DE2329823B1

DE2329823B1 - Gleichstrom-Verstärkeranordnung nach dem Modulationsprinzip

Info

Publication number: DE2329823B1
Application number: DE19732329823
Authority: DE
Inventors: Helmut 4533 Laggenbeck Klintworth
Original assignee: Keller Spezialtechnik GmbH
Current assignee: Keller Spezialtechnik GmbH
Priority date: 1973-06-12
Filing date: 1973-06-12
Publication date: 1974-08-22
Also published as: NL7407509A; FR2233748A1; DE2329823C2; FR2233748B1

Description

ner vorgesehen sein, daß Eingangs- und Rückführzerhacker zwei Eingänge des Nullverstärkers mit konstanter Phasenlage beaufschlagen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rückführspannung des Gegenkopplungszweiges dem Nullverstärker über das Koppelglied mit der gleichen Phasenlage zuführbar, welche die vom Eingangszerhacker kommende überlagerte Wechselspannung hat. Vorteilhaft kann zwischen Gleichrichter und Rückführzerhacker vor dem Gleichspannungsausgang ein als Integrator ausgebildetes Siebglied vorgesehen sein, das insbesondere einen Operationsverstärker mit reiner Wechselspannungs-Gegenkopplung aufweist. Dank der Verwendung des gleichspannungsmäßig leerlaufenden Operationsverstärkers ergibt sich eine insgesamt sehr hohe Kreisverstärkung. Der Integrator kann auch einen Stromausgang, ζ. B. für Ströme im Bereich bis 20 mA haben. Mittels des Nullverstärkers sind Gleichspannung im wesentlichen ungeändert und Wechselspannung mit hoher Verstärkung übertragbar.

Vorzugsweise ist im Gegenkopplungszweig vor dem Nullverstärker-Eingang ein insbesondere an einen Impedanzwandler anschließender Spannungsteiler angeordnet, mittels dessen der Verstärkungsfaktor einstellbar ist. Die Rückführspannung wird also zunächst zerhackt und dann im Verhältnis der gewünschten, einstellbaren Gesamtverstärkung heruntergeteilt. Der Impedanzwandler dient dazu, den Rückführzerhacker zu entlasten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann eine zusätzliche Wechselspannungsquelle mit dem Gegenkopplungszweig verbunden sein, insbesondere mittels eines zu dem Nullverstärker-Eingang führenden Koppelgliedes. Zweckmäßig weist diese zusätzliche Wechselspannungsquelle einen weiteren Zerhacker auf, der über einen insbesondere als Potentiometer ausgebilten Spannungsteiler gespeist ist. Damit läßt sich in die Rückführung phasenrichtig eine weitere zerhackte Spannung bzw. ein weiterer zerhackter Strom einkoppeln, so daß ein Nullinienausgleich erfolgen kann, wie das beispielsweise bei der Verwendung eines solchen Verstärkers in einer elektromechanischen Waage zur Tarierung notwendig oder erwünscht ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß alle Zerhacker bzw. Gleichrichter synchron betreibbar sind, vorzugsweise unter Steuerung durch einen Oszillator, welcher zur verbesserten Stabilisierung in an sich bekannter Weise mit einer Frequenz arbeitet, die von der Eigenfrequenz des Schwingsystems bzw. der Schwingsysteme verschieden ist.

Der Eingangszerhacker kann ferner einen symmetrischen Eingang für kleine Eingangsspannungen mit hohem Gleichtaktanteil aufweisen. Zwar sind bereits chopper-stabilisierte Meßverstärker für symmetrische Eingangsspannungen mit Gleichtaktanteilen an sich bekannt, doch wird dabei üblicherweise ein Transformator für die Auskopplung des Gleichtaktanteils benutzt. Es ist hingegen ein weiterer Vorzug der Erfindung, daß nur galvanische oder kapazitive Übertragungs- bzw. Koppelglieder vorhanden zu sein brauchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel näher veranschaulicht. In dieser zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Verstärkeranordnung und

Fig. 2 ein etwas detaillierteres Blockschaltbild einer Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung.

Die in F i g. 1 dargestellte, herkömmliche Verstärkeranordnung hat einen Gleichspannungseingang U_E, an den ein Chopper 1 anschließt. Dieser ist über einen Übertrager V₁ mit dem eigentlichen Verstärker 3 verbunden, dessen Ausgangsspannung über einen zweiten Übertrager U_n an einen gesteuerten Gleichrichter 5 übertragen wird. Die hinter diesem auftretende Gleichspannung wird mittels eines Siebgliedes 6 geglättet und gelangt dann an den Gleich-Spannungsausgang U_A.

Ein Oszillator 13 sorgt für synchronen Betrieb des Choppers 1 und des gesteuerten Gleichrichters 5. Man erkennt, daß bei dieser Anordnung eine Gegenkopplung über den gesamten Verstärker nicht möglich ist und also eine Kontrolle bzw. Regelung des Koppelgliedes des Gleichrichters 5 und des anschließenden Siebgliedes 6 nicht stattfindet.

Das Blockschaltbild der Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung. Diese hat einen

ao symmetrischen Gleichspannungseingang U_Ev U_E.₂ am Chopper oder Eingangszerhacker 1, so daß die Eingangsspannungen abwechselnd auf den mit + gekennzeichneten Eingang des Nullverstärkers 3 geschaltet werden. Der Ausgang des Nullverstärkers 3 ist über einen Koppelkondensator 4 mit einem gesteuerten Gleichrichter 5 verbunden, der einen Schalter für die Halbwellen-Unterdrückung bildet und die Ausgangsspannung zur Glättung an ein als Integrator ausgebildetes Siebglied 6 weiterleitet, das direkt mit dem Spannungsausgang U_A verbunden ist. Von letzterem führt ein Gegenkopplungszweig G über einen Koppelkondensator 2 an den mit — gekennzeichneten anderen Eingang des Nullverstärkers 3 zurück. Dieser andere Eingang ist über einen Gegenkoppelwiderstand 3' mit dem Ausgang des Nullverstärkers 3 verbunden. Das Siebglied 6 hat eingangsseitig einen Koppelwiderstand 6' und einen Gegenkoppelkondensator 6", die mit dem Verstärker den Integrator bilden.

Im Gegenkopplungszweig G ist an den Spannungsausgang U_A ein Chopper oder Rückführzerhacker 7 angeschlossen, der über einen Impedanzwandler 8 einen Spannungsteiler 9,10 ansteuert.

Letzterer ist vorzugsweise aus Widerständen aufgebaut, wobei der hochliegende Stellwiderstand 9 einerseits mit dem Impedanzwandler 8 und andererseits mit dem Koppelkondensator 2 verbunden ist, zu welchem auch der an Masse liegende Festwiderstand 10 führt. Ein Oszillator 13 steuert die Zerhacker bzw. Gleichrichter 1, 5 und 7 zum Gleichlauf.

Die Arbeistweise dieser Anordnung ist folgende. Die Eingangsspannungen U_El und U_Eo werden im Eingangszerhacker 1 abwechselnd auf den positiven Eingang des Nullverstärkers 3 geschaltet. Dadurch entsteht eine Überlagerung des Gleichspannungs-Eingangssignals mit einer Wechselspannung, also eine der Differenz der Eingangsspannungen U_El und U_Eo amplitudengleiche Rechteckwechselspannung. Es kommt dabei für die Erfindung nicht darauf an, wie der Eingangszerhacker 1 ausgeführt ist, der beispielsweise ein mechanischer Schalter, ein Relais u. dgl. oder auch ein Halbleiterschalter mit bipolaren oder Feldeffekt-Transistoren sein kann. Der anschließende Nullverstärker 3 hat gleichspannungsmäßig den Verstärkerfaktor Eins, während er für die Wechselspannung eine hohe Verstärkung liefert. Seine Ausgangsspannung wird über den Kondensator 4 angekoppelt und in dem gesteuerten Gleichrichter 5 pha-

senrichtig gleichgerichtet. Nach Glättung in dem Integrator 6 steht die gleichgerichtete Spannung am Spannungsausgang U_A zur Verfügung. Da der Integratorverstärker des Siebgliedes 6 keine Gleichspannungs-Gegenkopplung besitzt, erzeugt der Integrator eine sehr hohe Gleichspannungsverstärkung. Zusammen mit der hohen Wechselspannungsverstärkung des Nullverstärkers 3 ergibt sich so eine außerordentlich hohe Verstärkung des Vorwärtszweiges.

Die Ausgangsspannung U_A wird in dem Rückführzerkacker 7 wieder wechselgerichtet. Zu dessen Entlastung ist der Impedanzwandler 8 vorgesehen, hinter dem die Wechselspannung im Verhältnis des gewünschten Verstärkerfaktors über den einstellbaren Spannungsteiler 9, 10 heruntergeteilt und schließlich über den Koppelkondensator 2 dem negativen Eingang des Nullverstärkers 3 zugeführt wird. Die Rückführspannung kommt in derselben Phasenlage wieder an, welche die aus dem Eingangszerhacker 1 kommende überlagerte Wechselspannung hat. Weil die Rückführspannung im Gegenkopplungszweig G sofort zerhackt wird, entfällt jeder Einfluß einer Drift des Impedanzwandlers 8 und/oder anderer Bauelemente, und auch eventuell auftretende Thermospannungen können nicht wirksam werden.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung sieht eine zusätzliche Wechselspannungsquelle vor, die über einen Koppelwiderstand 9' und den Koppelkondensator 2 dem Nullverstärker 3 aufgeprägt werden kann. Wird eine erfindnungsgemäße Verstärkeranordnung beispielsweise in Verbindung mit einer elektromechanischen Waage benutzt, so kann auf diese Weise eine Spannung eingekoppelt werden, die zum Tarieren dient, d. h. für das Einstellen auf Null bei unbelasteter Waage. Vorzugsweise ist hierzu ein weiterer Zerhacker 11 vorgesehen, an dessen Eingang der Abgriff eines Potentiometers 12 liegt. Auch dieser zusätzliche Zerhacker 11 kann von demselben Oszillator 13 synchron mit den übrigen Zerhackern bzw. Gleichrichtern 1,5, 7 gesteuert werden, so daß die phasenrichtige Einkopplung dieser zusätzlichen Spannung gewährleistet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn- Patentansprüche: zeichnet, daß der Eingangszerhacker (1) einen symmetrischen Eingang für kleine Eingangsspan-

1. Verstärkeranordnung, insbesondere Meßver- nungen (IZf₁, U_E^j mit hohem Gleichtaktanteil stärker, mit Koppel- und Siebgliedern sowie 5 aufweist.

einem Eingangszerhacker zum Umwandeln eines
Eingangssignals in eine Wechselspannung, die

nach Verstärkung mit Unterdrückung der Drift

eines Nullverstärkers in einem Gleichrichter wieder gerichtet wird, von dessen Ausgang ein Ge- io

genkopplungszweig an den Verstärkereingang Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerführt, dadurch gekennzeichnet, daß im anordnung, insbesondere Meßverstärker, mit Koppel-Gegenkopplungszweig (G) ein Rückführzerhacker und Siebgliedern sowie einem Eingangszerhacker (7) an den Gleichspannungsausgang (ET₄) ange- zum Umwandeln eines Eingangssignals in eine Wechschlossen ist. 15 selspannung, die nach Verstärkung mit Unterdrük-

2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, da- kung der Drift eines Nullverstärkers in einem Gleichdurch gekennzeichnet, daß Eingangs- und Rück- richter wieder gerichtet wird, von dessen Ausgang führzerhacker (1, 7) zwei Eingänge des Nullver- ein Gegenkopplungszweig an den Verstärkereingang stärkers (3) mit konstanter Phasenlage beauf- führL_

schlagen. 20 Bei Gleichspannungs-VeTstäi4Äm4st^esJihlich_a_dje_

3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 2, da- Eingangs-Gleichspannung durch einen Zerhacker, durch gekennzeichnet, daß die Rückführspan- einen Schalter, eine elektronische Schaltvorrichtung nung des Gegenkopplungszweiges (G) dem Null- od. dgl. in eine Wechselspannung umzuwandeln, die verstärker (3) über das Koppelglied (2) mit der sich ohne Schwierigkeiten verstärken läßt, anschliegleichen Phasenlage zuführbar ist, welche die vom 35 ßend ausgekoppelt und wieder gleichgerichtet wird. Eingangszerhacker (1) kommende überlagerte Damit am Ausgang eine Gleichspannung von der-Wechselspannung hat. selben Polarität wie am Eingang auftritt, benutzt man

4. Verstärkeranordnung nach einem der An- für das Richten einen gesteuerten Gleichrichter, der Sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwi- mit derselben Frequenz arbeitet wie der Zerhacker sehen Gleichrichter (5) und Rückführzerhacker 3° am Vestärkereingang. Dank einer solchen Anordnung (7) ein als Integrator (6) ausgebildetes Siebglied ist eine insbesbondere bei Verwendung des Verstärvon dem Gleichspannungsausgang (U_A) vorge- kers für Meßzwecke sehr unbequeme Nullpunktunsehen ist. sicherheit beseitigt, da die Drift des eigentlichen Ver-

5. Verstärkeranordnung nach Anspruch 4, da- stärkers nicht mit übertragen wird und also auch den durch gekennzeichnet, daß der Integrator (6) 35 Meßwert nicht verfälschen kann.

einen Operationsverstärker mit reiner Wechsel- Bei solchen Anordnungen traten jedoch, wenn eine

Spannungs-Gegenkopplung aufweist. Gegenkopplung über den gesamten Verstärker nicht

6. Verstärkeranordnung nach Anspruch 4 vorlag, mangels Kontrolle und Regelung des Koppeloder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Integra- gliedes des Gleichrichters und der anschließenden tor (6) einen Stromausgang hat, z.B. für Ströme 40 Siebung zwangläufig systematische Meßfehler auf. Um im Bereich bis 20 mA. dem entgegenzuwirken, sieht die US-PS 2 888 523

7. Verstärkeranordnung nach wenigstens einem eine Anordnung vor, bei der ein nach dem Modulader Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, torprinzip arbeitender Gleichstromverstärker einen daß im Gegenkopplungszweig (G) vor dem Null- Gegenkopplungszweig vom Gleichichterausgang an verstärker-Eingang (2, 3) ein insbesondere an 45 den Vestärkereingang enthält, um Drifteinfiüsse weiteinen Impedanzwandler (8) anschließender Span- gehend zu reduzieren. Da es sich jedoch um eine nungsteiler (9, 10) angeordnet ist, mittels dessen Gleichspannungs-Gegenkopplung handelt, sind auch der Verstärkungsfaktor einstellbar ist. hierbei Spannungsdriften grundsätzlich nicht unter-

8. Verstärkeranordnung nach wenigstens einem drückt.

der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, 5° Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit ein-

daß zur Nullinienverschiebung eine zusätzliche fachen und wirtschaftlichen Mitteln eine stabilisierte

Wechselspannungsquelle (12,11) mit dem Gegen- Verstärkeranordnung zu schaffen, mit welcher der

kopplungszweig (G) verbunden ist, insbesondere Drifteinfluß von anderen Bauelementen und von

mittels eines zu dem Nullverstärker-Eingang (2,3) Thermospannungen, wie sie an den Lötstellen der

führenden Koppelgliedes (9'). 55 Bauelemente auf Leiterplatten entstehen, sicher ver-

9. Verstärkeranordnung nach Anspruch 8, da- mieden wird.

durch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wech- Ausgehend von einer Anordnung der eingangs geselspannungsquelle einen weiteren Zerhacker (11) nannten Art sieht die Erfindung hierzu vor, daß im aufweist, der über einen insbesondere als Poten- Gegenkopplungszweig an den Gleichspannungsaustiometer ausgebildeten Spannungsteiler (12) ge- 60 gang ein Rückführzerhacker angeschlossen ist. Einspeist ist. gangs- und Rückführspannung können hierdurch ge-

10. Verstärkeranordnung nach wenigstens trennt zerhackt und anschließend miteinander vereinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn- glichen werden. Daher erfolgt der Vergleich zwischen zeichnet, daß alle Zerhacker (1, 7, 11) bzw. Ausgangs- und Eingangsspannung nicht mit Gleich-Gleichrichter (5) synchron betreibbar sind, vor- 65 spannung, sondern mit der zerhackten Wechselspanzugsweise unter Steuerung durch einen Oszillator nung des Eingangs und des Ausgangs. Infolgedessen (13). kann ein Drift-Einfluß nicht wirksam werden.

11. Verstärkeranordnung nach wenigstens Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann fer-