DE2414829A1

DE2414829A1 - Messverstaerker

Info

Publication number: DE2414829A1
Application number: DE19742414829
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Droulin
Original assignee: La Telemecanique Electrique SA
Current assignee: Telemecanique SA
Priority date: 1973-03-29
Filing date: 1974-03-27
Publication date: 1974-10-10
Also published as: LU69705A1; IT1010983B; FR2223896B1; BR7402469D0; DD111505A5; BE812879A; FR2223896A1; NL7404225A; JPS5036170A

Description

PATE NTANWALTE

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

2AU829

München, den ^ll> «& 1S74

We/Sv-T 20-15

LA. TEIEMEGANIQUE EIiEOTRIQUE 3Jbis, 33ter, Avenue du MarSchal Joffre

. 92000 KANTEEEE, Frankreich

Meßverstärker

Die Erfindung betrifft Verstärker für polarisierte elektrische Spannungen und insbesondere einen Verstärker zur Messung von wenigstens einer physikalischen Größe, die durch einen Übertrager in eine elektrische Spannung umgeformt ist.

Bei industriellen und wissenschaftlichen Messungen ist es üblich, Verstärker zu verwenden, die im allgemeinen mit Halbleitern ausgerüstet sind, welche zwei Eingänge mit symetrischer Polarität in bezug auf einen gemeinsamen Bezugspunkt und einen Ausgang aufweisen, der mit dem einen von Eingängen über eine Umkehrschaltung verbunden ist, die außerhalb des Verstärkers angeordnet ist. In Abhängigkeit von der Anzahl der an die Eingänge geführten Spannungen und unter Berücksichtigung der

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DR. G. MANITZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD ^% -DIPL.-ING. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE 1 7 STUTTGART 50 (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270

TEL. (OS9) 22 42 11. TELEX O5-29672 PATMF SEELBERGSTR.23/25. TEL. (0711)56 72 61 POSTSCHECK: MÖNCHEN 77062-805

eventuellen Verwendung entsprechender Schaltelemente werden derartige Verstärker als direkte Verstärker, als Umkehrverstärker, als Differenzierverstärker, als Summierverstärker oder als Subtrahierverstärker verwendet.

Selbst in dem Falle der einfachen Messung einer Eingangsspan- -nung kann die Aus gangs spannung· Werte mit entgegengesetzten Polariiäen um den Wert null annehmen, den theoretisch das Ausgangssignal hat, wenn keine Spannung an den Eingang gelegt ist. Eine exaktere Analyse der tatsächlichen Arbeitsweise zeigt jedoch, daß dann, wenn die Ausgangsspannung null ist, ihr eine bestimmte Spannung zwischen den zwei Eingängen entspricht, die sich nach den Umgebungsbedingungen ändert und mit den Veränderungen der Speisespannung, wobei eine derartige Spannung als Spannungsabweichung oder Restspannung bezeichnet wird, was dem englischen Ausdruck "offset voltage" entspricht.

Diese Restspannung liegt in der Größenordnung von Millivolt und liefert somit eine Empfindlichkeitsgrenze für die durchführbaren Messungen, weil bei einer.Messung einer Eingangsspannung V der absolute Fehler gleich der Restspannung Y_n e ' γ oe

ist und der relative Fehler oe betrachtlich ist, wenn V

V . ^e

selbst in der Größenordnung von Mikrovolt oder selbst eine Größenordnung darunter liegt. Dies ist insbesondere bei automatischen Regeleinrichtungen ein erheblicher Nachteil, bei welcher die angestrebte Genauigkeit stets wächst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Effekt der Restspannung wesentlich zu vermindern, indem eine Korrektur der Restspannung durch eine entsprechende Regelung eingeführt wird, ohne daß das Risiko der Sättigung des Eingangs des Verstärkers besteht. Dadurch wird es möglich, die Empfindlichkeitsgrenze der Aufnehmer auf einen sehr geringen Wert zu bringen.

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Der erfindungsgemäße Verstärker weist Speicherorgane auf, welche während einer bestimmten Dauer die Ausgangsspannung speichern und sie über eine entsprechende Schleife auf einen der Eingänge zurückführen, wobei weiterhin wenigstens zwei Schaltelemente vorhanden sind, welche in synchroner Arbeitsweise nacheinander die eine von wenigstens zwei Stellungen einnehmen, von denen das eine am "Eingang des Speichers und das andere an dem zweiten Eingang des Verstärkers angeordnet sind, und zwar derart, daß in einer Stellung das erste Schaltelement den Ausgang mit den Speicherorganen verbindet und das zweite Schaltelement den zweiten Eingang des Verstärkers mit dem gemeinsamen Bezugspunkt verbin-. det, während in einer anderen Stellung das erste Schaltelement den Ausgang des Verstärkers mit dem Meßausgang verbindet und das zweite Schaltelement den zweiten Eingang des Verstärkers mit der Eingangsklemme verbindet, welche die zu messende Veränderliche aufnimmt.

Ein erfindungsgemäßer Verstärker kann aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein oder kann für die Mehrzahl der Bauteile, eine in einer Halbleiterplatte integrierte Schaltung haben, wobei bei dieser letzteren Ausführungsform verschiedene Zusatzbauelemente vorhanden sein können, die nach verschiedenen Schaltungen angeordnet sein können, und zwar in Abhängigkeit von verschiedenen Punktionen, welche von dem Verstärker ausgeübt werden sollen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verstärkers gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen ■ Verstärkers in seinen Grundzügen,

Fig. "3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausfüh- ' rungsform eines direkten erfindungsgemäßen Verstärkers,

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-A -

Fig. 4· eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Umkehrverstärkers,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen DifferentialVerstärkers,

Fig. 6 ein Schema eines Elementarfilters, welches mit einer beliebigen Ausführungsfo'rm eines erfindungsgemäßen Verstärkers verwendbar ist, und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Verstärkerfilters, welches mit einer beliebigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verstärkers verwendbar ist.

Die Fig. 1 stellt den klassischen Aufbau eines Umkehrverstärkers dar. Der Ausgang 10 eines Verstärkers A_x, ist mit dem Eingang verbunden, der durch ein negatives Vorzeichen gekennzeichnet ist, und zwar durch einen Widerstand R_x..

Die zu messende Spannung V wird an den anderen Eingang 11 geführt, der mit einem positiven Vorzeichen markiert ist. Der Rückführwiderstand an den gemeinsamen Eingang 12 ist R¹,,, wenn mit G_x. das Verhältnis R_xVR' bezeichnet wird, so daß die Verstärkung des Verstärkers gleich G_x. +1 ist. Die Ausgangs spannung V_3x. ist der algebraischen Summe des am Eingang V verwendeten Signals und der Restspannung V_x. proportional, und zwar gemäß der Gleichung:

Wenn der absolute Fehler des Eingangssignals gleich V . ist, so ist der relative Fehler V_x./V am Ausgang derselbe.

Die Fig. 2 stellt den einfachsten Aufbau eines Verstärkers mit der erfindungsgemäßen Korrektur dar. Der Ausgang 10 des Verstärkers A_x. ist mit einem Inverter I mit zwei Positionen O_x, und r>p verbunden, welcher die Ausgangsspannung V„. dem Kondensator G

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zuführt, welcher den Speicher darstellt, und zwar in der Position p. und sie am Meßausgang 13 in der Position Op beibehält. Die Spannung V^. wird der umgekehieben Reaktionsspannung hinzugefügt, indem der Fuß des Widerstandes R \ mit der Seite des Kondensators 0 verbunden wird, welche die Spannung Vg. erhält, während die andere Seite des Kondensators mit dem gemeinsamen Bezugspunkt des Verstärkers (im allgemeinen mit der Masse) verbunden ist. Ein zweiter Inverter I¹ ist mit dem ersten Inverter I synchronisiert, was durch die doppelte strichpunktierte Linie der Fig.2 angedeutet ist. In einer Ausführungsform kann diese Kopplung durch die Steuerachse eines manuellen Schalters mit zwei Schaltungen verwirklicht sein. In einer anferen Ausführungsform können zwei elektromagnetische Relais vorhanden sein, die mechanisch oder elektrisch gekuppelt sind. Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, transistorisierte Unterbrecher zu verwenden oder Feldeffekttransistoren, deren Übergang von der einen in die andere Stellung durch denselben Impulsgenerator steuerbar ist (nicht dargestellt). In der Stellung p'xi» welche der Stellung p. entspricht, ist der Inverter I¹ mit dem Eingang 11 des Verstärkers am gemeinsamen Bezugspunkt verbunden, während in der anderen Stellung p'o» welche Pp entspricht, der Eingang 11 mit der Klemme 14- verbunden ist, wo die zu messende Spannung

V₀ anliegt,
e

In der Stellung p. p' des Schalters resultiert die Spannung am Ausgang V_Q/. aus den am Eingang angelegten Spannungen, d.h. aus der Spannung Vg. selbst und der Restspannung Vq.i

V₃₁ (1) - - S₁ V₃₁ + (1 + G₁) V₀₁

In der Stellung P2 P'p ^^es Schalters bleibt die Spannung Vg.(1) in negativer Reaktion angelegt, und zwar in Form der Ladung des Kondensators 0. Der neue Wert von Vg. lautet:

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(2) = (1

Der absolute Fehler am Eingang wird V₁Zi₊G₁ und-der relative Fehler ist 1/(1+ G₁)V₀

Die Fehler werden durch die Verstärkung des Verstärkers geteilt, und zwar in dem Verhältnis, welches ohne Korrektur vorhanden wäre.

Dieses Ergebnis gilt jedoch nur unter der"Bedingung, daß die Schaltfrequenz ausreichend hoch ist, daß der Kondensator G keine Zeit hat, sich in- den Widerstand R^ zu entladen.

Das Schaltschema der Fig.3 ermöglicht es, ohne diese Bedingung auszukommen, indem als Begrenzung nur die Hypothese aufrechterhalten wird, die in allen Fällen gültig ist 'und im allgemeinen erfüllt ist, daß nämlich die Veränderungen der Restspannung oder der Ableitungen in bezug auf die Schaltgeschwindigkeit sehr langsam verlaufen.

Der Unterschied gegenüber dem Schema der Fig.2 liegt in der Tatsache, daß die Ladung des Kondensators G an einen Eingang 21 eines zweiten Verstärkers A₂ geführt wird, der selbst vorteilhafterweise durch die Schleife als Umkehrverstärker ausgebildet ist, welche durch die Widerstände Rq und R'ρ gebildet ist, um seine Ausgangsspannung Vg₂ seinem anderen Eingang 22 wieder zuzuführen. Der Ausgang 20 des Verstärkers A₂ ist mit dem Fuß des Widerstandes R¹^. verbunden, um in umgekehrter Reaktion zu dem Verstärker A₁ die Ausgangsspannung V„p hinzuzufügen. Wenn mit Gp das Verhältnis des Widerstandes R₂ zu dem Widerstand R'₂ bezeichnet wird, ist die Verstärkung des Verstärkers Ap gleich 1 + Gp. Analoge Berechnungen zu denen, die oben bereits erwähnt sind, zeigen leicht, daß die Ausgangsspannung des Heßverstärkers A₁ in der Stellung p₂ p'₂ folgenden Wert erhält:

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= fi ■+ G ) V + V ^ ^{+ G}1 V ~ (^^{+ &}p^ ^G1 ^U . ^Λ ^e °¹ - °² .

wenn mit Vp die Restspannung am Eingang des Verstärkers A₂ bezeichnet ist.

Der Ausdruck von V_Q1 (2) vereinfacht sich, wenn beachtet wird, daß G₁"sehr groß gegenüber dem Wert eins ist und folglich dem Ausdruck 1 + G₁ angeglichen werden kann. Die Ausgangsmeßspannung wird dann:

Vl

V (?) s 6 V + —— - V ~

S1 ^K 1 e 1 + G₂ o2

Der absolute Fehler am Eingang wird dann:

( οΛ V ρ) 1

1 + G₂ -" ⁰^ G₁

und der relative Fehler wird:

(^Vo1 ^Vo2) 1 _J

1 + G₂ " V₈ G₁

Die Auswirkung der Restspannung Vp des Korrekturverstärkers A₂ wird somit hinzugefügt, weil das negative Vorzeichen, welches Vp vorausgeht, nicht in Rechnung gestellt werden kann, weil die relativen Polaritäten der Restspannungen V_q1 und V₂ nicht festgelegt sind. Die Gesamtfehler werden jedoch stets durch die Verstärkung des Meßverstärkers A₁ dividiert, in der Größenordnung, und zwar in bezug auf diejenigen, welche im Falle des Verstärkers ohne Korrektur vorhanden wären.

Der erfindungsgemäße Verstärker mit RestSpannungskorrektur ist dazu geeignet, zahlreiche Funktionen auszuüben, und zwar in der gleichen Weise wie ein Verstärker ohne Korrektur, beispielsweise die Umkehr von EingangsSignalen oder die Addition von Komponenten. Es ergibt sich bei jeder Ausführungsform, daß die Größenordnung der Fehler stets im wesentlichen durch den

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Verstärkungsgrad des "Verstärkers geteilt ist oder durch den Verstärkungsgrad der Yerstärkerkette, wenn es erforderlich ist, mehrere Stufen in einer Kaskade zu schalten.

Die Fig. 4- zeigt beispielsweise einen Umkehrverstärker gemäß der Erfindung. Die Umschaltung zwischen einem Kurzschluß und dem Signal P¹ , P'₂ erfolgt am Eingang 12, während die Rückführschleife am Eingang 11 des Verstärkers A,- mündet, und die Iradung des Kondensators G wird dem Eingang 22 des Verstärkers Ag zugeführt, wobei die anderen Elemente im wesentlichen unverändert sind.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel wird in der Fig.5 gegeben, welche-einen erfindungsgemäßen Differentialverstärker darstellt. Die zwei Eingangssignale V . und K sind jeweils den Eingängen 12 und 11 des Verstärkers A. in der Meßstellung p'~ zugeführt, und der Kurzschluß in der Stellung p' erfolgt zwischen den Eingängen 11 und 12 über die Widerstände R^, und R_n-*

Die Erfindung ist auch auf andere Verstärker wie direkte Summierverstärker oder Umkehrverstärker anwendbar, weiterhin auf direkte Subtrahierverstärker oder entsprechende Umkehrverstärker, wobei die Eingänge über entsprechende Schaltungen miteinander kombiniert werden, wie sie grundsätzlich bekannt sind. Die Erfindung läßt sich auf alle Verstärkeranordnungen anwenden, in denen ein äußerst geringer Fehler erreicht werden soll.

Das am Ausgang 13 erhaltene Meßsignal der Verstärker nach den Fig. 2 bis 5 wird mit der Schaltfrequenz zerhackt. Wenn es erforderlich ist, daß ein kontinuierliches Signal vorliegt, muß ein Filter verwendet werden, beispielsweise mit einem einfachen Widerstand, wie es in der Fig.6 dargestellt-ist, oder ein Verstärker, wie er in der Fig.7 dargestellt ist.

Der Meßausgang 13 wird über einen Widerstand Rr₇ einer Seite eines Kondensators G^₁ zugeführt, dessen andere Seite mit dem gemeinsamen Bezugspunkt verbunden ist. Das Signal geht über einen Widerstand Rg oder einen Verstärker A_;. und die Spannung Vg -

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bleibt fflifc kontinuerlich an der Klemme Ί4. Der Wert des Widerstandes R_r liegt notwendigerweise hoch., und zwar deswegen, weil die Anordnung der Fig.7 im allgemeinen bevorzugt wird, weil sie sich, mehr für Anwendungsschaltungen eignet, und zwar bei beliebiger Eingangsimpedanz.

Der Meßverstärker A. kann aus mehreren in Serie geschalteten Stufen bestehen, wenn eine erhöhte Verstärkung erforderlich ist.

- Patentansprüche -

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Claims

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- ίο -

Patentansprüche

My'Verstärker zur Messung veränderlicher elektrischer Größen,. welcher wenigstens eine Stufe mit wenigstens zwei Eingängen symmetrischer Polarität in bezug auf einen Bezugspunkt und -wenigstens einen Ausgang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Speicherelemente vorgesehen sind, welche die eingespeicherte Spannung an einen der Eingänge über eine Rückführschleife zurückführen,, daß weiterhin wenig- · stens zwei Schaltelemente vorhanden sind, die synchron nacheinander die eine von zwei Schaltstellungen einnehmen, von denen das eine am Eingang der Speichereinrichtung und das andere an dem zweiten Verstärkereingang angeordnet 'sind, und zwar derart, daß in einer Sehaltstellung das erste Schaltelement den Ausgang mit der Speichereinrichtung verbindet und das zweite Schaltelement den zweiten Eingang des Verstärkers mit dem gemeinsamen Bezugspunkt verbindet, und daß in einer anderen Stellung das erste Schaltelement den Speicherausgang trennt und das zweite Schaltelement den zweiten Verstärkereingang mit dem Eingang verbindet, welcher die zu messende veränderliche Spannung aufnimmt.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet., daß eine Schleife mit umgekehrter Reaktion zwischen · dem Ausgang und dem einen der Eingänge des Verstärkers vorhanden ist.
3· VeiSbärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich· net, daß die Speichereinrichtung einen Kondensator aufweist, der sich mit der Ausgangsspannung in derjenigen Stellung der Schaltelemente auflädt, in welcher sie mit dem Ausgang verbunden sind und sie in der anderen Stellung im Speicher hält.

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4. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß die Rückführschleife einen Kopplungsverstärker zwischen der Speichereinrichtung und dem Eingang aufweist,'welcher' zur Rückführung zum Hauptverstärker dient.
5· Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung in bezug auf die Eingangsspannung umgekehrt polarisiert ist.
6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge-, kennzeichnet, daß eine Differentialverstärker- ■ anordnung vorgesehen ist.
7· Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine direkte Subtrahierverstärkeranordnung vorgesehen ist.
8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennz eichnet, daß eine -invertierte Subtrahierverstärkeranordnung vorgesehen ist.
9· Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine direkte AddierVerstärkeranordnung vorgesehen ist.
10. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine invertierte Addierverstärkeranordnung vorgesehen ist.
11. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang Kurzzeitspeichereinrichtungen vorhanden sind, welche das Zerhacken der Ausgangsspannung unterdrücken.

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