DE2427785C2 - Schaltungsanordnung für einen Meßverstärker - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Meßverstärker zur Übertragung analoger Meßwerte mit einer als Differenzverstärker aufgebauten in mehreren Verstärkungsstufen umschaltbaren Eingangsstufe, der über einen aus einem Potentiometer und Festwiderständen aufgebauten stufenweise umschaltbaren Spannungsteiler eine zweite Verstärkerstufe zur Ansteuerung von Auswertegeräten nachgeschaltet ist

Zur Überwachung und Auswertung von Versuchen, insbesondere Großversuche, wie sie zum Beispiel im Flugzeugbau vorkommen, ist es notwendig, eine Vielzahl von Meßwerten zu erfassen und auszuwerten. Hierzu ist eine Meßanlage erforderlich, in der für jeden Meßwert ein Übertragungskanal mit einem Meßverstärker vorzusehen ist Die Meßverstärker müssen dabei verschiedenen Anforderungen genügen, da die Meßwerte sich von Kanal zu Kanal erheblich unterscheiden können. Es ist zum Beispiel möglich, daß die Eingangswerte bestimmter Kanäle im Bereich von einigen Millivolt liegen, während die Eingangswerte anderer Kanäle die Größenordnung von einigen 10 Volt erreichen können.

Die Abdeckung derartig unterschiedlicher Eingangswerte erforderte bisher eine Mehrzahl von Verstärkern, die jedoch nicht so ohne weiteres einsatzbereit sind. In der Regel werden bestimmte vorhandene Verstärker für neue Aufgaben umgerüstet, und zwar durch Austausch bestimmter Schaln.iittel, wie Eingangswiderstände, Rückführwiderstände, Trimmer-Potentiometer usw. Das hat aber zur Folge, daß ein Meßverstärker vor seiner jeweiligen Inbetriebnahme umgerüstet und anschließend neu abgeglichen werden muß, was neben dem erhöhten Aufwand zeitraubend ist und als Nachteil angesehen wird.

Aus Rohde & Schwarz-Mitteilungen Nr. 4/1953 Seiten 206—210, insbesondere Seite 207, Abb. 3, ist ein Meßverstärker für ein Röhrenvoltmeter bekannt, der aus einer Eingangsstufe mit nachgeschalteten Verstärkerstufen besteht. Die Kopplung der Verstärkerstufen erfolgt über einen Spannungsleit r, dessen Änderungen bei einer Verstellung aufgrund der dort eingesetzten Röhrenverstärker wegen ihrer hochohmigen Eingänge praktisch ohne Einfluß auf den Kennlinienverlauf sind. Meßverstärker mit Transistorbestückung oder Bestückung mit integrierten Schaltkreisen lassen sich jedoch nicht auf die dort beschriebene Weise aufbauen, weil die bei großen Eingangssignalen notwendigen Umschaltungen nicht ohne Einfluß auf den Kennlinienverlauf des Verstärkers sind.

Ein weiterer aus der DE-OS 20 13 405 bekannter für Niederfrequenzsignale vorgesehener Verstärker ist mit Transistoren bzw. Operationsverstärkern bestückt, und zur Einstellung der Verstärkung mit Potentiometern in Rückkopplungszweigen versehen. Für Meßverstärker großer Eingangssignalbereiche ist ein derartiger Schaltungsaufbau jedoch nicht zweckmäßig, weil kleine Eingangssignale mit großen Verstärkungsfaktoren übertragen werden, die bei solchen Schaltungen dann aber Stabilitätsprobleme bringen

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen Meßverstärker der .eingangs genannten Art vorzusehen, mit dem es ^; möglich istiteinen sehriweiteri Eingangsbereich ohne Umrüstung und Neuabgleich abzudecken. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen dem umschaltbaren Spannungsteiler und der als Summierverstärker konstanter Verstärkung ausgebildeten zweiten Verstärkerstufe ein Impedanzwandler angeordnet ist und daß ein Eingang der Eingangsstufe

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über einen einstellbaren Spannungsteiler einerseits an Masse liegt und andererseits über einen Widerstand mit dem Abgriff eines zwischen positivem und negativem Potential liegenden einstellbaren Spannungsteilers verbunden ist.

Mit Hilfe dieser Maßnahme ist es möglich, einen Meßverstärker aufzubauen, der praktisch universell eingesetzt werden kann. Das bedeutet, daß durch einmaligen Abgleich von Nullpunkt und Gleichtakt zeitraubende Rüstzeiten beim Aufbau von Meßanlagen für Versuche entfallen. Der erfindungsgemäße Verstärker eignet sich daher besonders für mobile Meßanlagen und Labormessungen.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßverstärker verhindert der Impedanzwandler ?.m Eingang der nachfolgenden Verstärkerstufen das Fließen merklicher Ströme, insbesondere merklich unterschiedlicher Ströme aufgrund von Änderungen des Quellenwiderstandes bei Spannungsteiierverstellungen und gewährleistet damit einen gleichen Kennlinienverlauf fm den Gesamtbereich der Eingangsspannung. Die Einstellmög'.xhkeitcn, die sich mit den Spannungsteilern an einem Eingang der Eingangsstufe ergeben, erlauben es, durch einmaligen Abgleich einen großen Eingangssignalbereich ohne nachteilige Einflüsse auf die Stabilität des Verstärkers einzustellen und diesen Abgleich vorzugsweise bei der Herstellung vorzunehmen.

In Weiterbildung der Erfindung ist es zweckmäßig, die Eingänge der Eingangsstufe zu je einem vierstufigen Wahlschalter zu führen, über dessen zugeordnete Stufen jeweils der Nullabgleich, eine Ansteuerung mit einem Eichsignal, die Gieichtaktumerdrückung sowie die Meßsignalansteuerung einstellbar ist. Hiermit läßt sich sowohl der bei der Herstellung erforderliche Abgleich als auch die Eichung vor Betriebsaufnahme auf einfache Weise für den gesamten Verstärker durchführen.

Vorteilhaft ist es auch, den nichtinvertierenden Eingang der als Summierverstärker aufgebauten zweiten Verstärkerstufe über einen Widerstand zu einem dreistufigen Wahlschalter zu führen, dessen Außenstufen jeweils eine Brummkompensation bzw. eine Signalumkehrung ermöglichen, die in der Mittelstufe abschaltbar sind. Mit Hilfe dieses Wahlschalters läßt sich daher bei entsprechender Einstellung dieses Schalters innerhalb des gesamten Engangssignalbereiches ein positives Meßsignal in ein negatives und umgekehrt umwandeln, sowie eine Brummstörung kompensieren, die z. B. bei sehr kleinen Eingangsspannungen durch eine hohe Verstärkung in der Eingangsstufe entstehen kann. 'ⁿ

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zur Versorgung der das Meßsignal liefernden Meßgeber eine in mehreren Stufen umschaltbare Geberversorgung \orgesehen. die aus einem stufenweise umschaltbaren Spannungsteiler mit nachgeschaltettn Impedanzwandler und einer l.eistungsstufe besteht. Dabei kann zum Abgleich der Meßgeber ein verstellbarer parallel /um Meßgeber liegender Spannungsteiler vorgesehen sein, dessei. Abgriff an der Geberversorgung liegt. Mil einer derartigen Geberversorgung lassen ^6Q <sich die jeweils gewünschten Versorgungsspannungen ^ftn Verbindung mit dem Meßverstärker einstellen und auf getrennte Geberve>'sorgungen verzichten. Außerdem kann hiermit den Grenzen des Eingangssignalbereiches durch entsprechende Einstellung der Geberversorgung Rechnung getragen werden.

Die Erfindung wird als Schaltbild anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert,

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65 Im dargestellten Schaltbild ist ein Meßverstärker zu sehen, dessen Verstärkerstufen mit integrierten Schaltkreisen bestückt sind. Die als Differenzverstärker geschaltete Eingangsstufe besteht dabei aus einer Kaskade zweier integrierter Schaltkreise 2,3, wobei der Ausgang des zweiten Schaltkreises 3 durch einen Widerstand 4 auf den nichtinvertierenden Eingang des ersten Schaltkreises 2 zurückgekoppelt ist. Beide Schaltkreise 2, 3 sind mit positiver bzw. negativer Betriebsspannung versorgt und in bekannter Weise mit entsprejhenden Schaltmitteln zur Erzielung bestimmter Übertragungseigenschaften beschaltet Die beiden Signaleingänge der ersten Verstärkerstufe 1 sind jeweils mit einem Stellkontakt zweier vierstufiger Wahlschalter 5, 6 verbunden, die zur Einstellung verschiedener Abgleichvorgänge und zur Einspeisung der Meßspannung vorgesehen sind. In den Verbindungswegen zwischen den Stellkontakten der Wahlschalter 5, 6 und den beiden Signaleingängen der ersten Verstärkerstufe 1 sind jeweils gemeinsam vers^lbare dreistufige Schalter 7, 8 angeordnet, die in der ersten Stufe zwei und in den beiden anderen Stufen jeweils einen entsprechend bemessenen Widerstand in die Verbindungswege einschalten. Hierdurch ist es möglich, den Verstärkungsfaktor der Eingangsstufe 1 zum Beispiel auf 4 : 1,1 : i oder 1 : 10 einzustellen.

Für den Abgleich des Meßverstärkers sind verschiedene Einstellmöglichkeiten vorgesehen. So erfolgt die Einstellung der Gleichtaktunterdrückung mit Hilfe eines Potentiometers 9, das in Reihe mit einem Widerstand 10 zwischen Masse und dem invertierenden Eingang der ersten Verstärkerstufe ί liegt. Der Nullabgleich erfolgt ebenfalls mit Hilfe eines Potentiometers 11, dessen Abgriff über einen Widerstand 12 mit dem invertierenden Eingang der ersten Verstärkerstufe verbunden ist. Die beiden anderen Pole des Potentiometers 11 sind über je einen Widerstand 13, 14 an positive bzw. negative Betriebsspannung gelegt. Die einzelnen Stufen der Wahlschalter 5, 6 sind auf Steckkontakte geschaltet, und zwar in der Weise, daß die beiden ersten Stufen des Waiilschalters 5 gemeinsam mit der ersten Stufe des Wählschalter 6 an einem Steckkontakt 15 liegen, während die dritte Siufe des Wahlschalters 5 gemeinsam mit der zweiten und dritten Stufe des Wählschalter 6 zu einem Steckkontakt 16 führen. Die vierten Scufen beider Wählschalter 5, 6 sind auf je einen Steckkontakt 17, 18 geschaltet, an denen da; Meßsignal eingespeist wird.

Mit den einzelnen Stufen der Wahlschalter 5,6 lassen sich folgende Aufgeben durchführen: In der dargestellten ersten Stufe ist es möglich, den Nullabgleich für den gesamten Meßverstärker durchzuführen, wozu — wie brrei; orwähnt — das Potentiometer 11 entsprechend zu verstellen ist. Die zweite Stufe ist zum Eichen des Meßverstärkers \o,gesehen, wobei das Eichsignal an den Steckkontakt 15, 16 eingespeist wird. Mit der dritten Stufe kann die Gleichtuktunterdrückung vorgenommen uerden, die nut Hilfe des Potentiometers 9 eingestellt wird Bei Einstellung der dritten Stufe der Wählschalter 5, 6 sind in bekannter Weise die beiden . Eingänge der Eingangsstufe 1 überbrückt, so daß das über den Steckkontakt 16 eingespeiste Signal auf beide Eingänge gelangt. In der vierten Stufe des Wahlschalters 5, 6 wird das aufgenommene Meßsignal durchgeschaltet, das von verschiedenen Meßgebern stammen kann.

Sind als Meßgeber Brückenschaltungen mit entsprechenden Sonden vorgesehen, dann ist es zweckmäßig,

einen Geberabgleich durchzuführen. Hierzu ist beim dargestellten Meßverstärker ein Spannungsteiler vorgesehen, der aus der Reihenschaltung eines Widerstandes 19 eines Potentiometers 20 und eines weiteren Widerstandes 21 besteht. Diese Reihenschaltung ist parallel zum Brückenzweig der dargestellten Brückenschaltung 22 geschaltet, während dei Abgriff des Potentiometers 20 einerseits mit der im weiteren Verlauf noch erläuterten Geberversorgung (55—63) und andererseits mit einem Einspeisungspunkt der Brückenschaltung verbunden ist. Der andere Einspeisungspunkt der Brückenschaltung liegt am Gegenpol der Geberversorgung, und zwar an Masse.

Die zweite Verstärkerstufe 25 des Meßverstärkers wird über einen stufenweise ums.naltbaren Spannungsteiler 27 vom Ausgang der Eingangsstufe 1 angesteuert. Hierzu ist der Ausgang der Eingangsstufe 1 mit einem Pol eines Potentiometers 26 verbunden, dessen Abgriff einerseits an eine Seiie lies aus sieben entsprechend bemessenen Widerständen gebildeten Spannungsteilers 27 und andererseits an die siebente Stufe eines Wahlschalters 28 geschaltet ist. Die sechs Abgriffe des mit der anderen Seite an Masse liegenden Spannungsteilers 27 sind an die zugeordneten Stufen 1 bis 6 des Wahlschalters 28 geführt, mit dem durch Einstellung des Stellkontaktes ein entsprechend abgestuftes Signal abgegriffen werden kann. Das mit dem Wahlschalter derart abgegriffene Meßsignal ist danach über einen mit einem integrierten Schaltkreis aufgebauten Impedanzwandler 29 geführt und anschließend über einen Widerstand 30 zum nichtinvertierenden Eingang der zweiten Verstärkerstufe 25 geschaltet.

Wie zu Anfang schon erwähnt, ist auch die zweite Verstärkerstufe 25 mit einem integrierten Schaltkreis bestückt, der zu seinem Betrieb entsprechend positive bzw. negative Betriebsspannung erhält und zur Erzielung bestimmter Übertragungseigenschaften in bekannter Weise mit entsprechenden Schaltmitteln einschließlich eines Rückkopplungswiderstandes 31 beschaltet ist. Der invertierende Eingang dieser auf eine feste Verstärkung eingestellten zweiten Verstärkerstufe 25 ist über einen Widerstand 32 mit Masse verbunden, während der .lichtinvertierende Eingang über einen Widerstand 33 zu einem Stellkontakt eines 3poligen Schalters 34 geführt ist Im Schaltbild besteht in der linken Stellung dieses Schalters 34 eine Verbindung zum Abgriff eines Potentiometers 35, dessen Seiten über je einen Widerstand 36, 37 an positive bzw. negative Betriebsspannung geschaltet sind. In der im Schaltbild dargestellten rechten Stellung dieses Schalters ist dagegen der Stellk^ntakt einerseits über einen Kondensator 38 mit Masse verbunden und andererseits über einen weiteren Kondensator 39 ebenfalls zum Abgriff des Potentiometers 35 geschaltet Mit Hilfe dieses Schalters 34 ist es in der linken Schaltstellung z. B. möglich, ein positives Meßsignal in ein positiv-negatives Signal umzuwandeln und in der rechten Schaltstellung e>ne durch einen hohen Verstärkungsfaktor der Eingangsstufe 1 entstandene Brummspannung zu kompensieren. In der Mittelstellung dieses Schalters sind dagegen beide Möglichkeiten abgeschaltet

Vom Ausgang der zweiten Verstärkerstufe 25 kann das verstärkte Meßsignal direkt abgenommen und zur Aufheizung, beispielsweise einem Bandgerät, zugeführt werden. Hierzu ist ein Steckkontakt 40 vorgesehen, der direkt mit dem Ausgang der zweiten Verstärkerstufe verbunden ist Das verstärkte Meßsignal kann aber auch zur laufenden Beobachtung einem Anzeigeninstrument zugeführt werden, das vom Abgriff eines Spannungsteilers ansteuerbar ist. Dieser Spannungsteiler besteht aus einer vom Ausgang der zweiten Verstärkerstufe 25 über einen Widerstand und ein Potentiometer 42 nach Masse geschalteten Reihenschaltung, wobei der Abgriff des Potentiometers 42 den Abgriff des Spannungsteilers bildet.

Zur Durchführung bestimmter Aufgaben ist es zweckmäßig, eine dritte Verstärkerstufe 44 vorzusehen, ίο und zwar, um bestimmte Schreibgeräte und/oder UV-Schleifen (Lichtstrahloszillograph, dessen Lichtfleck auf einer Photoschicht [UV-Papier] in Abhängig keit des Meßsignals eine Schreibspur erzeugt, welche als schriftlicher Beleg für den zeitlichen Verlauf des erfaßten Meßsignals dient) ansteuern zu können. Beim dargestellten Meßverstärker ist daher der Ausgang der zweiten Verstärkerstufe 25 über einen dreistufigen Wahlschalter 45 auf ein nach Masse geführtes ruieniiuineici 46 gesehaiiei. fviii dem Wählschalter 45 kann der Ausgang der zweiten Verstärkerstufe 25 in der ersten Stufe über einen Widerstand 47, in der zweiten Stufe über eine Parallelschaltung zweier Widerstände 47, 48 und in der dritten Stufe direkt auf das Potentiometer 46 geschaltet werden. Der Abgriff des Potentiometers 46 führt direkt zum invertierenden Eingang der als Impedanzwandler geschalteten dritten Verstärkerstufe 44. Auch diese Verstärkerstufe ist mit einem ifi-egrierten Schaltkreis bestückt, mit positiver und negativer Betriebsspannung versorgt und zur Erzielung der gewünschten Übertragungseigenschaften mit anderen äußersn Schaltmittsln beschaltet. Dem Ausgang dieser dritten Verstärkerstufe kann dann zur Ansteuerung der entsprechenden Auswertegeräte das Meßsignal über einen Wahlschalter 49 direkt oder über einen Anpaßwiderstand 50 entnommen werden.

Für die Versorgung der Meßgeber mit den erforderlichen Speisespannungen ist dem Meßverstärker eine Schaltungsanordnung zugeschaltet, mit der die gewünschten Versorgungsspannungen erzeugt werden können. Diese Schaltungsanordnung besteht aus einem mit Widerständen und Potentiometern aufgebauten, zwischen Masse und Betriebsspannung liegenden Spannungsteiler 55, dessen fünf Abgriffe zu je einer Stufe eines sechsstufigen Wahlschalters 56 führen. Der Ausgang dieser Wahlschalter ist direkt auf den invertierenden Eingang der als Impedanzwandler geschalteten ersten Verstärkerstufe 57 geführt, die über einen Koppelwiderstand 58 den nichtinvertierenden Eingang einer zweiten Verstärkerstufe 59 ansteuert, so Der Ausgang dieser zweiten Verstärkerstufe 59 ist dann direkt auf den Eingang einer als Leistungsverstärker geschalteten dritten Verstärkerstufe 60 geführt, von deren Ausgang die entsprechenden Spannungen entnehmbar sind. Alle Verstärkerstufen 57,59, 60 sind mit integrierten Schaltkreisen bestückt, mit positiver sowie negativer Betriebsspannung versorgt und durch diverse Schaltmittel in bekannter Weise zur Erzielung bestimmter Übertragungseigenschaften beschaltet Vom Ausgang der Leistungsverstärkerstufe 60 führt zusätzlich ein Rückkopplungswiderstand 61 zum nichtinvertierenden Eingang der zweiten Stufe 59, deren invertierender Eingang über einen Widerstand 62 an Masse gelegt ist Der Ausgang des Leistungsverstärkers 60 ist auf die ersten fünf Stufen eines mit dem Wahlschalter 56 gemeinsam verstellbaren sechsstufigen Wahlschalters 63 geschaltet, während die sechste Stufe in der höchsten Stellung Hegt, die mit der den Spannungsteiler 55 speisenden Spannung identisch ist

Der erfindungsgemäße Meßverstärker hat den Vorteil, daß die notwendigen AbgleiGhvorgänge nur einmal, und zwar bei der Herstellung durchgeführt zu werden brauchen. Das bedeutet, ein derartiger Meßverstärker läßt sich ohne große Einstell- und Abgleichvorgänge nahezu universell einsetzen. Der Meßverstärker ist daher besonders gut für mobile Meßanlagen und Laborriitissungen geeignet. Durch Aufnahme von

Geber-Eichkurven über die geplanten Zuleitungen ist es möglich, auf eine Neueineichupg des Meßverstärkers vor einem Neueinsatz zu verzichten. Der Meßverstärker kann in kurzer Zeit, aufgebaut und an die vorgesehenen Auswertegeräte angepaßt werden, wobei ein aufwendiger Aufbau mit verschiedenen Netzgeräten und Anpaßstufen entfällt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen Meßwertverstärker 2UT Übertragung analoger Meßwerte mit einer als Differenzverstärker aufgebauten in mehreren Verstärkungsstufen umschaltbaren Eingangsstufe, der über einen aus einem Potentiometer und Festwiderständen aufgebauten stufenweise umschaltbaren Spannungsteiler eine zweite Verstärkerstufe zur Ansteuerung von Auswertegeräten nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem umschaltbaren Spannungsteiler (27) und der als Summierverstärker konstanter Verstärkung ausgebildeten zweiten Verstärkerstufe (25) ein Impedanzwandler (29) angeordnet ist, und daß ein Eingang der Eingangsstufe (1) über einen einstellbaren Spannungsteiler (9, 10) einerseits an Masse liegt und andererseits über einen Widerstand (12) mit dem Abgriff eines zwischen positivem und negativem Potential liegenden einstellbaren SpanjiiintTctmigrt f 11 13 14^ verbunden i*»*.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der Eingangsstufe zu je einem vierstufigen Wählschalter (5, 6) führen, über dessen zugeordnete Stufen jeweils der Nullabgleich, eine Ansteuerung mit einem Eichsignal, die Gleichtaktunterdrückung sowie die Meßsignalansteuerung einstellbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtinvertierende Eingang der als Summierverstärker aufgebauten zweiten Verstärkerstufe (25) über einen Widerstand (33) zu einem dreistufigen Wählschalter (34) geführt ist, dessen Außenstufen jeweils eine Brummkompensation bzw. eine Signalumkehru.\_o ermöglichen, die in der Mittelstufe abschaltbar sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Versorgung der das Meßsignal liefernden Meßgeber (22) eine in mehreren Stufen umschaltbare Geber-Versorgung vorgesehen ist. die aus einem stufenweise umschaltbaren Spannungsteiler (55) mit nachgeschaltetem Impedanzwandler (57) und einer Leistungsstufe (60) besteht.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abgleich der Meßgeber (22) ein verstellbarer parallel zum Meßgeber lieg nder Spannungsteiler (19, 20, 21) vorgesehen ist, dessen Abgriff mit der Geberversorgung verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verstärkerstufe (25) über einen Wahlschalter (45) mit nachgeschaltetem Potentiometer (46) an eine dritte, als Impedanzwandler aufgebaute Verstärkerstufe (44) angekoppelt ist, die zur Ansteuerung bestimmter Schreibgeräte und/oder UV-Schleifen vorgesehen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

«sämtliche-. Yerstärkerstufen mit integrierten Schalt-■f kreisen aufgebaut sind. ■