannung an der Verbindung 54 bei einer bestimmten Umgebungstemperatur ist. Die Spannung an der Verbindung 62 ist somit auf einen Bezugswert festgelegt, welcher sich von der Steuerspannung auf der Leitung 24 um einen Betrag unterscheidet, welcher gleich dem Signal des Thermoelementes 12 ist, wie es kompensiert ist, um Veränderungen in der Umgebungstemperatur Rechnung zu tragen.

•Der Modulator 22 umfaßt erste und zweite Feldeffekt-Transistoren 64 und 66, deren Abflüsse oder Senken mit den Leitungen 26 und 24 jeweils verbunden sind, um die Bezugs- und Steuersignale aufzunehmen. Die Quellen, bzw. Kathoden der Feldeffekt-Transistoren (PET) 64 und 66 sind beide mit der Eingangsklemme dea Wechselspannungsverstärkers 28 verbunden, und die Torklemmen der Feldeffekt-Transie toren 64 und 66 sind über Vorspannungowiderstände 68 und 70 mit der positiven Klemme der Batterie 18 verbunden. Die Torklemmen der Feldeffekt-Tranaistoren 64 und 66 sind ebenfalls über die Dioden 44 und 45 mit tion Ausgangsklemmen 40 und 42 dea Oaaillatore j$8 verbunden. Dor Oszillator 38 erzeugt dasselbe Rechteckwellen-Spannungssignal auf den Ausgangsklemmen 40 und 4 2, dieoe Rechteekwellen-Sig-

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BAD ORIGINAL

nale sind ,iedoch nicht miteinander in Phase. Demgemäß ist einer der Feldeffekt-Transistoren 64 oder 66 immer in den leitenden Zustand vorgespannt, so daß entweder das Bezugssignal oder das Steuersignal an den Wechselspannungsverstärker 28 dauernd angelegt ist.

Die Ausgangsklemmen 40 und 42 des Oszillators 38 sind ebenfalls über die Dioden 46 und 47 mit den Torklejnmen von dritten und vierten Feldeffekt-Transistoren 72 und 74 im Demodulator 32 verbunden, der ebenfalls mehrere Widerstände 76, 78 und 80 aufweist. Die Abflüsse der dritten und vierten Feldeffekt-Transistoren 72 und 74 sind beide mit dem Kondensator 30 verbunden. Die Kathode des dritten FET 72 ist mit der Batterie 18 verbunden, um den Kondensator 30 zu entladen, sobald der dritte FET im leitenden'Zustand ist und die Kathode des vierten FET 74 mit der Eingangsklemme des Integrators 34 verbunden ist. Da die erste Auagangsklemme 40 des Oszillators 38 mit dem Tor sowohl des ersten als auch des dritten Feldeffekt-Trans is tor 3 64 und 72 verbunden ist und die zweite Ausgangs.-klemme 42 dea Oszillators 38 mit der Torklemme des zweiten und vierten Feldeffekt-Transiators 66 und 74 verbunden ist, sind somit der erste und der dritte ?BT 64 und 72 gleichzeitig in Betrieb und aind leitend, wenn der zweite und der vierte FET 66 und 74, die ebenfalls im Betrieb synchronisiert sind, im nicht leitenden Zustand sind. In ähnlicher Weise sind der zweite und der vierte FET leitend, wenn der erste und der dritte FET im nicht leitenden Zustand ist.

Wenn demgemäß der Thermoelementen-Ausgangssignalverßtärker 10 im

sich

Betrieb ist und/der erste und der dritte FET 64 und 72 im leitenden Zustand befinden, wird die Bezuges spannung an den Y/echselstrom-Yaratärker 28 geführt, und .zwar an dessen Eingangsklemme, und der Kondensator 3O wird entladen. Nach einem kurzen Augenblick, welcher durch die Frequenz des Oszillators 38 bestimmt ist, werden der zweite und der vierte F^-ET 66 und 74 leitend, so daß das Steuersignal von der Leitung 24 an den Wechsels troravers tärker 28 geführt wird und die Wechselkomponente des verstärkten Signals vom Kondensator 30 zum Integrator 34 geführt ist. Daraus folgt, daß beim Anlegen

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€A& ORJGJNAL

einer Spannung an die Eingangsklemme des Integrators 34 der Integrator 34 eine ansteigende Spannung wie eine SägezahUHpannung erzeugt, und zwar an der Aus gangsklemme 14.

Das Aus gangs apannungs signal, welches vom Integrator 34 erzeugt v»ird, wird über den Rückführwideratand 36 an die Verbindung 62 im Temperaturkompensationa- und Summationa-Netzwerk 20 zurückgeführt und bewirkt einen Anstieg im Strom durch den Widerstand 60 zur Batterie 18. Dieser verstärkte Strom durch den Widerstand 60 erhöht die Spannung an der Verbindung 62, so daß das durch den ersten PET 64 an den WechselStromverstärker 28 geführte Bezugaspannungssignal verstärkt wird. Somit nimmt die Nettodifferenz zwischen dem Bezugsapannungasignal und dem Steuersignal ab, wenn die Spannung an der Ausgangs kl eian β 14 sich dem Wert nähert, welcher dem Produkt aus dem Spannungaeignal des Thermoelementes 12 und dem Verstärkungsfaktor des Thermoelementen-Signalverstärkera 10 entspricht. Wenn die Spannung auf der Ausgangs klemme 14 gleich dem Produkt aus der Spannung des Thermoelementes 12 und dem Verstärkungsfaktor des Thermoelementen-SignalVerstärkers 10 iet, ist die Spannung an dem Abfluß des ersten PET 64 gleich der Steuerspannung auf der leitung 24, wobei dieses Signal der Abflußkleiaae deu aweiten FET 66 augeführt wird. Wenn dies eintritt, bleibt die an die Elngangsklemme des 'Yeehael·- stromveratärkers 28 geführte Spannung konstant, und zwar ohne Rücksicht darauf, welcher der beiden Feldeffekt-Tranaietoren 64 oder leitend iet. Da da3 Eingangssignal an den Wechsels trcmv erotärk sr 2Θ zu dieser Zeit ein Gleichsignal ist, ist keine Wechselkomponente im Ausgangs«ignal des Verstärkera 28 vorhanden.^ Das dem Integrator durch den Demodulator 32 zugeführte Signal verursacht keine Veränderung in der Spannung an dor Ausgan ge klenaae 14 mehr, uad die Spannung en der Ausgang klemme 14 bleibt kona tan t und gleich «lein Produkt aw? der Spannung des Th<?rrao eisten tea 12 und dem Verstärkungsfaktor do'3 Therjnoeiernunten-3ignalvorstärkers 10*

Sollte das Steuersignal auf der Leitung 24 sich auf Grund einer Veränderung in der Umgebungstemperatur ändern, die von dem tempe-

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BAO

ra tor empfindlichen »Viderstand 48 ermittelt wird, oder sollte eine Veränderung in der Thermo element enspannung' auftreten, so wird eine entsprechende Veränderung in der Spannung an der Ausgangs klemme 14 hervorgerufen, bis wiederum die Spannung an der Ausgangsklemme 14 gleich dem Produkt aus der Spannung des Thermoelementes 12 und dem Verstärkungsfaktor des IheriHoeleaienten-Signalverstärkers 10 ist, wie es für den Fachmann leicht ersichtlich ist". Da diese Verstärkung dea Grleichaignals vom Thermoelement 12 hervorgerufen wird, ohne daß ein Gleichsignalverstärker verwendet wird, ist ersichtlich, daß der Thermoelement-Signalverstärker 10 von Driftproblemen absolut frei ist, wie sie normalerweise bei Gleichspannungsverstärkern auftreten. Außerden iat ersichtlich, daß auch dann, wenn die Verstärkung des Gleichetromverstärkere 28 und der Integrator 34 au der Gesamt:verstärkung des Theriaoelementen-Signalverstärkers 10 beitragen, dex' eigentliche Verstärkungsfaktor des Thermo element en-SignalverstärkerE 10 allein durch Auswahl des fiückführwiderstandes 36 festgelegt werden kann. Dies bedeutet, daß dann, wenn der Wechselatroiäverstärker 28 und der Integrator 34 festgelegt sind, der Verstärkungsfaktor dea Thermoelementen-Signalverstarkers 10 einfach di&'ch Veränderung des Widerstandes im Rückführwiderstand 36 verändert werden kann.

- Patentansprüche

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SAa ORIGINAL

Claims (3)

1. -4B-

   Patentan8prücne

   Vorrichtung zur Verstärkung eines kleinen Gleichepannungesignals yon einem Thermoelement, g e k e η η ζ β ich η e t durch eine Vorapajmungaerzeugung»einrichtung (52*) mit einem Ausgangasignal, das sich mit der Umgebungstemperatur ändert« um ein Vorspannungeeignal einem Gleichapannungaaignal hinzuzufügen, welches durch das Thermoelement erzeugt wird, 30 daß ein Steuersignal erzeugt wird, welches gleich deren algebraischer Summe tat, weiterhin durch eine Bezugsspannungserzeugungeinrichtung (56) sur Erzeugung eines Bezugsspannungflsigjaals, welches gleich dem Vorspannungasignal bei einer bestimmten Umgebungstemperatur ist, weiterhin durch einen Wechselsignalverstärker (28), weiterhin durch einen Modulator (22) eur alternierenden Anschaltung von Steuer» und BezügeSignalen an die Eingängekl ensue dea Weohselaignal verstärker 3 (28), so daß der We cha elaignalverstärker ein verstärktes Signal an der Ausgangeklemme erzeugt, welches für ein Spanmingaai gnal an der Eingangsklemme repräsentativ ist, weiterhin durch eine Signaltrenneinrichtung (30J eur Trennung der WechaelSignalkomponenten von den GIeichaignalkomponenten dea verstärkten Signale, weiterhin duroh einen Integrator (54)» weiterhin durch einen zwischen der Signaltrenn-•inriohtung (30) und der Eingangsklemme de« iategratora (54) angeordneten Demodulator, um die Wechselkomponente des verstärkten Signale intermittierend an die Eingangsklemme des Integrators (34) zu führen, weiterhin durch eine Hückf1toijiip«dÄnz (36), ml*· ehe zwischen der Ausgangeklemme des Integrator? und der Bezugs-Bpannunge-Signalerzetigungeeinrichtujqig (56) angeprisOet is%, um eine Veränderung im Bezugsepannungssigaal in Reaktion auf die Spannungeveränderung&n an der Ausgangsklemme dee Integrators (34) su erzeugen, weltcxuia dui'ch eiaen Oszillator (38), welcher erste (40) und zweite (42) Ausgangsklemmen auf,weiat» d*® Jeweilp ©it dem Modulator (22) und Demodulator (32) vertoundjen aißd, weiteisDin dadiiroh, daß der Oszillator (38) den Modula*or (22)

   und den Demodulator (32) durch alternierend erzeugte erste und zweite Synchronisiertaktsignale an seinen jeweils ersten (40) und zweiten (42) Ausgangsklemmen steuert, daß das erste Taktsignal den Modulator (22) dazu veranlaßt, die Bezugsspannung an die Eingangsklemme des Wechselsignalverstärkera (28) zu legen und den Demodulator (32) dazu veranlaßt, die Ansohaltung der Wechaelkomponente des verstärkten signals an die Eingangsklemme des Integrators (34) zu unterbrecnen, und daß das zweite Taktsignal den Modulator (22) dazu bringt, das Steuersignal an die Eingangsklemme des Wechselaignalversmarkers (28) zu führen und den Demodulator (32) dazu bringt, die Wechselkomponente des veretärkten Signals an die Eingangsklemme des Integrators (34) zu führen, so daß dadurch der Integrator (34) ein Signal an seiner Aus gangs klemme erzeugt, welchea al» Anzeige für das Gleichspan-nungesignal dient und eine Amplitude aufweist, welche durch die Grö'fle der Rückfuhr impedanz (36) bestimmt iat.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei elln e t , daß der Modulator einen eraten geoteuerten Schalter (64) aufweist, der einen gesteuerten Strompfad zwischen der Bezugs signal-Erζeugungseinrichtung und der Bingangsklemme des We chaelaignalverstärkere darstellt, und einen zweiten gesteuerten Schalter (66) aufweist, welcher einen aweiten gesteuerten Strompfad zwischen dem Thermoelement und der Eingangsklemme des Wechseleignalverstärkers darstellt, daß der erste und der zweite geateuerte Schalter jeweils erste und zweite Steuerklecm en aufweist und in der Weise arbeitet, daß jeweils der erste und der zweite Strompfad geschloaaen wird, νιαηη. ein bestimmtes Potential aö die Steuerklemme dea entsprechenden gesteuerten Schalters gelegt ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Demodulator einen dritten gosteuer-•ten Schalter (72) aufweist, dsr siaen gesteuerten Entladepfad von einem Kondensator, welcher die Signaltrenneinrichtung (30)

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   - ίο -

   bildet, festlegt und einen vierten gesteuerten Schalter (74) aufweist, welcher einen Strompfad von dem Kondensator (30) au der Eingangsklemme des Integrators featlegt, daß der dritte und der vierte (72, 74) gesteuerte Schalter jeweils eine Steuerklemme aufweist und daß jeder in der Weise wirkt, daß beim Jlnlegen eines bestimmten Potentials an die SteuerJclemme der entsprechende Strompfad geschlossen wird.

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