DE2311221A1

DE2311221A1 - Signaluebertragungsstufe

Info

Publication number: DE2311221A1
Application number: DE19732311221
Authority: DE
Inventors: Alan John Borer
Original assignee: Taylor Servomex Ltd
Current assignee: Taylor Servomex Ltd
Priority date: 1972-03-07
Filing date: 1973-03-07
Publication date: 1973-09-13
Also published as: JPS48103155A; NL7303221A; BE796401A; FR2175153A1

Description

Signalübertragungstufe

(Priorität: 7. März 1972, Großbritannien, 10636/72)

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung, insbesondere eine Vorrichtung, mit der eine genaue Verstärkungsregelung einer Signalübertragungsstufe erzielt werden kann.

Es ist schwierig, Signalübertragunsstufen so auszulegen, daß sie eine genaue und stabile Signalübertragung ergeben.

Die Stabilität der Verstärkung, die durch negative Rückkopplung oder Gegenkopplung von Verstärkern erreicht werden kann, ist normalerweise unter anderem abhängig von der Stabilität des Verhältnisses der Rückkopplungswiderstände oder «-impedanzen. Die Erfahrung zeigt, daß eine hohe Stabilität dieser Verhältnisse bei Signalen mit niedriger oder sehr niedriger Frequenz oder bei eine Gleichstromkomponente enthaltenden Signalen nur schwer zu erreichen ist. Zwar können für solche Signale einen Zerhacker enthaltende Verstärker verwendet werden, aber auch hierbei ist es äußerst schwierig, eine ausreichende Arbeitsstabilität zu erreichen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signalübertragungsstufe zu schaffen, die bei Signalen mit niedriger, sehr niedriger Frequenz und bei Gleichstromsignalen gleichermaßen zufriedenstellend arbeitet und beispielsv/eise bei Meßinstrumenten anwendbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Signalübertragungsstufe wird ein induktives Ausgleichselement verwendet. Die Verstärkung des Systems wird durch das Windungsverhältnis der Windungen eines induktiven Elementes gesteuert, das zweckmäßigerweise aus einem Transformator, besteht. Die Verstärkung des Systems wird so gesteuert, daß sich in Abhängigkeit vom Windungsverhältnis ein ausgeglichener Zustand einstellt. Die Signale in den Schaltungen der induktiven Elemente werden geschaltet. Das Ausgangssignal wird mittels eines gesteuerten Strömen in einer Wicklung des induktiven Elementes erzeugt.

Die erfindungsgemäße Signalübertragunsstufe, die eine genaue Signalübertragung gestattet, enthält einen Transformator mit einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung und einer dritten Wicklung, Einrichtungen zur Zufuhr eines Signals an die erste Wicklung, einen Verstärker, Einrichtungen zur Zufuhr eines Signals von der zweiten Wicklung zum Eingang des Verstärkers, Einrichtungen zur Zufuhr des Ausgangssignals des Verstärkers zur dritten Wicklung in einem Sinn, in dem die Wirkung des der ersten Wicklung zugeführten Eingangssignals umgekehrt wird, mit der ersten und dritten Wicklung verbundene synchronisierte Schalteinrichtungen, und eine von der dritten Wicklung gespeiste Ausgangsschaltung.

Anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Signalverstärk« ungs-Regeleinrichtung;

Fig. 2

bis 5 Schaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele der Ver-

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Stärkungs-Regeleinrichtung;
Fig. 6 ein vollständigeres Schaltbild einer Regeleinrichtung

mit variabler Verstärkung;
Fig. 7 ein genaueres Schaltbild von einzelnen Teilen der Schaltung der Fig. 6; und

Fig. 8,
9,10 und
11 Abwandlungen der Schaltung der Fig. 7.

Bei der Schaltung der Fig. 1 wird ein Eingangssignal der Primärwicklung 10 eines induktiven Elements zugeführt, das hier als Transformator 11 dargestellt ist. Der Transformator enthält zwei weitere gekoppelte Sekundärwicklungen 12 und 13. Da das induktive Element gekoppelte Wicklungen enthält, kann es als Transformator bezeichnet werden. Die Sekundärwicklung ist an einen Verstärker 14 angeschlossen, zweckmäßigerweise an einen Operationsverstärker, dessen Ausgangssignal einem Synchrondetektor 15 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Detektors wird über die Sekundärwicklung 12 geleitet. Zwei Schalter 16 und 17, die zweckmäßigerweise aus elektronischen Schaltern bestehen, beispielsweise aus Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, und die synchron mit dem Detektor 15 betrieben werden, sind in die Eingangs- bzw. Ausgangsschaltungen eingefügt,um die Signale in den Wicklungen 10 und 12 zu schalten.

In der Praxis kann der Eingangssignalstrom eine Frequenz zwischen 0 und 1 Hz haben. Die Schalter 16 und 17 sollen mit einer Frequenz von 200 Hz arbeiten. Die Schaltung kann jedoch auch bei Signalen mit etwas höherer Frequenz verwendet werden, vorzugsweise bei Signalen, die eine niederfrequente oder eine Gleichstromkomponente enthalten.

Bezeichnet man den Eingangsstrom als I₁, den Ausgangsstrom als Ip und die Windungszahlen der Wicklungen 10 und 12 als N₁ bzw. Np, so ist das System ausgeglichen und dem Detektor wird kein Eingangssignal zugeführt, wenn

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I₁ χ N₁ = I₂ χ N₂ (1)

Diese Bedingung wird genau nur dann eingehalten, wenn der Verstärker eine unendliche Verstärkung aufweist. Bei Verstärkern mit sehr hoher Verstärkung, beispielsweise bei Operationsverstärkern, kann die Bedingung in der Praxis sehr genau eingehalten werden.

Im nicht abgeglichenen Zustand wird dem Verstärker 14 ein Eingangssignal zugeführt, auf das der Verstärker und der Detektor ansprechen und I₂ ändern, bis der abgeglichene Zustand hergestellt ist.

Fig. 2 zeigt einen Fig. 1 ähnlichen Schaltaufbau, der jedoch Tiefpaßfilter 18 und 19 enthält. Die gezeigten Filter sind aktive Filter und einander gleich. Der Filter 18 enthält Widerstände 20 und 21, einen Operationsverstärker 22 und Rückkopplungselemente, die aus Kondensatoren 23 und 24 und,einem Widerstand 25 bestehen. Die Schaltung der Fig. 2 arbeitet bei kontinuierlicheren Signalen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung der Schaltung der Fig. 1, bei der die Schalter 16 und 17 durch weitere Schalter 26 und 27 ergänzt werden, die die Wicklungen 10 und 12 periodisch kurzschließen. Wenn der Schalter 26 geschlossen ist, ist der Schalter 16 geöffnet und umgekehrt. Ebenso ist der Schalter 27 geschlossen, wenn der Schalter 17 geöffnet ist, und umgekehrt.

Werden die Ausgangsschalter gegenüber den Eingangsschaltern mit umgekehrter Phase betrieben, so erzeugt das Eingangssignal I₁ χ N₁ einen magnetischen Fluß im Transformatorkern, während die Eingangswicklung 10 eingeschaltet und die Ausgangswicklung 12 ausgeschaltet wird. Wird die Eingangswicklung 10 ausgeschaltet und die Ausgangswicklung 12 im Verstärkersystem geschaltet, um den abgeglichenen Zustand aufrechtzuerhalten, in dem der magnetische Fluß im Transformator-

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kern auf seinem vorherigen Wert gehalten wird, so muß, wenn der Transformatorkern sich im ungesättigten Zustand befindet, der Wert I₂ x Np gleich dem vorherigen Wert I₁ χ N₁ sein. Für die Schaltung der Fig. 3 gilt dann:

I₁ χ N₁ = I₂ χ N₂ (2)

Für die Schaltung der Fig. 2 gilt:

^{x (T}1 ^{+ T}2^)/Ti

¹Z = ¹OUt ^x <^T1 ^{+ T}

I₁ χ N₁ = I₂ χ N₂ (5)

Darin ist T₁ die Zykluszeit, während der I₁ durch die Wicklung 10 fließt und T₂ die Zykluszeit, während der I₂ durch die Wicklung 12 fließt. Damit gilt:

I_1n χ (T₁ + T₂VT₁ χ N₁ = I_out χ (T_{1 +} T₂)/T₂ χ N_£

so daß

I_1n χ N₁ χ T₂ = I_out χ N₂ χ I₁ (6)

Die Schaltung der Fig. 4 unterscheidet sich von der der Fig. 1 darin, daß der Eingangs- und Ausgangsstrom I₁ und I₂ kontinuierlich, also Gleichströme sind. Die Eingangswicklung 10 ist in zwei Teilwicklungen 10a und 10b unterteilt, die Ausgangswicklung 12 in ähnlicher Weise in zwei Teilwicklungen 12a und 12b. Die Schalter 16 und 17 sind so angeordnet, daß sie die Teilwicklungen abwechselnd in die Schaltung schalten.

Die Schaltung der Fig. 5 unterscheidet sich von der d#r Fig. A darin, daß der Synchrondetektor durch Teilwicklungen 13a und 13b überflüssig gemacht wurde, und durch einen weiteren synchron betätigten Schalter 28.

Die verschiedenen Teile der Schaltungen der Fig. 1 bis können untereinander ausgetauscht oder gewünschtenfalls gemeinsam verwendet werden. Hierzu gehören beispielsweise die An-

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Ordnung einer Wicklung oder von Wicklungen 13, durch die ein unabgeglichenes Transformator- oder Übersetzungsverhältnis bestimmt und korrigiert werden kann; ein Verstärker, bei spielsweise der Verstärker 14, der eine Einrichtung zur Synchronmessung, beispielsweise den Detektor 15 enthält, der eine weitere Verstärkungsstufe oder einen Synchron-Phasen- wähler enthalten kann, beispielsweise den Schalter 28, dem einem Verstärkungsstufe folgt; eine Wicklung oder Wicklungen, beispielsweise die Wicklung 10 und Eingangsstrom-Schaltan ordnungen, durch die der Strom für einen Teil des Betriebszyklus geführt wird und für den anderen Teil des Arbeits zyklus v/ie in Fig.1 unterbrochen, oder wie in Fig. 3 über einen Kurzschlußpfad geleitet oder wie bei Fig. 4 umgekehrt wird; eine Wicklung oder Wicklungen, beispielsweise die Wicklung 12 und Ausgangsstrom-Modulationseinrichtungen, durch die der Strom während eines Teils des Arbeitszyklus durch die Wicklung und während des anderen Teils des Arbeitszyklus ge mäß Fig. 1 unterbrochen, gemäß Fig. 3 über einen Kurzschluß pfad geleitet, oder gemäß Fig. 4 umgekelrt wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung ist in Fig. 6 gezeigt. Die Eingangsschaltung ent hält einen Filter 30 und einen Eingangsschalter, der beispiels weise aus einem Feldeffekttransistor 31 mit isoliertem Gate be steht. Der Transformator 32 enthält eine mit Anzapfungen ver sehene Primärwicklung 33, eine geschaltete Abgleich-Detektor-Wicklung 34, die einen Verstärker 35 und einen Synchrondetektor 36 speist, und eine Sekundärwicklung 37. Das Ausgangssignal des Detektors wird über einen Feldeffekttransistor 38 mit isolierten Gate der Wicklung 37 zugeführt. Schalter 39 und 40 v/erden ge meinsam betätigt. Das Ausgangssignal der Wicklungen 37 wird durch einen Filter 41 gefiltert und über einen Verstärker 42 dem Ausgang 43 zugeführt.

Fig. 7 zeigt die Einzelheiten der Stufen 35, 36 und 38 der Fig. 6. Damit das geschlossene. System eine ausreichende

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dynamische Stabilität aufweist, muß zwischen Ausgangs- und Eingangssignal ein geeignetes Verstärkungs-Frequenz-Verhalten bestehen. Sind beispielsweise die einzelnen Bauteile der Fig. 7 so gewählt, daß das Verhältnis von R₁ zu R^ gleich etwa 47 ist, so wird der im nicht abgeglichenen Zustand des Transformatorverhältnisses erzeugte Strom über den Schalter SA und SB enthaltenden Synchrondetektor Kondensatoren C und Cp zugeführt.

Der Aufbau der Schaltung der Fig. 7 und die Funktion der einzelnen Bestandteile braucht nicht im einzelnen erläutert zu werden. Es sei lediglich erwähnt, daß der Verstärker 709 als Gleichstromverstärker arbeitet, und daß der Transietor GL für die Transistoren Qp und Q, eine konstante Strombelastung darstellt, so daß das Eingangssignal zu den Schalttransistoren SA und SB eine Nachbildung des Eingangssignals zum Verstärker darstellt. Die Transistoren Q. und Q₁-bilden an den Klemmen X und Y die Gleichstrom-Rückkopplung für den Verstärker und führen ferner das Signal dem Ausgane,»- transistor CU zu, dessen Kollektor durch einen Transistor GL belastet ist.

Bei der Schaltung der Fig. 7 enthält der Synchrondetektor z"wei Differentialausgänge X und Y, der Ausgangsstrom Ip ist proportional der Differenz der Ströme (X - Y) an den Ausgängen. Zweckmäßigerweise wird über den Widerstand Rc ein Vor-Gleichstrom zugeführt, der proportional (X + Y) ist. Der Belastungsschalter SL ist eingeschaltet, wenn der Schalter Sp ausgeschaltet ist, und umgekehrt. Der Schalter SL vermeidet Fehlfunktionen, wenn bei ausgeschaltetem Schalter Sp der eine oder andere Ausgangstransistör in die Sättigung getrieben wird.

Die Schaltung der Fig. 8 ähnelt der der Fig. 7 mit der Ausnahme, daß Ip proportional X und nicht proportional (X-Y)ist, und daß der Vorstrom proportional Y und nicht proportional (X + Y) ist.

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Die Schaltung der Fig. 9 ähnelt denen der Fig. 7 und 8. Sie unterscheidet sich von diesen darin, daß der dem Eingangssignal des Synchrondetektors proportionale Rückkopplungsstrom, der am Widerstand R^ gemessen und vom Widerstand R₁ und vom Kondensator C₂ zugeführt wird, stattdessen vom Widerstand R₂₁, vom Kondensator C₂₁, vom Widerstand R-^₁ und vom Kondensator C^₁ zugeführt und am Widerstand R₂, am Kondensator C₂, am Widerstand R, und am Kondensator C, gemessen wird.

Die Schaltung der Fig. 10 unterscheidet sich von denen der Fig. 7 bis 9 darin, daß die Kondensatoren C₂₁ , C₂₂, C₅₁ und C^p den.den Ausgangssignalen des Synchrondetektors proportionalen Rückkopplungsstrom liefern, der an den Kondensatoren Cp und C, gemessen wird. Die Schaltung der Fig. 10 enthält ferner anstelle des Operationsverstärkers 709 Transistoren Qg, Q_g und Q₁₀.

Fig. 11 zeigt ein gegenüber der Schaltung der Fig. 10 abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem der Strom I₂ ohne den mit der Wicklung N₂ in Reihe geschalteten Schalter S₂ mittels eines weiteren Transistors moduliert wird, der durch ein Eingangssignal C gesteuert wird und die beiden Ausgangstransistoren schaltet.

Die Steuersignale A, B und C für alle vier Schaltungen sind in Fig. 7 dargestellt. Infolge nicht idealer Bedingungen kann das Signal B nicht vollständig mit dem Signal A übereinstimmen. Ideal wäre es, wenn der Schalter SA bei ausgeschaltetem Schalter SB eingeschaltet wäre und umgekehrt. Dies kann jedoch an den Signalübergängen nicht leicht erreicht werden. Fehler, die dann auftreten, wenn der Schalter SA absichtlich für einige Mikrosekunden offen bleibt, nachdem der Schalter SB abgeschaltet wird, und umgekehrt, sind weniger bedeutsam als solche Fehler, die dann auftreten, wenn die Ein-Zustände einander auch nur für einen kleinen Bruchteil einer Mikrosekunde überlappen,

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so daß Cp und C, momentan zusammen kurzgeschlossen würden.

Bei einem gemäß Fig. 6 tatsächlich ausgeführten System liegt der Ausgangsstrom zwischen + 100/uA und -100/uA bei Verstärkungs-Linearitätsfehlern von etwa 10 nA, entsprechend einem Fehler von 0,01 %, wenn mit Hilfe der Schalter folgende Ausgangs/Eingangsverhältnisse gewählt werden:

+ 16; +8; +4; +2; +1 ; - 16; -8; -4; -2; -1 ·

Patentansprüche

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

, 1j Signalübertragungsstufe zur genauen Signalübertragung, gekennzeichnet durch einen Transformator (11) mit einer ersten Wicklung (10), einer zweiten Wicklung (13) und einer dritten Wicklung (12), durch Einrichtungen zur Zufuhr eines Signals zur ersten Wicklung (10), durch einen Ver stärker (14), durch Einrichtungen zur Zufuhr eines Signals von der zv/eiten Wicklung (13) zum Eingang des Verstärkers (14), durch Einrichtungen zur Zufuhr des Ausgangssignals des Verstärkers (14) zur dritten Wicklung (12) in einem Sinn, in dem die Wirkung des der ersten Wicklung (10) zu geführten Eingangssignals umgekehrt wird, durch eine mit der ersten und dritten Wicklung (10,12) verbundene syn chronisierte Schalteinrichtung (16,17) und durch eine von der dritten Wicklung (12) gespeiste Ausgangsschaltung.
2. Signalübertragungsstufe nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch eine mit der ersten Wicklung (10) verbundene erste Schalteinrichtung (16), durch eine mit der zweiten Wicklung (13) verbundene, zweite Schalteinrichtung (15), und durch eine mit der dritten Wicklung (12) verbundene dritte Schalteinrichtung (17), wobei die erste,

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zweite und dritte Schalteinrichtung synchron betrieben werden.
3. Signalübertragungsstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schalteinrichtung aus einem Synchrondetektor (15) besteht.
k. Signalübertragungsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schalter (16,17) so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie die Signale in der ersten und dritten Wicklung (10,12) periodisch unterbrechen.
5. Signalübertragungsstufe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere erste und dritte Wicklungen (1Oa,10b; 12a,12b), wobei die Schalter (S₁, S₂) so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie periodisch unterschiedliche Wicklungen der ersten und dritten Wicklung wählen.
6. Signalübertragungsstufe nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch mehrere zweite Wicklungen (13a,13b), und durch Schalteinrichtungen (S,), die periodisch unterschiedliche Wicklungen der zweiten Wicklung (13) wählen.
7. Signalübertragungsstufe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere erste und zweite Wicklungen,

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und durch Wähleinrichtungen zur Wahl unterschiedlicher wirksamer Windungsverhältnisse der ersten und zweiten Wicklung.
8. Signalübertragungsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der ersten Wicklung (10) verbundene Schalteinrichtung (16,17) so ausgebildet und angeordnet ist, daß das Eingangssignal abwechselnd der Wicklung zugeführt und an dieser vorbeigeführt wird, und daß die mit der dritten Wicklung (12) verbundene Schalteinrichtung (17,27) so ausgebildet und angeordnet ist, daß das Verstärker-Ausgangssignal abwechselnd der Windung zugeführt und an dieser vorbeigeführt wird (Fig. 3).

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